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工 厂 供 电 课 程 设 计
题
目：10KV变电站设计——二级负荷防雷接地保护 学 院： 电气工程学院 专业班级：
姓 名： 学 号： 指导老师：
摘要：
电力系统防雷是供配电工程的重要保护措施，如果发生雷击事故，将造成大面积的停电，严重影响社会生产和人们生活。供配电系统的防雷保护应从工程设计阶段就认真加以考虑，根据各地的实际情况，采取切实可行的防雷方案，本文简要介绍供配电系统的防雷保护。
雷的设备主要有接闪器和避雷器。其中，接闪器就是专门用来接受直接 雷击（雷闪）的金属物体。接闪的金属称为避雷针。接闪的金属线称为避雷线，或称架空地线。接闪的金属带称为避雷带。接闪的金属网称为避雷网。避雷器是用来防止雷电产生的过电压波沿线路侵入变配电所或其它建筑物内，以免危及被保护设备的绝缘。避雷器应与被保护设备并联，装在被保护设备的电源侧。当线路上出现危及设备绝缘的雷电过电压时，避雷器的火花间隙就被击穿，或由高阻变为低阻，使过电压对大地放电，从而保护了设备的绝缘。避雷器的型式，主要有阀式和排气式等。
关键词：架空线防雷保护、变电所（配电所）防雷保护、接地保护
目录
1、前言……………………………………………………………5 1.1 10kv变电所简介…………………………………………5 1.2 变压器简介………………………………………………5 1.2.1 变压器的工作原理……………………………5 1.2.2 变压器的分类…………………………………5 1.2.3 变压器故障类型………………………………62、电力负荷计算…………………………………………………6 2.1电力负荷计算的内容……………………………………6 2.2通过电力负荷计算的选择………………………………63、供电线路及变压器台数的选择………………………………6 3.1供电线路的选择…………………………………………6 3.2变压器台数的选择………………………………………6 3.2.1变压器台数选择的原则…………………………6 3.2.2变压器台数选择及原因…………………………64、变电所主接线的选择…………………………………………6 4．1几种接线方式的比较…………………………………6 4.1.1单母线接线………………………………………7
4.1.1.1单母线不分段接线……………………7 4.1.1.2单母线分段接线………………………7 4.1.2双母线接线………………………………………7 4.1.3桥形接线…………………………………………7
4.1.3.1内桥接线……………………………8 4.1.3.2外桥接线……………………………8 4.2 主接线的选择及原因…………………………………85、继电保护装置……………………………………………………86、变压器的保护……………………………………………………8 6.1瓦斯保护…………………………………………………9 6.1.1轻瓦斯保护…………………………………………9 6.1.2重瓦斯保护…………………………………………9 6.2电流速断保护……………………………………………9 6.3过电流保护………………………………………………9 6.4过负荷保护………………………………………………97、防雷与接地保护…………………………………………………9 7.1变电所的防雷保护………………………………………9 7.1.1变电所遭受雷击的来源及解法…………………10 7.1.2变电所装设避雷针的原则………………………10 7.1.3避雷针与电气设备之间防雷最小距离的确定…10 7.1.4 装设避雷针的有关规定…………………………11 7.2、电力线路的防雷保护…………………………………12 7.2.1 输电线路的防雷保护……………………………12 7.2.2 配电线路的防雷保护……………………………13 7.2.3 电力电缆线路的防雷保护………………………14 7.3、电气设备与电子设备的防雷保护……………………15 7.3.1变电所设备的防雷与接地……………………15 7.3.2.计算机、通讯等自动化设备的防雷接地……17 7.4、防雷的管理措施……………………………………18
7.4.1 加强线路的维护……………………………18 7.4.2 抓线路管理的源头…………………………18 结束语……………………………………………………………19 主接线图…………………………………………………………211、前言
本次课程设计是继《工厂供电》课程之后一个重要的实践性教学环节，通过把理论知识运用于实践，加深对这门课程的理解和掌握其精髓，通过实践巩固理论知识，实现理论与实践的完美结合，为今后解决实际问题及毕业设计打下坚实的基础。同时也加强实践意识，培养迅速把理论知识运用于实践的能力。
我们组本次设计的题目是《10kv-变电380/220v-配电-二级防雷接地保护》，根据 防雷设备计算防雷范围，以及地点地理情况结合实际对二级电路进行防雷接地保护。1.1 10KV变电所简介
变电所作为整个电网中的一个节点，在电网中担负着接收电能、变换电压、分配电能的任务。在电网统一指挥和协调下，电网各节点具体实施和保障电网的安全、稳定、可靠运行。本次设计的变电所为降压变电所，将10KV送给电力用户。1.2 变压器简介
1.2.1 变压器的工作原理
变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯。在电气设备和无线电话中，常用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离等。1.2.2 变压器的分类
变压器按用途可以分为：配电变压器、电力变压器、全封闭变压器、组合式变压器、干式变压器、油浸式变压器、单相变压器、电炉变压器、整流变压器、电抗器、抗干扰变压器、防雷变压器、箱式变压器、实验变压器、转角变压器、大电流变压器、励磁变压器。本次设计我们组采用防雷变压器。
1.2.3 变压器故障类型
变压器是工厂供电系统中最重要的电气设备。它的故障将对供电的可靠性和正常运行带来严重的影响。在实际应用中需对变压器进行保护。变压器故障可发生在油箱内和油箱外。油箱内的故障包括相间短路、匝间短路以及铁心烧损等。油箱外的故障主要是套管和引出线上发生短路以及变压器外部短路引起的过电流等。变压器的不正常运行状态主要为过负荷和油面降低。
2、电力负荷计算
由于多数设备通常是在小于额定容量的条件下运行，并且是有间歇运行的，所以实际由电源取得的功率要比全厂安装的设备额定功率小，所以需要进行电力负荷的计算。2.1电力负荷计算的内容 电力负荷计算主要包括：
（1）求计算负荷。目的是为了合理地选择工厂各级电压供电网络、变压器容量和电气设备的型号。
（2）算出尖峰电流。用于计算电压波动、电压损失，选择熔断器和保护元件。
（3）算出平均负荷。用来计算全厂电能需要量、电能损失和选择无功补偿装置等。2.2通过电力负荷计算的选择
因为是10kv变电站，属于是将10kv变380/220v。所以选择1000KVA及以下型号。
3、供电线路及变压器台数的选择
3.1供电线路的选择
因为设计要求的是三级负荷，由于三级负荷对供电无特殊要求，允许较长时间停电，故可采用单回路供电方式。
3.2变压器台数的选择
变压器台数的选择应根据地区供电条件、工厂负荷性质、用电容量和运行方式等综合考虑决定。
3.2.1变压器台数选择的原则
（1）为保证供电可靠，在变电所中一般应装设两台主变压器，如只有一个电源进线，或变电所可由低压侧电力网去的备用电源时，可装设一台主变压器。
（2）当工厂绝大部分负荷属于三级负荷且少量一、二级负荷可由邻近低压电力网取得备用电源时，可装设一台主变压器。
3.2.2变压器台数选择及原因
因为是三级负荷，可采用单回路供电，为了节约及经济考虑，选择一台主变压器。
4、变压器主接线的选择
4．1几种接线方式的比较
4.1.1单母线接线4.1.1.1单母线不分段接线
单母线不分段接线可用于对供电要求不高的三级负荷用户，或有备用电源的二级负荷用户供电。
4.1.1.2单母线分段接线
单母线分段接线适合在有两回路进线电源的线路中，可提高供电的可靠性。
4.1.2双母线接线
双母线接线两母线互为备用，停电时间断，方便检修。4.1.3桥形接线 4.1.3.1内桥接线
内桥接线的跨桥靠近变压器侧，省掉变压器回路的断路器，当任一回路故障时，其他回路可正常工作。
4.1.3.2外桥接线
外桥接线的跨桥靠近线路侧，对变压器回路的操作非常方便。4.2 主接线的选择及原因
因为是三级负荷且选择两台变压器运行，所以选择单母线分段的接线方式。
5、继电保护装置
本次设计中使用的继电保护装置及开关主要有高压断路器、高压隔离开关、高压负荷开关、高压熔断器、高压开关柜、重合器和分段器以及电流互感器和电压互感器等。
6、变压器保护6.1瓦斯保护
当变压器油箱内部发生故障时，短路电流所产生的电弧或内部某些部件发热，都会使变压器油或绝缘材料分解并产生挥发性气体。该气体比油轻，装设瓦斯保护继电器构成瓦斯保护。
6.2电流速断保护
在变压器的电源侧装设电流速断保护，作为变压器电源侧线圈和电源套管及引出线故障的主要保护。其中电流互感器装在电源侧。电源侧为中性点直接接地系统时，保护采用完全星形接线方式；电源侧为中性点不接地或经消弧线圈接地系统时，则采用两相不完全星形接线。
6.3过电流保护
过电流保护的电流互感器装设在电源侧，可以保护变压器。其中电流互感器和继电器通常采用三相星形接线方式。
6.4过负荷保护
过负荷保护只装设在一相上用一只电流继电器。为了防止短路时过负荷或在外部短路时发出不必要的信号，需装设一只延时闭合的时间继电器，其动作时限应大于过电流保护动作时限1至2个时限级差。过负荷与过电流保护合用一组电流互感器。它只装设在有运行人员监视的变压器上。过负荷保护动作只发出信号，运行人员接到信号后可进行处理。
7、防雷与接地保护7.1、变电所的防雷保护
7.1.1 变电所遭受雷击的来源及解决方法
(1)雷击的来源。一是雷直击于变电所的设备上；二是架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所。
(2)变电所对于直击雷的保护一般采取装设避雷针或采用沿变电所进线段一定距离内架设避雷线的方法解决。
(3)架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所，是导致变电所雷害的主要原因，若不采取防护措施，势必造成变电所电气设备绝缘损坏，引发事故。在变电所内装设避雷器的目的在于限制入侵雷电波的幅值，使电气设备的过电压不致于超过其冲击耐压值。而变电所的进线段上装设保护段的主要目的，在于限制流经避雷器的雷电流幅值及入侵雷电波的陡度。
7.1.2 变电所装设避雷针的原则
所有被保护设备均应处于避雷针(线)的保护范围之内，以免遭受雷击。当雷击避雷针时，避雷针对地面的电位可能很高，如它们与被 保护电气设备之间的绝缘距离不够，就有可能在避雷针遭受雷击后，使避雷针与被保护设备之间发生放电现象，这种现象叫反击。此时避 雷针仍能将雷电波的高电位加至被保护的电气设备上，造成事故。不 发生反击事故的避雷针与电气设备之间的距离称为避雷针与电气设 备之间防雷最小距离。
7.1.3 避雷针与电气设备之间防雷最小距离的确定
雷击避雷针时，雷电流流经避雷针及其接地装置，为了防止避雷针与被保护设备或构架之间的空气间隙被击穿而造成反击事故，空气 间隙必须大于最小安全净距。
为了防止避雷针接地装置与被保护设备或构架之间在土壤中的 间隙被击穿而造成反击事故，空气间隙必须大于最小安全净距。
7.1.4 装设避雷针的有关规定
对于 35kV 及以下的变电所，因其绝缘水平较低，必须装设独立的避雷针，并满足不发生反击的要求。
对于 110kV 以上的变电所，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构架上，因而雷击避雷 针所产生的高电位不会造成电气设备的反击事故。装设避雷针的配电 构架，应装设辅助接地装置，该接地装置与变电所接地网的连接点，距主变压器的接地装置与变电所的接地网的连接点的电气距离不应 小于 15m。其作用是使雷击避雷器时，在避雷器接地装置上产生的高 电位，沿接地网向变压器接地点传播的过程中逐渐衰减，使侵入的雷 电波在达到变压器接地点时，不会造成变压器的反击事故。由于变压 器的绝缘较弱，同时变压器又是变电所的重要设备，故不应在变压器 的门型构架上装设避雷针。
由于变电所的配电装置至变电所出线的第一杆塔之间的距离可 能比较大，如允许将杆塔上的避雷线引至变电所的构架上，这段导线 将受到保护，比用避雷针保护经济。由于避雷线两端的分流作用，当 雷击时，要比避雷针引起的电位升高小一些。因此，110kV 及以上的 配电装置，可将线路避雷线引接至出线门型构架上，但土壤电阻率大 于 1000Ω·m 的地区，应装设集中接地装置。对于 35～60kV 配电装 置，土壤电阻率不大于 500Ω·m 的地区，允许将线路的避雷线引接 至出线门型构架上，但应装设集中接地装置。当土壤电阻率大于 500 Ω·m 时，避雷线应终止于线路终端杆塔，进变电所一档线路保护可 用避雷针保护。
7.2、电力线路的防雷保护
7.2.1 输电线路的防雷保护
输电线路的防雷，应根据线路的电压等级、负荷性质和系统运行 方式，并结合当地地区雷电活动的强弱、地形地貌特点及土壤电阻率 高低等情况，通过技术经济比较，采用合理的防雷方式。
(1)35kV 线路不宜全线架设避雷线，一般在变电所的进线段架设 1～2km 的避雷线，同时在雷电活动强烈的地段架设避雷线，或者安 装线路金属氧化物避雷器。
(2)110kV 线路应全线架设避雷线，山区应采用双避雷线；但在 年平均雷暴日数不超过 15 日或运行经验证明雷电活动轻微的地区，可不架设避雷线。
(3)220kV 线路应全线架设避雷线，同时应采用双避雷线。对于 架设避雷线的线路，应注意杆塔上避雷线对边导线的保护角，一般采 用 20°～30°保护角，同时做好杆塔的接地。根据土壤电阻率的不 同，杆塔的工频接地电阻，不宜大于表 1 所列数值。
对于 35kV 线路装设的金属氧化物避雷器的技术参数，一般应满 足以下条件： ① 持续运行电压(有效值)不小于 40.8kV；
② 额定电压(有效值)不小于 51kV；
③ 直流 1mA 参考电压不小于 73kV(范围在 73～74kV 之间)；
④ 标准放电电流 5kA 等级下残压(峰值)不大于： 雷电冲击 134kV、操作冲击 114kV、陡波冲击 154kV。
⑤ 2000μs 方波电流(峰值)200A。
⑥ 对绝缘配置，根据线路污秽 等级要求确定。
7.2.2 配电线路的防雷保护
与输电线路一样，配电线路的防雷也可采用避雷线或者避雷器，对于不同电压等级和不同线路采取的措施也不一样。
(1)10kV 裸导线线路。对于 10kV 裸导线线路，原则上可以采用 避雷线进行防雷保护，但由于成本高，施工不方便，目前基本上都不 采用避雷线，而是在一些雷电活动频繁的线段安装避雷器，同时按照 要求做好杆塔的接地。
(2)10kV 绝缘线线路。由于近几年城网改造，北京地区城镇线路 基本上都换成了交联聚乙烯架空绝缘线，但其防雷措施与原来的裸导 线线路的防雷措施并没有变化，致使发生了数十起雷击绝缘线断线事 故。对于架空绝缘线目前可采取以下防雷措施：
①安装避雷线，此种 方法避雷效果最好，但可行性和难度大，成本高
②提高线路绝缘子 耐压水平，将 10kV 绝缘子换为防雷绝缘子，将大大提高防雷水平。③在多雷区或者按照一定档距安装线路避雷器，减少雷击断线事故。
④延长闪烁路径，导致电弧容易熄灭，局部增加绝缘强度，如在导线 与绝缘子相连处加强绝缘，以及采用长闪烁路径避雷器等。
⑤局部剥离绝缘导线，使之局部成为裸导线，从而电弧能在剥离部分滑动，而 不是固定在某一点烧蚀，同时也可为以后施工提供一个挂地线点。
(3)低压配电线路。低压线路应从变压器出口处安装低压避雷器 或击穿保险器，同时做好接地，接地装置的接地电阻不应大于 4Ω。中性点直接接地的低压电力网中的中性线应在电源点接地。低压配电 线路，在干线和分支线终端处应重复接地，每年重复接地装置的接地 电阻应不大于 10Ω，对于较长的线路，重复接地应不少于 3 处。特 别是为防止雷电波沿低压配电线路侵入用户，对于接户线上的绝缘子 铁角应接地，接地电阻应小于 30Ω，这一点对于我们进行的一户一 表改造工作尤其应引起重视。
7.2.3 电力电缆线路的防雷保护
电力电缆由于其本身结构特点和与其他电气设施连接的要求，根据不同电压等级采取不同的防雷方法。对于 35kV 及以下电压等级的电力电缆，基本上应采取在电缆终端头附近安装避雷器，同时终端头金属屏蔽、铠装必须接地良好。对于 110kV 及以上的高压电缆，当电 缆线路遭受雷电冲击电压作用时，在金属护套的不接地端或交*互连 处会出现过电压，可能会使护层绝缘发生击穿，应采取以下保护方案 之一：
①电缆金属护套一端互连接地，另一端接保护器。②电缆金属 护套交*互连，保护器 Y0 接线。③电缆金属护套交*互连，保护器 Y 接线或 Δ 接线。④电缆金属护套一端互连接地加均压线。⑤电缆金属护套一端互连接地加回流线。
7.3、电气设备与电子设备的防雷保护
7.3.1变电所设备的防雷与接地
变电所设备的防雷离不开建筑物的防雷，按照最新的国家强制性标准 GB50054－95，对建筑物与设备的防雷接地应采用等电位连接，而不是传统上分别做独立的接地网。所谓等电位连接，就是把建筑物 本身和其内外各种导电物用导体(电气上)焊接起来，以保证等电位。由于雷电流峰值非常大，流经之处都立即升至很高的电位(相对于大 地而言)，因此对于附近尚处在大地电位的电气、电子设备和人产生 旁侧闪烁，容易引起设备和人身事故。所以等电位连接是防雷的关键 措施这一。
(1)所内建筑物的防雷
建筑物本身的防雷装置是建筑物内电气设备及系统防雷的第一 道屏障，建筑物本身的防雷性能直接影响到内部的电气设备的防雷，因此首先必须重视建筑物本体的防雷。
现代建筑物防雷主要由顶部避雷带、网状接闪器、建筑物的梁、柱、楼板和四周墙体内的主钢筋作引下线，利用地下钢筋混凝土基础作为接地体。在建筑物设计和施工时就要考虑到作为网状接闪器、引下线和接地体的钢筋网络之间的电气连接，使之成为较理想的“法拉 第笼”式避雷器。防雷网与建筑物钢筋混凝土相结合，已成为国内外 公认的经济可*的防雷方式，因此在设计、施工时都应预留从各层楼 板、梁、柱内钢筋焊出接头，以便与室内外接地线相连。
(2)室外设备的防雷
为了防止直击雷，室外可根据需要，安装一支或多支避雷针，计 算其保护范围，以达到保护室外所有设备要求为原则。同时对于室外 架构母线和变压器中性点应加装避雷器保护，室外做一接地网，所有 设备的接地引下线都与该接地体焊接，以保证等电位。
为了防止雷击产生过电压，各种设备的绝缘水平应能满足电压对 该设备的绝缘要求，我们在设备定货和出厂试验时应严格把关，按照 规程要求确保设备绝缘耐压水平，以防雷害击穿。这种防雷结构有很 多优点：
①可避免“绕击”；
②能起“法拉第笼”的屏蔽作用，可大大削 弱雷电电磁脉冲的侵入；
③因建筑物各层的梁、柱、楼板、墙体的钢 筋和金属管线等导电体在电气上已连成一体，做到几乎处处电位相等，从而保证了设备的安全；
④“笼”式避雷装置的引下线是由为数众多的 钢筋组成，大大分散了雷电流，并削弱了建筑物内信息设备所受到的 脉冲电磁场冲击幅值；
⑤接地体是分布在地下四周的钢筋混凝土基础，可形成均匀分布的均压网，与大地接触面广，接地电阻低且又稳定。
(3)室内设备的防雷
室内各种金属屏、柜外皮均应与底座槽钢可*焊接或用螺栓连接，保证接触良好，同时槽钢应与电缆沟道内的电缆支架用镀锌扁钢焊接 起来，形成一个整体，与室外接地网形成一个完整的大接地网。
7.3.2.计算机、通讯等自动化设备的防雷接地
大楼内计算机等电子设备的第一道保护屏障，由于通讯电台必须 通过信号电缆与通讯塔上天线相连，因此对于通讯电缆外皮必须做好 接地(多点重复接地)，并与大楼的接地网连接起来形成等电位，同时 可以加装避雷器。对于通讯电台应加串口保护器如 SD25－V24／24，其它电子设备的通讯接口都应加装相应的串口保护器，其实就是各种 小防雷器(OBO、PHOENIX 都有相应接口的保护器)，这里就不再一一 列举。对于大楼内的电子设备，最重要的就是将各个独立的接地网连 接成一个共用接地系统，其它如分开、独立、专用等接地方案都是不 妥的，在工程中也没有实际意义。对于所有大楼内的电气、电子设备，应该逐级采取防雷保护措施，首先做好大楼和电源的防雷接地，然后在机房和各设备端口安装相应的避雷器，才能真正防止雷电波的侵入 和反击。7.4、防雷的管理措施
防雷的技术措施固然重要，但也不能忽视防雷的管理措施，加强 管理才能确保防雷的各项技术措施正常发挥作用。
7.4.1 加强线路的维护
根据季节的变化，保证线路走廊有足够的安全间隙。对大跨越、多雷区等特殊地区要按照《 架空送电线路运行规程》做好维护工作。建立输电线路数据库，详实记录输电线路的各项参数的历史变 化规律，同时将每年的测量数据与历史数据进行比对，找出变化的规律和趋势,有针对性的采取措施。
7.4.2 抓线路管理的源头
运行单位要提前参与线路规划、涉及和建设，新建线路应要求运行单位参与方案的制定和审查，工程建设的管理，从源头上确保 各项技术措施的落实。线路遭受雷击既然是不可预测，不可避免的，但雷电活动是小概率事件，随机性强，要做好送电线路的防雷工作，就必须抓住其关键点，制定有针对的性防雷措施，提高高压送电线路的耐雷水平，尽量减少雷害的发生，将雷害带来的损失降低到最低限度。
结束语
通过这次课程设计，让我学到了很多东西，使我明白了配电系统的防雷与接地应从工程设计阶段就认真加以考虑，根据各地的实际情况，采取切实可行的防雷方案，选用质量可靠的电气设备和可靠性高的防雷设备，同时真正按照等电位的原则，做好符合要求的共用接地网，综合考虑防雷与接地，只有这样我们的线路和设备才能避免遭受雷击的危害。同时也发现了自己的很多不足，无论是对知识的理解还是实践能力以及理论联系实际的能力还急需提高。在这个过程中，我也曾经因为错误失落过，也曾经因为小有成绩而热情高涨。正如生活一样，汗水预示着结果也见证着收获。虽然这只是一次的极简单的课程设计，可是平心而论，也耗费了我们不少的心血，这才意识到老一辈对我们社会的付出，为了人们的生活更美好，他们为我们社会所付出多少心血啊！所以，今后我一定要努力学习，争取早日能为社会做出应有的贡献！主接线图：
