1、 電力系統防雷及 接地研討 廣西地凱防雷工程有限公司 王 東 生 雷電是什么 雷電是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀而又有點令人生畏的放電現象。雷電一般產生于對流發展旺盛的積雨云中，因此常伴有強烈的陣風和暴雨，有時還伴有冰雹和龍卷,云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空氣對流等過程，使云中產生電荷。云中電荷的分布較復雜，但總體而言，云的上部以正電荷為主，下部以負電荷為主。因此，云的上、下部之間形成一個電位差。當電位差達到一定程度后，就會產生放電，這就是我們常見的閃電現象。閃電的的平均電流是3萬安培，最大電流可達30萬安培。閃電的電壓很高，約為1億至10億伏特。帶有電荷的雷云與地面的突起物接

2、近時，它們之間就發生激烈的放電。放電過程中，由于閃道中溫度驟增，使空氣體積急劇膨脹，從而產生沖擊波，導致強烈的雷鳴。在雷電放電地點會出現強烈的閃光和爆炸的轟鳴聲。 閃電的溫度，從攝氏一萬七千度至二萬八千度不等，閃電距離近，聽到的就是尖銳的爆裂聲；如果距離遠，聽到的則是隆隆聲。你在看見閃電之后可以開動秒表，聽到雷聲后即把它按停，然后以3來除所得的秒數，即可大致知道閃電離你有幾千米。枝狀閃電的通道如被風吹向兩邊，以致看來有幾條平行的閃電時，則稱為帶狀閃電。 閃電的兩枝如果看來同時到達地面，則稱為叉狀閃電。 閃電在云中陰陽電荷之間閃爍，而使全地區的天空一片光亮時，那便稱為片狀閃電。未達到地面的閃電，

3、也就是同一云層之中或兩個云層之間的閃電，稱為云間閃電。 曲折開叉的普通閃電稱為枝狀閃電。雷電的感應 靜電感應 電磁感應雷云電荷對地面的感應雷云對輸電線路的感應靜電感應對輸電線路影響雷云電荷除了對架空避雷線感應產生異性電荷外，還會對下方的輸電線路產生感應- - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 靜電感應對輸電線路影響架空避雷線上的電荷，還會對下方的輸電線路產生感應- - - - - - - - - - - - - - - - -+ + +

4、 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 靜電感應電荷的流動100kA50kA50kA50kA避雷接閃雷電后的 雷電流分布100kA50kA50kA50kA避雷線接閃雷電后 的電位分布接地電阻10鐵塔電位抬升500kV至1000kV100kA50kA50kA50kA避雷線接閃雷電后 的電位分布接地電阻10鐵塔電位抬升500kV至1000kV100kA50kA避雷線接閃雷電后 避雷線電位分布避雷線的分布電感和分布電阻使得雷電在流過避雷線時會產生與輸電線路間的電壓差:避雷線長X100X100(V)接地電阻10電磁感應（雷電電磁脈沖）I=1

5、00kAR=1U=I*R=100kV防雷地建筑物設備設備I=100kAR=1U=I*R=100kV電源線信號線計算機設備地防雷地建筑物設備I=100kAR=1U=I*R=100kV電源線信號線計算機設備地防雷地建筑物I=100kAR=1U=I*R=100kV電源線信號線計算機設備地防雷地建筑物設備設備R=1i=100kAU=100kV3m3m設備接地與防雷接地分開設備i=100kAU=100kVU=0V220V信號線設備接地與防雷接地分開的電位i=100kAU=100kVU=0V220V設備設備與防雷接地分開人身不安全i=100kAU=100kVU=0V220V設備設備與防雷接地分開設備損壞設

6、備i=100kAU=100kVU=100kV220V設備采用共用接地方式i=100kAU=100kVU=100kV220V設備設備采用共用接地方式設備i=100kAU=100kV220V連接SPD的等電位防雷效果直擊雷、靜電感和電磁感應都會使雷電沿高壓輸電線路引入用戶端高壓輸電線路雷電引入配電柜L1L2L3接地線10kAR=410kAU=40kV雷電進入變壓器前端配電柜L1L2L3接地線10kAR=410kAU=40kV雷電進入變壓器前端配電柜L1L2L3接地線SPDU=40kVU=40kVR=410kA10kA雷電進入變壓器前端配電柜L1L2L3接地線SPD設備接地線信號線U=40kV雷電進

7、入變壓器后雷電流流向分配建筑物內有電源線(三芯)和服務牲管線,設雷電流I=100kA,雷電流50%入地,進入電源線的雷電流:I線=100/2/2/3=8.3kA雷電流流向分配 KA It us1035010/350S模擬直接雷擊流波0.1Imax0.5Imax0.9ImaxImax直接雷擊模擬波 KA It us8208/20S模擬感應雷電流波0.1Imax0.5Imax0.9ImaxImax雷擊過電壓是高達幾千甚至上萬伏，微秒級的電脈沖。感應雷擊模擬波it20 S8 S10 S350 S從能量守恒定律得:i82 * R * t8 = i102 * R * t10Ri10/350S與8/20S

8、的關系i對兩個電流波進行積分得: 0 i82(t) * R * dt = 0 i102(t) * R * dt解得: i8 = 5.6 i10, 取值:i8 = 6 i10Rt20 S8 S10 S350 Si電源線路浪涌保護器標稱放電電流參數值保護分級LPZ0區與LPZl區交界處LPZl與LPZ2、LPZ2與LVZ3區交界處 直流電源標稱 放電電流(kA)第一級標稱放電電流*(kA)第二級標稱放電電流(kA)第三級標稱放電電流(kA)第四級標稱放電電流(kA)8/20s10/350/s8/20s8/20s8/20s8/20sA級20804020lO lOB級15604020 直流配電系統中根

9、據線路長度和工作電壓選用標稱放電電流l0kA適配的SPDC級12.55020D級l2.55010 注：SPD的外封裝材料應為阻燃型材料。 *第一級防護使用兩種波形的說明見條文說明。假設：設備與設備和配電柜的接地線是獨立分開設備A（機房）設備B(現場)信號線電源線電源線信號線設備A設備B電源線電源線PE-APE-BL1L2L3N配電柜PE電源線電源線信號線設備A設備BPE-APE-Bi=5kAii地面雷電損壞設備的路徑電源線電源線信號線設備A設備BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1SPD與設備接地電源線電源線信號線設備A設備BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1

10、雷電損壞設備的兩大參數1.過電流 2.過電壓電源線電源線信號線設備A設備BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=5kVU=0VU=5kVSPD與設備接地分開的防雷效果電源線信號線設備A設備BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=VU=5kV設備電源耐壓:15002500V設備電源耐壓電源線信號線設備A設備BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=V設備電源耐壓:15002500VU=5kVSPD與設備接地連接的防雷效果電源線信號線設備A設備BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=5kV

11、U=5kV信號耐壓:100V,200VSPD等電位連接的防雷效果電源線信號線設備A設備BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=5kVU=5kV信號耐壓:100V,200VSPD等電位連接的防雷效果電源線信號線設備A設備BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=5kV 信號耐壓:100V,200VSPD連接信號SPD的防雷效果電源線設備A設備BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=5kVSPDU=5kVU=5kV連接信號SPD的防雷效果it10 S350 S設,銅導線長1m, 截面積10mm2, 電感L=1H, 電

12、阻R=1/1000, 雷電流i=1kA, 導線兩端殘壓U1mi=1kAUU =didt* L + i * R=10310*10-6* 1*10-6 + 103*10-3 = 100+1 = 100 V導線的殘壓2m SPD1000Vi=10kA2000V3000V設備防雷工程設計定律1m長導線 流過1kA雷電流 產生100V殘壓電源線設備A設備BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1SPD2m2000V1500V100V一級SPD的防雷效果電源線設備A設備BPE-APE-Bi=5kA地面i1=kASPDR=11500Vi2=1kA多級SPD的防雷效果：前一級分流的雷電流1800V

13、電源線設備A設備BPE-APE-Bi=5kA地面i1=kASPDR=1i2=1kA1500V1200V多級SPD的防雷效果1800V電源線設備A設備BPE-APE-Bi=5kA地面SPDR=11200Vi4i4=200Ai3串聯多級SPD的防雷效果, 安全閥值: 1500V/200A設備Ai=20kASPDR=116kA4kA800A160A串聯電源SPD 輸入接線路 輸出接設備信號SPD設備A設備BPE-APE-BSPDSPD信號電源電源、信號使用示意等電位接地SPD設備a設備b設備c220VABCIG錯誤的局部串聯接地方式3mi=1kA300V正確的接地方式設備a設備b設備cSPDi=1k

14、Ai設備A設備BPE-BSPDSPD信號電源1m1m不正確的接地方式: 信號接地線太長正確的接地匯集方法i設備C1設備C2PE-BSPDSPD信號電源1miiiCRPEi1i2RCRPE RPE: 1*250 mm2i1 i2 RC :2.5mm2大型機房的接地方式 變電站接地網接地整改理由：變電站接地網建設年久，接地裝置金屬材料 嚴重腐蝕斷裂， 接地電阻升高。目的：保證均壓以及跨步電壓和接觸電勢滿足設計 和運行要求 。辦法：按常規設計要求新增接地網裝置。難點：接地裝置接地電阻滿足設計要求。降低接地電阻方案在高土壤電阻率地區要降低接地電阻，需要很大的接地面積，按接地網接地電阻公式： 變電站的接

15、地面積一定,如L1=100米,L2=80米, 接地面積 S=100*80平方米設土壤接地電阻率=1000mR=0.5*1000/8000=5.6 假設：變電站所在位置的土壤電阻率=1000m， 設計接地電阻R=0.5，則需接地面積S： =*=1000*1000（m2）1000m1000m變電站地網面積 傳統方法 擴大面積:根據公式R=0.5* /S，S，R變電站征地面積一定,擴大面積,成本高;原地網擴大地網大擴地網擴大接地網增加地網的埋設深度:如深埋均壓網水平接地體，根據公式R=0.5* /S， ，R效果不明顯;地網埋深1-3米均壓網增加地網的埋設深度 利用自然接地體:變電站均壓接地網與控制室

16、建筑基礎地網相連，屬站內地網，基本沒有效果;均壓網基礎地網利用自然接地體 換土法:將變電站范圍內的高土壤電阻率土質換成低土壤電阻率土質，降低，此辦法在站內施工，工作量大,成本高，基本沒有效果。均壓網高土壤電阻率土質低土壤電阻率土質換成低土壤電阻率土質 傳統方法 化學處理:如施放降阻劑,腐蝕性大,地網壽命在5年以內,成本高,效果不明顯 禁止使用降阻劑的呼聲越來越高采用降阻劑處理水平地網效果差： 主要作用降低接觸電阻 海勃灣220kV發電廠采用60t降阻劑處理水平地網，接地電阻基本沒變 膠南110kV變電站地網動用30萬元的降阻劑，基本沒效采用降阻劑處理接地地網 傳統方法 長垂直接地極： 如：打深

17、井或深孔爆破法，有一定效果，但不一定達到接地電阻設計值，深孔爆破法的效果與地質結構有關，成本較高打深井或深孔爆破法 由于接地網內的土壤電阻率極高，接地電阻很難降下來， 如果采用電阻率較低的材料如降阻劑，將接地網內的所有土壤用降阻劑來替換，并輔助打多口深井，即將接地網等效于一個半球接地體，如下圖所示： 半球接地體示意圖r為半球接地體的半徑 其接地電阻的公式：半球接地體設,變電站土壤電阻率=1000m，設計接地電阻值R=0.5, 需將半球接地體的半徑r擴至：r=/(2)=1000/(23.140.5)=318(m)如用打深井放降阻劑，則應打很多個300多米深的井，這樣做成本很高,也不是理想的解決辦

18、法。 318mr=318m半球接地體的 半徑與深井半球接地體的半徑與深井 如果能將大于接地半球r的土壤電阻率降下來，接地電阻值R就可以降下來。我們采用向土壤施放電解質的方法來降低土壤電阻率。 降阻方案 DK-AG電解地極，是在銅管內填裝無毒化合物晶體，銅管上的呼吸孔吸收土壤的水分，使化合物晶體變為電解質溶液，并向四周流入土壤，在土壤中形成了成片導電率良好的電解質離子土壤，電解質液可向砂質粘土的縱深方向和巖石表面的四周滲透，使原來導電率極差的砂巖地質結構形成了一個良好的電解質導電通道，從而大范圍地降低了土壤電阻率。電解地極降阻原理最新技術電解質電解質電解質電解質斜井口外引接地體電解地極降阻原理D

19、K-電解地極 設N為電解地極的數量，由公式： R0為原地網（或地基）的接地電阻； R 為地網設計接地電阻；為土壤電阻率； k為系數 當：200.m，k取3 200500.m，k取4 5001000.m，k取4.5 1000.m，k取5電解地極的數量變電站接地 在地網改造的過程中做了一組比較數據：斜井打完后，先放入505的熱鍍鋅扁鋼，灌水后測量接地電阻，后放置DK-AG電解地極灌水后測量接地電阻。見下表：鉆井后扁鋼與電解地極的效果比較表：鉆井編號扁鋼接地電阻（）電解地極接地電阻（）扁鋼長度（m）電解地極（套）9.51.520099.21.420098.21.03001312.51.7200911

20、.31.620099.11.23001311.21.6200910.91.32009惠州500kV博羅變電站地網改造工程斜井施工現場施工現場施工現場施工現場施工現場地壤電阻率的測量原理 變電站與電力大樓 二次設備防雷技術 雷電入侵樓內設備簡單地說有路與場兩條途徑，其中路是指設備的配電線路、通信線路、接地線路等，場是指雷擊電磁場。引下線、附近雷擊等引起的樓內電磁場地線通信線配電線地網雷電入侵變電站與電力大樓二次設備途徑電源線路：交流電源線路:380V/220V低壓配電線路直流電源線路:220V/110V直流配電線路通信線路：通信、控制、采樣、語音線路、RS485（RS232等）等數據線、RJ45

21、以態網線、PT、CT、YX、YC等室內線路相互感應：電源線、通信、控制、采樣線路等都在電纜層布設，線與線之間可能相互感應變電站與電力大樓二次設備雷電防護原理二次設備感應雷擊防護基本原理：接地與等電位，安裝SPD，屏蔽，合理布線。使得線路與空間都“干凈”。接地與等電位：C、設備就近用10mm2銅線接到接地母排A、采用共用接地方式， 兩條主地線， 4*40扁銅（鋼）D、SPD就近接到接地母排B、4*40扁銅作接地母排直流屏380V其它設備交流SPD直流SPD或交直流SPD測控等設備信號SPDE信號線電源線其它設備安裝SPD屏蔽：一端接地效果差兩端接地效果良好套金屬管雙層屏蔽能屏蔽90%的雷電。合理

22、布線：非屏蔽的室外可能感應到雷電的線路與室內線路分開0.5米以上。非屏蔽的強弱電線路分開0.5米以上。強弱電線路各自套金屬線槽屏蔽。 可能感應到雷電的交流電源安裝交流SPD,直流電源線應安裝直流SPD(或交直流共用SPD)來保護。 變電站線路特別是控制線路非常多，不可能每條都安裝SPD保護，應在主要通道上安裝SPD來保護。 目前主要參考標準為： GB50057建筑物防雷設計規范 GB50343建筑物電子信息系統防雷技術規范 DL548電力系統通信站防雷運行管理規定二次設備雷電防護原則及相關標準總配電、樓層配電、機房配電、 UPS輸出安裝電源防雷器直流輸出配電根據情況安裝電源防雷器微波饋線、栽波

23、通信線安裝高頻信號防雷器樓內五類線、語音線、2M口線等根據情況安裝通信防雷器各機房設置接地母排強弱電線路分開布設，并各自屏蔽，設備外殼良好接地通信中心微波信息中心自動化中心調度中心客服中心配電室380V48VUPS輸出載波光纖網線數據線二級交換機交直流配電線防雷方案站用變備份交流屏直流屏通信保護測控主控后臺監控UPS48V整流直流母線中控室主要通道信號線防雷方案交流屏直流屏通信保護測控主控后臺監控PT、CTM光纖載波等GPSRJ45網線485CAN485語音線等CTPT去調度經布線層等的主要通信線安裝SPD。屏內的232等通信線不須安裝SPD接地與屏蔽屏蔽措施:機柜接地有良好的屏蔽作用,采用屏蔽電纜.C、設備及需接地的點就近接地排(槽鋼)。B、主地線4*40扁銅以上銅或鋼(2條以上)A、共用接地方式變電站地網野外電網變壓器 防雷接地工程農村電網現狀整改方案農村用電變壓器防雷示