35KV变电所防雷接地保护设计

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35KV变电站防雷接地保护设计

摘 要

雷电事故是对变电站、发电厂安全的主要威胁，如何有效、合理对变电站、发电厂采取防雷接地保护措施有着十分重要的意义。

本文就以农村某35KV变电站为研究对象，以国家《防雷接地标准》为依据且结合变电站具体情况，对变电站的防雷接地进行保护设计，具有一定代表性。首先根据变电站的电气主接线图等实际情况，在了解雷电参数、雷电机理以及学习各种防雷装置的基础上，采用设计避雷针并计算验证其保护范围实现对变电站直击雷的防护；对变电站雷电侵入波的防护实现，则通过选择安装避雷器型号和设计变电站进线段的保护接线。最后在了解接地基本知识后，计算其接地电阻、最大土壤电阻率、垂直接地体根数等，实现对此35KV变电站的接地保护设计。

关键词：35KV变电站； 直击雷防护； 雷电侵入波防护； 接地保护

35KV substation lightning protection design of ground protection

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Abstract：Lightning incident on the substation, power plants, the main threat to security, how to effectively and rationally to the substations, power plants, lightning protection grounding protection measures taken is very important.

This article on a 35KV substation in rural areas for the study to state \grounding standards\substation grounding protection lightning protection design, has a certain representation. First of all, according to the main electrical substation wiring diagram of the actual situation, etc., in the understanding of lightning parameters, the mechanism of lightning, as well as learning a variety of lightning protection devices on the basis of the calculation used to verify the design of a lightning rod and its scope of protection to achieve the protection of the substation direct stroke; of Substation lightning invasion wave to achieve the protection, surge arresters are installed by selecting the type and design of substation protection of wiring into the segment.

Finally, grounding in the basic knowledge to understand, calculate the grounding resistance, soil resistivity of the largest vertical root number, such as grounding, to achieve this protection 35KV substation grounding design.

Key words: 35KV Substation; Direct stroke protection; Invasive wave lightning protection ; Ground Protection

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目 录

摘 要...................................................................................................................... 1 目 录...................................................................................................................... 3 第1章 前言................................................................................................................ 5

1.1课题的提出和意义.......................................................................................... 5 1.2国内外研究现状.............................................................................................. 6 1.3本课题的主要工作.......................................................................................... 6 1.3.1研究目标................................................................................................... 6 1.3.2主要研究内容........................................................................................... 7 1.4变电站防雷接地国家相关标准...................................................................... 7 1.5本论文涉及的35KV变电站 .......................................................................... 8 1.5.1变电站的概况........................................................................................... 8 1.5.2变电站相关参数....................................................................................... 9 1.5.3变电站电气主接线图............................................................................... 9 第2章 雷电与防雷装置.......................................................................................... 11

2.1雷电................................................................................................................ 11 2.1.1雷电及其放电过程................................................................................. 11 2.1.2雷电参数................................................................................................. 13 2.1.3雷击过电压产生的机理......................................................................... 17 2.2防雷装置........................................................................................................ 18 2.2.1避雷针..................................................................................................... 18 2.2.2避雷线..................................................................................................... 20 2.2.3避雷带和避雷网..................................................... 错误！未定义书签。 2.2.4避雷器..................................................................................................... 21 第3章 变电站直击雷的防护.................................................................................. 23

3.1变电站直击雷防护概述................................................................................ 23 3.2建、构筑物年预计年雷击次数.................................................................... 23 3.2.1年预计雷击次数计算公式..................................................................... 23 3.2.2 35KV变电站年预计雷击次数N .......................................................... 24 3.3反击................................................................................................................ 24 3.3.1反击的产生............................................................................................. 24 3.3.2反击的防止............................................................................................. 24 3.4 35KV变电站对直击雷防护的设计 ............................................................. 26 3.4.1采用两根等高避雷针进行防护设计..................................................... 26 3.4.2采用四根等高避雷针进行防护设计..................................................... 27 第4章 变电站雷电侵入波防护.............................................................................. 29

4.1变电站对雷电侵入波防护概述.................................................................... 29 4.2 35KV变电站对雷电侵入波的防护 ............................................................. 29 4.2.1避雷器的防护距离................................................................................. 29 4.2.2变电站的雷电侵入波防护接线............................. 错误！未定义书签。 4.2.3变电站的进线段雷电防护..................................................................... 32 4.3雷电侵入波防护要素.................................................... 错误！未定义书签。

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4.3.1避雷器与35KV变压器的最大电气距离 ............. 错误！未定义书签。 4.3.2雷雨季节在运行方式上尽量保证母线并列运行................................. 35 4.3.3电缆进出线有利于降低雷电侵入波的幅值和陡度............................. 35 第5章 接地的基本常识.......................................................................................... 37

5.1接地、接地电阻及接地装置........................................................................ 37 5.1.1接地概念及分类..................................................................................... 37 5.1.2接地电阻与对地电压............................................................................. 38 5.1.3接地装置................................................................................................. 39 5.1.4接触电压和跨步电压............................................................................. 39 5.2工频接地电阻、冲击接地电阻和冲击系数................................................ 40 5.3接地体工频接地电阻计算............................................................................ 41 5.3.1自然接地体及其工频接地电阻计算..................................................... 41 5.3.2人工接地体及工频接地电阻计算......................................................... 42 第6章 变电站的接地.............................................................................................. 44

6.1变电站接地装置的型式................................................................................ 44 6.2变电站的接地装置要求................................................................................ 44 6.2.1接地电阻值的要求................................................................................. 44 6.2.2变电站主接地网的均压要求及计算..................................................... 46 6.3 35KV变电站接地设计 ................................................................................. 47 致谢.............................................................................................................................. 51 参考文献...................................................................................................................... 52

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第1章 前言

1.1课题的提出和意义

在现代社会里，电力已成为国民经济和人民生活必不可少的二次能源，它在现代工农业生产、人们日常生活及各个领域中已获得了广泛应用。离开了电力，要想实现人类社会的物质文明和精神文明是根本不可能的；供不好电力，要实现国家的现代化也是办不到的。我国城乡各行各业广泛使用的电力，绝大部分由电网供给，所以，“电业事故是国民经济的一大灾难”。

随着电力工业的发展，自动化程度越来越高，对安全供电的要求也越来越高。为了防止各种电气事故，保障人民生产、生活的正常有序进行，电气安全已成为社会关注对象，各种电气安全措施也正在建立与完善。

电气安全工作是一项综合性的工作，有工程技术的一面，也有组织管理的一面。工程技术和组织管理相辅相成，有着十分密切的联系。电气安全工作主要有两方面的任务。一方面是研究各种电气事故，研究电气事故的机理、原因、构成、特点、规律和防护措施；另一方面是研究用电气的方法解决各种安全问题，即研究运用电气监测、电气检查和电气控制的方法来评价系统的安全性或获得必要的安全条件。

防雷接地技术不仅是电气安全工程技术的一方面，更是电气安全工作的重中之重。变电站是电力系统的心脏和枢纽，一旦遭受雷击，引起变压器等重要电气设备绝缘毁坏，不但修复困难，而且造成大面积、长时间停电，必然给国民经济带来严重损失，跟人民生活带来诸多不便。因此，变电站的防雷接地保护技术必须十分可靠。

由于我国农村变电站大多建于旷野开阔的偏僻地区，附近高层建筑较少，是雷电的多发区，加之农村变电站一般是110KV以下的小型变电站，对变电站设计重视不够，考虑问题不尽全面，造成农村变电站成为易受雷击的“重灾区”。近年来在农村变电站中多次发生因雷电而造成设备破坏、爆炸甚至引起“火烧连营”的事故：例如，2004年8月6日，某35KV变电站在雷电活动时造成该综合自动化插件损坏，并使35KV开关误动；2002年7月20日，某110KV变电站遭受雷

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击，高压设备安然无恙，该站保护装置电源模块损坏；2001年8月2日，某山区35KV变电站遭雷击，导致35KV母线避雷器爆炸，进线也有多处放电痕迹。像此类变电站遭受雷击例子还有很多，因此很有必要对农村变电站在目前防雷接地保护措施上，进行更系统化的防雷接地保护设计。

本论文就以农村某35KV变电站为对象，对其进行防雷接地保护的设计。

1.2国内外研究现状

长期以来，国内外学者在雷电活动规律、雷击线路物理过程方面做了大量的研究工作，建立起较为完善的输电线路防雷理论体系。雷电流幅值、波形、地闪密度以及线路落雷次数对于分析线路防雷性能极为重要。上世纪70年代中期发展起来的基于磁场定位和时差定位原理的雷电定位系统，使雷电测量更为准确和及时。目前，雷电定位系统组成的雷电监测网络已在我国和北美、日本、韩国、欧洲等世界许多国家得到运用，它能帮助电力部门实现故障定位、分类、准确计算地面落雷密度等雷电参数，但雷电数据分散性较大，需要长期统计雷电数据。

但总体上变电站的防雷安全形势不容乐观，主要表现在：一是社会公众防雷安全意识不强,对雷电灾害的危害性认识不够,存在侥幸心理；二是随着社会经济的发展,雷电灾害的危害途径增多,防雷安全理念已发生巨大变化,不仅要有传统的防御直击雷,还要防感应雷的新时代,而许多措施仍然停留在传统的防雷阶段。

1.3本课题的主要工作

1.3.1研究目标

本课题是针对我国农村35KV变电站进行防雷接地保护设计；根据变电站国家防雷接地标准，结合35KV变电站电气接线图以及具体情况，学习利用各种防雷接地装置等，实现对变电站的直击雷防护、雷电侵入波防护以及变电站的接地保护设计，具有一定广泛性。

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1.3.2主要研究内容

1、对雷电的产生、参数、危害等做到一个系统化了解掌握；学习各种用于变电站的防雷装置，包括避雷针、避雷线、避雷器等，它们的原理、作用以及保护范围。

2、采用各种相应的防雷装置，结合变电站实际情况，实现对变电站直击雷防护和雷电侵入波防护的设计。

3、了解基本接地常识，结合变电站基本情况，实现对变电站的接地保护设计。

1.4变电站防雷接地国家相关标准

变电站是保证国民经济生产所需电能的供应中心，是要害部门，一旦遭受雷击破坏，其后果相当严重。故应按国家第一类建筑物标准作防雷保护。

1、应装设独立避雷针或架空避雷线(网)，使被保护的建筑物及风帽、放散管等突出屋面的物体均处于接闪器的保护范围内。架空避雷网的网格尺寸不应大于5m×5m或6m×4m。

2、独立避雷针的杆塔、架空避雷线的端部和架空避雷网的各支柱处应至少设一根引下线。对用金属制成或有焊接、绑扎连接钢筋网的杆塔、支柱，宜利用其作为引下线

3、独立避雷针和架空避雷线(网)的支柱及其接地装置至被保护建筑物及与其有联系的管道、电缆等金属物之间的距离，应符合下列表达式的要求，但不得小于3m： 1、地上部分：当hx<5Ri时，Sa1≥0.4(Ri+0.1hx) 当hx≥5Ri时，Sa1≥0.1(Ri+hx) 2、地下部分：Se≥0.4Ri 式中 Sa1—空气中距离(m)；Se1—地中距离(m)； Ri—独立避雷针或架空避雷线(网)支柱处接地装置的冲击接地电阻(Ω)； Hx—被保护物或计算点的高度(m)。

4、独立避雷针、架空避雷线或架空避雷网应有独立的接地装置，每一引下线的冲击接地电阻不宜大于10Ω。在土壤电阻率高的地区，可适当增大冲击接地电阻。

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5、建筑物内的设备、管道、构架、电缆金属外皮、钢屋架、钢窗等较大金属物和突出屋面的放散管、风管等金属物，均应接到防雷电感应的接地装置上。金属屋面周边每隔18～24m应采用引下线接地一次。

6、平行敷设的管道、构架和电缆金属外皮等长金属物，其净距小于100mm时应采用金属线跨接，跨接点的间距不应大于30m；交叉净距小于100mm时，其交叉处亦应跨接。

当长金属物的弯头、阀门、法兰盘等连接处的过渡电阻大于0.03Ω时，连接处应用金属线跨接。对有不少于5根螺栓连接的法兰盘，在非腐蚀环境下，可不跨接。

7、防雷电感应的接地装置应和电气设备接地装置共用，其工频接地电阻不应大于10Ω。屋内接地干线与防雷电感应接地装置的连接，不应少于两处。 8、低压线路宜全线采用电缆直接埋地敷设，在入户端应将电缆的金属外皮、钢管接到防雷电感应的接地装置上。当全线采用电缆有困难时，可采用钢筋混凝土杆和铁横担的架空线，并应使用一段金属铠装电缆或护套电缆穿钢管直接埋地引人，其埋地长度应符合下列表达式的要求，但不应小于15m：在电缆与架空线连接处，尚应装设避雷器。避雷器、电缆金属外皮、钢管和绝缘子铁脚、金具等应连在一起接地，其冲击接地电阻不应大于10Ω。

9、架空金属管造，在进出建筑物处，应与防雷电感应的接地装置相连。距离建筑物100m内的管道，应每隔25m左右接地一次，其冲击接地电阻不应大于20Ω，并宜利用金属支架或钢筋混凝土支架的焊接、绑扎钢筋网作为引下线，其钢筋混凝土基础宜作为接地装置。

1.5本论文涉及的35KV变电站

1.5.1变电站的概况

此变电站为降压变电站与我国大多数农村变电站相似，建在视野开阔的偏僻地区，附近无高层建筑。占地面积长为50m,宽为40m。变电站最高点为20m，且当地平均雷电日为40。有三种规格的变压，分别为35/10.5KV（主变压器）、

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35/0.4KV与10.5/0.4KV的形式。 1.5.2变电站相关参数

表1-1 35KV变电站相关参数

名称 型号规格 单位 容量 数量 （KVA） 变压器 S5% 1 （主） 9-2500/3535?10.5KV Y/Δ-11 台 2500 变压器 S35?5% 1 9-50/350.4KV Y/Y0-12 台 50 变压器 S10.5?5% 1 9-30/100.4KV Y/Y0-12 台 30 氧化锌 Y5WZ-42/135G 3 避雷器 只 电压互 JDJ2-35 35/0.1KV 1 感器 只

1.5.3变电站电气主接线图

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图1-1 35KV变电站电气接线图

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第2章 雷电与防雷装置

2.1雷电

2.1.1雷电及其放电过程

雷电是一种恐怖而又壮观的自然现象，这不仅在于它那划破长空的耀目闪电和令人震耳欲聋的雷鸣，重要的是它给人类生活带来巨大的影响。且不说雷电促成有机物质的合成可能在地球生命起源中占有一定的地位，以及雷电引起的森林火灾可能启发了远古人类对火的发现和利用；仅在现代生活中，雷电威胁人类的生命安全，常使航空、通讯、电力、建筑等许多部门遭受破坏，就一直引起人们对于雷电活动及其防护问题的关注。

雷电放电是一种气体放电现象，由其引起的过电压，叫做大气过电压。它可以分为直击雷过电压和感应雷过电压两种基本形式。

雷电放电是由于带电荷的雷云引起的。雷云带电原因的解释很多，但还没有获得比较满意的一致的认识。一般认为雷云是在有利的大气和大地条件下，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，形成一些局部带正电的区域。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形成了强大的电场，其电位差可达数兆伏甚至数十兆伏。随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过了大气游离放电的临界电场强度（大气中约30kV/cm，有水滴存在时约10kV/cm）时，就会发生云间或对大地的火花放电；放出几十乃至几百安的电流；产生强烈的光和热（放电通道温度高达15000℃至20000℃），使空气急剧膨胀振动，发生霹雳轰鸣。这就是闪电伴随雷鸣，叫做雷电之故。

大多数雷电发生在雷云之间，它对地面没有什么直接影响。雷云对大地的放电虽然只占少数，但是一旦发生就有可能带来严重的危险。这正是我们主要关心的问题。

实测表明，对地放电的雷云绝大多数带负电荷，根据放电雷云的极性来定义，此时雷电流的极性也为负电荷。雷云中的负电荷逐渐积聚，同时在附近地面上感

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应出正电荷。当雷云与大地之间局部电场强度超过大气游离临界场强时，就开始有局部放电通道自雷云边缘向大地发展。这一放电阶段称为先导放电。先导放电通道具有导电性，因此雷云中的负电荷沿通道分布，并继续向地面延伸，地面上的感应正电荷也逐渐增多，先导通道发展临近地面时，由于局部空间电场强度的增加，常在地面突起处出现正电荷的先导放电向天空发展，称为迎面先导。

当先导通道到达地面或者与迎面先导相遇以后，就在通道端部因大气强烈游离而产生高密度的等离子区，此区域自下而上迅速传播，形成一条高导电率的等离子通道，使先导通道以及雷云中的负电荷与大地的正电荷迅速中和，这就是主放电过程。

与先导放电和主放电对应的电流变化同时表示时，先导放电发展的平均速度较低，约1.5×105m/s，表现出的电流不大，约为数百安。由于主放电的发展速度很高，约为2×107～1.5×108m/s，所以出现甚强的脉冲电流，可达几十乃至二、三百千安。

以上描述的是雷云负电荷向下对地放电的基本过程，可称为下行负闪电。在地面高耸的突起处（如尖塔或山顶），也可能出现从地面开始的上行正先导向云中的负电荷区域发展的放电，称为上行负闪电。与上面的情况类似，带正电荷的雷云对地放电，也可能是下行正闪电，或上行正闪电。

雷电观测表明，先导放电不是一次贯通全部空间，而是间歇性的脉冲发展过程，称为分级先导。每次间隙时间大约几十微秒。而且，人们眼睛观察到的一次闪电，实际上往往包含多次先导-主放电的重复过程，一般为2~3次，最多可达40多次。

发生多重雷电放电的原因可作如下解释。雷云是一块大介质，电荷在其内部不容易运动，因此如前所述，在雷云积聚电荷的过程中，就可能形成若干个密度较高的电荷中心。第一次先导—主放电冲击，主要是泄放第一个电荷中心及其已传播到先导通道中的负电荷，这时第一次冲击放电过程虽已结束，但是雷云内两个电荷中心之间的流注放电已开始，由于主放电通道仍然保持着高于周围大气的导电率，由第二个及多个电荷中心发展起来的先导—主放电以更快的速度沿着先前的放电通道发展，这就出现了多次重复的冲击放电。实际观测表明，第二次及以后的冲击放电的先导阶段发展时间较短，没有分叉。观测还表明，第一次冲击

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放电的电流幅值最高，第二次及以后的电流幅值都比较低，但对GIS变电站的运行可能造成一定程度的危险；而且它们增加了雷云放电的总持续时间，对电力系统的运行同样会带来不利的影响。

带有大量电荷的雷云（实测表明多为负极性），在其周围的电场强度达到使空气绝缘破坏的程度（约25～30kV/cm），空气开始游离，形成导电性的通道，通道从云中带电中心向地面发展。在先导通道发展的初级阶段，其方向受偶然的因素影响而不定。但当距离地面达某一高度时，先导通道的头部至地面某一感应电荷的电场强度超过了其它方向，先导通道大致沿其头部至感应电荷的集中点的方向连续发展，至此放电发展才有方向。如果配电网中的线路或设备遭受雷击时，将通过很大的电流，产生的过电压称为直击雷过电压。

带有负电荷的雷云接近输电线路时，强大的电场在导线上产生静电感应。由于带有负电荷雷云的存在，束缚着导线上的正电荷。当雷云对导线附近地面物体放电后，雷云电荷被中和而失去对导线上电荷的束缚作用，电荷便向导线两侧流动，由此而产生的过电压称为感应过电压，其能量很大，对供电设备的危害也很大。

2.1.2雷电参数

雷电参数是雷电过电压计算和防雷设计的基础，参数变化，计算结果随之而变。目前采用的参数是建立在现有雷电观测数据的基础上的，这些参数是： 1、雷电日

为了统计雷电的活动频繁度，采用雷电日为单位。在一天内只要听到雷声就算一个雷电日。每年的雪电日数相差较大，故采用的是多年平均值。我国的平均雷电日分布图可查阅《电力设备过电压保护设计技术规程》。

我国各地雷电日的多少和该地的纬度及距海洋的远近有关。海南省及雷州半岛雷电活动频繁而强烈，平均年雷电日高达100～133，北纬23.6度以南，一般在80以上，北纬23.5度到长江一带约40～80，长江以北大部分地区(包括东北)多在20～44。西北多数地区在24以下。我国把平均雷电日不超过15的叫少雷区，40～90的叫多雷区，超过90的叫强雷区。在防雷设计中，要根据雷电日的多少因地制宜。

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2、雷电流的波形和极性

实测结果表明，雷电流是单极性的脉冲波，这与前述雷电放电过程的原理解释是一致的。许多雷电流波形都是在峰值附近出现明显的双峰，波尾部分也有不太大的隆起。根据国内外的实测统计，75%～90%的雷电流是负极性的。因此电气设备的防雷保护和绝缘配合通常都是取负极性的雷电冲击波进行研究分析。 3、雷电流的幅值、波头、波长和陡度

对于脉冲波形的雷电流，需要三个主要参数来表征。这三个参数为:幅值、波头和波长。幅值是指脉冲电流所达到的最高值;波头是指电流上升到幅值的时间;波长是指脉冲电流的持续时间。

幅值和波头又决定了雷电流随时间上升的变化率，称为雷电流的陡度。雷电流陡度对过电压有直接影响，也是常用的一个重要参数。

（1）雷电流幅值的概率分布 我国现行标准推荐按下式计算

lgP??I88 (2-1)

式中：I是雷电流幅值，kA；P是 幅值等于大于I的雷电流概率。例如幅值等于和超过50kA的雷电流，计算可得概率为33%。

上述雷电流幅值累积概率计算公式适用于我国大部分地区。对于雷电活动很弱的少雷地区(年平均雷电活动20日以下)，例如陕南以外的西北地区及内蒙古自治区的部分地区。雷电流幅值概率可按以下公式求得：

lgP??I44 (2-2)

（2）雷电流的波头和波长

虽然雷电流幅值随各国的自然条件不同而差别很大，但是各国侧得的雷电流波形却基本一致。据统计，波头长度大多在1μs～5μs的范围内，平均2μs～2.5μs。我国在防雷保护设计中建议采用2.6μs的波头长度。

至于雷电流的波长，实测表明在20μs～100μs范围之内，平均约为50μs,大于50μs的仅占18%～30%。

根据以上分析，在防雷保护计算中，雷电流的波形可采用2.6/50μs。

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(3)雷电流陡度

由于雷电流的波头长度变化范围不大，所以雷电流的陡度和幅值必然密切相关。我国采用2.6μs的固定波头长度，即认为雷电流的平均陡度石和幅值线性相关：

a?I2.6 (2-3)

即幅值较大的雷电流同时也具有较大的陡度。

雷电流的各项主要参数---幅值、波头、波长和陡度的实测数据具有很大的分散性。许多研究者发表过各种结果，虽然基本规律大体相近，但其具体数值却有差异。其原因一方面在于雷电放电本身的随机性受到自然条件多种因素的影响;另一方面也在于测量条件和技术水平的不同。我国幅员辽阔，各地自然条件千差万别。雷电观测工作的基础还比较薄弱，有待于进一步加强。 4、雷电流极性及波形

国内外实测结果表明，75%～90%的雷电流是负极性，加之负极性的冲击过电压波沿线路传播衰减，因此电气设备的防雷保护中一般按负极性进行分析研究。

在电力系统的防雷保护计算中，要求将雷电流波形用公式描述，以便处理,经过简化和典型化可得以下三种常用的计算波形，如图2-1所示。 i I 0.5I

(a)标准冲击波形 (b)等值斜角波头 (c)等值半余弦波头 图2-1 雷电流的等值波形

图2-1(a)标准波形，它是由双指数公式所表示的波形

??t??ti?I(e?e) （2-4） 0

i I 0 T1 t T2 0 T1 t i I 0.5I 0 T1 t 这种表示是与实际雷电流波形最为接近的等值波形，但比较繁琐。当被击物体的阻抗只是电阻R时，作用在R上的电压波形u和电流波形i是相同的。双指

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数波形也取作冲击绝缘强度试验电压的波形，对它定出标准波前和波长为1.2/50μs。

图2-2-1（b）为斜角平顶波，其陡度α可由给定的雷电流幅值I和波前时间定。斜角波的数学表达式最简单，便于分析与雷电流波前有关的波程，并且斜角平顶波用于分析发生在10μs以内的各种波过程，有很好的等值性。

图2-2-1（c）为等值半余弦波，雷电流波形的波前部分，接近半余弦波，可用下式表达：

i?Im(1?cos?t)2 （2-5）

这种波形多用于分析雷电流波前的作用，因为用余弦函数波前计算雷电流通过电感支路所引起压降比较方便。还有在设计特高杆塔时，采用此种表示将使计算更加接近于实际。 5、雷电波阻抗(Z0)

雷电通道在主放电时如同导体，使雷电流在其中流动同普通分布参数导线一样，具有某一等值波阻抗，称为雷电波阻抗(Z0)。也就是说，主放电过程可视为一个电流波阻抗Z0的雷电投射到雷击点A的波过程。若设这个电流入射波为I0，则对应的电压入射波

u0?I0Z0。

根据理论研究和实测分析，我国有关规程建议Z0取300Ω左右。 6、地面落雷密度

雷云对地放电的频繁和强烈程度，由地面落雷密度?来表小。?是指每个雷电日每平方公里地面上的平均落雷次数。实际上，?值与年平均雷电日Td有关。一般，Td大的地区，其?值也较大。

关于地面落雷密度与雷电日数的关系，我国标准推荐采用国际大电网会议推荐标准:

Ng?0.023Td1.3 （2-6）

式中，Ng为每年每平方公里地面落雷数；Td雷电日数；由此可得：

0.3??0.023Td （2-7）

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对

Td?40的地区，按我国标准取值??0.07。

2.1.3雷击过电压产生的机理

云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放。尽管雷云有很高的初始电位(估可达几百兆伏)，可能使大气击穿，形成先导主放电，但是地而被击物体的电位并不取决于这一初始电位，而是取决于雷电流与被击物体阻抗的乘积(被击物体阻抗是指被击点与大地零电位参考点之间的阻抗)。所以，从电源的性质看，这相当于一个电流源的作用过程。

雷电放电的物理过程虽然是很复杂的，但是从地而感受到的实际效果和防雷保护的工程角度，还是可以把它看成是一个沿着一条固定波阻抗的雷电通道向地而传播的电磁波过程，据此建立计算模型。

在雷电放电过程中，人们能够测知的电量，主要是雷击地而时流过被击物体的电流i，然后再根据计算模型反推出雷电波的参数。如图2-2的雷电流源等值电路，有:

图2-2雷电流等值电路

Z0 i=2i0 雷击流源 被击电路 Z

Z0i?2i0Z0?Z （2-8）

显然i与Z有关。当Z=Z0时，恰好i=i0，这种巧合实际上是不可能的；当Z=0时，i=2i0，事实上Z又不可能为零；但若Z<

i?2i0。在雷电

流的实际测量中，一般都能满足条件Z<

17

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通道传播而来的雷电流波的两倍。因而在防雷保护计算的彼德逊等值电路中，如图2-1-3所示，等值雷电流源通常就直接用雷电流来表示。

2.2防雷装置

2.2.1避雷针

避雷针是防直接雷击的有效装置。它的作用是将雷电吸引到自身并泄放入地中，从而保护其附近的建筑物、构筑物和电气设备等免遭雷击。 1、避雷针的结构和保护原理

避雷针是由接闪器、支持构架、引下线和接地体四部分构成。

（1）接闪器 是避雷针顶端1～2m长的一段镀锌圆钢或焊接钢管。圆钢直径应大于12～16mm；钢管直径应大于20～25mm。通过接闪器和雷云发生闪络放电。 （2）支持构架 高度在15～20m一下的独立避雷针可采用水泥杆；较高时宜采用钢结构支柱；110KV及以上电压级变电站，当条件允许时，可将避雷针安装在高压门型构上；对于建筑物或构筑物可装于顶部。

（3）引下线 采用经过防腐处理的圆钢或扁钢。圆钢直径不得小于8～12mm；扁钢截面不得小于12mm×4mm。引下线应沿支持构架及建筑物外墙以最短路径入地，以便尽可能减小雷电流通过时在引下线上产生的电感下降。

（4）接地体 埋于地下的各种型钢，工程中多采用垂直打入地中的钢管、角钢或水平埋设扁钢、圆钢。入L50×50×5，长2.5m的角钢和截面为4mm×25mm的扁钢。接地体是直接泄放雷电流的，所以其选用既要考虑经济，又要满足接地电阻值的规定要求。

避雷针的保护原理是：当雷云中的先导放电向地面发展，距离地面一定高度时，避雷针能使先导通道所产生的电场发生畸变，此时，最大电场强度的方向将出现在从雷电先导到避雷针顶端（接闪器）的连线上，致使雷云中的电荷被吸引到避雷针，并安全泄放入地。 2、避雷针的保护范围

（1）单根针的保护范围 如图2-3所示。

18

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h

图2-3 单根避雷针的保护范围

由上图有，在被保护高度为hx水平面上, 其保护半径rx为

hx?h2时， rx?(h?hx)p （2-9） h2时，

h1.5h hB h/2 0.7A 4rx hx水平面上保护范围的截面 当

当

hx?rx?(1.5h?2hx)p （2-10）

式中，p为考虑避雷针太高时，保护半径不成正比增大的系数。当h?30m

p?5.5h；当h?120m时，按120m计算。

时，p?1；当30?h?120时，

（2）两根等高避雷针的保护范围 如图2-4所示。 h 1 R0 D/72 p O-O` 截面 h0 ha rx D h0 h/2 1.5h hx bx 1.5h0 h hx水平面上保护范围的截面 bx rx 图2-4 两根等高避雷针的保护范围 bx 19 成都理工大学毕业设计（论文）

图2-4 两根等高避雷针的保护范围

首先根据被保护物的长、宽和高度及避雷针理想的安装位置等客观情况，初步确定两等高针之间的距离，并按照D?7ha，初步选取ha。根据D和ha，进行两等高针联合保护范围验算：两针之间保护范围如图2-4所示，计算公式有：

Dh0?h?7p （2-11）

bx?1.5(h0?hx) （2-12）

式中: h0——为等高双针的联合保护范围上部边缘最低点的高度(m )，p同上。 2.2.2避雷线

避雷线是由悬挂在保护物上空的镀锌钢绞线（即接闪器，截面不得小35mm2）、接地引下线和接地体组成。

（1）单根避雷线的保护范围 如图2-5所示。

ha h hx h/2 250

h h 图2-5 单根避雷线的保护范围

单根避雷线的一侧，在高度为hx平面上的保护宽度rx按下式计算：

1hx?h2时， rx?0.47(h?hx)p （2-13） 当

1hx?h2时， rx?(h?1.53hx)p （2-14） 当

（2）两条平行架设的避雷线的保护范围

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h hx h/2 D h ha R0 1 D/4p 2

rx 图2-6 双避雷线的保护范围

在两根避雷线的外侧的保护范围按单根线方法确定；而两避雷线内侧保护范围的横截面，是由通过避雷线1和2及保护范围上部 边缘的最低点O的圆弧来

h0?h?D4p（h为避雷线悬挂高度；D为两避雷线的水平间距；

确定，O点的高度p的意义同前）。

两避雷线端部的保护范围分别按单根避雷线确定端部的保护范围，两线间端部保护范围最小宽度有：

bx?h0?hx?h?D?hx4p （2-15）

bx为两避雷线端部最小保护宽度；hx为被保护物高度；h0为两避雷线间保护最低点高度。 2.2.3避雷器

避雷器是用来限制沿线路侵入的雷电压（或因操作引起的内过电压）的一种保护设备。避雷器的连接如图2-7所示：

21

避雷器 过电压波 线路 被保护 设备 成都理工大学毕业设计（论文）

图2-7 避雷器的连接

为了使避雷器能够达到预想的保护效果，必须满足如下两点基本要求。

（1）具有良好的伏秒特性，以实现与被保护电气设备绝缘的合理配合。如图2-8所示

u

1 2 3 t

图2-8 避雷器与电气设备的伏秒特性合理配合

1-电气设备的伏秒特性；2-避雷器的伏秒特性；3-电器上可能出现的最高工频电压

伏秒特性，是表达绝缘材料（或空气间隙）在不同幅值的冲击电压作用下，其冲击放电电压值与对应的放电时间的函数关系。

（2）间隙绝缘强度自恢复能力要好，以便快速切断工频续流，保证电力系统继续正常工作。

对于有间隙的避雷器以上两条都适宜，这类避雷器主要有保护间隙、管式避雷器及带间隙的阀式避雷器。对于无间隙的金属氧化物避雷器，基本技术要求则不同，它没有灭弧问题，相应的却产生了独特的热稳定性问题。

目前大部分变电站防雷电侵入波使用的氧化锌避雷器的保护效果如图2-9所示：

图 2-9 氧化锌避雷器的保护效果

u u1

u2 SiC避雷器限制的过电压 ZnO避雷器限制的过电压 侵入的雷电过电压 t

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第3章 变电站直击雷的防护

3.1变电站直击雷防护概述

装设避雷针是直击雷防护的主要措施, 避雷针是保护电气设备、建筑物不受直接雷击的雷电接受器。它将雷吸引到自己的身上, 并安全导人地中, 从而保护了附近绝缘水平比它低的设备免遭雷击。变电站装设避雷针时, 应该使站内设备都处于避雷针保护范围之内。此外, 装设避雷针时对于35KV变电站必须装有独立的避雷针, 并满足不发生反击的要求；对于110KV及以上的变电站, 由于此类电压等级配电装置的绝缘水平较高, 可以将避雷针直接装设在配电装置的架构上, 因此, 雷击避雷针所产生的高电位不会造成电气设备的反击事故。

3.2建、构筑物年预计年雷击次数

3.2.1年预计雷击次数计算公式

建、构筑物年预计雷击次数N计算如下式

N?kNgAe?0.024kTd1.3Ae （3-1）

其中，当H<100m时

?6A?[LW?2(L?W)H(200?H)??H(200?H)]*10e （3-2）

当H?100m时

2?6A?[LW?2H(L?W)??H]*10e

（3-3）

式中，Ae为与建筑物接收相同雷击次数的等效面积，km2；Td为当地年平均雷电日数；

Ng为建筑物所在地区雷击大地年平均密度，单位次/(km)2 ·a；L、W、

H为建筑物的长、宽及最高点，m；k为校正系数，位于旷野的孤立建筑物取2，金属屋面的砖木结构建筑物取1.7，位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶处、山谷风口处的建筑物及特别潮湿的建筑物

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取1.5，除此之外一般取1即可。 3.2.2 35KV变电站年预计雷击次数N

由于35KV变电站，占地面积长50m，宽40m,变电站的最高点高度为20m,当地年平均雷电日为40，故有： 据

N?kNgAe?0.024kTd1.3Ae

?6A?[LW?2(L?W)H(200?H)??H(200?H)]*10e ?6?[50?40?2(50?40)20(200?20)?3.14?20(200?20)]?10

=0.024104

1.3Td k=1；T=40；=401.3=120.97

d

故 N=0.024×1×120.97×0.0241=0.0700次/a

1?14.286由于0.0700年/次，即该变电站可能平均运行14年就要遭受一次雷

击。

3.3反击

3.3.1反击的产生

所谓反击是指雷击避雷针（线）瞬间，强大的雷电流通过避雷针顶端的接闪器及引下线和接地体向大地泄放时产生的高电位。如果避雷针（线）与附近的金属物体的空间距离，或者其接地装置与其他接地装置之间的地中距离不符合要求，将会发生放电现象，成为反击或为逆闪络。 3.3.2反击的防止 Sk i A L 2 G

h 1 Sd 24

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图3-1 雷击独立避雷针时的高电位分析

如图3-3-2所示，高度为h的A点电位记为Uk，避雷针辅助接地装置上的电位记为Ud，则有：

Uk?iRch?Ldidt （3-4）

Ud?iRch （3-5）

式中，i为雷电流，kA，幅值取150kA，斜角波长2.6μs；Rch为独立避雷针辅助接地装置的冲击接地电阻，Ω；L为A点到地面，接地引下线h长度上的电感,μH,可取L0=1.6μH/m，L=L0h。

为防止发生反击，避雷针距金属物体空间间隙Sk应满足：

Sk?UkEk （3-6）

避雷针辅助接地装置与其他接地装置的地中间隙Sd应满足：

Sd?UdEd （3-7）

Ek和

Ed分别为空气间隙和土壤的击穿场强，单位kV/m，可取Ek=500kV/m，

Ed=300kV/m。 《标准》规定：

Sk?0.3Rch?0.1hSd?0.3Rch （3-8）

一般情况下，要求

（3-9）

。对于35KV及以下电压级的配电装置

Sk?5m；

Sd?3m和土壤电阻率大于500Ω·m的地区，不宜采用构架式避雷针。

装设避雷针的构架应埋设辅助集中接地装置。辅助接地装置与变电站的主接地网相连接时，其连接点距离变压器与主接地网的连接点不得小于15m，目的是保证雷击避雷针时，在接地装置上产生的高电压波经过这段距离的衰减，传播到变压器连接点不会对变压器造成反击。

特别指出，变压器的进线门型构不允许装设避雷针，因为变压器是变电站的

25

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重要电气设备，其绝缘较弱，万一发生反击，必将造成严重后果。

3.4 35KV变电站直击雷防护的避雷针设计

变电站所处地区土壤电阻率2×102Ω·m，虽然不大于500Ω·m，但由于是35KV电压级的配电装置，故不宜采用构架式避雷针。 3.4.1采用两根等高避雷针进行防护设计

由于此35KV变电站，占地面积长50m，宽40m,变电站的最高点高度为20m,在变电站宽两侧对称位置上距5m处设立两等高避雷针。如图3-2所示。 避雷针1

50m 60m 20m 避雷针2

20m 35KV母线架 变配电装置 10.5KV母线架 门型框架 图3-2 两等高避雷针位置图

据题有：两针间距D=5+50+5=60m。设避雷针高度为h，又变电站的最高点为20m，故hx=20m。

（1）在避雷针1或2的一侧按单避雷针来计算 显然有 hx

rx?(1.5h?2hx)p 且要rx?20m ，故h?42m。

（2）在避雷针1号2号之间，D12=60m, 两等高避雷针针在hx=20m高度处的最小保护宽度有

bx?(25?5)2?202，故有bx?36m；

h0?h?D7p 所以h?56 m。

又

bx?1.5(h0?hx)且

综上所述，只用两根等高避雷针实现对变电站的直击雷防护，需要求避雷针

26

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高度不小于56m。

由于不宜采用构架式避雷针，只能用两根60m的避雷针按图3-4-1设计联合保护。其中支架高58m，接闪器选2m长，直径为12～16mm的圆钢，引下线选截面12mm×4mm扁钢。接闪器和引下线要做防腐处理。 3.4.2采用四根等高避雷针进行防护设计

变电站的最高建筑物是门型框架，高度为20m，35KV与10.5KV母线架高度都为15m,变电装置屋高为8m。采用四根等高避雷针对变电站进行防护，避雷针1号与2号，3号与4号处于水平位置上，如图3-3所示。

图3-3 四等高避雷针的位置图

（1）门型框架两侧，1号和2号针之间，假设选高度为40m的避雷针，即40m,20m。

显然 hx=h/2 故1号2号单根保护半径rx为：

避雷针1 避雷针3

35KV母线架

2m 避雷针4

变配电装置

10.5KV母线架

门型框架

避雷针2

2m 50m 60m

rx?(h?hx)p

= （40-20）×0.79 =15.8m

两等高避雷针针联合保护范围 D12=60m h0=40-60/(7×0.79)=29.2m

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bx=1.5×(29.2-20)=13.8m

（2）35KV侧，3号和4号之间，选用40m高的避雷针即h=40m,hx=15m。 显然 hx

rx?(1.5h?2hx)p

=（1.5×40-2×15）×0.79 =23.7m

两等高避雷针针联合保护范围 D34=60m h0=40-60/(7×0.79)=29.2m bx=1.5×(29.2-15)=21.3m

（3）35KV与10.5KV同一侧，2号与4号避雷针之间，选用40m 高的避雷针即h=40m , hx= 15m。

显然 hx

rx?(1.5h?2hx)p

=（1.5×40-2×15）×0.79 =23.7m

两等高避雷针针联合保护范围 D24=36m h0=40-36/(7×0.79)=33.5m bx=1.5×(33.5-15)=27.8m

（4）35KV与10.5KV对角线一侧，2 号和3 号针之间, 选用40m 高的避雷针即h=40m，hx= 15m。

显然 hx

rx?(1.5h?2hx)p

=（1.5×40-2×15）×0.79 =23.7m

两等高避雷针针联合保护范围 D24=62m h0=40-62/(7×0.79)=28.8m bx=1.5×(28.8-15)=20.7m

由以上计算结果可见, 这四根针可以将整个变电站站都保护到位。所以可选四根40m的避雷针按图3-4-2设计联合保护。其中支架高38.5m，接闪器选1.5m长，直径为12～16mm的圆钢，引下线选截面12mm×4mm扁钢。接闪器和引下线要做防腐处理。

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第4章 变电站雷电侵入波防护

4.1变电站对雷电侵入波防护概述

雷击输电线路的次数远多于雷击变电站，所以沿线路侵入变电站的雷电侵入波较常见。再加上输电线路的绝缘水平（即绝缘子串50%冲击放电电压U50%）比变压器及其他电气设备的冲击绝缘水平高得多，因此，变电站对雷电侵入波的防护显得很重要。

在变电站内装设避雷器是变电站对侵人波防护的主要措施。现阶段, 大部分变电站都采取使用氧化锌避雷器代替原来的阀型避雷器。主要由于氧化锌避雷 器除具有较理想的非线性伏安特性外, 还有无间隙、无续流、电气所受过电压可以降低和通流容量大, 可以用来限制内部过电压等等优点。然而，要有效及经济地保护变电站所有电气设备，不仅要正确选择避雷器，还要合理地确定避雷器的接线；同时还要限制由线路传来的雷电波陡度及流过避雷器的雷电流幅值。

4.2 避雷器的设计

4.2.1避雷器的防护距离

以主变压器为保护对象，雷电波沿变电站进线侵入，避雷器连接点距离变压器连接点的最大允许电气距离。在此称为避雷器的防护距离，参见图4-1。

图4-1 分析避雷器保护距离的简单回路

当雷电波入侵时,变压器上的电压具有振荡性质,其振荡轴为避雷器的残压

F 1 at l 2 T 29

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Uc5。主要原因是由于避雷器动作后产生的电压波在避雷器和变压器之间多次反

射引起,因此,只要变压器离避雷器有一段距离,变压器所受冲击电压的最大值必然要超过避雷器的残压Uc5 , 有时会对变压器绝缘造成威胁,因此变压器与避雷器之间的安装距离l要进行限制,该距离不能太远；变压器上所受冲击电压的最大值Um。

Um?Uc5?2a?l/??Uc5?2a0?l （4-1） lmax?(Um?Uc5)/2a0 （4-2） 式中，波速?为定值；a为侵入波的时间陡度（kV/s）；a0为侵入波的空间陡度（kV/m）。

在平常的设计要求中,根据上述公式,只要距离l满足要求即认可,但是,随着变电站设备的老化,其耐雷水平或承受过电压的能力都会存在不同程度的下降,对变电站来说,最重要的设备是变压器,其承受过电压的能力相应低于其他设备,因此,在电气设备的绝缘配合中,通常应以变压器作为绝缘配合的核心,站内母线避雷器的安装,要尽可能做到与主变压器之间的距离最短；在一些变电站, 比如10 kV (35kV) 母线避雷器与TV 安装于同一间隔内,该间隔可以安装于该母线段的任何位置,但从其与主变最小距离考虑,该间隔尽可能做到挨着主变侧开关间隔安装,在实际设计、施工中也是容易做到的,对保护变压器侧的绝缘是有好处的。

以此35 kV电压等级为例进行说明:由于此变电站1km 进线段有避雷线，若取

a0= 1.0 kV/ m ,若l与变压器减小5 m ,则变压器所受冲击电压将减少10 kV ,这对保护变压器的绝缘是很有利的。

同时,还应对被保护设备与避雷器之间的安装距离l 进行校核,即雷电防护要有一定裕度。

Ubil/Um?K

lK?Um Ubi/ 30

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lUc5?2a0?l)?K （4-3） Ubi/( 而不应当用公式 Ubil/Uc5?K来校核,因为只要被保护设备与避雷器有一定距离,被保护设备上的电压明显要高于Uc5 ,若用Uc5进行校核,在l 较大的情况下可能存在没有保护裕度。

K —是一个大于1的配合系数, 可取1.05～1.1；Ubil—被保护设备的雷电冲

Uc5Um击耐受电压；—避雷器的雷电冲击残压；—设备上所受冲击电压的最大值。

4.2.2避雷器与变压器的最大电气距离 35KV变压器允许的距离lmax

当运行进线为1条时：根据Um?Uc5?2a?l/??Uc5?2a0?l，令Um?Ubil（35KV变压器的雷电冲击耐受电压为185kV，35KV进线1km有避雷线，其陡度a0取1.0kV/m）。

185=134+2×1×lmax lmax=25（m） 35KV进线2km或全线有避雷线，其陡度a0取0.5kV/m。 185=134+2×0.5×lmax lmax=51（m） 当进线数增加时，lmax可参考表4-1的数据。 表4-1 进线数与lmax的关系

进线避雷线长度 （km） 1 2(全线) 进 线 路 数 1 25 50 2 40 75 3 50 90 >=4 55 105 10.5KV变压器允许的距离lmax

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当运行进线为1条时：根据Um?Uc5?2a?l/??Uc5?2a0?l，令Um?Ubil（10kV 变压器的雷电冲击耐受电压为75kV,10kV全线无避雷线,其陡度a0取1kV/ m）。 75 = 45 + 2 ×1 ×lmax lmax = 15 (m) 当进线增加，lmax参照表4-2的数据 表4-2 进线数与lmax的关系

雷季经常运行的进线数 1 2 3 27 >=4 40 最大电气距离（m） 15 23 故由计算可知，在35KV变电站里面距变压器（35/10.5KV、35/0.4KV）25m内必须要安装避雷器，距变压器（10.5/0.4KV）15m内须安装避雷器。 依据分析和运行经验，对于本35KV电压级的变电站，实际上只要保证在每一段（包括分段母线）可能单独运行的母线上都装设一组避雷器，就可以使整个变电站得到保护。

4.3变电站的进线段雷电防护设计

4.3.1进线段防护必要性

当

lmax一经确定，为使避雷器能可靠地保护设备，还必须设法限制侵入波陡

a?'(Ujcf?Uchf)2l度。对于已安装好的电气距离l，可求出最大允许陡度

。同时，

应限制流过避雷器的雷电流的大小，以降低残压，尤其不能超过避雷器的额定通流能力，否则避雷器就会烧坏。

变电站因雷电侵入波形成的雷害事故有50%是离变电站1km以内雷击线路引起的，约有71%是3km以内雷击线路引起的。说明加强变电站进线段的雷电防护的必要性和重要性。

雷电侵入波沿导线传播时有损耗。具体是雷电压在线路上感应产生的地点离变电站愈远，它流动到变电站时的损耗就愈大，其波陡度和幅值就降得愈低。为此，可以在变电站进线段，即距变电站1～2km的这段线路上加强防雷保护。对

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全线无架设避雷线的，应在这段线路增设避雷线；当全线有避雷线时，应使该段线路具有更高的耐压水平，减少进线段内绕击和反击形成侵入波的概率。这样，侵入变电站的雷电过电压波主要来自进线段外，并经过1～2km线路的冲击电晕影响，不但削弱了侵入波的幅值和陡度，而且因进线段波阻抗的作用，也限制了通过避雷器的雷电流，使其不超过规定值，保证了避雷器的良好配合，这一措施就是变电站进线段保护。 4.3.2进线保护段接线设计

1~2kmQF FZ GB1 GB2

图4-2 35KV进线保护段接线图

由于此35KV变电站全线无避雷线线路，故变电站进线保护段接线方案可根据图4-2设计。方案中架设1～2km避雷线可防止进线段遭受直接雷击和屏蔽雷电感应。图中管型避雷器GB1和GB2在一般线路不必装设，但对于冲击绝缘强度特别高的木杆线路或者钢筋混凝土杆木横担线路，应在进线保护段首端加装一组管型避雷器GB1，其工频接地电阻一般不得超过10Ω。GB1的作用是限制从进线段外沿导线侵入的雷电流幅值。在进线保护末端装设一组GB2的目的是保护断路器QF。当雷雨季节，QF处于开断状态，且线路侧带工频电压，无GB2保护时会出现较高的折射波电压（2倍的侵入波电位），引起触头闪络，甚至烧坏触头。母线上装设一组阀型避雷器FZ的作用是保护变压器及其他电气设备。

T QF 150~200m 150~200m T QF 150~200m FZ GB2或JX GB1或JX FZ JX R?5? R?5?

R?5? 33

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图4-3 3150kV·A以下35KV变电站的简化进线保护

由于此变电站容量在3150kV·A以下（本变电站容量为2560kV·A），可采用图4-3两种简化接线。管型避雷器GB1、GB2可采用保护间隙JX代替，其工频接地电阻应小于或等于5Ω。

假设对此35KV变电站，当在进线区域架设避雷线较困难，为此不能保证要求的耐雷水平。在这种情况下，可以在进线终端杆上安装一组1000μH的电抗器（L），以限制雷电侵入波的陡度a`和雷电流幅值I，起到进线段保护的作用。接线见图4-4所示。

另外，35KV变电站有进线段采用电缆线路，在电缆线与架空线连接处，考虑波过程可能产生过电压，故应装设一组避雷器保护，并且使避雷器的接地端与电缆的金属外皮连接。如图4-5所示。

图4-4 用电抗器代替进线段保护

图4-5 35KV变电站电缆进线段的保护接线

F2 F1 T FZ GB

T QF L QF 34

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4.4运行方式的设计

4.4.1雷雨季节在运行方式上尽量保证母线并列运行

根据波的理论,一路进波的情况下,母线上的电压是入侵波幅值的2/N 倍，母线并列运行时，总的线路条数N 就越大，对降低母线过电压幅值是有利的，同时I、II 段母线上均装有避雷器,也使避雷的可靠性得到保证(可能存在某段母线某只避雷器失效的可能)。

图4-6 变电站一条线路落雷示意图

U Ni 条

2U1 Z

Z

Z

Z Z

U2

图4-7变电站一条线路落雷等值计算电路

U2?2U1??Z/(N?1)?/?Z?Z/(N?1)??2U1/N （4-4）

可见,连接于母线的出线愈多( N 愈大) , 母线上的过电压就愈低,对变电站降低雷过电压愈有利。

4.4.2电缆进出线有利于降低雷电侵入波的幅值和陡度

从原理上分析,采用电缆进线或电缆出线对降低雷电入侵波的幅值和陡度有益,因为电力电缆的波阻抗比架空线路的波阻抗小,约为架空线路波阻抗的十分之一,且电力电缆对地电容较大,根据波的折反射理论,对降低来波的陡度和幅值有益,但存在施工难度大、造价高的特点。原理如下：

L1线路 Z1 L2电缆 Z2 35

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图4-8 架空线路与电力电缆连接示意图

图4-9 架空线路与电力电缆等值计算电路 U2?2U1?Z2/(Z1?Z2) 若L1，L2 均为架空线路，

Z1?Z2 U2?2U1?Z2/(Z1?Z2)?U1 （4-5）

2U1

Z1

Z2

U2

若 L1为架空线路，L2 为电缆，

设Z1/10?Z2 U2?2U1?Z2/(Z1?Z2)?2U1/11 （4-6）

可见,采用电缆进出线,明显可以降低母线上雷电波的幅值(小电流接地系统若大量采用电缆出线,同时会存在接地故障时电容电流过大的情况,但应从防过电压角度进行综合考虑,对易击线路可以采取这种方式) 。

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第5章 接地的基本常识

5.1接地、接地电阻及接地装置

5.1.1接地概念及分类

大地是一个导体，在其中没有电流通过时，整个大地是等电位的。因此，人们就把大地视为零电位，即作为工程上电位的参考点。如果地面上的金属物体与大地可靠连接，当金属物体中没有电流或只有微小的电流流过时，该金属物体与大地之间没有电位差，此金属物体就具有大地的电位——零电位，这就是接地。换句话说，接地就是将地面上的金属物体或电路中的某结点用导线与大地可靠地连接起来，使该物体或结点与大地保持同电位。

接地按其作用分两类，一位功能（或工作）接地，二为保护接地。 功能接地为电力系统正常运行需要设置的接地，如三相交流系统中的发电机和变压器中性点接地，双极直流输电系统的中性点接地等。

保护接地，也称为安全接地，是为保证人身和设备安全，将电气设备的金属外壳、底座。配电装置的金属框架和输电线路杆塔等外露导电部分接地，防止一旦绝缘损坏或产生漏电，人员触及发生电击。保护接地，是在故障条件下发挥作用的。

对于大家熟悉的防雷接地来说，既是功能接地，又具有保护接地的作用。防雷接地是防雷保护装置中不可缺少的组成部分，它可将雷电流顺利地泄放入地，以减少雷电流引起的电压，防止雷电流使人受到电击或财产遭受破坏等。

另外，属于功能接地范畴的还有：在电子设备中，为获得稳定的参考电位（零电位）所设置的逻辑接地；为防止电磁干扰的屏蔽接地；为保证信号有稳定基准电位所设置的信号接地。而属于接地保护的还有防静电接地（将静电聚积电荷引入大地）和防电蚀接地（在地下埋设金属体作为牺牲阳极或牺牲阴极，以保护与其连接的金属体）等。

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5.1.2接地电阻与对地电压

大地并非理想的导体，它具有一定的电阻率。所以当外界强制施加于大地内部某一电流时，大地就不能保持等电位。

流进大地的电流经过接地线、接地体注入大地后，以电流场的形式向周围远处扩散，如图5-1所示。

图5-1 半球接地极的电流场

设接地装置（接地体）为一半径为r0的半球体，并认为接地体周围土质均匀，其电阻率为ρ，当电流Id接地体注入地中时，电流Id将从半球表面均匀地散流出去，在接地半球表面上的电流密度为：

?0?Id2?r02 （5-1）

而在距半球球心为x的球面上，电流密度为：

?x?Id2?x2 （5-2）

于是，大地中呈现出相应的电场分布，其电场强度为： Ex??x? （5-3） 在地中沿电流散流方向，在dx段内的电压降落为：

dUx?Exdx??x?dx?Id?dx2?x2 （5-4）

所以，在距离球心为x的球面上的电位为：

Ux??dUx??rx??

rxId?Id?dx?2?x22?rx （5-5）

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而在半球接地体表面上的电位应为：

Ud?Id?2?r0 （5-6）

故散流电阻为： Rd=Ud/Id （5-7）

由此可知，距离接地体（即电流注入点）越远，电流密度越小，电场强度越弱，电位越低。若在相当远处（一般距球心20m以外），地中电流密度很小（可近似为零），电场强度可视为零，则该处的电位仍保持为零电位。 5.1.3接地装置

接地装置是由埋入地中的接地体（即金属导体）和连接接地体与电气设备金属外壳（或电路中某一节点）的导线所组成的装置。

最简单的接地装置就是单根埋设的接地体，如图5-1所示，又称为接地极。 接地体分为人工接地体和自然接地体。人工接地体是人为地埋入地中的各种型钢，如圆钢、扁钢、钢管及角钢等；自然接地体有地下的金属水管、建筑物及构筑物混凝土基础内的钢筋、埋地电缆的金属外皮和穿导线的金属管等。但埋在地下的易燃、易炸的液体或气体管道严禁用做接地体。

接地体及接地线要进行防腐蚀处理。接地线还必须满足机械强度及短路电流通过时的发热稳定性要求。 5.1.4接触电压和跨步电压

正常情况下都要求电气设备外漏导电部分和接地装置相连接（即接PE线或PEN线），使电气设备金属外壳保持和大地同为零电位。但如果电气设备内某一相的绝缘损坏，设备外壳带电，则有接地电流Id经过设备外壳入地，于是在接地装置周围地面上就有对地电位分布[U?f(rx)],而且电气设备金属外壳、接地线和

Ud?接地体的对地电位最高，即为

?Id2?r0。

倘若此时有人站在该设备前面（设距离设备外壳0.8m),而手触及到带电的设备外壳，由于手接触的电位为Ud，而身体站立处的电位为

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U1[

U1?f(rx)??Id2?(r0?0.8)]。所以，施加在人体上的电压为：

Ujc?Ud?U1 式中，

Ujc （5-7）

称为接触电压，也就是说，当电气设备因绝缘损坏外壳带电时，

有可能施加与人体的电压。

为保证人身安全，接触电压在任何情况下都不允许超过安全电压（?50V）。 还有，若此时有人向设备走来，虽然并未触及该设备，但由于人在跨步过程中，两只脚所处的位置不同（人的夸距取0.8m，牲畜取1m），假设前脚电位为U2，后脚电位为U3，则施加在人体上的电压为：

Ukb?U2?U3 （5-8）

式中，Ukb称为跨步电压。跨步电压同样不允许超过安全电压（?50V）。 对地电位分布曲线[U?f(rx)]越陡，接触电压和跨步电压越高，对人身等的危险越大；反之，对电位分布曲线较平缓，接触电压和跨步电压较低；危险性较低，安全性提高。所以，接地装置设计时，应设法降低电位分布曲线陡度，使其变化平缓。采取的方法有：埋设均压带，降低接地电阻Rd和做接地均匀网。

5.2工频接地电阻、冲击接地电阻和冲击系数

对电力系统中的工作接地和保护接地，接地电阻是工频交流（或直流）电流流过接地装置时所呈现的电阻，所以称为工频（或直流）接地电阻。

从物理过程上看，防雷接地与工作接地（及保护接地）的明显区别是：雷电流的幅值很大（从数十千安到数百千安），同时，雷电流的等值效率很高。所以，对于同一接地装置，由于雷电流的幅值大，会使地中的电流密度增大，从而提高

Ex???x??Im2?rx2），在接地体表面附近尤为厉害。当地中

了地中的电场强度（

电场强度超过土壤的击穿耐电强度时，会发生局部火花放电，使土壤的电导增大，而电阻率下降。试验证明，在土壤电阻率为500Ω·m，预放电时间为3～5μs，土壤的击穿场强为6～12kV/cm。因此，同样的接地装置在幅值很高的雷电冲击

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电流作用下，其接地电阻要小于工频（或直流）电流下的数值。这一现象称为火花效应。另一方面，雷电流的等值频率很高，使接地体自身呈现出的电感特性，会阻碍雷电流向接地体远端流通，在接地体较长时，这种影响更是明显，从而使接地体得不到充分的利用，这样就使冲击接地电阻大于工频接地电阻。此现象称为电感效应。

Rch?UmIm（峰值电压与峰值电流之

根据接地电阻定义式，冲击接地电阻应为

比），但在此表达式中，接地体上最大电压Um出现的时刻，不一定是最大电流出现的时刻（因电感作用，Um出现在Im之前），所以Rch的表达式没有实际的物理意义。

工程上通常是测量工频（或直流）接地电阻，并利用冲击系数α来表示冲击接地电阻与工频接地电阻的关系，即：

??

RchRd （5-9）

一般情况下，由于火花效应大于电感效应，故α<1；但是在电感效应明显情况下，如长度很长的延长接地体时，有可能α>1。

5.3接地体工频接地电阻计算

接地体有自然接地体和人工接地体两种类型，因此，接地体的设计计算包括自然接地体和人工接地体两种情况。在接地设计时，为了充分发挥技术、经济效益，首先要充分利用可以利用的自然接地体，但基于安全可靠考虑，也要用人工接地体。

5.3.1自然接地体及其工频接地电阻计算

常用自然接地体包括埋在地下的上、下水管道、建筑物及构筑物混凝土基础内的钢筋和骨架、埋地电缆的金属外皮及穿绝缘导线的金属管等。

自然接地体一般距离长，在大地土壤接触面积大，其散流电阻小，有时还能起到人工接地体无法起到的效果，尤其在等电位连接上，自然接地体在不少情况

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下是与电气设备的金属外壳相连，在发生接地故障时，接地故障电流从一开始就从自然接地体流散，在加上自然接地体在地下纵横交错，如果可靠连接起来，能起到分流，均压，等电位连接等作用，从而可降低跨步电压和接触电压，并节省投资。

自然接地体的工频接地电阻都可以实测的。 5.3.2人工接地体及工频接地电阻计算

当利用了自然接地体后仍不满足接地电阻要求值时，应埋设人工接地体；而对于无自然接地体的可利用的场所，就必须埋设人工接地体了。

人工接地体有垂直打入地中的钢管、角钢或水平埋设在地中的圆钢、扁钢及铜带等。

（1）垂直埋设的单根接地体接地电阻计算

Rcd?

?4lln2?ld （5-10）

式中，? 为土壤电阻率，Ω·m；l为接地体长度 ，m；d为接地体直径或等效直径，并且l>>d，如果是扁钢，b为角钢每边宽度。

当n根垂直接地体并联（顶端用导体连接）时，总的接地电阻计算：

d?b2，b为扁钢宽度，若是角钢，d=0.84b，

Rcd??

Rcd?n?c （5-11）

式中，Rcd为单根垂直接地体的接地电阻，Ω；n为并联接地体的根数；?c为利用系数，即接地体散流场之间相互屏蔽，是接地体附近的电流密度变得不均匀，影响接地电流散流。

（2）水平埋设的接地体接地电阻计算

?L2Rsd?(ln?A)2?lhd （5-12）

式中，L为水平埋设接地体的总长度，m；h为水平埋设接地体的埋设深度，m；d为水平埋设接地体的直径或等效直径，m；A为水平埋设接地体的形状系

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数。

（3）用简化计算系数计算接地体的接地电阻 当各种垂直接地体采用标准规格尺寸和规定长度，并且打入地中，使顶端距地面为0.5～0.7m时，则单根接地体的接地电阻为：

Rcd?k? （5-13）

式中，k为简化计算系数；?为土壤电阻率，Ω·m，????0，其中?0为实测土壤电阻率，?为季节系数。

（4）在水平埋设的接地体上焊接有垂直接地棒时，水平接地体接地电阻有：

Rsd???Rcd

?s （5-14）

式中，Rcd为单根垂直接地棒的散流电阻，Rcd?k?，Ω；?s为水平接地体的屏蔽系数。

（5）由垂直接地体及水平接地体共同构成的复式接地装置的接地电阻计算有：

Rd???11Rcd???1Rsd???1n?c?s?RcdRsd （5-15）

当整个接地装置是由n根垂直接地体和一根水平接地体连接起来组成的复式装置时，总的接地电阻可按下式计算：

RcdRsd1n??Rcd?Rsd?n （5-16）

Rd??

式中，Rcd为单根垂直接地体的接地电阻，Ω；Rsd为单根水平接地体的接地电阻，Ω；n为垂直接地体根数；?为考虑所有接地体相互屏蔽的系数。

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第6章 变电站的接地设计

6.1变电站接地装置的型式

在变电站集中安装了最重要的电气设备和电气装置，如变压器、断路器及各种控制屏、保护柜等。这些设备需要避雷针（线）和避雷器来实现防雷保护；同时，这些电气设备带电运行时，还要考虑值班人员的人身安全。因此，在变电站就需要有良好的接地装置，以实现综合满足工作接地、保护接地及防雷接地等的要求。

在实际工程中，为保证安全及工作需要，一般是统一敷设——接地网，而在避雷针（线）和避雷器附近下面，在加设一组集中的防雷接地体，加强泄放雷电流作用，从而构成了变电站完整的接地装置。

变电站的接地装置要充分利用自然接地体，若自然接地体满足不了接地电阻值要求，则要加设人工接地体，而且多数是敷设以水平接地体为主的人工接地体。对大电流接地系统的变电站，不管自然接地体情况如何，必须装设人工接地体。对面积较大的接地网来说，装设水平人工接地体对均压、散流、降阻以及减小跨步电压和接触电压效果最好。

变电站的接地网常采用40mm×4mm的扁钢或直径为20mm的圆钢排列成方孔形或长孔形，埋地0.6～0.8m，在北方应埋在冻土层以下，其面积与变电站的面积相同或稍大，埋在变电站的围墙外侧，距墙1.5～2m，四周外缘应闭合，外缘各角做成圆弧形，圆弧的半径不宜小于接地网内均压带间距的一半。网内敷设的均压带间距一般取3～10m，可以等间距布置，也可以不等间距布置，但应按一定规律变化。

6.2变电站的接地装置要求

6.2.1接地电阻值的要求

在中性点直接接地或经低电阻接地的变电站中，保护接地电阻要求：

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Rd?2000I （6-1）

式中，Rd为考虑季节变化时的最大接地电阻值，Ω；I为流经接地装置入地的计算短路电流，A，其大小按下式计算。

当变电站内发生接地短路时，流经接地装置的入地电流为：

I?（Imax?IN)(1?kf1) （6-2）

式中，Imax为接地短路电流的最大值，A；IN为发生最大接地短路电流时，

k流经变电站接地中性点的最大接地短路电流，A；f1为变电站内发生接地短路时

避雷线的工频分流系数。

当在变电站外发生接地故障时，流经接地装置入地的短路电流为：

I?IN(1?kf2) （6-3）

式中，IN为发生最大短路电流时，流经变电站接地中性点的最大短路电流，A；

kf2为在变电站外发生接地短路时避雷线的工频分流系数。

在中性点不接地、经消弧线圈接地的变电站中，保护接地电阻应符合如下要求。

当高、低压电气装置及设备共用接地装置时：

Rd?120I （6-4）

且应使Rd?4Ω。

仅供高压电气装置接地保护用时：

Rd?250I （6-5）

且要求Rd?10Ω。

两式中，Rd都是考虑季节变化时的最大接地电阻值，Ω；I为经接地装置入地的计算短路电流，A，有：

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I?UP(35Lx?Lb)350 （6-6）

式中，UP为相电压，kV；Lx为有电气连接的电缆线路总长，km；Lb为有电气连接的架空线路总长，km。

对变电站电气装置及设备防雷保护接地电阻要求：

独立避雷针（线）在一般土壤电阻率地区（??500Ω·m）其冲击电阻应满足：

Rch?10 Ω

但在高土壤电阻率地区，接地电阻达到要求值很有困难，允许采用较高电阻值，但必须满足：

独立避雷针与电气装置带电部分及电气设备接地部分和构架接地部分的空间距离为：

Sk?0.2Rch?0.1h

同时，独立避雷针的集中接地体与变电站接地网之间的地中距离应为： Sd?0.3Rch

两式中，Rch为防雷电过电压的冲击接地电阻值， Ω ；Sk为防雷电反击的空间距离，m；为Sd防雷电反击的地中距离，m；h为避雷针上用来校验反击的高度，m。

6.2.2变电站主接地网的均压要求及计算

变电站接地装置型式及布置的确定，应从人身及设备安全考虑，以降低接触电压和跨步电压为目的，并符合我国接地设计规范要求。如对大接地短路电流系统发生单相或同点两相接地短路时，变电站电力设备接地装置上的接触电压和跨步电压不应大于下列数值：

Ujc?174?0.17?ft （6-7）

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式中，

UjcUkb?174?0.7?ft （6-8）

、Ukb分别为接触电压和跨步电压，V；

?f为人脚站立处地面的

土壤电阻率Ω·m；t为接地短路电流持续时间，s。

6.3 35KV变电站接地设计

该35KV变电站主变压器容量2500kV·A，电压为35/10.5kV，中性点不接地，经消弧线圈接地。最大运行方式下，低压母线三相短路电流为4.25kA，单相短路电流为10.8kA。低压侧主保护动作时限为0.7s。变电站范围为长为50m,宽为40m。

变电站电源进线为一回35KV架空线路，导线型号为LJ-95，3km长。电源变电站35KV母线最大运行方式下短路容量500MV·A，单相接地电容电流为15A。35kV出线继电保护动作时限为1.4s。功率因数要求不小于0.9。

1.5m 垂直接地体；

水平接地体及均压

接地线

变 压 器 室 值 班 室 高压配电室 1.5m 低 压 配 电 室 工 具 间 带；

图6-1 35/10.5KV变电站接地网示意图

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最热月平均温度27.9oC，最热月平均最高温度31.9oC，极端最高温度38.9oC，极端最低温度-9.4oC，最热月地下0.8m深处平均温度27.2oC，年平均雷电日数40日/年。土壤电阻率2×104Ω·cm，中等含水量，土壤热阻系数80oC·cm/W。

接地设计步骤如下。

（1）接地电阻要求值 因为中性点不接地、经消弧线圈接地，仅供高压电

Rd?250I ，Rd?10Ω

气装置接地保护用时，要求

（2）确定土壤电阻率 考虑季节变化，土壤电阻率应乘以季节系数??1.3，所以最大电阻率为：

44??2?10?1.3?2.6?10 Ω·cm

（3）选择接地体及确定接地装置型式 选角钢L50×50×5，长3.5m做垂直接地体；并选扁钢40mm×5mm做水平接地体，构成以垂直接地体为主的复式接地装置。

接地装置在距变电站建筑物外墙1.5m处，呈环路闭合的长孔型布置，中间加一条均匀带。垂直接地体间距取6～7m，沿闭合环路垂直打入地中，上端用扁钢连接，扁钢埋地0.5～0.7m。高、低压配电装置角钢基础及变压器底部钢轨均通过不少于2根的接地线连接到接地装置上。变电站各室出入口敷设帽檐式均压带或铺设沥青路面（变电站无自然接地体）。

（4）接地装置计算

1）单根垂直接地体的接地电阻

?4l2.6?1024?3.5Rcd?ln?ln2?ld2?3.14?3.50.84?0.05

=68.72Ω

2）初定垂直接地体根数，确定屏蔽系数 因闭合接地装置的周长L=[(1.5×2+50)+(1.5×2+40)]×2=192m，接地体间距a=6～7m，故垂直接地体根数约为 n`=L/a=32～27.5根

实取 n=30 根 按n=30及a/l?2，查得?c?0.6

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（5）接地装置的接地线（即连接扁钢）热稳定性校验

Smin?IjdC10.8?103td?0.7?129.670 mm2

实选接地线40×5=200mm2>Smin 合格 （6）防雷接地

35KV变电站用独立避雷针, 避雷针接地引下线埋在地中部分与配电装置构架的接地导体埋在地中部分在土壤中的距离大于3m, 变电站电气装置的接地装置采用水平接地极为主的人工接地网, 水平接地极采用扁钢50mm×5mm, 垂直接地极采用角钢50mm×5mm, 垂直接地极间距5m～6m, 主接地网接地装置电阻不大于4Ω, 主接地网埋于冻土层1m 以下。人工接地网的外缘应闭合, 外缘各角应做成圆弧形。

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结论

本文在分析和研究雷电过电压放电过程及其机理的基础上，重点对农村某35KV变电站进行防雷保护设计。结合各种防雷装置的防护原理，采用设计安装避雷针对变电站直击雷的防护，而对变电站雷电侵入波的防护则设计安装避雷器。同时结合基本接地常识与变电站接地标准对此35KV变电站进行接地保护设计。在国家防雷接地标准下，根据理论与计算可以得到如下结论：

（1）本文以现在防雷接地保护较弱的农村35KV变电站为设计对象，具有一定的广泛性与实际意义。

（2）根据避雷针保护范围，分别采用两根等高或四根等高避雷针对整个变电站实施直击雷防护，确定所需避雷针高度，从而根据经济、技术等因素选择所采用方案。

（3）对变电站雷电侵入波的防护，不仅要正确安装内部避雷器，还要对变电站进线段（1～2km内)防雷保护接线。当然，还要对被保护设备与避雷器之间的安装距离l 进行校核,即雷电防护要有一定裕度。 （4）建议采用的变电站防雷电侵入波方案为： a、各线路入口装设一组51KV氧化锌避雷器。 b、两条母线上均装设一组51KV氧化锌避雷器。 c、电压互感器上装设一组0.8KV氧化锌避雷器。

（5）接地网如图6-1，选用角钢L50×50×5，长3.5m做垂直接地体，需要30根；并选扁钢40mm×5mm做水平接地体，构成以垂直接地体为主的复式接地装置。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/elzp.html