110kV变电站接地与防雷的设计 院 系：机电与自动化学院 专 业 班：电气工程及自动化班 姓 名：
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2012年X月 110kV变电站接地与防雷的设计 The Design of 110kV Substation Grounding and Lightning Protection 摘 要 随着经济的快速发展，企业生产和家庭用电对电能质量的要求越来越高，同时使用电能的安全性的要求也在进一步提高。雷电一直是危害电力系统安全稳定运行的重要因素之一，如果变电站发生雷击事故，将造成大面积停电，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。文章对变电站防雷保护系统进行了研究，并提出了变电站防雷与接地措施。根据该变电站的基本情况，对该变电站的接地网防雷和保护进行设计，使该站的接地电压满足允许0值，跨步电压和接地电压不超过允许值，其接地电阻、接触电压和跨步电压都满足要求，选择合适的设备对雷入侵波引起的过电压进行保护，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构成防雷保护措施，使全站设备都处于防雷保护范围内。本文通过计算短路电流，从结论中选择合适接地材料，设置接地网，达到防雷保护变电站的全范围目的。
关键词：电力线路 110kV变电站 防雷措施 接地网设计 Abstract With the rapid economic development, production and household electricity requirements of power quality are getting higher and higher use of electricity,at the same time the security requirements are further increased. Lightning has been one of the important factors that endanger safe and stable operation of power systems, if the substation lightning accident occurs, it will cause blackouts and inconvenience to the social production and people＇s lives, which requires lightning protection measures have to be very reliable. According to the substation, lightning protection and protection of the substation grounding grid design, the station and the ground voltage to meet the allowable value, the step voltage and ground voltage does not exceed the allowable value, the grounding resistance, touch voltage and stepvoltage requirements are met, select the appropriate equipment of lightning invasion wave overvoltage protection master plan layout of the electrical substation by substation civil area, set the rules according to the lightning rod, the requirements of the substation architecture span and protection stations all electrical equipment,station lightning rod to set the form of lightning protection measures, so that the whole station equipment in the lightning protection within. By calculating short-circuit current from the conclusion to select the appropriate grounding materials, set the ground network; to achieve the purpose of the full range of lightning protection of substations. Keywords: power lines 110kv substation lightning protection measures ground grid design 目 录 摘要…………………………………………………………………………………I Abstract……………………………………………………………………………II 绪论…………………………………………………………………………………1 1 设计原始资料……………………………………………………………………2 1.1 设计变电站的基本情况………………………………………………………2 1.1.1 接地网与防雷保护的目的…………………………………………………2 1.1.2 变电站规模、容量与站区地理条件………………………………………2 1.1.3 系统容量及阻抗值…………………………………………………………2 1.1.4 变电站电气平面布置总图…………………………………………………2 1.1.5 短路电流计算接线图………………………………………………………3 1.2 设计要求………………………………………………………………………3 1.3 设计的基本内容………………………………………………………………3 2 短路电流计算……………………………………………………………………4 2.1 短路电流计算的目的与假定…………………………………………………4 2.1.1 短路电流计算目的…………………………………………………………4 2.1.2 短路电流计算需要进行以下基本假定……………………………………4 2.2 短路计算过程说明……………………………………………………………4 2.3 短路点的选择原则与确定……………………………………………………5 2.4 短路计算原理…………………………………………………………………5 2.5 计算基准值……………………………………………………………………5 2.5.1 等值电路图…………………………………………………………………6 2.5.2 参数标幺值…………………………………………………………………6 2.5.3 短路计算过程注意事项……………………………………………………6 2.5.4 计算序阻抗…………………………………………………………………7 2.5.5 短路电流详细计算………………………………………………………10 2.5.6 入地短路电流计算结果……………………………………………………12 3 接地网设计………………………………………………………………………13 3.1 变电站接地分类………………………………………………………………13 3.2 变电站接地设计的必要性……………………………………………………13 3.3 变电站接地设计原则…………………………………………………………13 3.4 变电站接地电阻的构成及降阻措施…………………………………………14 3.5 接地网设计方案………………………………………………………………14 3.6 接地网设计的计算……………………………………………………………15 3.6.1 入地短路电流………………………………………………………………15 3.6.2 接地电阻允许值计算………………………………………………………15 3.6.3 接触电压和跨步电压允许…………………………………………………15 3.6.4 人工接地极工频接地电阻…………………………………………………16 3.6.5 接地网表面最大接触电位差………………………………………………17 3.6.6 接地网外的地表面最大跨步电位差………………………………………17 3.6.7 由接触电位差和跨步电位差反推接地电阻要求值………………………18 3.6.8 接地网计算结论……………………………………………………………18 4 变电站的防雷设计………………………………………………………………19 4.1 防雷保护装置…………………………………………………………………19 4.1.1 防雷保护装置概述…………………………………………………………19 4.1.2 避雷针的保护范围…………………………………………………………19 4.1.3 避雷器概述与要求…………………………………………………………21 4.2 直击雷的保护原则……………………………………………………………22 4.2.1 避雷针的装设原则及其接地装置的要求…………………………………22 4.2.2 直击雷保护装置的布置……………………………………………………22 4.3 雷电侵入波保护原则…………………………………………………………23 4.3.1 雷电保护措施………………………………………………………………23 4.3.2 变压器的防雷保护…………………………………………………………23 4.3.3 避雷器的配置原则…………………………………………………………24 4.4 本设计的防雷保护方案………………………………………………………24 4.4.1 避雷设备选择………………………………………………………………24 4.4.2 避雷针位置布置……………………………………………………………24 4.5 防雷保护配置和范围计算……………………………………………………25 4.5.1 避雷针保护范围……………………………………………………………25 4.5.2 保护范围计算结果…………………………………………………………28 4.6 避雷器的选择…………………………………………………………………28 总 结………………………………………………………………………………29 参考文献……………………………………………………………………………30 致 谢………………………………………………………………………………31 绪 论 随着近年来电力行业的不断发展，电力系统的供电安全成为一个很重要的问题， 然而变电站在电力系统中占有重要位置，故变电站的安全可靠运行的工作就显得十分重要。
变电站接地系统的合理性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，接地系统的设计也越来越复杂。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；
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。接地装置的设计中需要先进行短路计算，通过计算各个短路点的短路电流，然后经过比较选出短路电流的最大值，作为计算接地电阻最大允许值的短路电流，通过短路电流的最大值计算算出变压器中性点最大入地电流，再进行接地网设计的一系列的计算。
雷电是影响变电站安全运行的重要因素，变电站发生雷击事故，将造成大面积的停电，严重影响社会生产和人民生活，因此变电所防雷措施接地设施必须十分可靠。变电站对直击雷的防护方法是装设避雷针，将变电站的进线杆塔和室外电气设备全部置于避雷针的保护范围之内。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，独立接地网和主接地电网在地中距离保证在3m以上。为了防止在避雷针上落雷时对被保护物产生 “反击” 过电压，避雷针与被保护物之间应保持一定的距离。变电站内安装使用着各种类型的高、低压变、配电设备，这些设备均直接和供电系统的线路相连，而线路上发生雷电过电压的机会较多，因此更要注意防雷。
1 设计原始资料 1.1 设计变电站的基本情况 1.1.1 接地网与防雷保护的目的 根据该变电站的基本情况，对该变电站的接地网防雷和保护进行设计。使该站的接地电压满足允许值，跨步电压和接地电压不超过允许值；
使全站设备都处于防雷保护范围，并且选择合适的设备对雷入侵波引起的过电压进行保护。
1.1.2 变电站规模、容量与站区地理条件 变电站性质：110kV变电站。
变电站土建面积：62.2×67.5m2(包括站区围墙)；
变压器：两台三绕组变压器容量120MVA连接组别 YN，yn0，d11；
出线规模：110kV出线4回，向北架空出线；
35kV出线6回，向东架空出线；
10kV出线通过电缆沟均由本所南侧出线。
站区地理条件：土质表层为旱地黑黄沙土、土、石方，变电站站址以旱土和山地为主，只有极少部分低产田，根据地质物探结果并且考虑了季节系数，该站土壤电阻率取100Ω/m 。
1.1.3 系统的容量及阻抗值 (1) 计算基准值:Sn =100MVA，Un =115、37、10.5KV (2) 系统零序阻抗：Xs10 =0.1758，Xs20 =1.6384 1.1.4 变电站电气平面布置总图 图1-1 变电站电气平面布置总图 1.1.5 短路电流计算接线图 图1-2 短路电流计算接线图 1.2 设计要求 根据当地天气和土壤情况对变电站的接地网和防雷布置设计，使得变电站全站都在防雷保护范围之内，使得其接地电阻、接触电压和跨步电压都满足要求。掌握设计的一般程序，综合运用所学的专业课程知识，对防雷接地方案作一些技术比较。通过这次设计，要对变电站接地网与防雷保护设计有更深的了解，同时培养在设计上独立的思考能力，为从事电气工程方面的工作打下良好的基础。
1.3 设计的基本内容 (1) 最大入地短路电流的计算；
(2) 接地网接地电阻、最大接触电压、最大跨步电压的计算；
(3) 直击雷保护设计包括避雷针安装位置、避雷针高度、直击雷保护范围；
(4) 对变电站配电装置侵入雷电波的过电压保护措施进行设计。
2 短路电流计算 2.1 短路电流计算的目的与假定 2.1.1 短路电流计算目的 接地装置的设计中需要先进行短路计算，通过计算各个短路点的短路电流，然后经过比较选出短路电流的最大值，作为计算接地电阻最大允许值的短路电流，通过短路电流的最大值计算算出变压器中性点最大入地电流，再进行接地网设计的一系列的计算。
2.1.2 短路电流计算需要进行以下基本假定 (1) 正常工作时，三相系统对称运行。
(2) 所有电源的电动势相位角相同。
(3) 系统中的同步和异步电机均为理想电机，不考虑电机磁饱和、磁滞、涡流及导体集肤效应等影响；
转子结构完全对称；
定子三相绕组空间位置相差120度电气角度。
(4) 电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁芯的电器设备电抗值不随电流大小发生变化。
(5) 电力系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50%负荷接在高压母线上，50%负荷接在系统侧。
(6) 同步电机都具有自动励磁调整装置(包括强行励磁)。
(7) 短路电流为最大瞬间值。
(8) 不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流。
(9) 除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计。
(10) 元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围。
(11) 输电线路的电容略去不计。
2.2 短路计算过程说明 接地网设计中，短路电流计算是其中一个重要环节，只要想进行短路计算得出最大入地电流，才能进行接地电阻允许值的计算。计算时一定要注意以下几点：
(1) 接线方式：计算短路电流时方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式，即最大运行方式。
(2) 短路种类：应为是要计算变压器中性点最大入地电流，因此考虑两相接地短路和单相短路。
2.3 短路点的选择原则与确定 短路计算点是指在正常接线方式时，通过电器设备的短路电流为最大的地点。所选的短路点一定要是各种短路类型是最严重的情况，应为只要这样才能得出变压器中性点的最大入地电流，算出后才能进行接地电阻允许值的计算。而且一般不止选择一个短路点，而是通常选择2～3个分别进行计算，然后将计算结果进行比较。在该系统中分别选择了110kV高压侧母线、35kV中压侧母线、10kV低压侧母线这三个点进行短路计算。
2.4 短路计算原理 (1) 制定等值网络 ①选取基准功率MVA，基准电压；
②系统和正、负电抗用、,略去网络各元件的电阻和输电线路的电容和变压器的励磁支路；
③无限大功率电源的内电抗等于零；
④略去负荷。
(2) 制定序网图 (3) 进行网络化简 (4) 根据《电力系统分析》短路计算中两相短路和单相短路的计算公式分别计算其短路的正序、负序和零序的电流。
2.5 计算基准值 表2-1 变电站网络等值电路参数基准值取值 电气量 关系式 基 准 值 (MVA) 100 (kV) = 115 37 10.5 (kA) 0.502 1.56 5.5 2.5.1 等值电路图 由前面的已知条件可以得出下面的等值电路图：
图2-1 系统等值网络图 2.5.2 参数标幺值 系统侧正、负序电抗：
=0.123556 =1.418182 系统侧零序电抗：
=0.1758 =1.6384 变压器电抗：
2.5.3 短路计算过程注意事项 在变电站的电气设计中，短路电流计算是其中一个重要环节，在计算最大允许接地电阻时，需要用到短路电流。其中一定要注意以下几点：
(1) 接线方式：计算短路电流时方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式，即最大运行方式。
(2) 短路种类：因为是三绕组变压器，所以选择的是单相和两相接地短路，因为其入地电流比较大。
(3) 短路计算点的选择：短路计算点是指在正常接线方式时，通过电器设备的短路电流为最大的地点。本变电站系统的短路计算点为110kV高压侧、35kV母线和10kV母线处，分别记为、、。
2.5.4 计算序阻抗 (1) 110kV母线侧短路(即d1短路) ①正序、负序网络的合成阻抗等值电路 图2-2 d1正序、负序网络的合成阻抗等值电路图 由图2-2可得：=0.1667 1.58485 正序输入阻抗：= 负序输入阻抗：=0.11462 ②零序网络的合成阻抗等值电路 图2-3 d1零序网络的合成阻抗等值电路图 由已知条件和图2-3可得：
=-0.00397 =0.0171 =0.1071 ==0.1005 =0.1176 零序输入阻抗：=0.0705 (2) 35kV母线侧短路(即d2短路) ①正序、负序网络的合成阻抗等值电路 图2-4 d2正序、负序网络的合成阻抗等值电路图 由已知条件和图2-4可得：
=0.1667 =0.29022 正序输入阻抗：= 负序输入阻抗：=0.2409 ②零序网络的合成阻抗等值电路 图2-5 d2零序网络的合成阻抗等值电路 ==0.0689 =0.0649 零序输入阻抗：=0.0620 (3) 10kV母线侧短路(即d3短路) ①正序、负序网络的合成阻抗等值电路 如图5-6可得：
=-0.00397 =0.0171 =0.1071 ==0.1279 正序输入阻抗：==0.235 负序输入阻抗：=0.235 图5-6 d3正序、负序网络的合成阻抗等值电路 ②零序网络的合成阻抗等值电路 因为10kV侧的变压器都是三角形接线，零序电流流不进去，所以当d3点短路时不存在零序电流，既而也不存在零序等值电路。
2.5.5 短路电流详细计算 (1) 110kV侧 d1点短路：
①两相接地短路：=0.1583 正序电流：= 6.316 零序电流：3.915 该短路点短路电流的有名值：有名值=标幺值×基准值；
在d1点的电流基准值是：
=0.502 kA 有名 ===6.316×0.502=3.1706 kA 有名 ===3.915×0.502=1.6021 kA ②单相短路：=0.29974 正序电流：3.336 零序电流：3.336 各短路电流的有名值：
有名 === 3.336×0.502=1.6747 kA 有名 =有名= 1.6747 kA (2) 35kV侧 d2点短路：
①两相接地短路：=0.2886 正序电流：=3.465 零序电流：2.779 该短路点短路电流的有名值：有名值=标幺值×基准值；
在d2点的电流基准值是：
=1.56 kA 有名 ===3.465×1.56=5.4054 kA 有名 ===2.779×1.56=4.3352 kA ②单相短路：=0.5413 正序电流：1.847 零序电流：1.847 各短路电流的有名值：
有名 ===1.847×1.56 =2.881 kA 有名 = 有名 =2.881 kA (3) 10kV侧d3点短路：
①两相短路接地：=0.235+0.235 正序电流：=2.128 kA 该短路点短路电流的有名值：有名值=标幺值×基准值；
在d3点的电流基准值是：
=5.499 kA 有名 == =2.128×5.499=11.70 kA ②单相短路：因为不存在零序输入阻抗，因此单相短路时不存在短路电流。
2.5.6 入地短路电流计算结果 表2-2 短路计算结果 短路类型 短路点 两相短路接地(kA) 单相短路(kA) d1 有名 =3.171 有名 =1.602 有名 =1.675 有名=1.675 d2 有名 =5.405 有名 =4.335 有名 =1.847 有名=2.881 d3 有名 =11.70 — — — 从表2-2中的计算结果可知35kV母线上发生两相接地短路时，短路电流具有最大值，因此将d2点两相接地短路时的短路零序电流作为接地装置接地电阻计算时的短路电流值。因为短路电流经过变压器中性点入地时将变为原来数值的三倍，所以，即入地短路电流：
=3×4.3352=13.01kA 3 接地网设计 3.1 变电站接地分类 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，接地系统的设计对变电站的安全运行有着重要的作用。变电站接地包含工作接地、保护接地、雷电保护接地。
(1) 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；
(2) 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；
(3) 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。
3.2 变电站接地设计的必要性 接地是避雷技术最重要的环节，不管是直击雷，感应雷或其它形式的雷，雷击过电流都将通过接地装置导入大地。因此，没有合理而良好的接地装置，就不能有效地防雷。从避雷的角度讲，把接闪器与大地做良好的电气连接的装置称为接地装置。接地装置的作用是把雷电对接闪器闪击的电荷尽快地泄放到大地，使其与大地的异种电荷中和。变电站的接地网上连接着全站的高低压电气设备的接地线、低压用电系统接地、电缆屏蔽接地、通信、计算机监控系统设备接地，以及变电站维护检修时的一些临时接地。如果接地电阻较大，在发生电力系统接地故障或其他大电流入地时，可能造成地电位异常升高；
如果接地网的网格设计不合理，则可能造成接地系统电位分布不均，局部电位超过规定的安全值，这会给出运行人员的安全带来威胁，可能因反击对低压或二次设备以及电缆绝缘造成损坏，使高压窜入控制保护系统、变电站监控和保护设备会发生误动、拒动，酿成事故，甚至是扩大事故，由此带来巨大的经济损失和社会影响。
3.3 变电站接地设计原则 (1) 尽量采用建筑物地基的钢筋和自然金属接地物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，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。
3.4 变电站接地电阻的构成及降阻措施 (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，其阻值与土壤的性质、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，将受到相互的限制而妨碍电流的流散，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) 对于变电站一般采用外引接地的降阻和深井降阻。
3.5 接地网设计方案 本站是一个110kV的降压变电站，占地面积4198.5。设有4根独立的避雷针，因此需设独立的接地装置且必须与设计的接地网相连。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，水平接地体采用50×5的扁钢沿全站按栅格网布置，网格孔尺寸为8000×8000，水平接地体埋深为800；
垂直接地体采用2500长的∠50×50×5的角铁桩，角铁桩沿水平接地体每间隔一个网格布置一根，接地网外围每个网格布置一根接地角铁桩。
电器设备接地引下分支线采用40×4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。
站内所有电缆沟内的角铁支架采用25×3的扁钢连成一体，电缆沟内的扁钢与主接地网的接地点不少于两点。
3.6 接地网设计的计算 3.6.1 入地短路电流 由第2章计算结果可得，最大短路电流为35kV母线(即d2点)两相接地短路时的短路电流为：13.01 kA 因为系统短路时三倍的短路零序电流一部分经短路点入地，一部分经变压器中性点的入地电流的，所以根据图2-5来计算其变压器中性点入地短路电流。流经变电所接地中性点的最大接地电流为：
==12.41 kA 由《交流电气装置的接地》(DL/T621-1997)中入地短路电流最大值的计算式可得：
(3-1) (3-2) 入地电流I入地为与之间的较大者，将数据带入式(3-1)和(3-2)得：
=0.3 kA =11.17 kA 取两者较大值，因此本站入地短路电流最大值为：I入地=11.17 kA。
3.6.2 接地电阻允许值计算 由《交流电气装置的接地》(DL/T621-1997)中变电站接地网接地电阻的允许计算规程可得接地网接地电阻允许值：
(3-3) = 0.179 即：0.179 3.6.3 接触电压和跨步电压允许值 根据据《交流电气装置的接地》(DL/T621-1997)中的接触电压和跨步电压计算部分可知: 接触电压：
(3-4) 跨步电压：
(3-5) 式中——土壤电阻率；
——故障切除时间0.2s；
将带土壤电阻率和主保护动作时间入式上面的公式得：
==427.1 V ==545.6 V 3.6.4 人工接地极工频接地电阻（水平复合接地网）
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)=1339.3 m；
(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；
0.9463 等值方形接地网的接地电阻：
人工接地极工频接地电阻：
0.696 3.6.5 接地网表面最大接触电位差 (3-6) (3-7) 式中 ——最大接触电位差；
——最大接触电位差系数；
——接地装置的电位；
==1.201 （本接地网采用方孔布置方式，故取1.0）
n= 10.017 =0.1535 =0.9842 = ==0.1814 3.6.6 接地网外的地表面最大跨步电位差 最大跨步电位差：
(3-8) 式中 ——最大跨步电位差；
——最大跨步电位差系数；
式中 ——跨步距离；
由上式可得：=0.0722Ug；
3.6.7 由接触电位差和跨步电位差反推接地电阻要求值 由3.6.3节算出的接触电压和跨步电压允许值如下：
= 427.1V = 545.6V (1) 由接触电位差反推电阻要求值：
(3-9) (3-10) (3-11) (2) 由式3-8跨步电位差反推电压要求值：
= 545.6/0.0722= 7556.8V 接地电阻值要求值：= 7556.8/11170= 0.677 (3) 若考虑绝缘地面：ρ=5000 则：= (174+0.17×5000)/=2289.7V =2289.7/(0.1814×11170)=1.13 3.6.8 接地网计算结论 综上所述，变电站的接地电阻不能超过接地网表面的最大接触点位差的接地电阻值，即，由上述的计算结果可知人工接地装置的接地电阻的值为，满足接地电阻、跨步电压和接地电压的要求，故本站的人工接地装置不需要进行降阻处理。
4 变电站的防雷设计 变电站是电力系统的重要组成部分，如果发生雷击事故，有可能对变压器及其它电器设备造成破坏，从而引起大面积长时间的停电，严重影响国民经济和人民生活，因此，对变电站的防雷保护就显得尤为重要。变电站的雷害事故来自两个方面：一是雷直击于变电站；
二是雷击输电线路产生的雷电波沿线路侵入变电站。这就要求为变电站设计十分可靠的防雷保护装置，本章通过介绍防雷保护装置、直击雷保护、侵入雷保护和防雷保护估算，确定该变电站的防雷保护装置。
4.1 防雷保护装置 4.1.1 防雷保护装置概述 电力系统中最基本的防雷保护装置有：避雷针、避雷线、避雷器和防雷接地装置。直击雷保护装置是指能使被保护物体避免雷击，而引雷于本身，并顺利地泄入大地发装置，避雷针和避雷线可以防止雷电直接击中被保护物体，因此也称作直击雷保护。避雷器可以防止沿输电线侵入变电站的雷电过电压波，因此也称作侵入波保护；
接地装置的作用是减少避雷针或避雷器与大地之间的电阻值，以达到降低雷电过电压幅值的目的。
根据设计要求，结合该变电站的实际情况，只选用避雷针、避雷器和防雷接地装置配合作为防直击雷保护装置，避雷线在此不作考虑。
4.1.2 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。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(m)，被保护物体的高度为(m)，则避雷针的有效高度为，在高度上避雷针保护范围的半径(m)由以下公式计算：
当≥时：
(4-1) 当<时：
(4-2) 式中 ——高度校验系数；
当≤30m时，=1；
当30m<≤120m时，，实际设计中＞30m，取=0.98。
公式4-1和4-2可由几何图表示图4-1。从避雷针顶尖向下作斜线，此斜线旋转而成的锥体，构成≥时的保护范围。从地平面距离避雷针1.5处向避雷针0.75高处作连线，此连线旋转成的锥体，构成<时的保护范围。
图4-1 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。
保护最底点高度(0点的高度)：
(4-3) ②避雷针保护宽度。
按《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T621—1997)中的两等高避雷针间保护范围的一侧最小宽度与的关系)确定。当＞时，取。求得后，可按图4-3绘出两针间的保护范围。两针间距离与针高之比不宜大于5。
图4-2 两根等高避雷针的保护范围 图4-3 两等高避雷针间保护范围的一侧最小宽度与的关系 4.1.3 避雷器概述与要求 (1) 避雷器是用以限制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，限制了过电压的发展，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。
(2) 为使避雷器能够达到预期的保护效果，必须满足以下基本要求：
①具有良好的伏秒特性，以易于实现合理的绝缘配合。
②应有较强的绝缘强度自恢复能力，以利于快速切断工频续流，使电力系统得以继续运行。
4.2 直击雷的保护原则 4.2.1 避雷针的装设原则及其接地装置的要求 (1) 独立避雷针宜设独立的接地装置。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及以下的设备不危险的程度。
独立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。
(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的地区，宜装设独立避雷针。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。
对于63kV的配电装置，允许将避雷针装在配电装置的架构或房顶上，但在土壤电阻率大于500的地区，宜装设独立避雷针。
对于35kV及以下高压配电装置架构或房顶上不宜装设避雷针，因其绝缘水平很低，雷击时易引起反击。
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。
4.2.2 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(如图1-1所示)。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，独立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。
4.3 雷电侵入波保护原则 4.3.1 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，在于利用其阻抗来限制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。
4.3.2 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。
4.3.3 避雷器的配置原则 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。
上述允许距离应在各种长期可能的运行方式下都符合要求，但一般不考虑事故或检修的短时运行方式。
4.4 本设计的防雷保护方案 本变电所是该地区重要的电力枢纽,一旦发生雷击事故,就将造成该地区的大面积停电。站内一些重要设备如变压器等,多半不是自恢复绝缘,其内部绝缘如果发生闪络,就会损坏设备从而给电站带来比较大的损失。因此，该变电所实际上是要求完全耐雷的，这样才能保证其电站的安全使得其供电可靠性的满足。
4.4.1 避雷设备选择 由于本站是一个较小型的110kV变电站，有110kV、35kV、10kV三个电压等级。电站东西长62.2米，南北长67.5米，面积比较小。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，因此在站内按装4个等高避雷针，避雷针高25m。
4.4.2 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。请参考图1-1。
4.5 防雷保护配置和范围计算 4.5.1 避雷针保护范围 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：(包括110kV构架取高度，下同)；
据35kV出线断面图可知35kV设备高度：。
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(图1-1)。由图可知将避雷针标为：#1、#2、#3、#4、针高都为进行计算。
(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 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，；
避雷针：#4、#5保护35kV设备，。
图4-4 110kV出线断面图 图4-5 35kV出线断面图 ②单根避雷针的保护半径：
因为#1、#2、#3、#4针均为被保护物高＜情况，因此按公式4-2计算单根避雷针的保护半径，其中——高度影响系数，因为＜30m，所以取=1。单根避雷针保护范围 ：
避雷针#1、#2：= 避雷针#3、#4：= (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)中上部边缘最低点O的圆弧确定，圆弧的半径为，O点为假想避雷针的顶点，其高度应按下式计算：
(4-3) 式中 ——两避雷针间的距离 (m)；
——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，然后通过比较别保护物高度和避雷针高度，选择图4-3计算曲线，然后再将算出的对照曲线确定的值，从而最终计算出最小保护宽度。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。
避雷针 #1、#2：、 ==19.8m＞10m ==2.413 =0.9 =13.5m 避雷针 #3、#4：
==16.4m＞7.3m == 3.401 =0.85 =15.0m 避雷针 #2、#4：
==16.0m＞10m ==4.313 =0.6 =9m 避雷针 #1、#3：
==16.4m＞10m == 4.02 =0.62 =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水平面上，各相邻避雷针间保护范围的一侧最小宽度时，则全部面积受到保护。
避雷针 #2、#3：
==14.6m＞10m ==4.28 =0.7 =10.5 避雷针 #1、#4：
==13.3m＞10m ==5.46 =0.45 =6.75m 4.5.2 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) 两针距离D (m) 被保护物(m) 最小保护宽度(m) #1－#2 25 36.2 10 13.5 #1－#3 25 60.3 10 9.3 #1－#4 25 81.9 10 6.75 #2－#3 25 72.6 10 10.5 #2－#4 25 63.2 10 9 #3－#4 25 60.2 7.3 15 通过以上的计算可知都大于0，而且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。
4.6 避雷器的选择 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4-2。
表4-2 氧化锌避雷器参数表 安装 地点 型号 额 定 电 压 有效值 kV 最大持续运行电压 有效值 kV 操作冲击(30~100μs) 10kA残压（峰值）kV 雷电冲击（8/20μs）
10kA残压（峰值）
kV 陡坡冲击（1μs）
10kA残压 （峰值）kV 110kV侧 Y10W-100/260 100 78 221 260 291 35kV侧 HY5WZ-51/134 51 40.8 114 134 154 10 kV侧 HY5W-16.5/45 16.5 13.6 45 56.8 38.3 参考文献 [1] 水利电力部西北电力设计院.电力工程电力设计手册 水利电力出版社，1987. [2] 杨宛辉.发电厂、变电所电气一次部分设计参考图册.郑州大学出版社，1996. [3] 范锡普.发电厂电气部分（第二版）.水利电力出版社，1995． [4] 何仰赞、温增银编著．电力系统分析（第三版上、下册）华中科技大学出版社，2002． [5] 文远芳主编．高电压技术．武汉：华中科技大学出版社，2001． [6] 孙莹、王葵编著．电力系统自动化．北京：中国电力出版社，2004． [7] 弋东方主编．电力工程电气设计手册(电气一次部分)．北京：中国电力出版社，1999． [8] 刘涤尘主编.电气工程基础(第一版).武汉:武汉理工大学出版社，2001. [9] 刘君、张东英编著．电力系统专题．北京：华北电力大学出版社，2002． [10] 陈慈萱主编.过电压保护原理与运行技术(第一版).北京:中国电力出版社，2002. [11] 何金良主编.过电压保护及绝缘配合.北京：清华大学出版社，2000. [12] 魏金成主编.建筑电气.重庆大学出版社，2002. [13] 陈跃主编.电气系统专业毕业设计指南.中国水利水电出版社，2003. [14] Bimal K.Bose.Power electronics and drives-adnances.Elsevier Science，2006. [15] Jai P. Agrawal. Power electronic systems-theory and design. Prentuce Hall,2001. 结 论 本设计题为《110kV变电站接地网与防雷的设计》，经过长达两个多月的努力，在指导老师胡胜的指导下，我在规定的时间内完成了此次设计。本文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限制，导致此次设计存在错误之处，恳请各位老师批评指正。
致 谢 经过两个多月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于知识和经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。在这里首先要感谢我的导师胡胜老师。胡老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是胡老师仍然细心地纠正其中的错误。除了敬佩X老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。其次要感谢我的同学对我无私的帮助，特别是在软件的使用方面，他们给了我很大帮助，正因为如此我才能顺利的完成设计，我要感谢我的母校——XX大学XX分校，是母校给我们提供了优良的学习环境；
另外，我还要感谢那些曾给我授过课的每一位老师，是你们教会我专业知识。在此，我再说一次谢谢！谢谢大家！
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