变电站综合防雷保护的研究与设计-

CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY 毕业设计（论文） 题目：220kV变电站综合防雷保护的研究与设计

学生姓名： 黄 弟 生

学 号： 200524170630

班 级: 052410506

专 业： 电气工程及其自动化

指导教师： 周 羽 生

2009年6月

220kV变电站综合防雷保护的研究与设计

学生姓名： 黄 弟 生

学 号： 200524170630

班 级： 052410506

所在院(系): 电气与信息工程学院

指导教师： 周 羽 生

完成日期: 2009年6月

毕业设计（论文）任务书

电气与信息工程 学院 电气工程及其自动化 专业2005241706班 题 目 220kV变电站综合防雷保护的研究与设计

任务起止日期： 2009 年 03 月 16 日～ 2009 年 06 月 19 日

学 生 姓 名 黄弟生 学 号 200524170630

指 导 教 师 周羽生

系主任年 月 日审查

院长年 月 日批准

一、毕业设计（论文）任务

课题内容：

雷电事故直接危害到变电站电气设备和人身安全，采取切实有效的防雷措施一直是高电压技术的重要研究课题。

本课题通过对雷电过电压进行分析，根据220kV变电站的特点，提出防雷保护的特点和要求，对变电站进行综合防雷保护设计，并对变电站的接地问题进行一定的探讨。

通过本设计使学生掌握变电站防雷工程技术的设计方法，为从事电力系统过电压保护与接地技术奠定基础。

课题任务要求：

1、对220kV变电站雷电过电压的类型、特点进行论述；

2、对变电站直击雷保护进行设计；

3、对感应雷保护进行研究与设计：进线保护、母线保护、变压器保护等保护；

4、对变电站接地问题进行探讨。

课题完成后应提交的资料（或图表、设计图纸）：

1、完成三万字以上的论文，板书、图表格式符合规范（按学校要求），文中主要包

含下列内容：

绪论

雷电过电压

变电站的直击雷保护设计

变电站的感应雷保护设计

变电站的接地系统

参考文献

2、完成专业英文资料翻译，按规范打印

主要参考文献与外文翻译文件（由指导教师选定）：

[1]杨保初，刘晓波，戴玉松．高电压技术[M] ．重庆：重庆大学出版社，2001：

124-174．

[2]董振亚．电力系统的过电压保护[M]．北京：水利电力出版社，1975：1-94，

145-171．

[3]张翠霞，杜树春，王鑫方．进线具有电缆段的110kV的变电站防雷保护的研

究[J] ．电网技术，1998年08期：34-38．

[4]罗有干．半垅变电站防雷保护存在问题的分析[J] ．农村电气化，1997年第

5期：11-13．

[5]林韶文，黄群古，曾益民．多雷区输电线路及变电站防雷保护[J] ．高电压

技术，2003年05期：44-47．

[6]余崇高．“滚球法”在变电站防雷设计中的应用[J] ．内蒙古水利，2005年

03期：45-49．

[7]向方明．变电所防雷保护的探讨[J] ．江苏电器，2003年01期：23-26

[8]李新华，王飞，吴冰梅，薛春．试论雷电的产生及防护[J]．中国计量，2005

年10期：35-38

[9]李景禄，胡毅，刘春生 ．实用电力接地技术[M]．北京：中国电力出版社，

2002：67-92．

[10]解广润．电力系统接地技术[M]．北京：水利电力出版社，1991：77-98

[11]Nai du MS．et al High-voltage Engineering[M] ．New Delhi Tata

Mcgraw-Hill Publ,1982:314-658．

同组设计者

注：1. 此任务书由指导教师填写。如不够填写，可另加页。

2. 此任务书最迟必须在毕业设计（论文）开始前一周下达给学生。

3. 此任务书可从教务处网页表格下载区下载

二、毕业设计（论文）工作进度计划表

注：1. 此表由指导教师填写；

2. 此表每个学生人手一份，作为毕业设计（论文）检查工作进度之依据；

3. 进度安排请用“一”在相应位置画出。

三、学生完成毕业设计（论文）阶段任务情况检查表

时间 第 一 阶 段 第 二 阶 段 第 三 阶 段

内容 组织纪律 完成任务情况 组织纪律 完成任务情况 组织纪律 完成任务情况

检

查

记

录

教师

签字 日期 签字 日期 签字 日期

签字

注：1. 此表应由指导教师认真填写。阶段分布由各学院自行决定。

2. “组织纪律”一档应按《长沙理工大学学生学籍管理实施办法》精神，根据学生具体执行情况，如实填写。

3. “完成任务情况”一档应按学生是否按进度保质保量完成任务的情况填写。包括优点，存在的问题与建议

4. 对违纪和不能按时完成任务者，指导教师可根据情节轻重对该生提出忠告并督促其完成。

四、学生毕业设计（论文）装袋要求：

1. 毕业设计（论文）按以下排列顺序印刷与装订成一本（撰写规范见教务处网页）。

(1) 封面 (2) 扉 页

(3) 毕业设计（论文）任务书 (4) 中文摘要

(5) 英文摘要 (6) 目录

(7) 正文 (8) 参考文献

(9) 致谢 (10) 附录（公式的推演、图表、程序等）

(11) 附件1：开题报告（文献综述） (12) 附件2：译文及原文影印件

2. 需单独装订的图纸（设计类）按顺序装订成一本。

3. 修改稿（经、管、文法类专业）按顺序装订成一本。

4.《毕业设计(论文)成绩评定册》一份。

5．论文电子文档[由各学院收集保存]。

学生送交全部文件日期

学生（签名）

指导教师验收（签名）

220kV变电站综合防雷保护的研究与设计

摘要

变电站的防雷和接地问题是个非常复杂而又至关重要的问题，它直接关系到人身和设备的安全。特别是随着电力系统的发展，电网规模不断扩大，变电站防雷保护的各种要求也越来越高。

文章阐述了雷电的形成和发展过程、雷电过电压和雷电参数，介绍了雷电的类型和雷电的危害。并根据220kV变电站的特点对直击雷保护和感应雷保护做了介绍，还提出避雷针保护范围的计算方法。

文章介绍了接地、接地电阻、接地装置、接触电压和跨步电压等概念。讨论了土壤电阻率对变电站接地电气参数的影响，并给出了变电站接地的基本要求和接地电阻的计算方法。

关键词：变电站；防雷与接地；接地电阻；接地装置

STUDY AND DESIGN ON 220KV SUBSTATION

ANTI-THUNDER PROTECTION

ABSTRACT

The problem of lightning-shiclding and grounding in substations is much complex and important for personnel and equipment safety. With thedevelopment of power systems and the growth of power networks, the short-circuit current increases largely. The require of substation anti-thunder protection becomes more rigorous.

This thesis described the forming and developing process of lightning, lightning over voltage and lightning parameters, introduced the type and harm of lightning. This thesis also introduced the protection from damage and induction by lightning on the grounds of characteristic of 220kV substation, and the computation method of protection scope of lightning conductor.

This thesis discussed the concept about grounding, grounding resistance, grounding equipment, the device touch voltage, the step voltage and so on. Also introduced the influence of soil resistance rate to grounding parameters of substation, and basal grounding requirement and the computation method of grounding resistance of substation.

Key Word：substation; lightning-shiclding and grounding; grounding resistance; grounding equipment

目录

1 绪论 (1)

1.1课题设计目的 (1)

1.2防雷保护的发展 (1)

1.3电力系统防雷的意义 (1)

1.4本文的主要工作 (2)

2 雷电的基本知识及其危害 (3)

2.1雷电的形成 (3)

2.2雷电的放电过程 (3)

2.3雷电过电压 (3)

2.4雷电参数 (4)

2.4.1 雷电流的波形与极性 (4)

2.4.2 雷电流的幅值，陡度，波头和波长 (5)

2.4.3雷暴日，雷暴小时和地面落雷密度 (5)

2.5雷电的分类 (6)

2.5.1 直击雷 (6)

2.5.2 球形雷 (6)

2.5.3 感应雷 (7)

2.5.4 雷电侵入波 (7)

2.6雷电的危害 (7)

3 变电站直击雷保护 (10)

3.1避雷针防雷 (10)

3.2避雷针的保护范围 (10)

3.2.1 单支避雷针的保护范围 (10)

3.2.2 两支等高避雷针的保护范围 (11)

3.2.3 两支不等高避雷针的保护范围 (12)

3.2.4 多支避雷针的保护范围 (13)

3.3避雷针保护范围计算方法 (13)

3.3.1 “滚球法”的原理和特点 (15)

3.3.2 “滚球法”和“改进折线法”实际应用的比较 (15)

3.4避雷线的保护范围 (17)

3.5避雷带和避雷网 (19)

3.6变电站直击雷保护 (19)

3.6.1 直击雷保护装置的配置 (19)

3.6.2 变电站直击雷保护的要求 (20)

4 变电站感应雷保护 (23)

4.1避雷器 (23)

4.1.1 避雷器及其基本要求 (23)

4.1.2 避雷器的分类 (23)

4.1.3 ZnO避雷器的特点 (24)

4.2变电站进线段保护 (25)

4.2.1 35kV以及上变电所的进线段保护 (25)

4.3变压器保护 (27)

4.3.1 三绕组变压器的保护 (27)

4.3.2 自耦变压器的防雷保护接线 (27)

4.3.3 变压器的中性点保护 (28)

4.4母线保护 (29)

4.4.1 母线保护的应用及发展趋势 (29)

4.4.2 装设母线保护的基本原则 (29)

4.5GIS防雷保护的特点 (30)

5 防雷保护的接地系统 (32)

5.1接地的基本知识 (32)

5.1.1 接地的概念及其分类 (32)

5.1.2 接地电阻及对地电压 (33)

5.1.3 接地装置 (35)

5.1.4 接触电压和跨步电压 (35)

5.2变电站的接地装置 (36)

5.2.1 变电站的接地基本要求 (36)

5.2.2 接地电阻的计算 (37)

5.2.3 土壤电阻率 (37)

5.2.4 变电站接地装置的防腐 (38)

结论 (40)

参考文献 (41)

致谢 (42)

1 绪论

1.1 课题设计目的

雷电事故直接危害到变电站电气设备和人身安全，采取切实有效的防雷措施一直是高电压技术的重要研究课题。

本课题通过对雷电过电压进行分析，根据220kV变电站的特点，提出防雷保护的特点和要求，对变电站进行综合防雷保护设计，并对变电站的接地问题进行一定的探讨。

通过本设计使学生掌握变电站防雷工程技术的设计方法，为从事电力系统过电压保护与接地技术奠定基础。

1.2 防雷保护的发展

从古至今，雷电不仅对人类赖以生存的环境构成巨大威胁，而且对人类生活深远影响。但是，受科技水平和认识能力的局限，雷电长期认为是神力的作用。十八世纪中叶，美国科学家富兰克林发明避雷针，开创了人类科学避雷的先河，使雷电对人类生活的危害程度大为减轻。从避雷针的出现到本世纪五、六十年代，防雷技术随着科技的进步不断发展，特别是在建筑防雷和电力系统防雷方面逐渐形成一些固定规范，使针对直击雷和强电方面的防雷技术有了进一步的完善。随着电子技术的迅速发展，雷害特征也随之有了新的变化，雷电的许多曾不引人注意的特性通过对电子新器件的破坏作用显现出来，对现代电子设备的安全构成极大威胁。

1.3 电力系统防雷的意义

雷电是一种极为壮观的自然现象，具有较强的威力和破坏力。雷电电压高达数百万伏，瞬间电流可高达十万安培。因此一次雷电的放电时间虽然只有0.01秒左右，但释放的能量却大得惊人。巨大的雷电流，不仅会产生很强的热破坏效应，还会引起显著的机械破坏。每年全国各地都有很多雷害的发生，如动物的死亡，建筑物倒塌等等，造成了很大的损失

我国地处温带(部分地区属于亚热带气候)，所以雷电活动比较强烈。对电力系统而言，雷电的危害也是巨大的。电流高压效应会产生数万伏甚至数十万伏的冲击电压，如此巨大的冲击电压瞬间冲击电气设备，足以击穿绝缘使设备发生短路，导致燃烧、爆炸等直接灾害。雷击输电线路和杆塔时，雷电冲击电压可能会引起绝缘击穿，从而造成雷

击闪络或断线事故。输电线路雷害事故引起的跳问，不但影响到电力系统的正常供电，增加输电线路及开关设各的维修工作量，而且由于输电线路上落雷，雷电波还会沿线路侵入变电所。而在电力系统中，线路的绝缘最强，变电所次之，发电机最弱，若发电厂、变电所的设备保护不完善，往往会引起设备的绝缘损坏，影响安全供电。因此做好电力系统的防雷工作，不仅可以提高输电线路的供电可靠性，而且可以使变电所、发电厂安全运行得到保障。

1.4 本文的主要工作

本文第二章主要介绍了雷电的基本知识及其的危害。雷电对电力系统的破坏性极大，我们关心的雷电参数主要为雷电的电流幅值、雷暴日以及地面落雷密度，这些参数对我们开展防雷工作有着很重大的指导意义。

本文第三章主要介绍了变电站直击雷保护的设计、避雷针的保护范围等。避雷针（线）在电力系统防雷中有着重要的作用，本章介绍了它的防雷机理以及避雷针（线）的保护范围及其计算方法。

本文第四章主要介绍了变电站感应雷保护的设计，主要包括进线保护、变压器保护、母线保护等。对由线路侵入变电站的雷电波的保护，主要依靠进线段保护段上的各种保护措施和变电站母线上的阀型避雷器或金属避雷器，本章还详细介绍了ZnO避雷器的各种特点。

本文第五章主要介绍了变电站防雷保护的接地系统，包括接地、接地电阻以及变电站接地装置。另外还介绍了变电站接地装置的要求和接地电阻的计算。

2 雷电的基本知识及其危害

雷电是大自然最宏伟壮观的放电现象，它从远古以来就一直吸引人类极大的关注，但对雷电的物理本质有所了解却还是近代的事。

2.1 雷电的形成

雷电放电是带电荷的雷云引起的放电现象。在某种大气和大地条件下, 潮湿的热气流进入大气层冷凝而形成雷云, 大气层中的雷云底部大多数带负电荷, 它在地面上感应出大量的正电荷, 这样, 雷云和大地之间就形成了强大的电场, 随着雷云的发展和运动, 当空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度时, 就会发生雷云之间或雷云对地的放电, 形成雷电。按其发展方向可分为下行雷和上行雷。下行雷是在雷云产生并向大地发展的, 上行雷是接地物体顶部激发, 并向雷云方向发展。

雷云放电现象不仅发生在雷云与大地之间（即地闪），而且也发生在雷云内部异性电荷之间和雷云之间（即云内放电和云间放电）。雷击大地的次数只占雷云放电总次数的很小一部分，但是，这部分雷击却直接威胁着人类生命财产安全和电力系统的安全可靠运行。

雷电的大小和多少以及活动情况，与各个地区的地形、气象条件及所在的纬度有关。一般山地雷电比平原多，沿海地区比大陆腹地要多，建筑越高，遭雷击的机会越多[10, 11]。

2.2 雷电的放电过程

雷电放电是一种气体放电现象，与实验室的长间隙火花放电有着某些共同之处。由于雷电路径往往达数千米，是一种长间隙火花放电，而且作为电极的雷云，它不是一个金属极板，因此雷电又不同于实验室的长间隙火花放电，它具有重复雷击等现象。一般过程，一般一次雷击分先导、主放电、余晖三个阶段。

2.3 雷电过电压

雷云放电在电网(或电力系统)中引起的过电压，统称为雷电过电压。由于这种过电压和电网的工作电压本身没有直接关系，其所需要的电磁场能量来自电网外部，所以又称为外部过电压；又由于雷云放电发生在大气中，所以这种过电压也称为大气过电压。该种过电压通常为单极性，持续时间很短，为sμ级(几至数十微秒)，幅值可能极高(可

达100MV)，对电网危害很大，应当加以限制。雷电过电压又分为直击雷过电压和感应雷过电压。直击雷过电压是由于雷直击于电网引起的；感应雷过电压则是雷击于设备附近，由于电磁感应而在电网中产生的。感应过电压的幅值不太高，一般不超过500～600kV，它主要对35kV 及以下电网构成威胁。

2.4 雷电参数

雷电参数是雷电过电压计算和防雷设计的基础，参数变化，计算结果随之而变。目前采用的参数是建立在现有雷电观测数据的基础上的，主要的雷电特性参数如下几种：

2.4.1 雷电流的波形与极性

虽然雷电流幅值随各国的自然条件不同而差别很大，但是各国测得的雷电流波形却基本一致。据统计，雷电流的波前时间多数在1～5s μ的范围内，半峰值时间则在20～100s μ的范围内变化。《规程》建议，在线路防雷设计中，雷电流波前时间一般取26s μ，波头形状取斜角形（如图2-1所示）。取这种简单的等值斜角波形是为了便于分析计算。这是雷电流陡度α和复制I 有下述关系式（2-1）。

s kA I dt di μα/6

.2== （2-1） 即认为α与I 是线性相关的。对于其他特殊的防雷计算，可采用半余弦波形，在此不做介绍。

实测结果表明，虽然一次雷电放电由多个分量组成，但每个分量的雷电流都是单极性的脉冲波，而且绝大多数的雷电流都是负极性的，因此防雷保护与绝缘配合都取单极

性雷电波进行分析。

i

i =26μ

s

图2-1 雷电流的等值斜角波前

2.4.2 雷电流的幅值，陡度，波头和波长

对脉冲型的雷电流，需了解其三个参数，即幅值，波头和波长，而幅值和波头又决定了雷电流的上升陡度，即雷电流随时间的变化率。波头是指脉冲电流上升到幅值的时间；波长是指脉冲电流从起始到衰减至一半幅值的持续时间。雷电流的陡度对过电压有直接的影响。按行业标准，我国一般地区雷电流幅值超过I 的概率P 可按如下的经验公式可得：

8810I

P ?= （2-2）

式中：I 为雷电流幅值，KA；P 为雷电流幅值超过I 的概率。

雷电流的幅值随各国自然条件的不同而差别较大，而各国测得的雷电流波形却基本相同。雷电流的波头长度据统计多出现在1～5s μ的范围内，平均为2～2.5s μ。我国在防雷设计中建议取2.6s μ的雷电流波头长度。

雷电流陡度的直接测量更为困难，常常是根据一定的幅值和波头，再按一定的波形去推算。我国采用2.6的固定波头时间，即认为雷电流的平均陡度a 和雷电流幅值I 线性相关。

6.2a I =

（2-3）

式中：a 为雷电流的陡度，I 为雷电流的幅值。

雷电流的幅值，波头，波长，陡度等实测数据分散性很大。许多研究者发表过各种结果，虽然基本规律大体相近，但其具体数值却有差异。其原因一方面在于雷电放电本身的随机性受到自然条件多种因素的影响；另一方面也在于测量条件和技术水平的不同。另外大范围的雷电统计结果与局部微地形下的雷击情况也有很大的不同，在雷电活动中必须给予特别注意。

2.4.3雷暴日，雷暴小时和地面落雷密度

为了评价某地区雷电活动的强度，常用该地区多年统计所得的平均出现雷暴日或雷暴小时来估计的。在一天或者一小时内只要听到雷声就算一个雷暴日（雷暴小时），据统计，每一雷暴日大致折合为三个雷暴小时。

雷暴日的分布与地理位置有关。一般热而潮湿的地区比冷而干燥的区域多，陆地比海洋多，山区比平原多。就全球而言，赤道地区为雷电活动最频繁的地区，雷暴日平均为100～150日，最多为300日以上。我国规定：等于或小于15雷暴日为少雷区，40

雷暴日以上为多雷区，超过90日为特殊强雷区。

在雷暴日和雷电小时的统计中，并不区分雷云之间的放电和雷云对地面的放电。实际上，云与云之间的放电远多于云对地之间的放电。一般而言，雷击地面才构成对人员及设备的直接损坏。

落雷密度γ指每雷暴日中每平方公里内落雷的次数。世界各国根据各自的具体情况，对落雷密度取值不尽相同。我国各地平均年雷暴日数不同的地区γ值也不同。一般较大的地区，其γ值也较大。DL/T 620—1997推荐取γ=0.07次/（d T d T 2km ·雷日），对=40的地区，每100km 线路每年遭受的雷击次数为

d T )4(28.0h b N L += （2-4）

式中：b 为两避雷针之间的距离，m，h 为避雷线的平均高度，m。

要做好防雷保护工作，还要注意观察当地的雷电活动情况以及雷电活动季节的开始和终止日期。我国南方雷电季节一般从2月开始，长江流域一般在3月，华北，东北在4月，西北则在5月。10月以后，除江南以外，雷电活动就基本停止了[1]。

2.5 雷电的分类

雷电有极大的破坏力，其破坏作用是综合的，包括电性质、热性质和机械性质的破坏。根据雷电产生和危害特点的不同，雷电可以分为一下四种。

2.5.12.5.2 直击雷

雷暴活动区内，雷云直接通过人体、建筑物或设备等对地放电所产生的电击现象，称之为直击雷。此时雷电的主要破坏力在于电流特性而不在于放电产生的高电位。巨大的雷电流流入地下，令在雷击点及其连接的金属部分产生极高的对地电压，可能直接导致接触电压和跨步电压的触电事故。雷电击中人体，建筑物或设备时，强大的雷电流转变成热能，瞬间可释放约数百兆焦耳的能量。

球形雷

球形雷通常与普通（线性）雷电同时发生，且在后者的闪击点附近出现，其样子似一火球。球的直径一般约为10～20cm（也有的报道为1～100cm）。球形雷一般以每秒数米的速度靠近地面作跳跃式的水平滚动。球形雷的存在时间一般为几秒，但也可能大于1min。球形雷及其发生的原因至今尚未找到满意的解释。存在着一系列假设，一类假设

认为维持球形雷的能量来自本身，例如认为球形雷靠它内部的化学反应（沼气或爆轰气的燃烧）来维持。另一类假设则认为球形雷的能量由外部能源提供，如按苏联П?Л?卡皮查院士的设想，上述外部能源可能是雷云的射频发射聚集到一个有限的空气团而形成的。有不少报道说球形雷能经过烟囱和通气口登堂入室，并发生爆炸而造成某些破坏，极其危险。

2.5.32.5.4 感应雷

雷电感应分为静电感应和电磁感应两种。静电感应是由于雷云接近地面，在地面凸出物顶部感应出大量异性电荷所致。在雷云与其他部位放电后，凸出物顶部的电荷失去束缚，以雷电波形式，沿凸出物极快地传播。电磁感应是由于雷击后，巨大雷电流在周围空间产生迅速变化的强大磁场所致。这种磁场能在附近的金属导体上感应出很高的电压，造成对人体的二次放电，从而损坏电气设备。

雷电侵入波

雷电侵入波是由于雷击而在架空线上或空中金属管道上产生的冲击电压沿线或管道迅速传播的雷电波。其传播速度为。雷电侵入波可毁坏电气设备的绝缘，使高压窜入低压，造成严重的触电事故。属于雷电侵入波造成的雷电事故很多，在低压系统这类事故约占总雷害事故的70%[10]。

s /m 1038×2.6 雷电的危害

雷电危害可分成直击雷、感应雷和浪涌三种。

（1）直击雷破坏：雷电击中人体、建筑物或设备时，强大的雷电流转变成热能。雷击放电的电量大约为（25~100）C （库仑）。据此估算，雷击点的发热量大约（500~2000）J(焦耳)。该能量可以熔化（50~200）3mm 的钢材 因此雷电流的高温热效应将灼伤人体、引起建筑物燃烧、使设备部件熔化[8]。在雷电流直接进入金属管道或导线时，它们沿着金属管道或导线可以传送到很远的地方。雷电流从导线传送到用电设备，如电气或电子设备时，将出现一个强大的雷电冲击波及其反射分量。反射分量的幅值尽管没有冲击波大，但其破坏力也大大超过半导体或集成电路等微电子器件的负荷能力，尤其是它与冲击波叠加，形成驻波的情况下，便成了一种强大的破坏力。

（2）感应雷破坏：感应雷的破坏也称为二次破坏。雷电流变化梯度很大，会产生强大的脉冲磁场，使得周围的金属构件产生感应电流，这种电流可能向周围物体放电，