变电站防雷接地技术

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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）

题 目： 110KV变电站防雷接地技术

学习中心： 伊犁经贸培训中心奥鹏中心 层 次： 专科起点本科 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2010年秋季 学 号： 学 生： 指导教师： 完成日期： 2012年07月09日

110KV变电站防雷接地技术

内容摘要

随着电力系统规模的不断扩大，大规模集成电路广泛应用于变电站二次设备，一旦有雷电波侵入，容易造成二次设备损坏，有的甚至使整个系统瘫痪，造成无可挽回的损失。变电所是电力系统的重要组成部分，因此它是防雷的重要保护部位。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。

本论文针对目前变电站设备中防雷技术的中存在的问题，提出详尽的防雷解决方案，还介绍了变电站接地设计的必要性和设计原则，阐述了变电站接地电阻的测量和降阻措施，提出了变电站电气设备防雷措施。

关键词：变电站；防雷措施；接地设计；接地电阻

I

110KV变电站防雷接地技术

目 录

内容摘要 ····························································································· I 1 绪论 ······························································································· 1

1.1 变电站防雷接地的意义 ······························································ 1 1.2 本次课题的研究背景 ································································· 1 1.3 本次论文的主要工作 ································································· 2 2 变电站的防雷保护 ············································································ 4

2.1 变电站的直击雷保护 ································································· 4 2.2 变电站的侵入波保护 ································································· 5 2.3 变电站的进线段保护 ································································· 6 2.4 避雷针与避雷器的保护范围的计算 ··············································· 7 2.5 防雷击的保护 ········································································ 10 3 变电站的防雷接地 ·········································································· 11

3.1 接地概述 ·············································································· 11 3.2 接地电阻 ·············································································· 11 3.3 变电所接地装置 ····································································· 14 3.4 变电站的接地原则 ·································································· 15 3.5 降低变电所接地装置工频接地电阻的措施 ···································· 16 4 变电所防雷接地设计实例 ································································· 18

4.1 变电所的规模 ········································································ 18 4.2 变电所位置的自然条件 ···························································· 18 4.3 避雷针的设置及防雷保护校验 ··················································· 18 4.4 接地装置的设置 ····································································· 22 5 结论 ····························································································· 25 参考文献 ··························································································· 26

II

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1 绪论

1.1 变电站防雷接地的意义

雷电一直是影响电力系统安全稳定运行的重要原因，对于处在雷电频发地区的电力设备来说，防雷保护就显得至关重要。我国是雷电活动十分频繁的国家，全国有21个省会城市雷暴日都在50天以上，最多可达134天。据不完全统计，我国每年因雷击造成人员伤亡达3000~4000人，损失财产50~100亿元人民币。随着社会经济发展和现代化水平的提高，特别是信息技术的快速发展，雷电灾害程度和造成的经济损失及社会影响也越来越大[1]。

变电站的作用是改变电压，在电力系统中起着很重要的作用，不幸遭遇雷击，极有可能对电器设备造成严重的损坏，以至于正常的运行受到影响而导致大面积的停电，现在的变电站都有较为完善的防雷接地保护措施，变电站的设备遭雷击损坏的概率较小，变电站的防雷措施得以进一步完善，基本能够确保电力系统运行的正常。电力系统的安全运行有两方面的要求，一是要保证设备及人身的安全，二是要保证电力系统的正常运行。这些都与接地装置的设计是分不开的。在以往电力的规程中，在跨步电压满足的前提下，发电厂、变电站的接地电阻应小于0.5欧姆的标准。然而在新的电力规程《交流电气装置的接地》中[2]，对接地电阻有了更高的要求；另一方面，在电力系统的规模逐渐扩大的同时，而短路电流却随之增加，这也对接地设计的难度大大加高了。在高土壤电阻率区，这一问题尤为突出，因此对降低接地的电阻必须采用各种措施。

变电站是电力系统防雷的重要保护设施，如果发生雷击事故，将造成大面积的停电，严重影响社会生产和人民生活。为保证电力系统的安全运行，电力系统应根据被保护物的重要性和危险程度的不同，对于直接雷、雷电感应、雷电侵入波应采取相应的防雷保护措施。因此要求变电站的防雷保护措施必须十分可靠。

1.2 本次课题的研究背景

上世纪70年代中期发展起来的基于磁场定位和时差定位原理的雷电定位系统，使雷电测量更为准确和及时[2-3]。长期以来，国内外学者在雷电活动规律、雷击线路物理过程方面做了大量的研究工作，建立起较为完善的输电线路防雷理论体系。雷电流幅值、波形、地闪密度以及线路落雷次数对于分析线路防雷性能极为重要。目前，雷电定位系统组成的雷电监测网络已在我国和北美、日本、韩国、欧洲等世界许多国家得到运用，它能帮助电力部门实现故障定位、分类、准确计算地面落雷密度等雷电参数，但雷电数据分散性较大，需要长期统计雷电数据。

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但总体上变电站的防雷安全形势不容乐观，主要表现在：一是社会公众防雷安全意识不强,对雷电灾害的危害性认识不够,存在侥幸心理；二是随着社会经济的发展,雷电灾害的危害途径增多,防雷安全理念已发生巨大变化,不仅要有传统的防御直击雷,还要防感应雷的新时代,而许多措施仍然停留在传统的防雷阶段。

在现代社会里，电力已成为国民经济和人民生活必不可少的二次能源，它在现代工农业生产、人们日常生活及各个领域中已获得了广泛应用。我国城乡各行各业广泛使用的电力，绝大部分由电网供给，所以，“电业事故是国民经济的一大灾难”。

由于我国农村变电站大多建于旷野开阔的偏僻地区，附近高层建筑较少，是雷电的多发区，加之农村变电站一般是110KV以下的小型变电站，对变电站设计重视不够，考虑问题不尽全面，造成农村变电站成为易受雷击的“重灾区”。防雷接地技术不仅是电气安全工程技术的一方面，更是电气安全工作的重中之重。变电站是电力系统的心脏和枢纽，一旦遭受雷击，引起变压器等重要电气设备绝缘毁坏，不但修复困难，而且造成大面积、长时间停电，必然给国民经济带来严重损失，跟人民生活带来诸多不便。因此，变电站的防雷接地保护技术必须十分可靠。

变电站的防雷和接地问题既非常的复杂又至关重要不可或缺，它的好与坏直接对电气系统的设备和人身的安全造成严重的后果[3]。特别是如今随着电力系统的日益发展，电网规模的逐渐扩大，接地短路电流被要求的越来越大。各式各样的微机监控设备的不断普及和应用，同样对防雷接地的要求逐渐增高。以前由于接地装置的一些问题从而引发了主设备的损坏，变电站一度停止运行带来了巨大的损失和严重的问题，给电网的稳定运行造成了很大的麻烦，因此变电站的防雷接地措施必须要高度的重视起来。变电站的接地系统是保护电力系统的正常运行，保障设备及人身安全的措施之一。

1.3 本次论文的主要工作

随着电力工业的发展，自动化程度越来越高，对安全供电的要求也越来越高。为了防止各种电气事故，保障人民生产、生活的正常有序进行，电气安全已成为社会关注对象，各种电气安全措施也正在建立与完善。

电气安全工作是一项综合性的工作，有工程技术的一面，也有组织管理的一面。工程技术和组织管理相辅相成，有着十分密切的联系。电气安全工作主要有两方面的任务。一方面是研究各种电气事故，研究电气事故的机理、原因、构成、

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特点、规律和防护措施；另一方面是研究用电气的方法解决各种安全问题，即研究运用电气监测、电气检查和电气控制的方法来评价系统的安全性或获得必要的安全条件。

本文选110KV变电站作为设计对象，分析该变电站的防雷接地设计。本次论文主要研究110KV变电站的部分防雷接地的设计。分为四个大的章节来进行阐释；第一章节是绪论部分，介绍了本次课题的研究背景，国内外的发展状况，本次课题所能达到的目的和意义；第二章节介绍本次所设计的110KV变电站中雷击的危害，范围，分类，采取的措施等等，第三章节讲述了变电站在防雷中采取的接地装置，降低接地装置工频电阻的措施；第四章节讲述 变电所的规模，变电所位置的自然条件，避雷针的设置及防雷保护校验，接地装置的设置。最后进行总结，学习利用各种防雷接地装置等，实现对变电站的直击雷防护、雷电侵入波防护以及变电站的接地保护设计，具有一定广泛性。

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2 变电站的防雷保护

变电站遭受雷击的主要原因：

雷电是雷云层接近大地时，地面感应出相反电荷，当电荷积聚到一定程度，产生云和云之间以及云和大地之间放电，迸发出光和声的现象。供电系统在正常运行时，电气设备的绝缘处于电网的额定电压作用之下，但是由于雷击的原因，供配电系统中某些部分的电压会大大超过正常状态下的数值，通常情况下变电站雷击有两种情况：一是雷直击于变电站的设备上，二是架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站。其具体表现形式如下：

（1）直击雷过电压。

雷云直接击中电力装置时，形成强大的雷电流，雷电流在电力装置上产生较高的电压，雷电流通过物体时，将产生有破坏作用的热效应和机械效应。

（2）感应过电压。

当雷云在架空导线上方，由于静电感应，在架空导线上积聚了大量的异性束缚电荷，在雷云对大地放电时，线路上的电荷被释放，形成的自由电荷流向线路的两端，产生很高的过电压，此过电压会对电力网络造成危害。

（3）雷电侵入波。

架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站，是导致变电站雷害的主要原因，若不采取防护措施，势必造成变电站电气设备绝缘损坏，引发事故[4]。

防雷措施总体概括为2种: ①避免雷电波的进入；

②利用保护装置将雷电波引入接地网。

防雷保护措施应根据现场常见的雷击形式、频率、强度以及被保护设施的重要性、特点安装适宜的保护装置。

2.1 变电站的直击雷保护

1.避雷针的装设原则及其接地装置的要求

(1)避雷针宜设的接地装置。在非高土壤电阻率地区，其工频接地电阻不宜超过10。当有困难时，该接地装置可与主接地网连接，使两者的接地电阻都得到降低。但为了防止经过接地网反击35kV及以下的设备，要求避雷针与主接地网的地下接地点至35kV及以下的设备与主接地网的地下连接点，沿接地体的长度不得小于15m。经15m长度，一般能将接地体传播的雷电过电压衰减到对35kV

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及以下的设备不危险的程度。

避雷针不应设在人经通行的地方，避雷针及其接地装置与道路或出入口等的距离不宜小于3m，否则应采取均压措施，或铺设砾石或沥青地面[4-6]。

(2)电压110kV及以上的配电装置，一般将避雷针装在配电装置的架构或屋顶上，但在土壤电阻率大于1000m的地区，宜装设避雷针。否则，应通过验算，采取降低接地电阻或加强绝缘等措施，防止造成反击事故。

装在架构上的避雷针应与接地网连接，并应在其附近装设集中接地装置。装有避雷针的架构上，接地部分与带电部分间的空气中距离不得小于绝缘子串的长度；但在空气污秽地区，如有困难，空气中距离可按非污秽区标准绝缘子串的长度确定。避雷针与主接地网的地下连接点至变压器接地线与接地网的地下连接点，沿接地体的长度不得小于15m。

在变压器的门型架构上，不应装设避雷针、避雷线。这是因为门型架构距变压器较近，装设避雷针后，架构的集中接地装置距变压器金属外壳接地点在地中距离很难达到不小于15m的要求。

2.直击雷保护装置的布置

综上所述，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，接地网和主接地电网在地中距离保证在3m以上。

电器设备接地引下分支线采用40×4mm2的扁钢与主接地网连接，单支柱电器设备采用一根引下线，双支柱电器设备采用两根引下线，相互焊接的A型架和龙门架采用两根引下线，主变压器基础、站用变压器基础、断路器基础，电力电容器基础采用两根引下线。

2.2 变电站的侵入波保护

变电站对侵入波的防护的主要措施是在其进出线上装设阀型避雷器，避雷器装设在被保护物的引入端，其上端接在线路上，下端接地，一般安装在变电站母线上。阀型避雷器的基本元件为火花间隙和非线性电阻。目前，SFZ系列阀型避雷器，主要用来保护中等及大容量变电站的电气设备[6]。FS系列阀型避雷器，主要

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用来保护小容量的配电装置。

变电站中侵入波的主要设备是避雷器，它接在变电站的母线上，与被保护设备相并联，并使所有设备受到可靠保护。

1.雷电保护措施

变电站配电装置对侵入雷电波的过电压保护是采用氧化锌避雷器及与氧化锌避雷器相配合的进线保护段等保护措施。

110kV及35kV的配电装置电器设备绝缘与氧化锌避雷器以雷电冲击10kA为基准，配合系数取不小于1.4；10kV的配电装置电器设备绝缘与氧化锌避雷器以雷电冲击5kA为基准进行配合。

进线保护段的作用，在于利用其阻抗来雷电流幅值和利用其电晕衰耗来降低雷电波陡度，并通过进线段上避雷器的作用，使之不超过绝缘配合所要求的数值。

2.变压器的防雷保护

变压器是变电站最重要的电器设备，但由于其绝缘较为薄弱，因而必须对变压器装设防雷保护。

(1) 三绕组变压器正常运行时，有时会出现只有高、中压绕组工作而低压绕组开路的运行情况，这时，万一高、中压绕组有雷电波入侵，由于通过绕组间的静电和电磁耦合，使其低压侧出现过电压而危及变压器的绝缘，因此，必须在低压绕组任一相直接出口处对地加装一个氧化锌避雷器。

(2) 对于中性点不接地或经消弧线圈接地的系统，变压器是全绝缘的，由于三相受雷电波入侵的概率很小，而且一般变电站的进线不止一条，当发生雷击时，非雷击进线起到分流作用，因而其中性点一般不需保护；对于中性点接地系统，变压器通常是分级绝缘的，此时需要在中性点上装设氧化锌避雷器或间隙保护。

2.3 变电站的进线段保护

要流经避雷器的雷电电流幅值和雷电波的波度，就必须对变电站进线实施保护。当线路上出现过电压时，将有行波导线向变电站运动，起幅值为线路绝缘的50%冲击闪络电压，线路的冲击耐压比变电站设备的冲击耐压要高很多。因此，在接近变电站的进出线上加装避雷线是防雷的主要措施[7-8]。如不架设避雷线，当遭受雷击时，势必会对线路造成破坏。变电站进线保护是在靠近变电站出线架1～2km线路上所采取的可靠的防雷保护措施，变电站进线保护具体措施视变电站的线

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路情况而定。

2.4 避雷针与避雷器的保护范围的计算

雷击只能通过拦截导引措施改变其入地路径。接闪器有避雷针、避雷线。小变电所大多采用避雷针，大变电所大多在变电所架构上采用避雷针或避雷线，或两者结合，对引流线和接地装置都有严格的要求。首先介绍相关方面的知识: 装设避雷针是直击雷防护的主要措施, 避雷针是保护电气设备、建筑物不受直接雷击的雷电接受器。它将雷吸引到自己的身上, 并安全导人地中, 从而保护了附近绝缘水平比它低的设备免遭雷击。变电站装设避雷针时, 应该使站内设备都处于避雷针保护范围之内。对于110KV及以上的变电站, 由于此类电压等级配电装置的绝缘水平较高, 可以将避雷针直接装设在配电装置的架构上, 因此, 雷击避雷针所产生的高电位不会造成电气设备的反击事故。

1.110KV变电站年预计雷击次数N

由于110KV变电站，占地面积长100m，宽40m,变电站的最高点高度为20m,当地年平均雷电日为80，故有：

NkNgAe0.024kTd1.3Ae

Ae[LW2(LW)H(200H)H(200H)]*106

[50402(5040)20(20020)3.1420(20020)]106

=0.124104

1.3k=1；Td=40；Td=401.3=360.97

故N=0.024×1×120.97×0.1241=0.8700次/a

即该变电站可能平均运行9年就要遭受一次雷击。 2. 避雷针的保护范围

装设避雷针应该使变电站的所有设备和构筑物处于保护范围内

[9-11]

。避雷针的

设计一般有以下两种类型：单支避雷针的保护和两针或多支避雷针的保护。

(1) 单根避雷针的保护范围如图4-1所示。设避雷针的高度为h(m)，被保护物体的高度为hx(m)，则避雷针的有效高度为hahhx，在hx高度上避雷针保护范围的半径rx(m)由以下公式计算： 当hx≥h时： 2rx(hhx)phap (2.1)

当hx2

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rx(1.5h2hx)p (2.2)

式中 p——高度校验系数；

当h≤30m时，p=1；当30mhahhxh/245°0.75h1.5hhx水平面上保护范围的截面 rx图2.1 单根避雷针的保护范围

(2) 工程上多采用两支以及多支(等高或不等高)避雷针以扩大保护范围。 ①等高避雷针的联合保护范围要比两针各自保护范围的和要大。避雷针的外侧保护范围同样可以由公式4-1和4-2确定，而击于两针之间单针保护范围边缘外侧的雷，可能被相邻避雷针吸引而击于其上，从而使两针间保护范围加大，如图4-2所示。

保护最底点高度(0点的高度)：

h0hD (2.3) 7p②避雷针保护宽度bx。

按《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T621—1997)中的两等高h避雷针间保护范围的一侧最小宽度bx与D/haP的关系)确定。当bx＞rx时，取求得bx后，可按图绘出两针间的保护范围。两针间距离与针高之比D/h不bxrx。宜大于5。

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R0D/7p1O2O-O'截面hahhxrxo'h0h/2h0bxhxDhx水平面上保护范围的距离bx1.5h1.5h0rxbx图2.2 两根等高避雷针的保护范围

图2.3 两等高h避雷针间保护范围的一侧最小宽度bx与D/haP的关系 防雷措施总体概括为2种：①避免雷电波的进入；②利用保护装置将雷电波引入接地网。防雷保护措施应根据现场常见的雷击形式、频率、强度以及被保护设施的重要性、特点安装适宜的保护装置。

雷击只能通过拦截导引措施改变其入地路径。接闪器有避雷针、避雷线。小变电所大多采用避雷针，大变电所大多在变电所架构上采用避雷针或避雷线，或两者结合，对引流线和接地装置都有严格的要求。

避雷器能将侵入变电所的雷电波降低到电气装置绝缘强度允许值以内。我国主要是采用金属氧化物避雷器(MOA)，西方国家除用MOA外，还在所有电气装置上安装空气间隙，作为MOA失效后的后备保护。

3. 避雷器的选择

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根据安装地点电网额定电压的不同，选择氧化锌避雷器如表。

表2.1 氧化锌避雷器参数表

安装 地点 型号 额 定 电 压 有效值kV Y10W-100/260 HY5WZ-51/1335kV侧 4 HY5W-16.5/410 kV侧 5 110kV侧 100 51 16.5 最大持续运行电压 有效值 kV 78 40.8 13.6 操作冲击(30~100μs) 10kA残压（峰值）kV 221 114 45 雷电冲击（8/20μs） 10kA残压（峰值）kV 260 134 56.8 陡坡冲击（1μs）10kA残压（峰值）kV 291 154 38.3 2.5 防雷击的保护

避雷设备选择，由于本站是一个较小型的110kV变电站，电站东西长92.2米，南北长87.5米，面积比较小。避雷针位置布置：据《电力工程电气设计手册 电气一次部分》和《110kV变电站典型设计》中对于110kV变电站防雷保护设计相关规定和避雷针安装原则，可以确定本变电站将2根避雷针安装在110kV出线的构架上，另外2根安装在变电站南部的两个角落中，分别离所靠近墙边缘1m。据《电力工程电气设计手册 电气一次部分》和《110kV变电站典型设计》确定本站的防雷装置选择避雷针，因为需要全站都在雷电保护范围内，因此在站内安装4个等高避雷针，避雷针高25m。避雷器是用以由线路传来的雷电过电压或由操作引起的内部过电压的一种电器设备。避雷器是一种放电器，并联连接在被保护设备附近，当作用电压超过避雷器的放电电压时，避雷器即先放电，了过电压的发展，从而保护了其他电器设备免遭击穿损坏。目前使用的避雷器有以下四种类型：保护间隙式避雷器、排气式避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器。

氧化锌避雷器的安装位置和组数，应根据电器设备和雷电冲击绝缘水平和避雷器特性以及侵入波陡度，并结合配电装置的接线方式确定。

避雷器至电器设备的允许距离还与雷电季节经常运行的进线路数有关。进线数越多则允许距离可相应增大。

断路器、隔离开关、耦合电容器等电器绝缘水平比变压器为高。因此，避雷器至这些设备的最大允许距离可增大。

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3 变电站的防雷接地

接地装置的设计对于电力系统的安全运行至关重要，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，接地系统的设计越来越复杂[12]。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。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。

3.1 接地概述

接地就是将电力或建筑电气装置、设施中某些导电部分，经接地线接至接地极。

接地根据工作内容划分为以下几种： 1．工作接地

工作接地是为系统正常工作而设置的接地。如为了降低电力设备的绝缘水平，在及以上电力系统中采用中性点接地的运行方式，在两线一地的双极高压直流输电中也需将其中性点接地。除主设备的接地外，在微电子电路中，根据电路性质不同，还有各种不同的工作接地比如直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、功率地、电源地等。

2．防雷接地

为了避免雷电的危害，避雷针、避雷线和避雷器等防雷设备都必须配以相应的接地装置以便将雷电流引入大地。

3．安全接地

为了保证人身的安全，将电气设备外壳设置的接地。任何接地极都存在着接地电阻，正因为如此，当有电流流过接地体时，在接地电阻上的压降将引起接地极电位的升高电流在地中扩散时，地面会出现电位梯度。

3.2 接地电阻

接地电阻就是电流由接地装置流入大地再经大地流向另一接地体或向远处扩散所遇到的电阻，它包括接地线和接地体本身的电阻、接地体与大地的电阻之间的接触电阻以及两接地体之间大地的电阻或接地体到无限大远处的大地电阻[12-13]。

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从降低工程造价以及技术与经济性相结合的角度出发，变电站接地电阻设计值为1欧，全所接地网沿水平接地体、垂直接地体敷设降阻剂，必要时可加打垂直接地桩；全所做绝缘高阻地面，以满足接触电位差及跨步电位差的要求。

①施加降阻剂后的接地电阻：

在具体施工中施加降阻剂后，有效地扩大接地体与土壤接触面积，施加CFJ-1型降阻剂，按18公斤/米计算，按接地极总长度1563米计算，约需30吨。 根据：

L2 （3.1） Rln2Ldhρ：平均土壤电阻率560Ω·m。

L：接地极的总长度水平加垂直L=1563m。 d：接地极的等效直径0.025m。 h：接地极的埋深0.8m。 η：降阻剂的利用率50℅。

56015632Rln （3.2）

23.140.515630.0250.8R=2.12(Ω)

②加打接地深井后的接地电阻：

在站内与复合接地网配合，在四个边的中间打4×40米的深井接地，深井直径200mm，接地极热镀锌钢管Ф=100mm，侧壁钻Ф=15mm的溢流孔。井内用压力灌装机灌注降阻剂。 根据公式：

L2Rln （3.3）

2nLdhρ：深40米土壤电阻率估计1200Ω·m。 L：深井接地极的总长度40m。 d：深井接地极的等效直径0.20m。 h：深井接地极的埋深0.8m。 n：深井数4口。 R=10.994(Ω)。

并接水平地网后，根据：

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RR1R2K （k为屏蔽系数，取1.1） （3.4）

R1R2R=1.95(Ω)

③外沿接地体后的接地电阻：

在站内四个角加打4口5米深的外沿接地井，后采用钻探配合，探头感应的方法施工，分别向6个方向斜向外沿（其中有两个角同时向二个方向外沿），使原有接地网等效半径增加3—4倍，在变电站内向外延伸的深埋接地极（变电站内采用机械施工，无需站外开挖），每根长度约80米。接地井均灌注降阻剂，深井降阻剂用量约16吨。

采用钻孔深度5米外延接地网80米、孔径Φ300mm，放置Φ＝100mm无缝镀锌圆管，在钢管内外施放长效降阻剂的理论依据:

114L14LRlnln （3.5）

2Lk1dk2d1ρ: 深层土壤在考虑季节系数后土壤的电阻率取 560Ω·m ρ1: 降阻剂的电阻率0.4Ω·m d1: 圆柱形的等效直径0.3m d：接地体（圆钢管）的直径0.1m

k1、k2: 为接地体和降阻剂的计算系数，从有关列表中查得k1=0.98，k2=1。 L: 接地体埋设在地面下的长度 6根×5m/根＝30m，外延6根×80m/根=480m。合计510m。

R145105600.445100.4lnln （3.6） 23.145100.981010.3R10.4085.318559.68.825 3203R14940.51.54() 3203深井地网与原变电站地网并接后 根据：（k为屏蔽系数，取1.1）

R=0.95(Ω) （3.7）

④并接部分模块：

考虑在实际施工中存在不良因素，确保接地电阻达到R≤1.0Ω,并且在20～

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30年保持稳定性,在水平接地网中并接部分模块，根据经验估算：选用FMY-1209型模块约150个。

3.3 变电所接地装置

在我国变电站中，最大接地短路电流一般为30.2kA，根据我国相关规定[13-14]，一般情况下接地电阻需满足条件 R＜2000/ I，同时将换流站中的相对接地电阻应该控制在 R＜0.0.6620 范围内。但是这个标准很难在我国的土壤中达成标准。因此，我国电力行业也做出了另外的规定：即接地装置的接地电阻如果无法R＜2000/I 这一条件时，允许以相对经济的技术来增大接地电阻量，但是其最大值不得超过 5Ω。如果接地电阻量放宽到 0.5Ω，那么换流站相对应的地网电位就会达到 15.12kV，就会提高系统二次危害的风险。变电站的接地技术设计必须与二次系统的安全保障综合考虑。当系统正常工作时，地网的电位趋于零，当发生故障时，流过地网的电流就会发生降压，也就是电位相对升高。如果忽略了短路发生时二次电缆芯线中的感应电位，就会产生地电位提高，该电位差作用在二次电缆绝缘体中。因此，地点位升高与否与二次电缆交流绝缘的耐压情况以及二次设备交流绝缘的耐压值密切相关。

由上综合考虑各方面因素，如果将通信线高电位问题妥当处理，就能保障变电站的接地电位升高。如果当接地电位提高至5kV 时，且变电站中的最大接地短路电流是 30.2kA，那么换流站中相对接地电阻就应该为 R＜0.165344Ω。

大地并非理想的导体，它具有一定的电阻率。所以当外界强制施加于大地内部某一电流时，大地就不能保持等电位。

流进大地的电流经过接地线、接地体注入大地后，以电流场的形式向周围远处扩散，如图所示。

图3.1 半球接地极的电流场

设接地装置（接地体）为一半径为r0的半球体，并认为接地体周围土质均匀，其电阻率为ρ，当电流Id接地体注入地中时，电流Id将从半球表面均匀地散流出

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去，在接地半球表面上的电流密度为：

0Id （3.8） 2r02而在距半球球心为x的球面上，电流密度为：

xId （3.9） 2x2于是，大地中呈现出相应的电场分布，其电场强度为：

Exx （3.10）

在地中沿电流散流方向，在dx段内的电压降落为：

dUxExdxxdxIddx （3.11） 22x所以，在距离球心为x的球面上的电位为：

UxdUxrxrxIdIddx （3.12） 2x22rx而在半球接地体表面上的电位应为：

UdId （3.13） 2r0故散流电阻为：

Rd=Ud/Id （3.14）

由此可知，距离接地体（即电流注入点）越远，电流密度越小，电场强度越弱，电位越低。若在相当远处（一般距球心20m以外），地中电流密度很小（可近似为零），电场强度可视为零，则该处的电位仍保持为零电位。

3.4 变电站的接地原则

变电站接地网设计时应遵循以下原则：

1.尽量采用建筑物地基的钢筋和自然金属接地物统一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。

接地装置是由埋入地中的接地体（即金属导体）和连接接地体与电气设备金属外壳（或电路中某一节点）的导线所组成的装置。

最简单的接地装置就是单根埋设的接地体，又称为接地极。

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接地体分为人工接地体和自然接地体。人工接地体是人为地埋入地中的各种型钢，如圆钢、扁钢、钢管及角钢等；自然接地体有地下的金属水管、建筑物及构筑物混凝土基础内的钢筋、埋地电缆的金属外皮和穿导线的金属管等。但埋在地下的易燃、易炸的液体或气体管道严禁用做接地体。

接地体及接地线要进行防腐蚀处理。接地线还必须满足机械强度及短路电流通过时的发热稳定性要求。

3.5 降低变电所接地装置工频接地电阻的措施

1.接地引线电阻，是指由接地体至设备接地母线间引线本身的电阻，其阻值与引线的几何尺寸和材质有关。

2.接地体本身的电阻，其电阻也与接地体的几何尺寸和材质有关。

3.接地体表面与土壤的接触电阻，其阻值怀土壤的性质、颗粒、含水量及土壤与接地体的接触面积及接触紧密程度有关。

4.从接地体开始向远处（20米）扩散电流所经过的路径土壤电阻，即散流电阻。决定散流电阻的主要因素是土壤的含水量。

5.垂直接地体的最佳埋置深度是指能使散流电阻尽可能不而又易于达到的埋置深度。决定垂直接地体的最佳深度，应考虑到三维地网的因素，所谓三维地网，是指垂直接地体的埋置深度与接地网的等值半径处于同一数量级的接地网。

6.接地体的通常设计，是用多根垂直接地体打入地中，并以水平接地体并联组成接地体组，由于名单一接地体埋置的间距仅等于单一接地体长度的两倍左右，此时电流流入名单一接地体时，将受到相互的而妨碍电流的流散，即等于增加名单一接地体的电阻，这种影响电流流散的现象，称为屏蔽作用。

7.化学降阻剂的应用,化学降阻剂机理是，在液态下从接地体向外侧土壤渗出，若干分钟固化后起着散流电极的作用。

8.根据《交流电气装置接地》(DLT621—1997)中对110kV变电站接地网设计的规定，该接地网的参数如下：

(1)水平复合接地网采用主边缘闭合的50×5扁钢； (2)接地网总面积：

=4198.5m2 ；

(3)水平接地极总长度:L= 559.8+607.5=1167.3m(-50×5热镀锌扁钢)； (4)垂直接地极深度:H=2.5m，共设置81根垂直地极； (5)接地极总长度:

L=1092.6(-50×5热镀锌扁钢)+81×2.5(L50×5垂直角钢)=1339.3m；

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(6)水平接地极埋深:h=0.8m； (7)水平接地极:d=0.025m； (8)地网主边缘长度:L0=258m；

B1h14.6s10.814.198.50.9463

等值方形接地网的接地电阻：

接地极工频接地电阻：

Rw1Re0.99080.7030.696

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4 变电所防雷接地设计实例

4.1 变电所的规模

变电站的最高建筑物是门型框架，高度为20m，35KV与10.5KV母线架高度都为15m,变电装置屋高为8m。由于此35KV变电站，占地面积长50m，宽40m,变电站的最高点高度为20m，本防雷方案设计范围是针对主控室内的二次设备提供防雷保护，重点考虑二次设备的外部电源线路防雷、外部信号线路防雷、重要设备屏的防雷等几个方面。一次场地进入主控室的PT、CT线路，本方案暂不设计安装防雷产品。本防雷方案的防护措施对雷击过电压（感应雷击）及操作过电压都能有很好的防护作用。但不涉及建筑物外部防护措施方式。江西地势南高北低，地形复杂，全省雷暴日数分布由南向北逐渐减少。江西年平均雷暴日数为42.2～82.9天，最多雷暴日数出现在赣南的会昌，最少雷暴日数出现在赣北的鄱阳湖区北端湖口。江西历年中出现年雷暴日数≥100天的共有6个县，其中出现3年的有会昌和寻乌；出现1年的有龙南、定南和靖安。

4.2 变电所位置的自然条件

拟建的110KV变电所位于江西南昌大学附近根据江西省气象台气象信息，江西是雷电天气多发区，年平均落雷17万至20万个，每年发生雷电事故180至200起。据不完全统计，全省每年因雷击造成人员伤亡一百多人，损坏变压器、家电、通讯设备、网络设备上千台，并造成建筑物被毁、火灾事故以及部分地区停电、停水、信息网络瘫痪、通信中断，经济损失近亿元。赣南以丘陵为主，气候湿润温和，属亚热带季风气候，雨量充沛，四季分明。雷暴日多达65天，属于高雷区，做好电力二次设备的防雷工作刻不容缓。随着电力二次设备综合自动化改造的深入，雷电对二次设备的危害更加突出，已引起了相关领导的高度重视。根据周围环境的具体情况，变电所采用通过对赣州市供电公司110KV会昌、宁都变电站主控楼内各二次设备防雷现状的勘查，参照相关标准，本着“安全第一，预防为主”的原则，制定本方案。最热月平均温度27.9oC，最热月平均最高温度31.9oC，极端最高温度38.9oC，极端最低温度-9.4oC，最热月地下0.8m深处平均温度27.2oC，年平均雷电日数40日/年。土壤电阻率2×104Ω.cm，中等含水量，土壤热阻系数80oC.cm/W。

4.3 避雷针的设置及防雷保护校验

首先确定需要保护的设备及建筑的高度：

据110kV出线断面图可知 110kV设备保护高度：h110m(包括110kV构架取

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高度，下同)；据35kV出线断面图可知35kV设备高度：h27.3m。

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，各避雷针位置见变电站电气平面布置图[14-15]。由图可知将避雷针标为：#1、#2、#3、#4、针高都为H225m进行计算。

(1)单根避雷针的保护范围：

①确定单根避雷针保护对象及被保护物高度hx

如图4-4中110kV出线断面图和图4-5中35kV出线断面图可得： 避雷针：#1、#2保护110kV设备，hx1hx210m； 避雷针：#4、#5保护35kV设备，hx3hx47.3m。

图4.1 110kV出线断面图

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图4.2 35kV出线断面图

②单根避雷针的保护半径rx：

h因为#1、#2、#3、#4针均为被保护物高hx＜情况，因此按公式4-2计算单

2根避雷针的保护半径，其中p——高度影响系数，因为h＜30m，所以取p=1。单根避雷针保护范围 ：

避雷针#1、#2：rx1rx2(1.5h2hx1)p=(1.525210）117.5m

122.9m 避雷针#3、#4：rx3rx4(1.5h2hx4)p=(1.52527.3）(2) 两针的联合保护范围：

①两针外侧的保护范围应按单支避雷针的计算方法确定；

②两针间的保护范围应按通过参照(图4-2两针顶点及保护范围)中上部边缘

，O点为假想避雷针的顶点，其高度应按最低点O的圆弧确定，圆弧的半径为R0下式计算：

h0hD (4.1) 7p式中 D——两避雷针间的距离 (m)；

h0——两针间保护范围上部边缘最低点高度(m)；

首先按公式4-3算出两针间保护范围上部边缘最低点高度h0，然后通过比较别保护物高度hx和避雷针高度h，选择图4-3计算曲线，然后再将算出的D/haP对照曲线确定bx/haP的值，从而最终计算出最小保护宽度bx。然后则可按《电力工程电气设计手册 电气一次部分》中两等高避雷针的保护范围绘出两针间的保护范围。

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避雷针 #1、#2：h0hD/7P=2536.3/71=19.8m＞10m

D/haP=36.2/25101=2.413 bx/haP=0.9

bx1~2=13.5m

避雷针 #3、#4：h0hD/7P=2560.2/71=16.4m＞7.3m

D/haP=60.2/25101= 3.401 bx/haP=0.85

bx3~4 =15.0m

避雷针 #2、#4：

h0hD/7P2563.2/71==16.0m＞10m

D/haP63.2/25101==4.313

bx/haP=0.6

bx2~4=9m 避雷针 #1、#3：

h0hD/7P=2560.3/71=16.4m＞10m D/haP=60.3/25101= 4.02 bx/haP=0.62

bx1~3=9.3m

(3) 三支等高避雷针所形成的三角形的外侧保护范围应分别按两支等高避雷针的计算方法确定。如在三角形内被保护物最大高度hx水平面上，各相邻避雷针间保护范围的一侧最小宽度bx0时，则全部面积受到保护。

避雷针 #2、#3：

h0hD/7P=2572.6/71=14.6m＞10m D/haP=72.6/25101=4.28 bx/haP=0.7

bx1~3=10.5

避雷针 #1、#4：

h0hD/7P=2560.3/71=13.3m＞10m D/haP=60.3/25101=5.46 bx/haP=0.45

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bx2~4=6.75m

保护范围计算结果:

表4.1 避雷针联合保护范围表

联合保护针号 针高 (m) #1－#2 #1－#3 #1－#4 #2－#3 #2－#4 #3－#4 25 25 25 25 25 25 两针距离D (m) 36.2 60.3 81.9 72.6 63.2 60.2 10 10 10 10 10 7.3 13.5 9.3 6.75 10.5 9 15 被保护物hx(m) 最小保护宽度bx(m) 通过以上的计算可知bx都大于0，而且h0都高于所保护的设备高度。因此该变电站全站都在包保护范围内。所以前面所确定的避雷针的位置、高度、位置全都满足要求。

4.4 接地装置的设置

该110KV变电站主变压器容量2500kV·A，电压为110/10.5kV，中性点不接地，经消弧线圈接地。最大运行方式下，低压母线三相短路电流为4.25kA，单相短路电流为10.8kA。低压侧主保护动作时限为0.7s。变电站范围为长为50m，宽为40m。

变电站电源进线为一回110KV架空线路，导线型号为LJ-95，3km长。电源变电站35KV母线最大运行方式下短路容量500MV·A，单相接地电容电流为15A。35kV出线继电保护动作时限为1.4s。功率因数要求不小于0.9。

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1.5m

垂直接地体；

水平接地体及均压带；

接地线

低 压 配 电 室 工 具 间 变 压 器 室 值 班 室 高压配电室 1.5m 图4.3 110/10.5KV变电站接地网示意图

接地设计步骤如下。

（1）接地电阻要求值因为中性点不接地、经消弧线圈接地，仅供高压电气装

250RRd10置接地保护用时，要求 dI（2）确定土壤电阻率 考虑季节变化，土壤电阻率应乘以季节系数1.3，所以最大电阻率为：

21041.32.6104Ω·cm

（3）选择接地体及确定接地装置型式 选角钢L50×50×5，长3.5m做垂直接地体；并选扁钢40mm×5mm做水平接地体，构成以垂直接地体为主的复式接地装置。

接地装置在距变电站建筑物外墙1.5m处，呈环路闭合的长孔型布置，中间加一条均匀带。垂直接地体间距取6～7m，沿闭合环路垂直打入地中，上端用扁钢连接，扁钢埋地0.5～0.7m。高、低压配电装置角钢基础及变压器底部钢轨均通过不少于2根的接地线连接到接地装置上。变电站各室出入口敷设帽檐式均压带或铺设沥青路面（变电站无自然接地体）。

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（4）接地装置计算

1） 单根垂直接地体的接地电阻

4l2.610243.5 Rcdlnln2ld23.143.50.840.05=68.72Ω

2）初定垂直接地体根数，确定屏蔽系数 因闭合接地装置的周长L=[(1.5×2+50)+(1.5×2+40)]×2=192m，接地体间距a=6～7m，故垂直接地体根数约为 n`=L/a=32～27.5根

实取 n=30 根

按n=30及a/l2，查得c0.6

（5）接地装置的接地线（即连接扁钢）热稳定性校验

Ijd10.8103Smintd0.7129.6

C70实选接地线40×5=200mm2>Smin合格。 （6）防雷接地

110KV变电站用避雷针，避雷针接地引下线埋在地中部分与配电装置构架的接地导体埋在地中部分在土壤中的距离大于3m，变电站电气装置的接地装置采用水平接地极为主的人工接地网，水平接地极采用扁钢50mm×5mm，垂直接地极采用角钢50mm×5mm，垂直接地极间距5m～6m，主接地网接地装置电阻不大于4Ω，主接地网埋于冻土层1m以下。人工接地网的外缘应闭合,外缘各角应做成圆弧形。

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5 结论

本文在分析和研究雷电过电压放电过程及其机理的基础上，重点对江西某110KV变电站进行防雷保护设计。结合各种防雷装置的防护原理，采用设计安装避雷针对变电站直击雷的防护，而对变电站雷电侵入波的防护则设计安装避雷器。同时结合基本接地常识与变电站接地标准对此35KV变电站进行接地保护设计。

本设计讨论分析了变电站的接地与防雷的设计，我通过查找网上资源和图书资料，计算大量该变电站的数据得出结果，根据得出的结果在该变电站的4个墙角附近处4根25米高的避雷针，保证该变电站的所有建筑物和设备都在避雷针的保护范围之内，在110kV侧安装Y10W-100/260氧化锌避雷器，35kV侧安装HY5WZ-51/134氧化锌避雷器，10kV侧安装HY5W-16.5/45氧化锌避雷器，确保线路上的防雷水平。对于接地方面，对该变电站主接地网采用水平接地体和垂直接地体组成的复合接地网，确保所有设备能良好地接地，并且选择了合适的接地材料，满足接地电阻，跨步电压和接地电压的要求，故该变电站的人工接地装置不需要进行降阻处理，确保该变电站的接地安全又节省投资建站的费用。

由于时间和自己知识的，导致此次设计存在错误之处，恳请各位老师批评指正。

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110KV变电站防雷接地技术

参考文献

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