110kv变电站的防雷与接地

110kV变电站接地与防雷的设计

院系：机电与自动化学院

专业班：电气工程及自动化0806班

姓名：陈文龙

学号：20081131284

指导教师：胡胜

2012年5月

110kV变电站接地与防雷的设计

The Design of 110kV Substation Grounding and Lightning Protection

摘要

随着经济的快速发展，企业生产和家庭用电对电能质量的要求越来越高，同时使用电能的安全性的要求也在进一步提高。雷电一直是危害电力系统安全稳定运行的重要因素之一，如果变电站发生雷击事故，将造成大面积停电，给社会生产和人民生活带来不便，这就要求防雷措施必须十分可靠。文章对变电站防雷保护系统进行了研究，并提出了变电站防雷与接地措施。根据该变电站的基本情况，对该变电站的接地网防雷和保护进行设计，使该站的接地电压满足允许0值，跨步电压和接地电压不超过允许值，其接地电阻、接触电压和跨步电压都满足要求，选择合适的设备对雷入侵波引起的过电压进行保护，由变电站土建面积进行变电站电气总平面的布置，根据避雷针设置规则、变电站构架跨度及保护站内所有电器设备的要求，对站内进行避雷针设置构成防雷保护措施，使全站设备都处于防雷保护范围内。本文通过计算短路电流，从结论中选择合适接地材料，设置接地网，达到防雷保护变电站的全范围目的。

关键词：电力线路 110kV变电站防雷措施接地网设计

Abstract

With the rapid economic development, production and household electricity requirements of power quality are getting higher and higher use of electricity,at the same time the security requirements are further increased. Lightning has been one of the important factors that endanger safe and stable operation of power systems, if the substation lightning accident occurs, it will cause blackouts and inconvenience to the social production and people's lives, which requires lightning protection measures have to be very reliable. According to the substation, lightning protection and protection of the substation grounding grid design, the station and the ground voltage to meet the allowable value, the step voltage and ground voltage does not exceed the allowable value, the grounding resistance, touch voltage and stepvoltage requirements are met, select the appropriate equipment of lightning invasion wave overvoltage protection master plan layout of the electrical substation by substation civil area, set the rules according to the lightning rod, the requirements of the substation architecture span and protection stations all electrical equipment,station lightning rod to set the form of lightning protection measures, so that the whole station equipment in the lightning protection within. By calculating short-circuit current from the conclusion to select the appropriate grounding materials, set the ground network; to achieve the purpose of the full range of lightning protection of substations.

Keywords:power lines 110kv substation lightning protection measures ground grid design

目录

摘要.............................................................................................I Abstract.......................................................................................II 绪论 (1)

1 设计原始资料 (2)

1.1 设计变电站的基本情况 (2)

1.1.1 接地网与防雷保护的目的 (2)

1.1.2 变电站规模、容量与站区地理条件 (2)

1.1.3 系统容量及阻抗值 (2)

1.1.4 变电站电气平面布置总图 (2)

1.1.5 短路电流计算接线图 (3)

1.2 设计要求 (3)

1.3 设计的基本内容 (3)

2 短路电流计算 (4)

2.1 短路电流计算的目的与假定 (4)

2.1.1 短路电流计算目的 (4)

2.1.2 短路电流计算需要进行以下基本假定 (4)

2.2 短路计算过程说明 (4)

2.3 短路点的选择原则与确定 (5)

2.4 短路计算原理 (5)

2.5 计算基准值 (5)

2.5.1 等值电路图 (6)

2.5.2 参数标幺值 (6)

2.5.3 短路计算过程注意事项 (6)

2.5.4 计算序阻抗 (7)

2.5.5 短路电流详细计算 (10)

2.5.6 入地短路电流计算结果 (12)

3 接地网设计 (13)

3.1 变电站接地分类 (13)

3.2 变电站接地设计的必要性 (13)

3.3 变电站接地设计原则 (13)

3.4 变电站接地电阻的构成及降阻措施 (14)

3.5 接地网设计方案 (14)

3.6 接地网设计的计算 (15)

3.6.1 入地短路电流 (15)

3.6.2 接地电阻允许值计算 (15)

3.6.3 接触电压和跨步电压允许 (15)

3.6.4 人工接地极工频接地电阻 (16)

3.6.5 接地网表面最大接触电位差 (17)

3.6.6 接地网外的地表面最大跨步电位差 (17)

3.6.7 由接触电位差和跨步电位差反推接地电阻要求值 (18)

3.6.8 接地网计算结论 (18)

4 变电站的防雷设计 (19)

4.1 防雷保护装置 (19)

4.1.1 防雷保护装置概述 (19)

4.1.2 避雷针的保护范围 (19)

4.1.3 避雷器概述与要求 (21)

4.2 直击雷的保护原则 (22)

4.2.1 避雷针的装设原则及其接地装置的要求 (22)

4.2.2 直击雷保护装置的布置 (22)

4.3 雷电侵入波保护原则 (23)

4.3.1 雷电保护措施 (23)

4.3.2 变压器的防雷保护 (23)

4.3.3 避雷器的配置原则 (24)

4.4 本设计的防雷保护方案 (24)

4.4.1 避雷设备选择 (24)

4.4.2 避雷针位置布置 (24)

4.5 防雷保护配置和范围计算 (25)

4.5.1 避雷针保护范围 (25)

4.5.2 保护范围计算结果 (28)

4.6 避雷器的选择 (28)

总结 (29)

参考文献 (30)

致谢 (31)

绪论

随着近年来电力行业的不断发展，电力系统的供电安全成为一个很重要的问题，然而变电站在电力系统中占有重要位置，故变电站的安全可靠运行的工作就显得十分重要。

变电站接地系统的合理性是直接关系到人身和设备安全的重要问题。随着电力系统规模的不断扩大，接地系统的设计也越来越复杂。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；变电站接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。接地装置的设计中需要先进行短路计算，通过计算各个短路点的短路电流，然后经过比较选出短路电流的最大值，作为计算接地电阻最大允许值的短路电流，通过短路电流的最大值计算算出变压器中性点最大入地电流，再进行接地网设计的一系列的计算。

雷电是影响变电站安全运行的重要因素，变电站发生雷击事故，将造成大面积的停电，严重影响社会生产和人民生活，因此变电所防雷措施接地设施必须十分可靠。变电站对直击雷的防护方法是装设避雷针，将变电站的进线杆塔和室外电气设备全部置于避雷针的保护范围之内。结合该变电站的实际情况共设置4根避雷针。在变电站110kV出线的构架上装设2根25m高的避雷针#3、#4；在变电站南部的两个角落中，分别离墙边缘1m的地方装设2根25m高的避雷针#1、#2作为全站防直击雷的保护装置,并铺设良好的接地网，避雷针#3、#4装设直径为8m的圆形接地网，接地电阻不大于5 ；在#1、#2号避雷针布置集中接地极并与主接地网相连，独立接地网和主接地电网在地中距离保证在3m以上。为了防止在避雷针上落雷时对被保护物产生“反击”过电压，避雷针与被保护物之间应保持一定的距离。变电站内安装使用着各种类型的高、低压变、配电设备，这些设备均直接和供电系统的线路相连，而线路上发生雷电过电压的机会较多，因此更要注意防雷。

1 设计原始资料

1.1 设计变电站的基本情况

1.1.1 接地网与防雷保护的目的

根据该变电站的基本情况，对该变电站的接地网防雷和保护进行设计。使该站的接地电压满足允许值，跨步电压和接地电压不超过允许值；使全站设备都处于防雷保护范围，并且选择合适的设备对雷入侵波引起的过电压进行保护。

1.1.2 变电站规模、容量与站区地理条件

变电站性质：110kV变电站。

变电站土建面积：62.2×67.5m2(包括站区围墙)；

变压器：两台三绕组变压器容量120MVA连接组别 YN，yn0，d11；

出线规模：110kV出线4回，向北架空出线；

35kV出线6回，向东架空出线；

10kV出线通过电缆沟均由本所南侧出线。

站区地理条件：土质表层为旱地黑黄沙土、土、石方，变电站站址以旱土和山地为主，只有极少部分低产田，根据地质物探结果并且考虑了季节系数，该站土壤电阻率取100Ω/m 。

1.1.3 系统的容量及阻抗值

(1) 计算基准值:S

n =100MVA，U

n

=115、37、10.5KV

(2) 系统零序阻抗：X

s10 =0.1758，X

s20

=1.6384

1.1.4 变电站电气平面布置总图

图1-1 变电站电气平面布置总图

1.1.5 短路电流计算接线图

图1-2 短路电流计算接线图

1.2 设计要求

根据当地天气和土壤情况对变电站的接地网和防雷布置设计，使得变电站全站都在防雷保护范围之内，使得其接地电阻、接触电压和跨步电压都满足要求。掌握设计的一般程序，综合运用所学的专业课程知识，对防雷接地方案作一些技术比较。通过这次设计，要对变电站接地网与防雷保护设计有更深的了解，同时培养在设计上独立的思考能力，为从事电气工程方面的工作打下良好的基础。

1.3 设计的基本内容

(1) 最大入地短路电流的计算；

(2) 接地网接地电阻、最大接触电压、最大跨步电压的计算；

(3) 直击雷保护设计包括避雷针安装位置、避雷针高度、直击雷保护范围；

(4) 对变电站配电装置侵入雷电波的过电压保护措施进行设计。

2 短路电流计算

2.1 短路电流计算的目的与假定

2.1.1 短路电流计算目的

接地装置的设计中需要先进行短路计算，通过计算各个短路点的短路电流，然后经过比较选出短路电流的最大值，作为计算接地电阻最大允许值的短路电流，通过短路电流的最大值计算算出变压器中性点最大入地电流，再进行接地网设计的一系列的计算。

2.1.2 短路电流计算需要进行以下基本假定

(1) 正常工作时，三相系统对称运行。

(2) 所有电源的电动势相位角相同。

(3) 系统中的同步和异步电机均为理想电机，不考虑电机磁饱和、磁滞、涡流及导体集肤效应等影响；转子结构完全对称；定子三相绕组空间位置相差120度电气角度。

(4) 电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁芯的电器设备电抗值不随电流大小发生变化。

(5) 电力系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50%负荷接在高压母线上，50%负荷接在系统侧。

(6) 同步电机都具有自动励磁调整装置(包括强行励磁)。

(7) 短路电流为最大瞬间值。

(8) 不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流。

(9) 除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计。

(10) 元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围。

(11) 输电线路的电容略去不计。

2.2 短路计算过程说明

接地网设计中，短路电流计算是其中一个重要环节，只要想进行短路计算得出最大入地电流，才能进行接地电阻允许值的计算。计算时一定要注意以下几点：

(1) 接线方式：计算短路电流时方式，应是可能发生最大短路电流的正常接

线方式，即最大运行方式。

(2) 短路种类：应为是要计算变压器中性点最大入地电流，因此考虑两相接地短路和单相短路。

2.3 短路点的选择原则与确定

短路计算点是指在正常接线方式时，通过电器设备的短路电流为最大的地点。所选的短路点一定要是各种短路类型是最严重的情况，应为只要这样才能得出变压器中性点的最大入地电流，算出后才能进行接地电阻允许值的计算。而且一般不止选择一个短路点，而是通常选择2～3个分别进行计算，然后将计算结果进行比较。在该系统中分别选择了110kV 高压侧母线1d 、35kV 中压侧母线2d 、10kV 低压侧母线3d 这三个点进行短路计算。

2.4 短路计算原理

(1) 制定等值网络

①选取基准功率100=B S MVA ，基准电压av b V V =；

②系统1S 和2S 正、负电抗用1s X 、2s X ,略去网络各元件的电阻和输电线路的电容和变压器的励磁支路；

③ 无限大功率电源的内电抗等于零；

④ 略去负荷。

(2) 制定序网图

(3) 进行网络化简

(4) 根据《电力系统分析》短路计算中两相短路和单相短路的计算公式分别计算其短路的正序、负序和零序的电流。

2.5 计算基准值

表2-1 变电站网络等值电路参数基准值取值

2.5.1 等值电路图

由前面的已知条件可以得出下面的等值电路图：

图2-1 系统等值网络图 2.5.2 参数标幺值

系统侧正、负序电抗：

1s X =0.123556 2s X =1.418182

系统侧零序电抗：

10s X =0.1758 20s X =1.6384

变压器电抗：

140.00793X X ==- 250.34127X X == 360.214286X X ==

2.5.3 短路计算过程注意事项

在变电站的电气设计中，短路电流计算是其中一个重要环节，在计算最大允许接地电阻时，需要用到短路电流。其中一定要注意以下几点：

(1) 接线方式：计算短路电流时方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式，即最大运行方式。

(2) 短路种类：因为是三绕组变压器，所以选择的是单相和两相接地短路，因为其入地电流比较大。

(3) 短路计算点的选择：短路计算点是指在正常接线方式时，通过电器设备的短路电流为最大的地点。本变电站系统的短路计算点为110kV 高压侧、35kV 母线和10kV 母线处，分别记为1d 、2d 、3d 。

2.5.4 计算序阻抗

(1) 110kV 母线侧短路(即d1短路)

①正序、负序网络的合成阻抗等值电路

图2-2 d1正序、负序网络的合成阻抗等值电路图

由图2-2可得：51234()//()X X X X X =++=0.1667

6X =1.58485

正序输入阻抗：(1)ff X =6161

0.11462s s X X X X ?=+ 负序输入阻抗：(2)(1)ff ff X X ==0.11462

②零序网络的合成阻抗等值电路

图2-3 d1零序网络的合成阻抗等值电路图

由已知条件和图2-3可得：

13//X X =-0.00397

24//X X =0.0171

56//X X =0.1071

7X =[]()201356(//)////S X X X X X +=0.1005

8X =()724//X X X +=0.1176

零序输入阻抗：(0)ff X =810810

s s X X X X ?=+0.0705 (2) 35kV 母线侧短路(即d2短路)

①正序、负序网络的合成阻抗等值电路

图2-4 d2正序、负序网络的合成阻抗等值电路图

由已知条件和图2-4可得：

51234()//()X X X X X =++=0.1667

6X =51s X X +=0.29022

正序输入阻抗：(1)ff X =6262

0.2409s s X X X X ?=+ 负序输入阻抗：(2)(1)ff ff X X ==0.2409

②零序网络的合成阻抗等值电路

图2-5 d2零序网络的合成阻抗等值电路

7X =[]()102456(//)////S X X X X X +=0.0689

8X =()713//X X X +=0.0649

零序输入阻抗：(0)ff X =820820

s s X X X X ?=+0.0620 (3) 10kV 母线侧短路(即d3短路)

①正序、负序网络的合成阻抗等值电路

如图5-6可得：

13//X X =-0.00397

24//X X =0.0171

56//X X =0.1071

7X =[][]213124(//)//(//)S S X X X X X X ++=0.1279

正序输入阻抗：(1)ff X =756(//)X X X +=0.235

负序输入阻抗：(2)(1)ff ff X X ==0.235

图5-6 d3正序、负序网络的合成阻抗等值电路

②零序网络的合成阻抗等值电路

因为10kV 侧的变压器都是三角形接线，零序电流流不进去，所以当d3点短路时不存在零序电流，既而也不存在零序等值电路。

2.5.5 短路电流详细计算

(1) 110kV 侧 d1点短路：

①两相接地短路：(1)(2)(0)(//)js ff ff ff X X X X ??=+??=0.1583 正序电流：11d sj

I X ''== 6.316 零序电流：(2)

01(2)(0)ff d d ff ff X I I X X ''=

?=+ 3.915 该短路点短路电流的有名值：有名值=标幺值×基准值；

在d1点的电流基准值是：

B I ==0.502 kA 1d I ''有名 =1d B I I ''?=1d I

''=6.316×0.502=3.1706 kA 0d I 有名 =0d B I I ?

=0d I =3.915×0.502=1.6021 kA ②单相短路：(1)(2)(0)js ff ff ff X X X X =++=0.29974

正序电流：11d js

I X ''==3.336 零序电流：01d d

I I ''==3.336 各短路电流的有名值：

1d I ''有名 =1d B I I ''?=1d I

''×0.502=1.6747 kA 0d I 有名 =1d

I ''有名= 1.6747 kA (2) 35kV 侧 d2点短路：

①两相接地短路：(1)(2)(0)(//)js ff ff ff X X X X ??=+??=0.2886 正序电流：21d sj

I X ''==3.465 零序电流：(2)

01(2)(0)ff d d

ff ff X I I X X ''=?=+ 2.779 该短路点短路电流的有名值：有名值=标幺值×基准值；

在d2点的电流基准值是：

B I ==1.56 kA 2d

I ''有名 =2d B I I ''?=2d I

''×1.56=5.4054 kA 0d I 有名 =0d B I I ?

=0d I =2.779×1.56=4.3352 kA ②单相短路：(1)(2)(0)js ff ff ff X X X X =++=0.5413 正序电流：21d js

I X ''==1.847 零序电流：02d d

I I ''==1.847 各短路电流的有名值：

2d I ''有名 =2d B I I ''?=2d I

''=1.847×1.56 =2.881 kA 0d I 有名 = 2d

I ''有名 =2.881 kA

(3) 10kV 侧d3点短路：

①两相短路接地：(1)(2)js ff ff X X X =+=0.235+0.235 正序电流：31d sj

I X ''==2.128 kA 该短路点短路电流的有名值：有名值=标幺值×基准值；

在d3点的电流基准值是：

B I ==5.499 kA 3d

I ''有名 =3d B I I ''?=3d I

'' =2.128×5.499=11.70 kA ②单相短路：因为不存在零序输入阻抗，因此单相短路时不存在短路电流。

2.5.6 入地短路电流计算结果

表2-2 短路计算结果

从表2-2中的计算结果可知35kV 母线上发生两相接地短路时，短路电流具有最大值，因此将d2点两相接地短路时的短路零序电流作为接地装置接地电阻计算时的短路电流值。因为短路电流经过变压器中性点入地时将变为原来数值的三倍，所以m 0I 3ax I =，即入地短路电流：

m 0I 3ax I ==3×4.3352=13.01kA

3 接地网设计

3.1 变电站接地分类

变电站接地系统的合理与否是直接关系到人身和设备安全的重要问题。随着电力系统规模的不断扩大，接地系统的设计对变电站的安全运行有着重要的作用。变电站接地包含工作接地、保护接地、雷电保护接地。

(1) 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；

(2) 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；

(3) 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。变电站接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。

3.2 变电站接地设计的必要性

接地是避雷技术最重要的环节，不管是直击雷，感应雷或其它形式的雷，雷击过电流都将通过接地装置导入大地。因此，没有合理而良好的接地装置，就不能有效地防雷。从避雷的角度讲，把接闪器与大地做良好的电气连接的装置称为接地装置。接地装置的作用是把雷电对接闪器闪击的电荷尽快地泄放到大地，使其与大地的异种电荷中和。变电站的接地网上连接着全站的高低压电气设备的接地线、低压用电系统接地、电缆屏蔽接地、通信、计算机监控系统设备接地，以及变电站维护检修时的一些临时接地。如果接地电阻较大，在发生电力系统接地故障或其他大电流入地时，可能造成地电位异常升高；如果接地网的网格设计不合理，则可能造成接地系统电位分布不均，局部电位超过规定的安全值，这会给出运行人员的安全带来威胁，可能因反击对低压或二次设备以及电缆绝缘造成损坏，使高压窜入控制保护系统、变电站监控和保护设备会发生误动、拒动，酿成事故，甚至是扩大事故，由此带来巨大的经济损失和社会影响。

3.3 变电站接地设计原则

(1) 尽量采用建筑物地基的钢筋和自然金属接地物连接地来作为接地网；

(2) 尽量以自然接地物为基础，辅以人工接地体补充，外形尽可能采用闭合环形；

(3) 应采用统一接地网，用一点接地的方式接地。