畢業論文-35kv變電站防雷接地技術研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 絡。在實際不同的電網中，我們應該根據現場采集的雷電的形式、雷電的頻率、電流強度和需要保護的設施重要性，來采取符合需要的保護 措施。 變電站防雷接地技術 7 正確屏蔽雷電流 對于微機保護的控制裝置，電力系統的通信線路應該采用帶有屏蔽層的多絞屏蔽電纜，并且應該盡可能把強電的導線單獨安裝，同時保證電纜的屏蔽層接地自始至終都只有一個點。這是因為在變電站中，電力裝置里既有模擬的電路還有數字的電路，所以，數字設備和模擬設備必須應該分開，最后它們只能夠具有一個連接點，假如兩者不分開，將會互相地干擾，嚴重時甚至可能損壞設備。 加裝浪涌的二次保護器 變電站開關的操作、靜電放電現象及閃電放電時產生的瞬時過電壓可能會對電力設備造成毀滅性的傷害或者 加快它的老化過程。 對于浪涌現象的保護方法主要是在變電站系統內加裝浪涌的二次保護器。浪涌的二次保護器是采用同等電位的原理，及時把浪涌電流導入接地系統。當系統的過電壓現象發生時，瞬時的高電壓將會抑制電力二極管 (Rm)作為反應速度最快的電力元件首先動作，同時開始泄放巨大的雷電電流，并且把輸出的電壓鉗位控制在它的截止電壓之上，從而十分有效地防止了巨大的過電壓對于電力設備的損傷。當加在 TVS 里的放電的電流隨著電壓幅值的上升進而使得充氣式的放電器 (HFB)兩端放電電壓超過了它的點火電壓 UM 時， GDT 將會瞬時動 作，并且也會開始泄放雷電電流。這時， GDT 呈現低阻的狀態，它的兩端僅僅只有 20~40V 的電弧電壓，所以可以避免因為過電壓的持續時間長進而把 TVS 燒毀。 變電所接閃器 在變電站發生雷擊之后，防雷系統可以通過直接攔截的方法，引導雷電流進入接地網。接閃器有避雷針和避雷線兩種。小型的變電所多數裝備獨立的避雷針，大型的變電所通常在變電所的架構上采取避雷針和避雷線，或者把兩者相結合，并且大型變電所對于引流的線路和接地的裝置都有十分嚴格的要求。 變電所避雷器 避雷器能夠把侵入變電所中的雷電流降 低至電氣裝置的絕緣強度允許范圍以內。 我國的變電所避雷器主要采用的是金屬氧化物的避雷路器 (ROA)，西方的國家除了使用 ROA 之外，還在所有的電氣裝置內安裝空氣的間隙，并作為 ROA 失效之后的備用設備。 合理布置避雷裝置的安裝位置 目前，大多數的 RTU 子站 (或者一體化的微機二次保護裝置等 )，大部分安裝在了高壓室的配電開關柜上，電力的量測信息通過從高壓配電室接到主控臺的變電站防雷接地技術 8 通信電纜來傳輸，以 MS525 等接口的方式與 RTU(或這通信 管理 機器等 )進行數據傳送。所以，通信電纜非常容易受到來自于開關的誤操作、電力負荷的波動和強電的電纜所產生的巨大電磁場干擾，這些巨大的干擾輕則會增大電力量測信息的誤碼率，重則可能使得 MS525 等數據接口發生損壞。此外，夏天時高壓室里的溫度比較高， RTU 的子站 (或者一體化的微機二次保護裝置等 )內部因為熱量過高而產生的干擾噪聲現象不容忽視。 針對上面分析的問題，我們可以把 RTU 的子站 (或者一體化的微機二次保護裝置等 )在主控臺里集中組屏，這樣做不僅能夠減少物理干擾源 (包括 室內溫度 )對于電力裝置的影響，還可以改善電力設備運行的環境，并且能夠方便檢修和試驗人員對電力裝置年檢的預試工作。 二、 變電站接地方式 目前，變電站的接地方式有許多種，比如單點的接地、多點的接地和混合類型的接地等。單點的接地還分為串聯單點的接地及并聯單點的接地。一般來講，單點的接地常常用于簡單線路，、以及頻率較低 (f2MHz)的電子線路。而當涉及到高頻 (f20MHz)的電路時，我們應該采用多點的接地或者多層板的方式。 雷電保護接地指為雷電保護裝置 (避雷針、避雷線和避雷器等 )向大地泄放雷電流而設 的接地。因此，變電站構架避雷針（帶 )和避雷器不僅應采用雙引下接地方式，還須敷設 2～ 3 根放射狀垂直接地極與主網相連，以達到加強對雷電流的分流作用。對于全站接地網， 影響其工頻接地電阻值大小的主要取決于水平接地體，而垂直接地能有效地加強沖擊電流的擴散，為避免其相互之間的屏蔽作用，在接地網的邊緣設置垂直接地極，且垂直接地極相互間的間距應大于垂直接地體長度的 2 倍。 在進線構架接地引下線地面上方 米處設置可開斷點， 當測量全站接地電阻值時與線路地線將其斷開，保證測量的準確性。當采用 110kV 和 220kV 構架避雷針 時，該接地裝置與主接地網連接，但地下連接點至主變、 35kV 及以下設備與主接地網的地下連接點之間，沿接地體的長度不得小于 15m。如因場地狹小，直線距離有困難時可考慮地下接地線彎成蛇形狀。 變電站的直擊雷保護 直擊雷的影響 直擊雷是指雷雨云對大地和建筑物放電的現象 。 它以強大的沖擊電流、熾熱的溫度、猛烈的沖擊波以及強烈的電磁輻射損壞放電通道，其最高電流達200~300kA，一般在 20~40kA，其時間甚短，一般僅為 10~100μs。直接擊在建筑物變電站防雷接地技術 9 構架上，因電效應、熱效應和雷電沖擊波等作用而造成電力線路、 電力系統弱電設備等損壞。其對弱電設備的影響主要表現在以下幾個方面： 電效應的破壞作用 根據安培定律，當 A、 B 平行導體上分別通以電流 1i 、2i （ kA）， A、 B 的距離為 d(m)時 ，每米導線所受的作用力按下式計算 1021 ?????? iidlF o （ 21） 式中，平行導體的長度 0l 為 1m。 假定雷擊的瞬間兩導體的電流 1i 和 2i 都等于 100kA，兩導體的距離 d 為 50cm，計算結果表明，這兩根導體每米都受到 408kg 的力。因此雷擊的時候，由于電動力的作用，也有可能使弱電設備導線折斷。 同樣對拐彎的導體或金屬構件，在拐彎部分也將受到電動力作用，它們之間的夾角越小，受到的電動力越大。當拐角的夾角為銳角時受到的作用力最大，鈍角最小。所以接閃器及其引下線不應出現銳角的拐彎，在不得已采用直角拐彎時應加強構件強度。 熱效應的破壞作用 根據焦耳定律，一次閃擊的雷電流發出的熱量 Q ?? t dtiRQ 0 2 （ 22） 式中 Q— 發熱量 ， J； i— 雷電流， A； R— 雷電流通道的電阻，Ω； t— 雷電流持續的時間， s。 實際上，雷電流作用的時間很短，散熱影響可以忽略，在電流通路上引起的溫升Δ T 為 mcQT?? （ 23） 式中 Δ T — 溫升， K； m— 雷電流通過的物體質量， kg； c— 通過雷電流的物體的比熱容， J/kg K。 如果雷電擊在電弱電設備上，由于雷電流很大，通過的時間極短，被擊得物體瞬間產生巨大熱量，又來不及散發，將產生巨大的爆 炸力。當雷電流通過金屬體時，如果金屬體的截面積不夠大時，甚至可使其熔化。因為通道的溫度可高達 6000℃ ~10000℃ ，甚至更高。因此在雷電流通道上遇到易燃物質，可能引起火災。 雷電流沖擊波的破壞作用 雷電通道的溫度高達幾千度至幾萬度，空氣受熱急劇膨脹，并以超聲速度向四周擴散，其外圍附近的空氣被強烈壓縮，形成“激波”。被壓縮空氣層的外界稱變電站防雷接地技術 10 為“激波波前”。“激波波前”到達的地方，空氣的密度、壓力和溫度都會突然增加。“激波波前”過去后，該區壓力下降，直到低于大氣壓力。這種“激波”在空氣中傳播，會使其附 近的電力線路、電氣設備受到破壞。 感應雷的影響 感應雷對弱電設備的影響主要是指在雷云之間放電或雷云對地之間放電時，在附近的戶外傳輸信號線路、埋地電纜線路、設備連接線上產生電磁感應并侵入設備，使串聯在線路之間或線路末端的電子設備受到損壞。感應雷雖不如直擊雷猛烈，但其發生的概率比直擊雷高得多。 當雷云層與層之間以及雷云與大地之間放電時，在放電通道周圍產生的電磁感應、雷電電磁脈沖的輻射以及雷云電場的靜電感應，使建筑物上的金屬部件、管道、鋼筋和由室外進入室內的電源線、信號傳輸線、天線饋線等感應出雷電高電壓，并通 過這些線路以及進入室內的管道、電纜等引入室內造成電子設備損壞。顯然感應雷危害是大面積的，是危害電子設備的主要干擾源。 例如，當雷擊大地時，在線路產生感應過電壓的值可以按下述經驗公式估算 IbhU cp ??? )/(25 （ 24） 式中 U — 感應過電壓， kV； I — 雷電流幅值， kA； b — 雷擊點與導線間的水平距離， m； cph —— 導線平均高度， m。 當雷擊電流為 30kA 斜角波，雷云高度為 3km，導線高度為 10m，雷電擊中距 500m 長架空線路中點 100m 處的地面時，則線路上會產生感應電壓幅值為 75kV的振蕩波。此振蕩波為電磁感應和靜電感應共同作用的結果。雷電感應是雷電流的強大電場以及磁場變化時產生的靜電感應和電磁感應造成的。 靜電感應 當建筑物頂部或其他導體處于雷云與大地間所形成的電場中時，建筑物頂部或導體上就會聚集極性與雷云下部電荷極性相反的大量電荷。當雷云與放電體間的電場強度超過兩者之間空氣的擊穿強度時，雷云對放電體放電，正、負電荷在電路中猛烈地中和。雷云放電后，云與大地間的電場突然消失，建筑物頂部或導體上的電荷來不及立即流散，因而產生很高 的對地電位差。這個對地電位差稱為靜電感應電壓。如果樓頂不采取良好的接地措施，室內的設備即有可能因靜電感應電壓而受損。 雷擊時，除建筑物產生很高的感應電壓外，在輸電線路和通信線路上同樣會發生這種現象。由于感應電壓極性與雷云極性相反的電荷聚積到一段線路上成為變電站防雷接地技術 11 束縛電荷。當雷云對放電體放電時，雷電通道中的電荷猛烈中和，線路上的束縛電荷變為自由電荷并向導線兩邊流動，形成感應過電壓波。高壓輸電線路上的感應過電壓可達 300~400kV；一般配電線路和通信線路雖然懸掛高度較低，但雷電流大，感應過電壓仍可達幾十千伏。 電磁感應 由于雷電流具有極大的幅值和陡度，在放電通道周圍的空間里會產生強大的變化電磁場。處在這一電磁場中的導體會感應出較大的電動勢。如果回路中有些地方接觸不良，就會產生局部發熱或放電現象。電磁感應現象還可以使構成閉合回路的金屬物體產生感應電流，對設備或建筑物造成損害。 事實上，在生產實踐中雷擊的靜電感應破壞力數倍于電磁感應。靜電感應還可用雷擊的二次效應理論來解釋。帶電雷云飄浮在地表上空，地表帶上極性與雷云極性相反的等量電荷。當雷擊過后，雷擊點地表變為電荷的相對空穴，周圍高電荷區域與地電位相對絕緣的導體 上的電荷，將導致設備打火、絕緣受損和電子設備失效。 避雷針 (線 )是接地的導電物 ， 一般高于被保護物體 ， 它們的作用就是將雷電吸引到自己身上 ， 安全并迅速地導入地中。避雷針通過自身的高度 ， 在其尖端的高突處形成電場的畸變 ， 在雷云電場的作用下 ， 當尖端的電場強度大于空氣電離場強時 ， 開始電離空氣 ， 形成迎面先導 ， 并與雷云的雷電先驅相遇 ， 完成雷擊過程。 為了使雷電流能夠順利下泄 ， 必須有良好的導電通道。因此 ， 避雷針 (線 )的基本組成部分是接閃器 (引發雷擊的部位 )、引下線和接地體。 首先介紹相關方面的知識。 變電站的侵入波保 護 變電站對侵入波的防護的主要措施是在其進出線上裝設閥型避雷器，避雷器裝設在被保護物的引入端，其上端接在線路上，下端接地，一般安裝在變電站母線上。閥型避雷器的基本元件為火花間隙和非線性電阻。目前， SFZ 系列閥型避雷器，主要用來保護中等及大容量變電站的電氣設備。 FS 系列閥型避雷器，主要用來保護小容量的配電裝置。 變電站中限制侵入波的主要設備是避雷器，它接在變電站的母線上，與被保護設備相并聯，并使所有設備受到可靠保護。 避雷器實質上是一種放電器 (或稱限壓器 )， 并聯在被保護設備附近。避雷器 的變電站防雷接地技術 12 擊穿電壓要比被保護設備 的低。當線路上傳來的過電壓超過避雷器的放電電壓時 ，避雷器會先行放電 ， 把入侵波導入大地 ， 限制設備上的過電壓 ， 避免電氣設備絕緣遭擊穿損壞。當入侵波消失后 ， 避雷器又能夠自行恢復絕緣能力 ， 防止工頻接地短路事故的發生。 目前使用的避雷器主要有四種類型 ， 即保護間隙、管型避雷器、閥型避雷器和氧化鋅避雷器。前兩種主要用于變電站進線段的保護 ， 以限制入侵的大氣過電壓 ； 后兩者主要用于保護變壓器或其他電氣設備 ， 其保護特性是選擇高壓電力設備絕緣水平的基礎。為了使避雷器達到預期的保護效果 ， 必須正確選擇和使用避雷器。避雷器的基本要求 ： 避雷器與被保護設備之間應有合理的伏秒特性的配合 ， 在被保護物可能擊穿以前 ， 避雷器就已發生動作 ， 將過電壓波截斷 ， 從而起到可靠的保護作用。工程上常用沖擊系數。來反映伏秒特性的形狀。沖擊系數 a 是指沖 擊放電電壓與工頻放電電壓的比值 ， 其比值越小 ， 伏秒特性越平直 ， 一般希望它接近于 1。因此 ，應選用沖擊系數小的避雷器作為電氣設備的保護裝置 ； 當瞬間的雷電過電壓消失后 ， 避雷器能自行截斷工頻續流、恢復絕緣強度 ，保證電力系統能夠繼續正常運行 ； 具有一定通流容量 ， 且其殘壓應低于被保護設備的沖擊耐壓值。 變電站的 進線段保護 要限制流經避雷器的雷電電流幅值和雷電波的波度，就必須對變電站進線實施保護。當線路上出現過電壓時，將有行波導線向變電站運動，起幅值為線路絕緣的 50%沖擊閃絡電壓，線路的沖擊耐壓比變電站設備的沖擊耐壓要高很多。因此，在接近變電站的進出線上加裝避雷線是防雷的主要措施。如不架設避雷線，當遭受雷擊時，勢必會對線路造成破壞。變電站進線保護是在靠近變電站出線架1～ 2km 線路上所采取的可靠的防雷保護措施，變電站進線保護具體措施視變電站的線路情況而定。 為了限制流經避雷器的雷電流和限制入侵波的陡度，變電所需采用進 線保護接線。 一、 35kV 及以上變電所的進線段保護 對于 35~110kV 無避雷線的線路，當雷擊于變電所附近線路的導線上時，沿線入侵流經避雷器的雷電流可能超過 5kA，而且陡度也可能超過允許值，因此對對于 35~110kV 無避雷線的線路，在靠近變電所的一段進線上，必須架設避雷線，在變電站防雷接地技術 13 進線段內出現雷電波的概率大大減小，保證雷電波只能在進線段以外出現。架設避雷線的這段進線稱為變電所進線保護段 未沿全線架設避雷線的進線段保護 圖 進段保護示意圖 （ 1）閥型避雷器的作用：保護全所設備 ； （ 2）避雷線作用：避雷線 保護角很小，在進線段內不發生繞擊，雷擊于進線段以外的導線上時，導線自身電阻將消耗入侵波能量，來限制入侵波幅值 ； （ 3）管型避雷器 1：限流 ； （ 4）管型避雷器 2：保護開關。 二、全線架設避雷線的變電所進線段保護 圖 全線架設避雷線的變電所進線段保護 三、 35kV 小容量變電所的簡化進線保護 圖 35kV 小容量變電所的簡化進線保護 四、用電抗線圈代替進線段的保護接線 圖 用電抗線圈代替進線段的保護接線 變電站防雷接地技術 14 避雷針與避雷線的保護范圍的計算 雷擊只能通過攔截導引措施改變其入地路徑。 接閃器有避雷針、避