55KV变电所防雷设计.docx
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55KV变电所防雷设计
摘 要
变电所是电力系统重要组成部分,因此,它是防雷的重要保护部位。
雷电具有很强的危害性,因此应该重视牵引变电所雷电的防护。
如果变电所发生雷击事故,将造成大面积的停电,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。
本文讲述了雷电、雷电压和雷电流的形成过程,并给出了雷电参数,阐述了防雷装置如避雷针、避雷器的防雷原理以及保护范围,给出了直击雷和感应雷的防护方案,介绍了目前我国牵引变电所防雷接地设计中常用的几种措施,如:
合理选择牵引变电所修建的地理位置,架设避雷针、敷设接地网,在进线段装设避雷器,同时对几种防雷措施进行了深入的论述和定量的计算分析。
基于常用的防雷接地的设计方法,对110kv牵引变电所进行了详细的防雷接地设计。
设计中,结合当地现状,综合考虑了气候、地形、环境等多种因素,给出了较好的防雷接地保护方案。
通过对牵引变电所的防雷接地设计,全面剖析了电力系统中如何让提高牵引变电所的防雷水平,从而有效地降低牵引变电所的雷击事故,减少雷电对电网安全运行的影响。
关键词:
牵引变电所;防雷接地;雷电放电;雷电流
Abstract
Thelightninghasverystrongharmfulness'sweshouldpayattentiontodrawingtheshelterofthelightningoftransformersubstation.
Thistextdescribesthelightning,thunderandlightningcurrentvoltageformingprocess,andgivesthelightningparameter,elaboratedthelightningprotectiondevice,suchasalightningrodarresterlightningprotectionprincipleandthescopeofprotection,givesthethunderandlightninginductionprotectionscheme,introducedatpresentourcountrytractionsubstationlightningprotectionandgroundingdesigncommonlyusedinseveralmeasures,suchas:
rationalselectionoftractionsubstationbuildinglocation,setlightningrod,layinggroundinggrid,intothelinearresterinstalled,atthesametimetoseveralprotectionmeasureswerediscussedandthequantitativecalculationandanalysis.Basedonthecommonlyusedinlightningprotectionandgroundingdesignmethod,the110kVtractionsubstationarediscussedindetailthedesignoflightningprotectiongrounding.Inthedesign,combinedwiththelocalsituation,consideringterrain,climate,environmentandotherfactors,hasgiventhegoodgroundingforlightningprotectionscheme.Basedonthetractionsubstationlightningprotectionandgroundingdesign,comprehensiveanalysisofpowersystemhowtoimprovetractionsubstationlightningprotectionlevel,therebyeffectivelyreducingtractionsubstationlightningaccident,reducelightninginfluenceonsafeoperationofpowergrid.
Keywords:
Tractionsubstation,Lightningprotection,Lightningcurrent
1绪论
雷电是一种大气自然现象,对人类社会而言,雷电有时也会造成自然灾害。
随着社会的发展,雷电给社造成的危害越来越严重,同时雷电防护科学技术也在人类认识自然、抵御自然灾害的过程中不断发展。
电力工业是国民经济的一项基础工业和国民经济发展的先行工业,它是一种将煤、石油、天然气、水能、核能、风能等一次能源转换成电能这个二次能源的工业,它为国民经济的其他各部门快速、稳定发展提供足够的动力,其发展水平是反映国家经济发展水平的重要标志。
变电站是联系发电厂和用户的中间环节,起着变换和分配电能的作用。
这就要求变电所的一次部分经济合理,二次部分安全可靠,只有这样变电所才能正常的运行工作,为国民经济服务。
全球平均每天约发生800万次闪电,每次闪电在微秒级的瞬间释放出约55kW.h的能量。
我们生存的环境既被动地接受自然灾害的侵袭,又能动地为灾害的形成和发展提供条件。
从久远的过去开始,雷电就对人类、人类赖以生存的自然资源和人类创造的物质文明构成巨大的威胁,例如,森林火灾有50%以上因雷电引发;人们居住生活的建筑物屡遭雷击破坏;电力、石化等工业设施常因雷击而发生灾难性事故。
不难看出,雷电灾害的范围随社会经济发展而扩大,其表现形式随其范围扩大而复杂。
伴随电力系统中所用电气元件产品诸如断路器、继电器、隔离开关等性能指标的提高,变电站的功能也会越来越完善,可靠性也会得到很大的提高。
因此,提高变电所防雷保护科技水平势在必行。
2雷电概述
2.1雷电
2.1.1雷电的危害
雷电是自然界存在的物理现象,打雷是指带正负电荷的雷云之间或是带电荷的雷云对大地快速放电而产生的声和光。
雷云之间正负电荷放电现象,就是我们平时看到天空闪光和随之而来的巨大隆隆声。
天空打雷对现代微电子的电气设备有伤害,但对自然界生物和净化空气十分有好处。
但是天空中带电荷的雷云对大地放电。
这种强烈直击雷,不仅产生刺眼闪光和巨大雷声,而且打雷所产生的强大雷电流、炽热高温。
猛烈冲击波,对打雷附近的人畜生命安全造成严重威胁,使建筑房屋损坏,森林着火,石油、电力、气象、通信、航空航天建筑设施造成严重破坏。
沿着雷电流流动方向,使周围数公里空间造成强大剧变电磁场,静电场和强烈电磁辐射等物理效应。
把感应出来雷电压、雷电流通过供电线路、信号线路和各种金属管线传到各家各户造成人员伤亡,特别对微电子设备(计算机、电视、通信设备、电气设备等)造成严重破坏,导致重大经济损失,打雷是年年重复发生的自然现象,根据有关方面统计资料报告,全球每年因雷电灾害造成的损失高达数十亿美元。
我国每年因雷击造成伤亡人员达一万多人,造成的各种经济损失也达数亿人民币。
2.1.2雷电放电的原理
雷电放电是由带电荷的雷云引起的放电现象。
一般认为雷云是在某种大气和大地条件下,由强大的潮湿的热气流不断上升进入稀薄的大气层冷凝的结果。
强烈的上升气流穿过云层,水滴被撞分裂带电。
轻微的水沫带负电,被风吹得较高,形成大块的带负电的雷云;大滴水珠带正电,凝聚成雨下降,或悬浮在云中,形成一些带正电的区域。
雷云的底部大多数是带负电,它在地面上会感应出大量的正电荷。
这样,在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间,或者雷云和大地之间就形成了强大的电场,其电位差可达几兆伏甚至几十兆伏。
随着雷云的发展和运动,一旦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。
大多数雷电放电发生在雷云之间,对地面上的设备和建筑没有什么直接影响。
雷云对地的放电虽占少数,但危害是十分严重的,是造成雷电事故的主要因素。
要避免产生雷电事故,就必须对雷电的放电过程、活动规律和雷电参数加以研究。
2.1.3雷电放电的基本过程
按雷电发展的方向可区别为下行雷和上行雷两种。
下行雷是在雷云产生并向大地发展的,上行雷是由接地物体顶部激发起,并向雷云方向发展的。
雷电的极性是按照从雷云流人大地的电荷的符号决定的。
实测表明,不论地质情况如何,90%左右是负极性雷。
正极性雷和上行雷出现的机会较少,下面介绍最常见的下行负极性雷放电的特性。
2.1.4雷电的形成过程
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,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起,并向雷云方向发起的。
主放电时电流可达数千安,最大可达200~300kA。
余辉,雷云中剩下的电荷继续沿主放电通道下移,称为余辉放电阶段。
余辉放电电流仅数百安,但持续的时间可达0.03~0.15s。
2.1.5雷电防护的必要性
雷电灾害年年有,我们人类对雷电防护认识和经验也是逐年提高。
200多年前,美国科学家富兰克林发明了避雷针(实际上是引雷针,使雷电沿引雷针引入地下),开创了人类雷电防护新纪元。
由避雷针、避雷带、引下线、接地网构成了建筑防雷措施,大大减少了建筑物因雷击造成的损失。
随着科学技术发展,新型电子设备广泛应用,雷电流引起的感应雷击已成为电子时代的一大公害,上面提到全球每年因雷击造成经济损失达数十亿美元,电子设备损坏占绝大部分。
因此,我国上世纪90年代就颁发了中华人民共和国国家标准《建筑物防雷设计规范》,同时通信、电力、广播电视、石油和铁路等电子产品密集部门,根据国家防雷规范,结合自身情况又制定出更加具体的行业防雷技术标准规范和要求。
1999年我国又颁布《中华人民共和国气象法》,要求各级气象主管机构要统一领导协调全国对雷电灾害防御工作的组织管理。
现代防雷技术原则是全方位防护,综合治理。
把防雷减灾工程看作是一个系统工程。
不但建筑物楼房要做好防雷电的直接雷击,而且还要在供电线路、通信线路上做好防护,防止由雷电引起感应雷对我们各种各样电子设备(计算机、电视、通信设备、电气设备等)损坏。
这方面防护首先尽可能将供电线路、通信线路由明线改为埋地电缆。
由地下引到各楼内。
其次,再在供电线路、信号线路上加装防雷器件,防止雷电流电磁感应而引起感应雷通过电源线、信号线传入电子设备,把电子设备损坏。
第三,将建筑防雷地,供电交流接地,电气设备安全保护地和通信及计算机系统接地(也称逻辑接地)组成联合接地系统。
雷击时,使和电子设备相连接的地都处在同一电位(消除地的电位差)。
所有电气设备都应使用有安全保护地电源插座(若电源插座带有防过电压装置更好)。
在防雷问题上我们大家都要按照国家和行业规范去做,就可以确保建筑楼房、电子设备、人员的安全。
另外,应大力宣传雷电防护知识,增强自我保护意识。
打雷时,不在室外打手机,不要靠近高大建筑物,不在大树下避雨,不在公园靠近建筑物的防雷针、引下线旁坐着休息,就可以免除雷电对我们造成的意外伤害。
雷电放电是由雷云引起的放电现象。
所谓雷云是指带有电荷的云,云是如何带点的呢?
地面的水分在太阳的照射下受热化为水蒸汽,形成上升的热气流。
由于太阳不能直接使空气变热,所以空气每上升1km,温度就下降10℃。
热气流上升到一定的高度后,因温度降低是水蒸气凝结成水滴,在足够冷的高空,水滴会进一步冷却成冰晶。
水滴和冰晶因其复杂的电荷分离过程及强烈气流的作用更使会形成带电的雷云。
2.2雷电各项参数及防雷装置
雷电起源于云中水气的起点和同极性电荷的积累,带电的云块称为雷云,雷云是产生雷电的先决条件。
所谓雷云是指带有电荷的云,云是如何带电的呢?
地面的水分在太阳的照射下受热化为水蒸气,形成上升的热气流。
由于太阳几乎不能直接使空气变热,所以空气每上升1km,温度约下降10℃。
热气流上升到一定的高度后,因温度降低使水蒸气凝结成水滴,在足够冷的高空,水滴会进一步冷却成冰晶。
水滴和冰晶因其复杂的电荷分离过程及强烈气流的作用便会形成带电的雷云。
关于雷云带电的机理有很多种解释,但至今仍无统一变化。
比较有代表性的理论主要有冻结起电、水滴分裂起电等。
前者认为,水滴冻结时首先从表面开始,表面形成冰壳后,内部在温差的作用下,水中的正离子移向水滴的表面层而使其带正电,留在水滴中心部分的则为负离子。
当水滴的中心部分也结冰时,因结冰时的膨胀会使早先已结冰的表层破裂,带正电的碎片被气流带到云的上部,带负电的核心部分则留在云的中、下部。
水滴分裂理论认为,强气流使云中水滴吹裂时,较大的水滴带正电,而较小的水滴带负电,小水滴同时被气流所携走。
雷电的带电过程也可能是综合性的。
实测表明,在5~10km的高度主要是正电荷的云层,在1~5km高度主要是负电荷的云层,但在云的底部也往往有一块不大区域的正点荷聚集。
雷云中的电荷一般不是在云中均匀分布的,而是形成多个电荷密集区。
雷电放电可能是在云中两块异性的雷云尖发生,称之为云中放电。
也可能是雷云对大地间放电,称之为云.地放电。
这里主要介绍雷云雷云对地的放电,它是造成雷害的主要因素。
从本质上讲雷电放电是一种超常间隙的火花放电,许多方面与金属电极间的长空气间隙的放电是相似的,但雷云的物理性质毕竟与金属电极不同,雷电放电有其自身的特点,例如雷电放电可自上而下发展(称为下行雷),也可自下而上发展(称为上行雷),主放电结束后有余光放电,放电还可能具有重复性等。
雷云对地的放电通常包含若干次重复的放电过程,每次放电一般都由先导放电、主放电和余光放电三个主要阶段组成。
第一次从雷云向大地发展的先导不是连续向下发展的,而是逐级向下推进的,其平均发展速度较慢,相应的电流也较小(数十至数百安)。
先导通道导电性能良好,因此带有与雷云同极性的多余电荷。
雷云与先导在地面上感应出异号电荷。
当先导接近地面时,会从地面较突出的部分发出向上的迎面先导。
当迎面先导与下行先导相遇时便开始主放电过程,出现极大的电流(数十至数百千安),并伴随着雷鸣和闪光。
主放电存在的时间极短,约50~100us,速度要比先导的发展速度快得多。
主放电过程是逆着负先导的通道由下向上发展的,主放电到达云端时主放电过程就结束了,然后云中的残余电荷经过主放电通道继续流向大地,称为余光放电。
余光放电对应的电流不大(约数百安),但持续的时间却较长(0.03~0.15s)。
雷电放电的重复性可能是因为云中存在多个电荷密集中心。
第一个电荷密积中心完成上述放电过程之后,可能会引起其他的电荷密积中心放电。
第二次及以后的放电通常沿第一次放电的通道进行,由于该通道在下一次放电前没有充分去游离,所以第二次及以后的放电中先导是连续发展的。
第二次及以后的主放电电流一般较小,但电流的上升速度要比第一次的大。
以上为负云雷下行雷的放电发展过程。
正云雷下行雷的放电过程与此基本相同,但下行正先导的逐级发展不明显。
雷电的极性是指自雷云下行到大地的电荷极性。
由于雷云的下部主要是负电荷的密积区,故绝大多数(90%左右)的雷击是负极性的。
(1)雷电流
因为雷电波流经被击物体时的电流与被击物体的波阻抗
有关,因此,我们把流经被击物体的波阻抗为零时的电流被定义为“雷电流”,用
来表示。
根据雷电放电的等值电路,可知流经被击物体的波阻抗为
时的电流
与雷电流
的关系为:
(2.1)
目前,我国规程建议雷电通道的波阻抗为300~400Ω。
雷电流
为一非周期的冲击波,它与气象、自然等条件有关,是一个随机变量。
下面我们介绍它的幅值、波头、陡度、波长及其波形。
2.3防雷的设备
2.3.1保护原理
避雷针(线)的保护原理可归纳为:
能使雷云电场发生突变,使雷电先导的发展沿着避雷针的方向发展,,直击于其上,雷电流通过避雷针(线)及接地装置泻入大地而防止避雷针(线)周围的设备受到雷击。
避雷针需要有足够截面的接地引下线和良好的接地装置,以便将雷电流安全地引入大地。
避雷针一般用于保护发电厂和变电站,可根据不同情况将避雷针或装设在配电构架上或独立架设。
避雷线主要用于保护线路,一般架设在线路三相导线的上方,也可用于保护发电站和变电站。
2.3.2保护范围
避雷针(线)的保护范围是指被保护物在此空间范围内不致遭受雷击。
我国标准DL/T620.1997中使用的避雷针(线)保护范围的计算方法,是根据雷电冲击小电流下的模拟实验研究确定的,并以多年运行经验做了校验。
保护范围是按保护概率99.9%确定的。
实践证明,此雷击概率是可以接受的。
由于雷电的路径受到很多偶然因素的影响,因此要保证被保护物绝对不受直接雷击是不现实的,一般,保护范围是指具有0.1%左右雷击概率的空间范围,实践证实,此概率是可以被接受的。
3避雷器
当发电厂、变电所采用避雷针保护以后,电力设备几乎可以免受直接雷击。
而在与发电厂、变电站相连的长达数十、数百公里的输电线,虽然有避雷线的保护,但由于雷电的饶击和反击,在输电线路上还是会产生向发电厂、变电站入侵的雷击过电压波,仍不能完全避免输电线上遭受大气过电压的侵袭,其幅值可达一、二百万伏。
此过电压还会沿着输电线侵入变电所,直接危及变压器等电气设备,造成事故。
为了保护电器设备的安全,必须限制出现在电气设备绝缘上的过电压的峰值,就需要装设避雷器[6]。
目前使用的避雷器主要有四种类型:
①保护间隙;②排气式避雷器(管式避雷器);③阀式避雷器;④金属氧化物(氧化锌)避雷器。
保护间隙和排气式避雷器主要用于配电系统、线路和发电厂、变电站进线端保护;阀式避雷器和氧化锌避雷器主要用于发电厂和变电站的保护。
避雷器在220kv及以下系统主要用于限制雷电过电压,在超高压系统中还用来限制内部过电压或作为内部过电压的后备保护。
为了使避雷器达到预期的保护效果,必须正确选择避雷器,一般有如下基本要求:
(1)雷电击于输电线路上时,过电压会沿导线入侵发电场或变电所,在危及被保护绝缘时,要求避雷器能瞬时动作。
(2)避雷器一旦在冲击电压作用下放电,就造成对地短路,此时瞬间的雷电过电压虽然已经消失,但工频电压却相继作用在避雷器上,此时流经间隙的工频电弧电流,称为工频续流,此电流将是间隙安装处的短路电流,为了不造成跳闸,避雷器应具有能自行截断工频续流,恢复绝缘强度的能力,使电力系统能继续正常运行。
(3)应具有平直的伏秒特性曲线,并与被保护设备的伏秒特性曲线之间有合理的配合。
这样,在被保护物可能击穿以前,避雷器便发生动作,将过电压波截断,从而起着可靠的保护。
(4)具有一定通流容量,且其残压应低于被保护物的冲击耐压。
3.1避雷器的分类及比较
目前使用的避雷器主要有四种类型:
①保护间隙;②排气式避雷器;③阀式避雷器;④金属氧化物避雷器。
保护间隙和排气式避雷器主要用于变电所进线段保护;阀式避雷器和金属氧化物避雷器用于变电所和发电厂的保护。
表2.1是各种避雷器的有关特性总结。
表2.1各种避雷器的有关特性比较
避雷器
类型
比较项目
保护间隙
管式避雷器
阀式避雷器
普通阀式避雷器
磁吹避
雷器
氧化锌避雷器
放电电压
的稳定性
由于火花间隙暴露在大气中周围的大气条件(气压、气温、湿度、污秽等)对放电电压有影响;由于火花间隙是不均匀电场,存在极性效应
大气条件和电压极性对放电电压无影响
有十分稳定的起始动作电压
伏秒特性与
绝缘配合
保护间隙和管式避雷器的伏秒特性曲线很陡,难以与设备绝缘的伏秒特性曲线取得良好的配合,但能与线路绝缘的伏秒特性曲线取得配合
此类避雷器的伏秒特性曲线很平坦,能与设备绝缘的伏秒特性曲线很好地配合
具有最好的
陡波响应特性
续表2.1各种避雷器的有关特性比较
避雷器
类型
比较项目
保护间隙
管式避雷器
阀式避雷器
普通阀式
避雷器
磁吹避
雷器
氧化锌避雷器
灭弧能力(能否自动切断工频续流)
无灭弧能力,需与自动重合闸配合使用
有
很强
几乎无续流
流通容量
大
相当大
较小
较大
能否对内部过电压实施保护
不能,但在内部过电压下动作,本身并不会损坏
不能(在内部过电压下动作,本身将损坏)
能
结构复杂程度
最简单
较复杂
复杂
最复杂
较简单
价格
最便宜
较贵
贵
最贵
较便宜
应用范围
低压配电网,中性点非有效接地电网
输电线路的绝缘弱点、变电所、发电厂的进线段保护
变电所
变电所、旋转电机
所有场合
下面主要介绍以下阀式避雷器:
在变电所和发电厂大量使用阀式避雷器,它相对与排气式避雷器来说在保护性能上有重大改进,是电力系统中广泛采用的主要防雷设备,阀式避雷器的保护特性是决定高压电气设备绝缘水平的基础。
它分普通型和磁吹型两大类。
普通型有FS和FZ型;磁吹型有FCZ和FCD型。
(1)保护性能好。
虽然10KA雷电流下残压目前仍与炭化硅阀型避雷器相同,但后者串联间隙要等到电压升置较高的冲击放电电压时才可将电流泄放,而金属氧化物避雷器在整个过电压过程中都有电流通过,电压还未升置很高的数值之前不断的泄放过电压的能量,这对抑制过电压的发展是有利的。
由于没有间隙,金属氧化物避雷器在陡波头下伏秒特性上翘要比炭化硅型避雷器小的多,这样在陡波头下的冲击放电电压的升高也小很多。
金属氧化物避雷器的这种优越的陡波响应特性(伏秒特性),对于具有平坦伏秒特性的SF6气体变电所(GIS)的过电压保护尤为合适,易于绝缘配合,,增加安全裕度。
(2)无续流和通流容量大。
金属氧化物避雷器在过电压作用后,流过的续流为微安级,可视为无续流,它只吸收过电压能量,不吸收工频续流能量,这不仅减轻了其本身的负载,而且对系统的影响甚微。
再加上阀片通流能力要比炭化硅阀片大4~4.5倍,又没有共频续流引起串联间隙烧伤的制约,金属氧化物避雷器的通流能力很大,所以金属氧化物避雷器具有耐受重复雷和重复动作的操作过电压或一定持续时间短时过电压的能力。
并且进一步可通过并联阀片或整只避雷器并联的方法来提高避雷器的通流能力,制成特殊用途的重载避雷器,用语长电缆系统或大电容器组的过电压保护。
(3)无间隙。
无间隙可以大大改善陡度响应,提高吸收过电压能力,以及可采用阀片并联以进一步提高通流容量;可以大大缩减避雷器尺寸和重量;可以使运行维护简化;可以使避雷器有较好的耐污秽和带电水冲洗的性能。
有间隙的阀式避雷器瓷套在严重污秽,或在带电水冲洗时,由于瓷套表面电位分布的不均匀或发生局部闪络,通过电容耦合,使瓷套内部间隙放电电压降低,甚至此时在工作电压下动作,不能熄灭电弧而爆炸。
无间隙还可以使避雷器易于制成直流避雷器。
因为直流续流不象工频续流那样会自然过零,而金属氧化物避雷器当电压恢复到正常时,其电流非常小,所以只要改进阀片电阻的配合以使其能长期陈承受直流电压作用,就可以制成直流避雷器。
由于金属氧化物避雷器具有这些炭化硅所没有的缺点,使得其在电力系统中得到了越来越广泛的应用,特别是超高压电力设备的过电压保护和绝缘配合已完全取决于金属氧化物避雷器的性能。
3.2阀式避
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