1、蘭州交通大學成人高等教育畢業設計（論文）題 目 牽引變配電所的防雷 專 業 電氣化鐵道技術 班 級 電氣化1 3 學 生 指導教師 2014年10月摘 要電能是現代工業生產的主要能源和動力，隨著現代文明的發展與進步，社會生產和生活對電能供應的質量和管理提出了越來越高的要求。電能既易于由其它形式的能量轉換而來，又易于轉換為其它形式的能量以供應用；電能的輸送的分配既簡單經濟，又便于控制、調節和測量，有利于實現生產過程自動化；電能在工業生產中的重要性，在于工業生產實現電氣化以后可以大大增加產量，提高產品質量，提高勞動生產率，降低生產成本，減輕工人的勞動強度，改善工人的勞動條件，有利于實現生產過程自動

2、化。變電站作為電力系統中的重要組成部分，直接影響整個電力系統的安全與經濟運行。工廠變電站，在工廠電力系統中起著匯聚和分配電能的作用，擔負著工廠供電的重要任務。工廠變電站的安全，不僅增強了工廠電網的網絡結構，而且為該工廠生產提供了足夠的電能，從而達到使工廠電網安全、可靠、經濟地運行的目的。工廠供電系統的核心部分是變電所，因此，它是防雷的重要保護部位。雷電具有很強的危害性，因此應該重視工廠變配電所雷電的防護。如果變配電所發生雷擊事故，將造成大面積的停電，給社會生產和人民生活帶來不便，這就要求防雷措施必須十分可靠。本文講述了雷電、雷電壓和雷電流的形成過程，并給出了雷電參數，闡述了防雷裝置如避雷針、避

3、雷器的防雷原理以及保護范圍，給出了直擊雷和感應雷的防護方案，介紹了目前我國牽引變電所防雷接地設計中常用的幾種措施，如：架設避雷針，同時對幾種防雷措施進行了深入的論述和定量的計算分析。通過對牽引變電所的防雷接地設計，全面剖析了電力系統中如何讓提高牽引變電所的防雷水平，從而有效地降低牽引變電所的雷擊事故，減少雷電對電網安全運行的影響。關鍵詞：雷電 參數 避雷針 避雷器 防雷 接地；目 錄一、雷電的來由及防護11 雷電11.1.雷電的形成11.2.雷電放電11.3.雷電的危害22 防護措施32.1.雷電的防護32.2.保護措施4二、防雷裝置選擇61.雷電參數61.1.雷擊時的等值電路61.2.雷電流

4、72 保護原理10三、避雷器，避雷針和避雷線保護范圍的確定111.避雷器的分類及比較112.避雷針和避雷線143.保護范圍14四、接地方案的確定201.防雷接地的概述201.1.防雷接地的發展概況201.2.接地與防雷接地212.變電所內變壓器的防雷接地保護222.1.雙繞組變壓器的防雷保護222.2.三繞變壓器的防雷保護222.3.自耦變壓器的防雷保護232.4.變壓器中性點的防雷保護25五、接地尺寸及規格的計算271.接地裝置的電感效應及利用率272.防雷接地裝置的形式及其電阻的算法282.1.接地裝置的形式282.2.接地體的選擇282.3.發電廠和變電所的防雷接地293接地尺寸的計算3

5、1結 論33致 謝35參 考 文 獻37 一、雷電的來由及防護1 雷電1.1.雷電的形成雷電放電是帶電荷的雷云引起的放電現象，在某種大氣和大地條件下，潮濕的熱氣流進入大氣層冷凝而形成雷云，大氣層中的雷云底部大多數帶負電，它在地面上感應出大量的正電荷，這樣，雷云和大地之間就形成了強大的電場，隨著雷云的發展和運動，當空間電場強度超過大氣游離放電的臨界電場強度時，就會發生雷云之間或雷云對地的放電，形成雷電。按其發展方向可分為下行雷和上行雷。下行雷是在雷云產生并向大地發展的，上行雷是接地物體頂部激發起，并向雷云方向發起的。主放電時電流可達數千安，最大可達 200 300kA。余輝,雷云中剩下的電荷繼續

6、沿主放電通道下移，稱為余輝放電階段。余輝放電電流僅數百安，但持續的時間可達 0.03 0.15 s。1.2.雷電放電雷電放電是由帶電荷的雷云引起的放電現象。一般認為雷云是在某種大氣和大地條件下，由強大的潮濕的熱氣流不斷上升進入稀薄的大氣層冷凝的結果。強烈的上升氣流穿過云層，水滴被撞分裂帶電。輕微的水沫帶負電，被風吹得較高，形成大塊的帶負電的雷云；大滴水珠帶正電，凝聚成雨下降，或懸浮在云中，形成一些帶正電的區域。雷云的底部大多數是帶負電，它在地面上會感應出大量的正電荷。這樣，在帶有大量不同極性或不同數量電荷的雷云之間，或者雷云和大地之間就形成了強大的電場，其電位差可達幾兆伏甚至幾十兆伏。隨著雷云

7、的發展和運動，一旦空間電場強度超過大氣游離放電的臨界電場強度時，就會發生雷云之間或雷云對地的放電。大多數雷電放電發生在雷云之間，對地面上的設備和建筑沒有什么直接影響。雷云對地的放電雖占少數，但危害是十分嚴重的，是造成雷電事故的主要因素。要避免產生雷電事故，就必須對雷電的放電過程、活動規律和雷電參數加以研究。1.3.雷電的危害 雷電是自然界存在的物理現象，打雷是指帶正負電荷的雷云之間或是帶電荷的雷云對大地快速放電而產生的聲和光。雷云之間正負電荷放電現象，就是我們平時看到天空閃光和隨之而來的巨大隆隆聲。天空打雷對現代微電子的電氣設備有傷害，但對自然界生物和凈化空氣十分有好處。但是天空中帶電荷的雷云

8、對大地放電。這種強烈直擊雷，不僅產生刺眼閃光和巨大雷聲，而且打雷所產生的強大雷電流(幾十KA幾百KA)、熾熱高溫(600010000)。猛烈沖擊波，對打雷附近的人畜生命安全造成嚴重威脅，使建筑房屋損壞，森林著火，石油、電力、氣象、通信、航空航天建筑設施造成嚴重破壞。沿著雷電流流動方向，使周圍數公里空間造成強大劇變電磁場，靜電場和強烈電磁輻射等物理效應。把感應出來雷電壓、雷電流通過供電線路、信號線路和各種金屬管線傳到各家各戶造成人員傷亡，特別對微電子設備(計算機、電視、通信設備、電氣設備等)造成嚴重破壞，導致重大經濟損失，打雷是年年重復發生的自然現象，根據有關方面統計資料報告，全球每年因雷電災害

9、造成的損失高達數十億美元。我國每年因雷擊造成傷亡人員達一萬多人，造成的各種經濟損失也達數億人民幣。2 防護措施2.1.雷電的防護雷電災害年年有，我們人類對雷電防護認識和經驗也是逐年提高。200多年前，美國科學家富蘭克林發明了避雷針(實際上是引雷針，使雷電沿引雷針引入地下)，開創了人類雷電防護新紀元。由避雷針、避雷帶、引下線、接地網構成了建筑防雷措施，大大減少了建筑物因雷擊造成的損失。隨著科學技術發展，新型電子設備廣泛應用，雷電流引起的感應雷擊已成為電子時代的一大公害，上面提到全球每年因雷擊造成經濟損失達數十億美元，電子設備損壞占絕大部分。因此，我國上世紀90年代就頒發了中華人民共和國國家標準建

10、筑物防雷設計規范，同時通信、電力、廣播電視、石油和鐵路等電子產品密集部門，根據國家防雷規范，結合自身情況又制定出更加具體的行業防雷技術標準規范和要求。1999年我國又頒布中華人民共和國氣象法，要求各級氣象主管機構要統一領導協調全國對雷電災害防御工作的組織管理。現代防雷技術原則是全方位防護，綜合治理。把防雷減災工程看作是一個系統工程。不但建筑物樓房要做好防雷電的直接雷擊，而且還要在供電線路、通信線路上做好防護，防止由雷電引起感應雷對我們各種各樣電子設備(計算機、電視、通信設備、電氣設備等)損壞。這方面防護首先盡可能將供電線路、通信線路由明線改為埋地電纜。由地下引到各樓內。其次，再在供電線路、信號

11、線路上加裝防雷器件，防止雷電流電磁感應而引起感應雷通過電源線、信號線傳入電子設備，把電子設備損壞。第三，將建筑防雷地，供電交流接地，電氣設備安全保護地和通信及計算機系統接地(也稱邏輯接地)組成聯合接地系統。雷擊時，使和電子設備相連接的地都處在同一電位(消除地的電位差)。所有電氣設備都應使用有安全保護地電源插座(若電源插座帶有防過電壓裝置更好)。在防雷問題上我們大家都要按照國家和行業規范去做，就可以確保建筑樓房、電子設備、人員的安全。另外，應大力宣傳雷電防護知識，增強自我保護意識。打雷時，不在室外打手機，不要靠近高大建筑物，不在大樹下避雨，不在公園靠近建筑物的防雷針、引下線旁坐著休息，就可以免除

12、雷電對我們造成的意外傷害。雷電放電是由雷云引起的放電現象。所謂雷云是指帶有電荷的云，云是如何帶點的呢？地面的水分在太陽的照射下受熱化為水蒸汽，形成上升的熱氣流。由于太陽不能直接使空氣變熱，所以空氣每上升1km，溫度就下降10。熱氣流上升到一定的高度后，因溫度降低是水蒸氣凝結成水滴，在足夠冷的高空，水滴會進一步冷卻成冰晶。水滴和冰晶因其復雜的電荷分離過程及強烈氣流的作用更使會形成帶電的雷云。2.2.保護措施避雷針，避雷線，避雷網，避雷帶及避雷器都是經常采用的防雷裝置。避雷針主要用來保護露天變配電設備及保護建筑物：避雷線主要用來保護輸電線路：避雷網和避雷帶主要是用來保護建筑物：避雷器則主要用來保護

13、電力設備，屬一種專用的防雷設備。牽引變電所通常一般采用下列防雷措施。(1).裝設避雷針為保護整個變電所設備和建筑物免遭受直接雷擊，變電所內應裝設避雷針。避雷針的功能實質是引雷作用，它能使雷電產生畸變，從而將雷云放電通道由原來可能向被保護物體發展的方向吸引到避雷針本身，然后經與避雷針相連接的引下線與接地裝置將雷電流泄放到大地中去，使被保護物免受直接雷擊，變電所通常裝設多根避雷針來滿足保護要求。避雷針可單獨立桿，也可利用戶外配電裝置的構架或投光燈的桿塔：但變壓器的門型構架不能用來裝設避雷針，以防止雷擊產生的過電壓對變壓器閃絡放電。避雷針一般采用鍍鋅圓鋼(針長1m以下時直徑不應小于12mm，針長1至

14、2m時直徑不應小于16mm)或鍍鋅鋼管(針長1m以下時直徑不應小于20mm，針長1至2m時直徑不應小于25mm)制成，通常安裝在電桿或構架，建筑物上。它的下端要經引下線與接地裝置相連接。(2).裝設架空避雷線避雷線也稱架空地線，在變電所進出線上方架設避雷線，可避免進出線遭受直接雷擊，危害變電所內部設備：當進出線在避雷線保護范圍外遭受直接雷擊或感應過電壓時，可以降低過電壓的幅值，減輕對變電所內部設備的危害。在變電所110KV進線和27.5KV饋出線均裝設架空避雷線進行保護。(3).裝設避雷器避雷器是為防止沿線路期侵入變電所的雷電沖擊波對電氣設備的破壞，把雷電波(或感應雷電波)限制在避雷器殘壓值范

15、圍內，從而使變壓器及其他電氣設備免受過電壓的危害，其接地電阻不得大于10。在變電所每路進線終端，主要變壓器的低壓側出線，主變壓器器中性點到出線，27.5kv饋出現上，一般都應裝設避雷器。(4).裝設抗雷線圈在變電所27.5kv饋出線上，串聯抗雷線圈，和避雷器配合使用，可有效地降低雷電入侵波的陡度，加強防雷效果。二、防雷裝置選擇1.雷電參數1.1.雷擊時的等值電路雷擊地面由先導放電轉變為主放電的過程可以用一根已經充電的垂直導線突然于被擊物體接同來比擬，如圖2.1（a）所示。圖中是被擊物體于大地（零地位）之間的阻抗，是先導放電通道中電荷的線密度，開關S未閉合之前相當于先導放電階段。當先導通道到達地

16、面或與地面目標上發出迎面先導相遇時，主放電即開始，相當于開關S合上。此時將有大量的正、負電荷沿先導通道逆向運動，并使其中來自雷云的負電賀中和，如圖2.1（b）所示。與此同時，主放電電流即雷電流流過雷擊點A并通過阻抗，此時A點電位u也突然升至。顯然，電流的數值于先導通道的電荷密度及主放電的發展速度v有關，并且還受阻抗的影響。因為先導通道的電荷密度很難測定，主放電的發展速度也只能根據觀測大體判斷，唯一容易測知的量是主放電以后（相當于S合上以后）流過阻抗的電流。因此利用雷電放電過程簡化成一個數學模型，進而用到彼德遜等值電路如圖2.1(c)、(d)所示以求得比較統一的分析方法。圖2.1(c)、(d)中

17、為主放電通道的波阻抗。和則式從雷云向地面傳來的行波的電壓和電流。(a)模擬電路 （b）主放電電路 （c）主放電通道電 （d）等值電路圖2.1 雷擊放電計算模型1.2.雷電流因為雷電波流經被擊物體時的電流與被擊物體的波阻抗有關，因此，我們把流經被擊物體的波阻抗為零時的電流被定義為“雷電流”，用來表示。根據雷電放電的等值電路，可知流經被擊物體的波阻抗為時的電流與雷電流的關系為： （2.1）目前，我國規程建議雷電通道的波阻抗為300400。雷電流為一非周期的沖擊波，它與氣象、自然等條件有關，是一個隨機變量。下面我們介紹它的幅值、波頭、陡度、波長及其波形。1）幅值雷電流的幅值與氣象、自然等條件等有關，

18、只有通過大量實測才能正確估計其概率分布規律。我國現行標準推薦雷電流幅值分布的概率如下： （2.2）式中：為雷電流幅值，kA；為幅值大于的雷電概率。例如，當雷擊時，出現大于88kA的雷電流幅值的概率p約為10%。我國西北地區內蒙古等雷電活動較弱，雷電流幅值較小，可按下式計算： （2.3）2）波頭、陡度及波長根據實測結果，雷電沖擊波的波頭是在15s的范圍內變化，多為2.52.6s；波長在20100s的范圍內，多數為50s左右。波頭及波長的長度變化范圍很大，工程上根據不同情況的需要，規定出相應的波頭于波長的時間。在線路防雷計算時，規程規定取雷電流波頭的時間為2.6s，波長對防雷計算結果幾乎無影響，為

19、簡化計算，一般可視為無限長。雷電流的幅值與波頭，決定了雷電流的上升陡度，也就是雷電流隨時間的變化率。雷電流的陡度對雷擊過電壓影響很大，也是一個常用參數。可認為雷電流的陡度與幅值I有線性關系，即幅值愈大，陡度愈大。一般認為陡度超過50kA/s的雷電流出現的概率已經很小了。3）波形實測結果表明，雷電流的幅值、陡度、波頭、波尾雖然每次不同，但都是單極性的脈沖波，電力設備的絕緣強度實驗和電力系統的防雷保護設計，要求將雷電流波形等值為典型化、可用公式表達、便于計算的波形。常用的等值波形有三種，如圖2.2所示。 （a）(b)(c)圖2.2 雷擊主放電時的電流波形圖2.2（a）是標準沖擊波，它可表示為。試中

20、為某一固定電流值，、是兩個常數，為作用時間。當被擊物體的阻抗只是電阻R時，作用在R上的電壓波形u于電流波形相同。雙指數波形也用做沖擊絕緣強度實驗的標準電壓波形。我過采用國際電工委員會（IEC）國際標準。圖2.2(b)為斜角平頂波，其陡度可由給定的雷電流幅值I和波頭時間決定，=I/在防雷保護計算中，雷電流波頭采用2.6s。這樣，可取為I/2.6kA/s.圖2.2(c)為等值余弦波，雷電流波形的波頭部分，接近半弦波，其表達式為 （2.4）式中： 為雷電流幅值，kA；為角頻率，,為波頭時間（2.6）。這種等值波形多用于分析雷電流波頭的作用，因為用余弦函數波頭計算雷電流通過電感支路時所引起的壓降比較方

21、便。此時最大陡度出現波頭中間，即,其值為 （2.5）2 保護原理避雷針（線）的保護原理可歸納為：能使雷云電場發生突變，使雷電先導的發展沿著避雷針的方向發展，直擊于其上，雷電流通過避雷針（線）及接地裝置瀉入大地而防止避雷針（線）周圍的設備受到雷擊。避雷針需要有足夠截面的接地引下線和良好的接地裝置，以便將雷電流安全地引入大地。避雷針一般用于保護發電廠和變電站，可根據不同情況將避雷針或裝設在配電構架上或獨立架設。避雷線主要用于保護線路，一般架設在線路三相導線的上方，也可用于保護發電站和變電站。三、避雷器，避雷針和避雷線保護范圍的確定1.避雷器的分類及比較目前使用的避雷器主要有四種類型：保護間隙；排氣

22、式避雷器；閥式避雷器；金屬氧化物避雷器。保護間隙和排氣式避雷器主要用于變電所進線段保護；閥式避雷器和金屬氧化物避雷器用于變電所和發電廠的保護。下面主要介紹以下閥式避雷器：在變電所和發電廠大量使用閥式避雷器，它相對與排氣式避雷器來說在保護性能上有重大改進，是電力系統中廣泛采用的主要防雷設備，閥式避雷器的保護特性是決定高壓電氣設備絕緣水平的基礎。它分普通型和磁吹型兩大類。普通型有FS和FZ型；磁吹型有FCZ和FCD型。1）普通型閥式避雷器結構與工作原理閥式避雷器是由火花間隙和非線性電阻這兩基本部件組成。在系統正常工作時，間隙將電阻閥片與工作母線隔離，以免由工作電壓在閥片電阻中產生電流使閥片燒壞。當

23、系統中出現過電壓且其幅值超過間隙放電電壓時，間隙擊穿，沖擊電流通過閥片流入大地，從而使設備得到保護。當過電壓消失后，間隙中由工作電壓產生的工頻續流仍將繼續流過避雷器，此續流是在工頻恢復電壓作用下，其值遠較沖擊電流為小，使間隙能在工頻續流第一次經過零值時就將電弧切斷。這樣，避雷器從間隙擊穿到工頻續流的切斷不超過半個周期，而且工頻續流數值也不大，繼電保護來不及動作系統就已恢復正常。磁吹型閥式避雷器（磁吹避雷器）為了改善閥式避雷器的保護特性，在普通型基礎上發展了磁吹型閥式避雷器。與普通型相比較，它具有更高的熄弧能力和較低的殘壓，因此它更合適用于電壓等級較高的變電所電氣設備的保護以及絕緣水平較低的旋轉

24、電機的保護。磁吹避雷器的原理和基本結構與普通型避雷器相同，主要區別在于采用了磁吹式火花間隙。它是由許多單個間隙串聯而成的，它利用磁場對電弧的電動力，迫使間隙中的電弧加快運動并延伸，使間隙的去游離作用增強，從而提高了滅弧能力。金屬氧化物避雷器金屬氧化物避雷器（MOA）也稱為氧化鋅避雷器，是20世紀70年代初開始出現的種新型避雷器。氧化鋅避雷器是由氧化鋅非線性電阻片組成的。由于氧化鋅電阻片具有優異的非線性伏安特性，可以取消串聯火花間隙，實現避雷器無間隙無續流，且造價低廉，因此氧化鋅避雷器已得到越來越廣泛的應用，取代炭化硅避雷器是大勢所趨。金屬氧化物避雷器的主要優點：與普通閥型避雷器相比，氧化鋅避雷

25、器具有優越的保護性能：(1)保護性能好。雖然10KA雷電流下殘壓目前仍與炭化硅閥型避雷器相同，但后者串聯間隙要等到電壓升置較高的沖擊放電電壓時才可將電流泄放，而金屬氧化物避雷器在整個過電壓過程中都有電流通過，電壓還未升置很高的數值之前不斷的泄放過電壓的能量，這對抑制過電壓的發展是有利的。由于沒有間隙，金屬氧化物避雷器在陡波頭下伏秒特性上翹要比炭化硅型避雷器小的多，這樣在陡波頭下的沖擊放電電壓的升高也小很多。金屬氧化物避雷器的這種優越的陡波響應特性（伏秒特性），對于具有平坦伏秒特性的SF6氣體變電所（GIS）的過電壓保護尤為合適，易于絕緣配合，增加安全裕度。(2)無續流和通流容量大。金屬氧化物避

26、雷器在過電壓作用后，流過的續流為微安級，可視為無續流，它只吸收過電壓能量，不吸收工頻續流能量，這不僅減輕了其本身的負載，而且對系統的影響甚微。再加上閥片通流能力要比炭化硅閥片大44.5倍，又沒有共頻續流引起串聯間隙燒傷的制約，金屬氧化物避雷器的通流能力很大，所以金屬氧化物避雷器具有耐受重復雷和重復動作的操作過電壓或一定持續時間短時過電壓的能力。并且進一步可通過并聯閥片或整只避雷器并聯的方法來提高避雷器的通流能力，制成特殊用途的重載避雷器，用語長電纜系統或大電容器組的過電壓保護。(3)無間隙。無間隙可以大大改善陡度響應，提高吸收過電壓能力，以及可采用閥片并聯以進一步提高通流容量；可以大大縮減避雷

27、器尺寸和重量；可以使運行維護簡化；可以使避雷器有較好的耐污穢和帶電水沖洗的性能。有間隙的閥式避雷器瓷套在嚴重污穢，或在帶電水沖洗時，由于瓷套表面電位分布的不均勻或發生局部閃絡，通過電容耦合，使瓷套內部間隙放電電壓降低，甚至此時在工作電壓下動作，不能熄滅電弧而爆炸。無間隙還可以使避雷器易于制成直流避雷器。因為直流續流不象工頻續流那樣會自然過零，而金屬氧化物避雷器當電壓恢復到正常時，其電流非常小，所以只要改進閥片電阻的配合以使其能長期陳承受直流電壓作用，就可以制成直流避雷器。由于金屬氧化物避雷器具有這些炭化硅所沒有的缺點，使得其在電力系統中得到了越來越廣泛的應用，特別是超高壓電力設備的過電壓保護和

28、絕緣配合已完全取決于金屬氧化物避雷器的性能。2.避雷針和避雷線避雷針（線）是防止直擊雷的主要設備，它的作用是將雷吸引到金屬針（線）上并安全導入地中，從而保護附近的被保護物免受雷擊。為了有效地引雷并將雷電流安全導入地中，避雷針由接閃器（針頭）、引下線和接地裝置三部分構成。避雷線本身就相當于接閃器，它也必須經引下線與接地裝置可靠連接。避雷針和避雷線5可以防止雷電直接擊中被保護物體，因此也稱為直擊雷保護。3.保護范圍避雷針（線）的保護范圍是指被保護物在此空間范圍內不致遭受雷擊。我國標準DL/T620.1997中使用的避雷針（線）保護范圍的計算方法，是根據雷電沖擊小電流下的模擬實驗研究確定的，并以多年

29、運行經驗做了校驗。保護范圍是按保護概率99.9%確定的。實踐證明，此雷擊概率是可以接受的。由于雷電的路徑受到很多偶然因素的影響，因此要保證被保護物絕對不受直接雷擊是不現實的，一般，保護范圍是指具有0.1%左右雷擊概率的空間范圍，實踐證實，此概率是可以被接受的。1）單支避雷針的保護范圍是一個以避雷針為軸的近似錐形的空間。她的側面邊界原為一根曲線，規程中近似地用折線代替，如圖2.3所示。圖2.3 單支避雷針的保護范圍高度為的被保護物距離避雷針的水平最大允許距離也是避雷針在高度截面的保護半徑可按下式計算：當時 （2.6） 當時 （2.7）式中 避雷針的高度；避雷針的有效高度，；考慮避雷針的高度影響的

30、校正系數，時， （2.8）2）兩支等高避雷針當兩根避雷針距離不太遠時，由于兩根針的聯合屏蔽作用，使兩針中間部分的保護范圍比單針時有所擴大。圖2.4表示兩等高避雷針的保護范圍。兩針外側的保護范圍按式2.1和式2.2計算。兩針間保護范圍的上部邊緣應按通過兩針頂點及中間最低點O的圓弧確定。O點的高度按式2.9計算。 （2.9）式中 兩針的距離，m。圖2.4 高度為h的二等高避雷針保護范圍兩針間水平面上保護范圍一側的保護范圍最小處的最大保護寬度按式2.10計算。 （2.10）為了保證兩針聯合保護的效果，規程建議兩支避雷針之間的距離不宜大于5。3）兩支不等高避雷針其保護范圍按下法確定：如圖2.5兩針內側

31、的保護范圍先按單針作出高針1的保護范圍，然后經過較低針2的頂點作水平線與之交于點3，再設點3為一假想針的頂點，做出兩等高2和3的保護范圍，圖中，二針外側的保護范圍仍按單針計算。圖2.5 兩支不等高避雷針保護范圍4）多支等高避雷針三支等高避雷針的保護見圖2.6，三針所形成的三角形1、2、3的外側保護范圍分別按兩支等高的針的計算方法確定，如在三角形內被保護物最大高度的水平面上各自相鄰避雷針間保護范圍的一側寬度時，則全部面積受到保護。圖2.6 三支等高避雷針的保護范圍圖5）避雷線因為避雷線對雷云與大地間電場畸變的影響比避雷針小，所以其引雷作用和保護寬度比避雷針要小。但因避雷線的保護長度是與線等長的，

32、故特別適于保護架空線路及大型建筑物，目前世界上大多數國家已轉而用避雷線來保護500kV大型超高壓變電站。單根避雷線的保護范圍如圖2.7所示。在水平面上每側保護范圍的寬度，可按下列公式計算: 圖2.7 單根避雷線的保護范圍當時 （2.11）當時 （2.12） 式中 每側保護范圍的寬度，m。兩根等高避雷線外側的保護范圍仍按單根避雷線時確定。兩避雷線間橫截面的保護范圍應由通過兩避雷線1、2及保護范圍邊緣最低點o的圓弧確定，o點的高度應按式2.13計算。 （2.13）式中 兩避雷線間保護范圍上部邊緣最低點的高度，m；兩避雷線間的距離，m；避雷線的高度，m。圖2.8中稱為避雷線的保護角，它是桿塔上避雷線

33、的鉛垂線同桿塔處避雷線與導線連線間所組成的夾角，保護角愈小，避雷線就愈可靠地保護導線免受雷擊。單根避雷線的保護角不能做的太小，一般在。220330kV雙避雷線線路，一般采用左右，500kV一般不大于。圖2.8 兩根平行避雷線的保護范圍四、接地方案的確定1.防雷接地的概述1.1.防雷接地的發展概況1749年富蘭克林發明第一支避雷針，開創了人類有意識防雷的歷史。自此，避雷針及其派生出的避雷帶、避雷網、避雷線、法拉第等傳統避雷裝置，以“引雷燒身”的大無畏精神，伴隨人類度過了兩個半世紀。近代，隨著科技進步，人工建筑的高度越來越高，電子設備的應用越來越廣泛，由于避雷針保護范圍具有不確定性，引雷過程中產生

34、電磁感應過電壓，雷電反擊產生二次雷擊和跨步電壓等，避雷針已跟不上時代的步伐。避雷針的安裝本身，可能導致感應雷害的增加。目前已投入使用的各種防雷裝置，各有所長，也都各有局限性。對于現代建筑和電子設備，進雷通道不外乎三個方面：1.天上下來的直雷擊。2.各種金屬線路、管道感應或引進的感應雷。3.地下出來的反擊雷。那么，按照“系統論”的觀點，建立一套完善而健全的綜合立體防雷系統2，就能實現有效的防雷安全。一套完善而健全的綜合立體防雷系統包括：架設避雷針，避雷線防直擊雷。地面或室內外各種天線、信號線、電源線進入室內或設備前，裝設線路避雷器。各種金屬管線入戶處進行接地處理。埋地電纜用金屬裸線平行屏蔽。具有

35、良好的接地裝置，包括盡可能小的接地沖擊阻抗、接地體的有效屏蔽及各種接地的聯通。1.2.接地與防雷接地所謂接地7，就是把設備與電位參照點的地球作為電氣上的連接，使其對地保持一個低的電位差。其辦法是在大地表面土層中埋設金屬電極，這種埋入地中并直接與大地接觸的金屬導體，叫做接地體，有時也稱為接地裝置。按其目的接地可分為四種：(1)工作接地：電力系統為了運行的需要，將電網某一點接地，其目的是為了穩定對地電位與繼電保護上的需要。(2)保護接地：為了保護人身的安全，防止因電氣設備絕緣劣化，外殼可能帶電而危及工作人員安全。(3)靜電接地：在可燃物場所的金屬物體，蓄有靜電后，往往爆發火花，以致造成火災。因此要

36、對這些金屬物（如儲油罐等）接地。(4)防雷接地：導泄雷電流，以消除過電壓對設備的危害。顧名思義，防雷接地裝置的作用用于防雷保護中，防雷接地裝置性能的好壞將直接影響到被保護設備的耐雷水平和防雷保護的可靠性。我們知道避雷針或避雷器因雷擊而動作時，幅值極高的雷電流將經過避雷針或避雷器及其接地裝置而流入大地，如果接地裝置不符合要求，接地電阻過大時，被擊物（如避雷針、避雷線等）仍將會有很高的電位，以致被保護設備有可能遭到反擊，因此防雷接地裝置起著十分重要的作用。下面將重點討論防雷接地。2.變電所內變壓器的防雷接地保護2.1.雙繞組變壓器的防雷保護_Toc323200511雙繞組變壓器在正常運行時，高壓側

37、與低壓側斷路器都是閉合的，兩側都應該裝設避雷器。所以一側有雷電波入侵，傳遞到另一側去的電壓也不會對繞組造成損害，無須再加其他的保護。2.2.三繞變壓器的防雷保護110kV以上的變電所有的采用三繞組變壓器，即具有高壓、中壓和低壓三個繞組。當高壓側雷電流入侵時，通過繞組間的靜電耦合和電磁耦合租用，會使低壓側出現過電壓。三繞組變壓器在正常運行時，可能出現只有高、中壓繞組工作，低壓繞組開路的情況。此時，在高壓或中壓側有雷電波的作用時，由于低壓繞組對地電容較小，開路的低壓繞組上的靜電感應分量可達很高的數值以至危及低壓繞組的絕緣。由于靜電感應分量將使低壓繞組三相的電位同時升高，故為了限制這種過電壓，只要在

38、任一相低壓繞組直接出口處對地架裝一個避雷器即可。中壓繞組雖也有開路的可能，但其絕緣水平較高，一般不裝。2.3.自耦變壓器的防雷保護_Toc323200512自耦變壓器除有高、中壓自耦繞組外，還采用三角形連接的低壓非自耦繞組，以減小零序阻抗和改善電壓波形。在低壓非自耦繞組上，為限制靜電感應電壓需裝一臺避雷器。此外，當雷電波從高、中壓繞組的一側侵入而另一側開路時，將在開路側出現過電壓，因此，必須在自耦變壓器的兩個自耦合的繞組出線上裝設避雷器，此避雷器應該裝在自耦變壓器和斷路器之間。如圖2.9所示。圖2.9 自耦變壓器的防雷保護接線圖自耦變壓器過度過程如下：高，低壓繞組運行，中壓側開路：入侵波自高壓

39、端侵入時，中壓段開路時。繞組中的初始電壓分布，穩態電壓分布及最大電位包線，都和前面分析中性點接地的單相變壓器相同。開路的中壓端子出現的最大電壓約為高壓測電壓的2U0/K倍，可能使中壓段套管閃絡。所以應在中壓端套管與斷路器間裝設一組避雷器FV2.如圖3.0所示。 圖3.0 中壓端套管與斷路器間裝設一組避雷器FV2中，低壓繞組運行，高壓側開路：中壓端有入侵波U0，類似分析可知，中壓端子到中性點的穩態電壓分布和末端接地的變壓器繞組相同，從中壓端子到高壓端子的穩態電壓分布由電磁感應形成。在震蕩中，高壓端子最大電壓可能達2K,會危及開路狀態高壓端的絕緣，因此應在高壓端和斷路器間加裝一組避雷器FV1。 圖

40、3.1 高壓端和斷路器間加裝一組避雷器FV1同時應注意：當中壓側接有出線時（相當于點經線路波阻抗接地），如高壓側有過電壓波入侵，點的電位接近于零，大部分電壓作用在AA段，是很危險的； 同樣的，高壓側有出線，中壓側進波也會造成類似的結果。AA越短（K越小），危險性越大。一般在 K1.25時，還應在AA之間再跨接一組避雷器FV3。如圖3.2所示。圖3.2 跨接一組避雷器FV3。2.4.變壓器中性點的防雷保護1）中性點絕緣水平中性點絕緣水平可分為全絕緣和分級絕緣11兩種。凡中性點絕緣與相線端的絕緣水平相等，叫全絕緣。一般在60kV及以下的電力變壓器的中性點是全絕緣的。如果中性點絕緣低于相線端絕緣水平

41、，叫分級絕緣。一般在110kV及以上時，大多中性點是分級絕緣的。本次設計中平北站中變壓器中性點即為分級絕緣。2）不同電壓等級的中性點保護（1）60kV及以下的電網中的變壓器我國60kV及以下的電網，變壓器的中性點是非直接接地的。這種電網因額定電壓較低，所以線路絕緣不高，加上35kV及以下的線路又不架避雷線，所以常有沿線路三相來雷電波的機會，這理論上會造成威脅。但運行經驗表明，這種電網的雷害故障一般每一百臺一年只有0.38次，實際上是可以接受的。3560kV中性點雷害之所以較少，是由于以下幾方面的原因：流過避雷器的雷電流小于5kV，一般只有1.42.0kV； 實際上變電所進線不只是一條，它是多路

42、進線，一條線的來波可由其他的線路流走一部分電流，這就減少了流經避雷器的雷電流； 大多數來波是以線路遠處襲來的，其陡度很小； 變壓器絕緣有一定的裕度； 避雷器到變壓器的距離實際值比允許值近一些； 三相來波的概率很小。因此我國有關標準規定，3660kV變壓器中性點一般不需要保護。對于多雷區、單路進線的中性點非直接接地的變電所，宜在中性點上加裝避雷妻保護。避雷器可任選金屬氧化物避雷器或者閥式避雷器。（2）110kV及以上電網我國110kV以上的電網的中性點一般是直接接地的，但為了繼電保護的需要，其中一部分變壓器的中性點是不接地的，如中性點采用分級絕緣且未裝設保護間隙，應在中性點加裝避雷器，且宜選變壓

43、器中性點金屬氧化物避雷器。如果變壓器的中性點是全絕緣的，但變電所為單進線且為單臺變壓器運行，也應該在中性點加裝避雷器。這些保護裝置應同時滿足下列條件： 其沖擊放電電壓應低于中性點沖擊絕緣水平； 避雷器的滅弧電壓應大于因電網一相接地而引起的中性點電位升高的穩態值，以免避雷器爆炸。 保護間隙的放電電壓應大于電網一相接地而引起的中性點電位升高的暫態最大值，以免繼電保護不能正確動作。對110kV分級絕緣變壓器中性點來說，如選用FZ35或FCZ35，則其滅弧電壓低于電網單相接地時中性點的電位升高穩態值，因此一般不可采用，因考慮選用FZ40閥型避雷器或氧化鋅避雷器。五、接地尺寸及規格的計算1.接地裝置的電

44、感效應及利用率當工頻電流流經接地裝置時，由于電流頻率不高，接地裝置的利用程度最高；當沖擊電流流經接地裝置時，由于電流變化很快，接地裝置本身電感的作用不能再忽視。其分布電感阻礙了電流流經接地裝置較遠的部分，此時沖擊電流在接地裝置全部長度上的電流擴散密度是不相同的，這使接地裝置的利用程度降低，使沖擊接地電阻增加，接地裝置的長度愈長，則電感的效應愈顯著，沖擊接地電阻增加的也愈多，因此對于水平鋪設的升長接地體，為了得到在沖擊電流作用下較好的接地效果，要求單根水平鋪設的升長接地體的長度有一定限制。綜上述可知，流經沖擊電流時接地裝置的接地電阻與雷電流幅值、土壤電阻率和接地裝置的長度及其結構形狀有關，通常將

45、沖擊接地電阻與工頻接地電阻之比稱為接地裝置的沖擊系數，由于考慮到雷電流幅值大，土壤中會發生局部火花放電，使土壤電導率增加，接地電阻減小，所以其值一般小于1；但由于雷電流頻率高，對于伸長接地裝置因有電感效應，阻礙電流向接地體遠端流去，故沖擊系數可能大于1。2.防雷接地裝置的形式及其電阻的算法2.1.接地裝置的形式接地裝置一般可分為人工接地體裝置和自然接地體裝置。人工接地體裝置有水平接地體、垂直接地體以及既有水平又有垂直的復合接地裝置，水平接地一般是作為變電所和輸電線路防雷接地的主要方式；垂直接地一般作為集中接地方式，如避雷針、避雷線的集中接地；在變電所和輸電線路線路防雷接地中有時還采用復合接地裝

46、置。對鋼筋混泥土桿、鐵塔基礎、發電廠、變電所的構架基礎等等我們稱之為自然接地裝置。2.2.接地體的選擇人工接地體的規格8，水平鋪設的接地體可用圓鋼、扁鋼，垂直接地體可用鋼管、角鋼，接地體和接地引線的截面應不小于下表所列規格。此外還應該從實際施工的角度來選擇。如人工接地體常采用直徑50mm、長度2.50m的鋼管。因為從埋設方便來考慮，比直徑50mm更小的鋼管由于機械強度較小，容易發生彎曲，不適宜采用機械方法打入土中。直徑大于50mm，從實驗結果來看性能改善的有限，所以從經濟角度來看并不合算。表3.1 鋼接地體和接地線的最小規格種類規格及單位地上地下屋內屋外圓鋼直徑（mm）6810扁鋼截面（mm）

47、厚度（mm）484484484角鋼厚度（mm）2.5342.3.發電廠和變電所的防雷接地發電場和變電所內需要有良好的接地裝置以滿足工作、安全和防雷保護的接地要求。一般的做法是根據安全和工作接地要求敷設一個統一的接地網，然后再在避雷針和避雷器下面增加接地體以滿足防雷接地的要求。人工接地網的外緣應閉合，外緣各角應做成圓弧形，圓弧半徑不宜小于均壓帶間距的一半。接地網內應鋪設水平均壓帶。接地網的埋設深度不宜小于0.6m，有條件的埋設在1m以下。北方凍土區應埋設在凍土層以下。接地網可以采用長孔網或者方孔網，但方孔網的均壓，特別是在沖擊電流作用下的均壓效果要好的多。接地網的均壓帶可采用等間距或不等間距的布

48、置。35kV以上變電所接地網邊緣經常有人出入的走道外，為降低跨步電壓應鋪設礫石、瀝青路面或者在地下裝設兩條與地網相連接的均壓帶。接地網由扁鋼水平連接，埋入地下0.60.8m處，其面積S大體與變電所的面積相同，如圖3.3所示，這種接地網的總接地電阻可按下式估算： （3.2）式中 接地體（包括水平的與垂直的）總長度，m；接地網的總面積。（a）長孔 （b）方孔圖3.3 接地網示意圖接地網構成網孔形的目的，主要在于均壓。接地網中兩水平接地帶之間的距離，一般可取為310m，然后校核接觸電位差和跨步電位差后給予以調整。方形和矩形地網接地電阻的計算方形地網。考慮到保持周長不變將圓環變為方框后，占地面積將由原

49、來的縮小為，把計算圓環或圓盤的接地電阻公式 （3.3） （3.4）中的用取代，在考慮方板的修正后，得方形地網的接地電阻共公式為 （3.5） （3.6）式中 地網面積；地網周長；水平接地體長度；接地體直徑；土壤電阻率； （3.7）3接地尺寸的計算根據該變電站的實際情況需要設置四只避雷針分布在四周。因為土壤電阻率cm,仍宜裝設獨立避雷針,以免發生反擊; 選取避雷針高h=50m相鄰兩針的距離D=60m對角的兩針相距D=被保護物高 當時相鄰兩針間外側保護半徑為： 相鄰兩針間保護范圍為：相鄰兩針高水平面上的保護范圍為：對角兩針間的保護范圍為： 對角兩針高水平面上的保護范圍為：結 論本文首先論述了牽引變電

50、所防雷接地的必要性，并對我國防雷接地的發展情況進行了概述。接著講述了雷電,并給出了雷電參數，闡述了防雷裝置如避雷針、避雷器的防雷原理以及保護范圍，給出了直擊雷和感應雷的防護方案，介紹了目前我國牽引變電所防雷接地設計中常用的幾種措施，如：架設避雷針、敷設接地網，在進線段裝設避雷器，同時對幾種防雷措施進行了深入的論述和定量的計算分析。最后基于常用的防雷接地的設計方法，對牽引變電所進行了詳細的防雷接地設計。通過對上述內容的研究分析，可得出以下結論：（1）牽引變電所是供電系統的樞紐，因此牽引變電所一旦發生雷擊事故時，就有可能造成鐵路運輸系統的癱瘓，給生產和生活造成巨大的損失，所以應十分的重視牽引變電所

51、的防雷接地。（2）牽引變電所直擊雷的防護應在變電所范圍內架設避雷針，使牽引變電所的全面積都在避雷針的保護范圍之內。（3）牽引變電所感應雷的防護應在進線段、變壓器的高壓側和低壓側和饋線段裝設避雷器，并在進線段12km處裝設避雷線。（4）地網的工頻接地電阻值應小于0.5，若由于環境因素不能達到這一要求，應綜合采用敷設外延地網和換土等方法降低接地網的工頻接地電阻值。（5）為了保護變電所電氣設備的安全運行，在裝設避雷器時一定要限制避雷器的殘壓，也就是對流過避雷器的電流必須加以限制，使之不大于5kA，同時要限制入侵波的陡度。（6）要使所有的設備到避雷器的電氣距離都在保護范圍內。避雷器一般安裝母線上。致

52、謝在本次設計完稿之際，我要向所有在本次設計中支持、幫助過我的人致謝，感謝大家悉心的指導和熱情的幫助。首先，我要感謝我的指導老師姚老師。姚老師淵博的知識、科學嚴謹的治學態度以及對學生對工作的高度責任感深深影響了我，這將是今后的學習、工作和生活中的寶貴財富。感謝姚老師在學習的過程中對我耐心指導和細心的教誨。當然論文的順利完成，也離不開其它各位老師、同學和朋友的關心和幫助。在整個的論文寫作中，各位老師、同學和朋友積極的幫助我查資料和提供有利于論文寫作的建議和意見，在他們的幫助下，論文得以不斷的完善，最終幫助我完整的寫完了整個論文。在論文的寫作過程中也學到了做任何事情所要有的態度和心態，首先做事做學問要一絲不茍，嚴禁細致，也得注重團隊合作，同時對于發展過程中出現的任何問題和偏差都不要輕視，要通過正確的途徑去解決，在做事情的過程中要有耐心和毅力，不要一遇到困難就打退堂鼓，只要堅持下去就可以找到思路去解決。這將對我以后的生活工作有很大的啟迪。總之，在此次論文的寫作過程中，我收獲很多。最后再次感謝在傳授給我知識以及給我幫助和鼓勵的老師，同學和朋友，謝謝你們！ 參 考 文 獻1 周澤存，沈其工等高電壓技術.北京：中國電力出版社，20042 張一塵高電壓技術北京：中