变电站防雷设计案例

目录
封面 (1)
目录 (2)
概述 (3)
设计依据 (3)
勘测内容 (3)
设计方案 (3)
工程预算 (6)
参考文献 (7)
变电站防雷设计方案
一、概述
电力系统中，变电所接地安全至关重要，其设计也十分复杂。

变电站接地包含工作接地、保护接地、雷电保护接地。

工作接地即为电力系统电气装置中，为运行需要所设的接地；保护接地即为电气装置的金属外壳、配电装置的构架和线路杆塔等，由于绝缘损坏有可能带电，为防止其危及人身和设备的安全而设的接地；雷电保护接地即为为雷电保护装置向大地泄放雷电流而设的接地。

近年来，随着防雷行业的不断发展，防雷接地科研成果的推陈出新，许多防雷企业受邀参与电力系统变电所接地项目的设计和施工，尤其是在高电阻率地区的变电所，其降阻十分困难，防雷企业进行了深度降阻的研究，形成了一套较科学的降阻思路，为电力建设提供了很多帮助。

但是，变电所地网安全除了对接地阻抗有要求外，还对地网的结构、使用寿命、跨步电位差、接触电位差、转移电位危害等提出了较高的要求。

因此，一个科学、完善、系统的变电所接地方案应该突破只做降阻设计的思路，综合考虑各方面的要求，形成完整的设计方案。

一般新建变电所接地设计分为以下步骤：
二、设计依据
1.GB50057-94<<建筑物防雷设计规范>>
2.GB50343-2004<<建筑物电子信息系统防雷技术规范>>
3.GB50174-93<<计算机机防设计规范>>
4.GB/T50311-2000<<建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范>>
5.GB 682-64<<剩余电流动作保护器>>
三、防雷设计总体说明原始信息的收集及勘察内容
接地设计中，原始信息的收集尤为重要，原始信息的准确与全面将直接决定设计的质量。

一般变电所地网设计应收集地网的用途、接地电阻值、使用年限、计算用流经接地装置的入地短路电流、接地短路电流持续的时间、《地勘报告》、气候特点等内容。

对于土壤电阻率较高的变电所，现场勘察应重新测试土壤电阻率并与《地勘报告》相比较，土壤电阻率的准
确与否将直接决定降阻设计的成败。

站内土壤电阻率获知后，还需了解变电所周边情况，了解河流走向，地下水位，周边植被、土层结构、可利用的接地面积以及周边典型地点的土壤电阻率。

对于工程设计，还需要考虑项目实施的难度和成本，现场勘察时应了解交通、人工、机械、水电、征地费用等多方面情况，达到设计经济且可实施。

四、分项防雷设计方案
1、降阻措施的选择
变电站地网建设一般要求在站内完成降阻及安全保障设计，这对土壤电阻率较低的地区是不难的。

但是，对于很多高土壤电阻率地区的变电站，仅利用站内的面积是无法达到较高要求的接地电阻值。

为此，应先根据
公式
R：地网接地电阻
Ω：土壤电阻率Ω.m
S：地网面积m2
估算地网大概需要的面积，然后确定需要采用的降阻措施。

降阻措施的确定应该遵循科学、经济、可实施的原则。

科学的降阻措施一般包括：横向扩大地网面积、大面积换土、网路回填电阻率低的物质、纵向延伸地网至土壤电阻率较低的地方、敷设水下地网、采用高效降阻材料等，但针对不同变电所接地项目，还需作经济性能比较和现场可实施条件的确定。

多个工程案例初步表明:
1、向扩大地网面积的措施需要大量的征地，而征地工作是建设工程中难度很大的一项工
作，往往将导致整个工程成本增加很高甚至无法实施；
2、大面积换土的措施涉及到买土、运输、回填量大等问题，工程成本也比较高，建设方一
般无法承受；
3、网路回填电阻率低的物质目前使用较多的为物理长效降阻剂；
4、纵向延伸地网至土壤电阻率较低的地方的措施使用最多的为深井接地，深井接地的降阻
机理分为两部分，一是通过深井接触地下水或地下土壤电阻率较低的地方，从而降低接地电阻；二是通过深井及配套材料，扩大及改善接地体周围土壤的散流效果，从而降低接地电阻；
5、敷设水下地网措施一般用在水源较近且难度很大的接地设计中采用，一般用在山区水电
站接地项目中；
6、采用高效降阻材料，目前使用的离子接地体等高效接地材料经济性价比较高，尤其是在
高土壤电阻率地区的接地设计中被广为采用。

2、降阻材料的选择
采用高效的降阻材料是降阻的最便捷方式。

许多高土壤电阻率地区的变电所最终降阻成功，都得益于材料使用的正确。

但是，材料应用的原则应该在考虑降阻的同时，考虑其防腐，这关系到地网的使用年限，如果材料防腐蚀能力差，不能达到设计年限，同样会因接地材料的失效而引起变电站运行事故。

下表对常用接地材料的降阻效果、防腐蚀能力、成本作大概的比较，以供参考：
通过上表可以看出，采用传统接地材料如角钢扁钢，虽然单位材料的价格便宜，但实际应用于整体项目时，由于其降阻效果差和使用年限低，一方面必须增加用量，同时扩大征地面积；另一方面腐蚀太快，中间维护和改造频繁，最终产生的费用很高，同时容易给变电所运行带来很大的安全隐患；而采用降阻效果好的、防腐蚀能力强的接地材料，虽然单位材料的价格较高，同样在应用于整体项目时，由于其降阻效果好和使用年限长，一方面用量少，不需要大面积征地，另一方面抗腐蚀能力强，中间不需要维护和改造，最终成本反而很低，同时保证了地网的稳定性和可靠性。

所以，设计工作中，应全面综合比较选择材料，从而获得最优化的设计方案。

3、接地材料热校验及寿命
一般校验过程如下：
根据公式：
公式
mm
S：接地线最小截面2
I：流过接地线的短路电流稳定值A
T：短路的等效持续时间s
C：接地线材料的热稳定系数。

在校验接地线的热稳定时、及c应采用下表所列数值。

接地线的初始温度一般取40ºC。

在爆炸危险场所，应按专用规定执行。

a）发电厂、变电所的继电保护装置配置有2套速动主保护，近接地后备保护，断路器失灵保护和自动重合闸时，可按下式取值
≥ ＋＋
式中：主保护动作时间s
断路器失灵保护动作时间s
断路器开断时间s
b）配有一套速动主保护、近或远（或远近结合的）后备保护合自动重合闸，有或无断路器失灵保护时，可按下式取值
≥ ＋
式中：第一级后备保护的动作时间s
根据热稳定条件，未考虑腐蚀时，接地装置接地极的截面不宜小于连接至该接地装置的接地线截面的75％。

必须说明的是，对于复合金属如铜包钢，表面的铜层很薄，主要用于防腐蚀，热校验的时候应该完全按钢材质校验，但防腐应采用铜的腐蚀率计算。

接地材料的寿命关系到接地网的整体安全，防止一定年限后地网因腐蚀出现断开、接触不良等情况，导致安全事故。

材料经过热校验后，还应采集材料埋设环境的腐蚀率，以30
年寿命为例，计算其被腐蚀程度。

材料最终尺寸应该大于满足热校验的尺寸与30年被腐蚀尺寸之和。

以陕西府谷县XX变电站项目水平接地材料选择过程如下：
热校验得接地线最小截面为469.4mm2
最初选择－60 8 热镀锌扁钢作为设备引下线，未考虑腐蚀时，接地装置接地极的截面：满足要求。

主接地网腐蚀率：0.065mm/年；考虑寿命：30年
主接地网取一根－60 8 热镀锌扁钢
则：60 （8－0.065 30）＝363mm2<469.4 mm2
不满足要求，需要采用更大型号钢材或使用铜材，最终确定采用经济实用的铜包钢线。

4、地网跨步电位差、接触电位差校验
高接地电阻要求的地网形状一般包含站内均压地网与站外辅助地网，地网的形状、范围、网格尺寸确定后，同时对于站内网格地网还应进行地网跨步电位差、接触电位差校验、避雷器热击穿校验等。

如陕西府谷县XX变电站项目校验过程如下：
已知条件
地网埋深H=1.8 m
接地极等效直径d = （-60×8扁钢）
土壤电阻率= 400Ω.m
接地网面积S=32817.4m2
水平接地极总长度L=6383.9m
接地网的外边缘总长度L0=783.2m
均压带计算根数n =
计算用入地短路电流为I＝23.913A
设计接地电阻为R＝0.4Ω
接地装置的电位u为：
U g=IR=23.913×0.4=9.57kV
接地网地表面的最大接触电位差
U tmax=K tmax U g
K tmax=K d K L K n K P
由于30×30m2<32817.4m2<500×500m2则
K d=0.841-0.225lg d=0.841-0.225lg0.03=1.18
K L=1方孔地网
K n=0.076+0.776/n=0.076+0.776/17=0.122
K s=0.234+0.414lg =1.169
K tmac= K d K L K n K S=0.168
U tmax=K tmax U g=1607.76V
允许接触电位差
则U tmax=1607.76V>U t=171.1V，不满足要求。

6.3接地网外的地表面最大跨步电位差(T=0.8m跨步距离)
U smax=K smax U g
＝ 0.023
U smax=K smax U g=220.11V
允许跨步电位差
则 U smax=220.11V< U s=321.0V，满足要求。

根据以上校验发现，虽然接地电阻降到了要求的0.4Ω，但接触电压不能满足要求，同样不能满足安全运行的要求，通过校验认识此问题后，设计补充措施为在人员经常走动的维护通道、操作机构四周铺设直径为50-60mm的砾石，其厚度不小于150-200mm，从而保障值守维护人员的生命安全。

5、设计冗余及补充措施
由于地质结构的复杂性和接地设计的特殊性，地网设计中一般要对达到的接地电阻值留一定的冗余，从而保证设计方案的科学性；同时，对于复杂地网的设计，可以分期设计，根据实际情况及时采取补充措施或预留补充方案。

五、工程预算(略)
六、结语
变电所接地设计需要综合考虑多方面的要求和指标，防雷企业应该充分了解电力系统自身特点，突破只做降阻设计的局限，适应变电站整体地网设计的市场要求，从而提高自身技术实力，为电力系统提供更高质量的服务。

参考文献：
《交流电气装置的接地》DL/T621-1997
《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T 620-1997。