论文总字数：14970字

目 录

引言 4

1.概述 4

2.雷电对变电所的危害 4

2.1雷电的形成 4

2.2雷电流波形参数 5

2.3雷电的种类及其危害 6

2.3.1雷电的直击以及危害 6

2.3.2雷电的反击危害 6

2.3.3雷电感应危害 6

2.3.4雷电波侵入危害 7

3. 变电所的防雷措施 7

3.1变电所的直击雷防护 7

3.2变电所的雷反击防护 7

3.3变电所的感应雷防护 7

3.4变电所对雷电侵入波的防护 8

3.5变压器的保护 8

3.6输电线路的防雷措施 8

3.6.1架设避雷线 8

3.6.2降低杆塔接地电阻 9

3.6.3架设耦合地线 9

3.6.4采用不平衡绝缘方式 9

3.6.5采用中性点非有效接地方式 9

3.6.6装设避雷器 10

3.6.7加强绝缘 10

4.变电所的防雷保护装置 10

4.1避雷针 10

4.1.1避雷针保护范围计算 10

4.1.2单支避雷针 10

4.1.3两支等高避雷针 11

4.2避雷器 12

4.2.1氧化锌避雷器的应用与研究 12

4.2.2氧化锌避雷器的特性 13

4.2.3氧化锌避雷器的优势 13

4.2.4氧化锌避雷器的安装要求 13

4.3防雷接地 14

4.3.1接地网材料 14

4.3.2接地网设计 14

4.3.3接地网布置 15

5.仿真及结果分析 15

5.1直击雷仿真 15

5.1.1模拟直击雷 15

5.1.2仿真计算 15

5.2侵入雷电波仿真 17

5.2.1入侵雷电波的仿真计算模型 17

5.2.2仿真计算 18

5.3仿真结果分析 19

5.4氧化锌避雷器过电压防雷保护 19

5.5仿真结果与分析 20

6.结束语 22

参考文献： 23

致谢 24

110KV变电所的防雷设计

王广磊

,China

Abstract: The transformer is an important part of transmission and distribution of electricity. This paper mainly introduces the harm of thunder and lightning and specific measures of lightning protection, considering the volt-ampere characteristics of zinc oxide lightning arrester is excellent, MATLAB structures, model, the simulation verifies the zinc oxide lightning arrester in substation lightning overvoltage protection reliability and sensitivity.

key words: Substation;Lightning protection;Lightning arrester;Simulation

引言

在多种的自然现象中，雷电是其中非常常见的一种，它强大的破坏力，严重威胁着变电所的安全稳定运行。强大的雷击电流会伴随着雷击而产生，瞬间的高热和恐怖的电动力能让雷电流流经的电气设备损坏，甚至是融化一些金属部件，让变电所瘫痪，发生意想不到的安全事故，给人民的生产生活带来麻烦。所以，为了让变电所能够安全稳定的运行，我们要具体问题具体分析，因地制宜的采取一些有效的防雷措施，极大的降低雷电对110KV变电所的危害，提高变电所安全可靠运行的稳定性。

1.概述

现在110kV变电所趋于智能化，无人值守。它的智能化体现在下面几个方面：1通信标准化（IEC61850标准）；2测量数字化（电子式互感器）；3控制网络化（智能一次设备）；4状态可视化（自动检测）；5功能一体化（系统功能集中化；设备功能集成化；电源系统一体化 ；信息互动化）。

变电所是一个电能的输变配送的重要场所。它将电能的电压变换成适合用户使用的比较稳定的电压，并分配给需要的用户。电压的调整、电流的控制、输配电线路和主要的电气设备保护都是在变电所中进行的，目的是为了保证供电电能的高质量和设备的更高安全性。变电所可以根据电压可分为四个等级：60KV及以下的中压变电所、110～220KV的高压变电所、330～765KV的超高压变电所和1000千伏及以上的特高压变电所^[1]。变电所在电力系统中的地位可分为三种：中间变电所、枢纽变电所和终端变电所。根据用途还可以分为牵引力变电所（电气铁路和电车）和电力变电所。

2.雷电对变电所的危害

2.1雷电的形成

雷电的放电现象是带电荷的雷云引起的，在一定的天气地理条件下，含水量较大的热气流上升进入上层较冷的大气层遇冷冷凝形成云。形成的云中带有大量的电荷，这种云越积越多，带有的电荷也越来越多，距地面较近的时候，地表就会感应出相应的相反的电荷，而且电荷量相等。随着电荷的堆积，雷云和地表之间就会产生一个很强的电场，当它们之间的空气不足以阻挡他们进行电荷流动的时候，就会发生雷云和雷云之间或者雷云和大地之间的放电，从而形成雷电。雷云有两种，根据雷云的发展方向可以分为上行雷和下行雷^[2-3]。上行雷是由地面上的物体向着雷云的方向发起的，下行雷是雷云向着大地发展的。

雷电是一种再常见不过的自然现象了，但是极具破坏力，它的电压可以高达数百万伏特，而且它可以产生高达数十万安培的瞬间电流。从古至今，雷电给人们的生活和社会发展带来了数不胜数的破坏。闪电过后，以闪电发生的地方为中心，方圆2km内都会有危险过电压的存在，并损坏线路上的电气设备。

2.2雷电流波形参数

雷电流具有两个特性：非周期特性和冲击特性。我们首先要选择好雷电流波形的参数值，确定波形，才能更好地研究变电所的供电系统所受雷电的威胁。雷电流最主要的参数取决于幅值，波头和波长。根据实际测得的数据分析，虽然每一次的雷击电流的幅值存在很大的差别，但是它的波形是基本一致的。1-4μs是一次雷击电流的时间，平均时间是2-2.5μs， 20-100μs是一半波长的最大值的时间，平均时间是40-49μs^[4-5]。

在工程设计当中，要用到的模型都是理想化的，所以我会对雷电流的波形进行建模，表示成一个解析式，这样就能带入想要的参数，方便研究和验算。有三种经常用的雷电流的建模模型常，一种是斜角波，一种是半余弦波，还有一种是双指数波。其中，因为双指数波最接近雷电流的实际波形，所以经常被用作表征雷电波，表达式如下

i(t) = AI_m(e^-αt-e^-βt)

式子中 A——常量

I_m—— 峰值电流Ａ

　　　　　　　ｅ——自然对数的底

α——波前时间常数的倒数s^-1

β——波尾时间常数的倒数s^-1

t——时间s

由上式可知，当A、I_m、α、β的值确定后，把这些数值带入相应的位置，就可以得到一条理想化的雷电流波形。雷电流的主放电所形成的初始高峰电流一般是10～29kA，最高的可以达到200kA或者更高。参考《军用飞机雷电防护》（GJB2638-95），取A=1.093，I_m=200kA,α=11355s^-1, β=647266s^-1,可以得到如下模拟的雷电波形曲线^[6-8]图1。

图1雷电流的波形曲线

2.3雷电的种类及其危害

2.3.1雷电的直击以及危害

雷云在天空中飘着，它本身带有电荷，地面上也会感应出电荷，在风的吹动下，它们会一起运动。如果在运动的过程中遇到带尖的物体，比如变电所的避雷针或者地面上其他的突出的物体，根据尖端放电现象，地面上的电荷会突然发生改变，大量的集中在一个点上。当雷云距离地面较近的时候，也就是在50-100m的时候，雷云与地表突出物之间的空气已不满足绝缘条件，被击穿，它们之间就会开始发生放电。

因为雷击而放出的电流非常恐怖，可以达到十几万安培。雷电瞬间发生，高的离谱的热量可以使金属瞬间融化，强大的电动力可以折断坚硬的塔杆，从而会引起火灾产生大爆炸，使电气设备损坏，甚至击倒建筑物。

2.3.2雷电的反击危害

雷电直击产生雷电流，这种雷电流会通过地表上有突出的物体转化成电阻流入大地。例如，雷电流是30kA,如果经过10Ω的接地电阻，会产生300kV的对地电压^[9]。很可能会击穿电气设备或者线路的绝缘层，造成短路和供电中断，甚至是用电事故。

2.3.3雷电感应危害

雷云就是一种带有电荷，飘在天空中的云。这样，因为静电感应，地表就会带有相应的反电荷，和雷云带有的电荷等量。在雷击发生过后，雷云中的大量电荷瞬间消失，这时，导线上失去了雷云电荷束缚的感应电荷迅速的向导线的两端跑去，产生非常高的感应过电压。使得线路上的电气设备因为过电压的存在而损坏。

2.3.4雷电波侵入危害

雷击产生的雷电流会像电子波或者光波那样，沿着介质往远处慢慢的传播，直至损耗减弱到0。雷电流在传输的过程中会受到很多的阻碍，过长的线路和线路上存在的电感和电容，导致雷电流传输的比较慢，即使这样，它还是会通过各种进入变电所的通道侵入其内部，一路上的颠簸，使得它的阻抗发生变化，电压也随之产生聚变，变电所内部的电气设备承受不住这种突变的电压而奔溃。

3. 变电所的防雷措施

3.1变电所的直击雷防护

直击雷的防护比较简单，只要装设一个避雷针，把雷电吸引到避雷针上面，并引入地下，使周围的设备不受威胁。

想要更好的保护室外的设备和架构，35KV的变电所就必须要装设独立的避雷针。而对于110kv及以上的变电所来说，它们配备的设备都要求有较高的绝缘水平，我们可以直接在配电装置的架子上装设避雷针。

3.2变电所的雷反击防护

雷电的反击是指雷电击中金属体，在接闪的瞬间会与大地之间产生很高的电压，这样的高电压会对和大地接触的金属物体放电（也叫闪络），的现象叫做反击。我们通常采取两种措施来消除反击现象：一种是做等电位的连接，就是用金属导体把两个金属导体连接在一起，让它们在接闪的时候有相等的电位：第二种是让它们之间保持一定的距离。

3.3变电所的感应雷防护

防护感应雷，我们的主要目标就是限制感应雷产生的雷电脉冲通过各种线路进入变电所内部，保护电气设备和工作人员的安全。根据各种线路的特性，安装相应的避雷器把雷电脉冲屏蔽掉，使它们免受干扰。

3.4变电所对雷电侵入波的防护

在变电所的进线上装设阀型避雷器可以很好地防护雷电的侵入波。非线性的电阻和火化间隙让阀型避雷器有着很多的优点。就目前来看， FS系列的阀型避雷器适用于保护小容量的配电装置，对于中等以及大容量的变电所的电气设备的保护，就要用SFZ系列^[16-18]。

3.5变压器的保护

变压器是变电所里面最主要的电气设备，是我们主要的保护对象。面对雷电侵入波的威胁，可以利用阀型避雷器的特性，把它安装在变压器旁边的主线上。流经避雷器的雷电侵入波的电压升高使得避雷器动作，从而保护了变压器受到损坏。现在的变电所都有相应的防雷措施，只要把避雷器的冲击放电电压设置的小一些，小于变压器的耐压临界值，就可以使变压器得到可靠地保护。

3.6输电线路的防雷措施

由于输电线路暴露在外面，而且距离长，途径各种地理环境和天气环境，要做好综合防雷措施。防直击雷，防绝缘闪络，防工频电弧，最主要的是防止电力供应中断。考虑各种因素，因地制宜的采取经济可行的保护措施。

3.6.1架设避雷线

在高压输电线路中，想要防雷击，架设避雷线是最基本，最简单有效的方法。避雷线的分流减小了雷电流对杆塔的破坏力，保护了杆塔，并对导线有耦合作用，降低了导线上的感应过电压，保证了输电线路的安全运行。

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