電力系統(tǒng)防雷及接地研討

1、 電力系統(tǒng)防雷及 接地研討 廣西地凱防雷工程有限公司 王 東 生 雷電是什么 雷電是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀而又有點(diǎn)令人生畏的放電現(xiàn)象。雷電一般產(chǎn)生于對(duì)流發(fā)展旺盛的積雨云中，因此常伴有強(qiáng)烈的陣風(fēng)和暴雨，有時(shí)還伴有冰雹和龍卷,云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空氣對(duì)流等過程，使云中產(chǎn)生電荷。云中電荷的分布較復(fù)雜，但總體而言，云的上部以正電荷為主，下部以負(fù)電荷為主。因此，云的上、下部之間形成一個(gè)電位差。當(dāng)電位差達(dá)到一定程度后，就會(huì)產(chǎn)生放電，這就是我們常見的閃電現(xiàn)象。閃電的的平均電流是3萬(wàn)安培，最大電流可達(dá)30萬(wàn)安培。閃電的電壓很高，約為1億至10億伏特。帶有電荷的雷云與地面的突起物接

2、近時(shí)，它們之間就發(fā)生激烈的放電。放電過程中，由于閃道中溫度驟增，使空氣體積急劇膨脹，從而產(chǎn)生沖擊波，導(dǎo)致強(qiáng)烈的雷鳴。在雷電放電地點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的閃光和爆炸的轟鳴聲。 閃電的溫度，從攝氏一萬(wàn)七千度至二萬(wàn)八千度不等，閃電距離近，聽到的就是尖銳的爆裂聲；如果距離遠(yuǎn)，聽到的則是隆隆聲。你在看見閃電之后可以開動(dòng)秒表，聽到雷聲后即把它按停，然后以3來(lái)除所得的秒數(shù)，即可大致知道閃電離你有幾千米。枝狀閃電的通道如被風(fēng)吹向兩邊，以致看來(lái)有幾條平行的閃電時(shí)，則稱為帶狀閃電。 閃電的兩枝如果看來(lái)同時(shí)到達(dá)地面，則稱為叉狀閃電。 閃電在云中陰陽(yáng)電荷之間閃爍，而使全地區(qū)的天空一片光亮?xí)r，那便稱為片狀閃電。未達(dá)到地面的閃電，

3、也就是同一云層之中或兩個(gè)云層之間的閃電，稱為云間閃電。 曲折開叉的普通閃電稱為枝狀閃電。雷電的感應(yīng) 靜電感應(yīng) 電磁感應(yīng)雷云電荷對(duì)地面的感應(yīng)雷云對(duì)輸電線路的感應(yīng)靜電感應(yīng)對(duì)輸電線路影響雷云電荷除了對(duì)架空避雷線感應(yīng)產(chǎn)生異性電荷外，還會(huì)對(duì)下方的輸電線路產(chǎn)生感應(yīng)- - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 靜電感應(yīng)對(duì)輸電線路影響架空避雷線上的電荷，還會(huì)對(duì)下方的輸電線路產(chǎn)生感應(yīng)- - - - - - - - - - - - - - - - -+ + +

4、 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 靜電感應(yīng)電荷的流動(dòng)100kA50kA50kA50kA避雷接閃雷電后的 雷電流分布100kA50kA50kA50kA避雷線接閃雷電后 的電位分布接地電阻10鐵塔電位抬升500kV至1000kV100kA50kA50kA50kA避雷線接閃雷電后 的電位分布接地電阻10鐵塔電位抬升500kV至1000kV100kA50kA避雷線接閃雷電后 避雷線電位分布避雷線的分布電感和分布電阻使得雷電在流過避雷線時(shí)會(huì)產(chǎn)生與輸電線路間的電壓差:避雷線長(zhǎng)X100X100(V)接地電阻10電磁感應(yīng)（雷電電磁脈沖）I=1

5、00kAR=1U=I*R=100kV防雷地建筑物設(shè)備設(shè)備I=100kAR=1U=I*R=100kV電源線信號(hào)線計(jì)算機(jī)設(shè)備地防雷地建筑物設(shè)備I=100kAR=1U=I*R=100kV電源線信號(hào)線計(jì)算機(jī)設(shè)備地防雷地建筑物I=100kAR=1U=I*R=100kV電源線信號(hào)線計(jì)算機(jī)設(shè)備地防雷地建筑物設(shè)備設(shè)備R=1i=100kAU=100kV3m3m設(shè)備接地與防雷接地分開設(shè)備i=100kAU=100kVU=0V220V信號(hào)線設(shè)備接地與防雷接地分開的電位i=100kAU=100kVU=0V220V設(shè)備設(shè)備與防雷接地分開人身不安全i=100kAU=100kVU=0V220V設(shè)備設(shè)備與防雷接地分開設(shè)備損壞設(shè)

6、備i=100kAU=100kVU=100kV220V設(shè)備采用共用接地方式i=100kAU=100kVU=100kV220V設(shè)備設(shè)備采用共用接地方式設(shè)備i=100kAU=100kV220V連接SPD的等電位防雷效果直擊雷、靜電感和電磁感應(yīng)都會(huì)使雷電沿高壓輸電線路引入用戶端高壓輸電線路雷電引入配電柜L1L2L3接地線10kAR=410kAU=40kV雷電進(jìn)入變壓器前端配電柜L1L2L3接地線10kAR=410kAU=40kV雷電進(jìn)入變壓器前端配電柜L1L2L3接地線SPDU=40kVU=40kVR=410kA10kA雷電進(jìn)入變壓器前端配電柜L1L2L3接地線SPD設(shè)備接地線信號(hào)線U=40kV雷電進(jìn)

7、入變壓器后雷電流流向分配建筑物內(nèi)有電源線(三芯)和服務(wù)牲管線,設(shè)雷電流I=100kA,雷電流50%入地,進(jìn)入電源線的雷電流:I線=100/2/2/3=8.3kA雷電流流向分配 KA It us1035010/350S模擬直接雷擊流波0.1Imax0.5Imax0.9ImaxImax直接雷擊模擬波 KA It us8208/20S模擬感應(yīng)雷電流波0.1Imax0.5Imax0.9ImaxImax雷擊過電壓是高達(dá)幾千甚至上萬(wàn)伏，微秒級(jí)的電脈沖。感應(yīng)雷擊模擬波it20 S8 S10 S350 S從能量守恒定律得:i82 * R * t8 = i102 * R * t10Ri10/350S與8/20S

8、的關(guān)系i對(duì)兩個(gè)電流波進(jìn)行積分得: 0 i82(t) * R * dt = 0 i102(t) * R * dt解得: i8 = 5.6 i10, 取值:i8 = 6 i10Rt20 S8 S10 S350 Si電源線路浪涌保護(hù)器標(biāo)稱放電電流參數(shù)值保護(hù)分級(jí)LPZ0區(qū)與LPZl區(qū)交界處LPZl與LPZ2、LPZ2與LVZ3區(qū)交界處 直流電源標(biāo)稱 放電電流(kA)第一級(jí)標(biāo)稱放電電流*(kA)第二級(jí)標(biāo)稱放電電流(kA)第三級(jí)標(biāo)稱放電電流(kA)第四級(jí)標(biāo)稱放電電流(kA)8/20s10/350/s8/20s8/20s8/20s8/20sA級(jí)20804020lO lOB級(jí)15604020 直流配電系統(tǒng)中根

9、據(jù)線路長(zhǎng)度和工作電壓選用標(biāo)稱放電電流l0kA適配的SPDC級(jí)12.55020D級(jí)l2.55010 注：SPD的外封裝材料應(yīng)為阻燃型材料。 *第一級(jí)防護(hù)使用兩種波形的說明見條文說明。假設(shè)：設(shè)備與設(shè)備和配電柜的接地線是獨(dú)立分開設(shè)備A（機(jī)房）設(shè)備B(現(xiàn)場(chǎng))信號(hào)線電源線電源線信號(hào)線設(shè)備A設(shè)備B電源線電源線PE-APE-BL1L2L3N配電柜PE電源線電源線信號(hào)線設(shè)備A設(shè)備BPE-APE-Bi=5kAii地面雷電損壞設(shè)備的路徑電源線電源線信號(hào)線設(shè)備A設(shè)備BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1SPD與設(shè)備接地電源線電源線信號(hào)線設(shè)備A設(shè)備BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1

10、雷電損壞設(shè)備的兩大參數(shù)1.過電流 2.過電壓電源線電源線信號(hào)線設(shè)備A設(shè)備BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=5kVU=0VU=5kVSPD與設(shè)備接地分開的防雷效果電源線信號(hào)線設(shè)備A設(shè)備BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=VU=5kV設(shè)備電源耐壓:15002500V設(shè)備電源耐壓電源線信號(hào)線設(shè)備A設(shè)備BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=V設(shè)備電源耐壓:15002500VU=5kVSPD與設(shè)備接地連接的防雷效果電源線信號(hào)線設(shè)備A設(shè)備BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=5kV

11、U=5kV信號(hào)耐壓:100V,200VSPD等電位連接的防雷效果電源線信號(hào)線設(shè)備A設(shè)備BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=5kVU=5kV信號(hào)耐壓:100V,200VSPD等電位連接的防雷效果電源線信號(hào)線設(shè)備A設(shè)備BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=5kV 信號(hào)耐壓:100V,200VSPD連接信號(hào)SPD的防雷效果電源線設(shè)備A設(shè)備BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=5kVSPDU=5kVU=5kV連接信號(hào)SPD的防雷效果it10 S350 S設(shè),銅導(dǎo)線長(zhǎng)1m, 截面積10mm2, 電感L=1H, 電

12、阻R=1/1000, 雷電流i=1kA, 導(dǎo)線兩端殘壓U1mi=1kAUU =didt* L + i * R=10310*10-6* 1*10-6 + 103*10-3 = 100+1 = 100 V導(dǎo)線的殘壓2m SPD1000Vi=10kA2000V3000V設(shè)備防雷工程設(shè)計(jì)定律1m長(zhǎng)導(dǎo)線 流過1kA雷電流 產(chǎn)生100V殘壓電源線設(shè)備A設(shè)備BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1SPD2m2000V1500V100V一級(jí)SPD的防雷效果電源線設(shè)備A設(shè)備BPE-APE-Bi=5kA地面i1=kASPDR=11500Vi2=1kA多級(jí)SPD的防雷效果：前一級(jí)分流的雷電流1800V

13、電源線設(shè)備A設(shè)備BPE-APE-Bi=5kA地面i1=kASPDR=1i2=1kA1500V1200V多級(jí)SPD的防雷效果1800V電源線設(shè)備A設(shè)備BPE-APE-Bi=5kA地面SPDR=11200Vi4i4=200Ai3串聯(lián)多級(jí)SPD的防雷效果, 安全閥值: 1500V/200A設(shè)備Ai=20kASPDR=116kA4kA800A160A串聯(lián)電源SPD 輸入接線路 輸出接設(shè)備信號(hào)SPD設(shè)備A設(shè)備BPE-APE-BSPDSPD信號(hào)電源電源、信號(hào)使用示意等電位接地SPD設(shè)備a設(shè)備b設(shè)備c220VABCIG錯(cuò)誤的局部串聯(lián)接地方式3mi=1kA300V正確的接地方式設(shè)備a設(shè)備b設(shè)備cSPDi=1k

14、Ai設(shè)備A設(shè)備BPE-BSPDSPD信號(hào)電源1m1m不正確的接地方式: 信號(hào)接地線太長(zhǎng)正確的接地匯集方法i設(shè)備C1設(shè)備C2PE-BSPDSPD信號(hào)電源1miiiCRPEi1i2RCRPE RPE: 1*250 mm2i1 i2 RC :2.5mm2大型機(jī)房的接地方式 變電站接地網(wǎng)接地整改理由：變電站接地網(wǎng)建設(shè)年久，接地裝置金屬材料 嚴(yán)重腐蝕斷裂， 接地電阻升高。目的：保證均壓以及跨步電壓和接觸電勢(shì)滿足設(shè)計(jì) 和運(yùn)行要求 。辦法：按常規(guī)設(shè)計(jì)要求新增接地網(wǎng)裝置。難點(diǎn)：接地裝置接地電阻滿足設(shè)計(jì)要求。降低接地電阻方案在高土壤電阻率地區(qū)要降低接地電阻，需要很大的接地面積，按接地網(wǎng)接地電阻公式： 變電站的接

15、地面積一定,如L1=100米,L2=80米, 接地面積 S=100*80平方米設(shè)土壤接地電阻率=1000mR=0.5*1000/8000=5.6 假設(shè)：變電站所在位置的土壤電阻率=1000m， 設(shè)計(jì)接地電阻R=0.5，則需接地面積S： =*=1000*1000（m2）1000m1000m變電站地網(wǎng)面積 傳統(tǒng)方法 擴(kuò)大面積:根據(jù)公式R=0.5* /S，S，R變電站征地面積一定,擴(kuò)大面積,成本高;原地網(wǎng)擴(kuò)大地網(wǎng)大擴(kuò)地網(wǎng)擴(kuò)大接地網(wǎng)增加地網(wǎng)的埋設(shè)深度:如深埋均壓網(wǎng)水平接地體，根據(jù)公式R=0.5* /S， ，R效果不明顯;地網(wǎng)埋深1-3米均壓網(wǎng)增加地網(wǎng)的埋設(shè)深度 利用自然接地體:變電站均壓接地網(wǎng)與控制室

16、建筑基礎(chǔ)地網(wǎng)相連，屬站內(nèi)地網(wǎng)，基本沒有效果;均壓網(wǎng)基礎(chǔ)地網(wǎng)利用自然接地體 換土法:將變電站范圍內(nèi)的高土壤電阻率土質(zhì)換成低土壤電阻率土質(zhì)，降低，此辦法在站內(nèi)施工，工作量大,成本高，基本沒有效果。均壓網(wǎng)高土壤電阻率土質(zhì)低土壤電阻率土質(zhì)換成低土壤電阻率土質(zhì) 傳統(tǒng)方法 化學(xué)處理:如施放降阻劑,腐蝕性大,地網(wǎng)壽命在5年以內(nèi),成本高,效果不明顯 禁止使用降阻劑的呼聲越來(lái)越高采用降阻劑處理水平地網(wǎng)效果差： 主要作用降低接觸電阻 海勃灣220kV發(fā)電廠采用60t降阻劑處理水平地網(wǎng)，接地電阻基本沒變 膠南110kV變電站地網(wǎng)動(dòng)用30萬(wàn)元的降阻劑，基本沒效采用降阻劑處理接地地網(wǎng) 傳統(tǒng)方法 長(zhǎng)垂直接地極： 如：打深

17、井或深孔爆破法，有一定效果，但不一定達(dá)到接地電阻設(shè)計(jì)值，深孔爆破法的效果與地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，成本較高打深井或深孔爆破法 由于接地網(wǎng)內(nèi)的土壤電阻率極高，接地電阻很難降下來(lái)， 如果采用電阻率較低的材料如降阻劑，將接地網(wǎng)內(nèi)的所有土壤用降阻劑來(lái)替換，并輔助打多口深井，即將接地網(wǎng)等效于一個(gè)半球接地體，如下圖所示： 半球接地體示意圖r為半球接地體的半徑 其接地電阻的公式：半球接地體設(shè),變電站土壤電阻率=1000m，設(shè)計(jì)接地電阻值R=0.5, 需將半球接地體的半徑r擴(kuò)至：r=/(2)=1000/(23.140.5)=318(m)如用打深井放降阻劑，則應(yīng)打很多個(gè)300多米深的井，這樣做成本很高,也不是理想的解決辦

18、法。 318mr=318m半球接地體的 半徑與深井半球接地體的半徑與深井 如果能將大于接地半球r的土壤電阻率降下來(lái)，接地電阻值R就可以降下來(lái)。我們采用向土壤施放電解質(zhì)的方法來(lái)降低土壤電阻率。 降阻方案 DK-AG電解地極，是在銅管內(nèi)填裝無(wú)毒化合物晶體，銅管上的呼吸孔吸收土壤的水分，使化合物晶體變?yōu)殡娊赓|(zhì)溶液，并向四周流入土壤，在土壤中形成了成片導(dǎo)電率良好的電解質(zhì)離子土壤，電解質(zhì)液可向砂質(zhì)粘土的縱深方向和巖石表面的四周滲透，使原來(lái)導(dǎo)電率極差的砂巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)良好的電解質(zhì)導(dǎo)電通道，從而大范圍地降低了土壤電阻率。電解地極降阻原理最新技術(shù)電解質(zhì)電解質(zhì)電解質(zhì)電解質(zhì)斜井口外引接地體電解地極降阻原理D

19、K-電解地極 設(shè)N為電解地極的數(shù)量，由公式： R0為原地網(wǎng)（或地基）的接地電阻； R 為地網(wǎng)設(shè)計(jì)接地電阻；為土壤電阻率； k為系數(shù) 當(dāng)：200.m，k取3 200500.m，k取4 5001000.m，k取4.5 1000.m，k取5電解地極的數(shù)量變電站接地 在地網(wǎng)改造的過程中做了一組比較數(shù)據(jù)：斜井打完后，先放入505的熱鍍鋅扁鋼，灌水后測(cè)量接地電阻，后放置DK-AG電解地極灌水后測(cè)量接地電阻。見下表：鉆井后扁鋼與電解地極的效果比較表：鉆井編號(hào)扁鋼接地電阻（）電解地極接地電阻（）扁鋼長(zhǎng)度（m）電解地極（套）9.51.520099.21.420098.21.03001312.51.7200911

20、.31.620099.11.23001311.21.6200910.91.32009惠州500kV博羅變電站地網(wǎng)改造工程斜井施工現(xiàn)場(chǎng)施工現(xiàn)場(chǎng)施工現(xiàn)場(chǎng)施工現(xiàn)場(chǎng)施工現(xiàn)場(chǎng)地壤電阻率的測(cè)量原理 變電站與電力大樓 二次設(shè)備防雷技術(shù) 雷電入侵樓內(nèi)設(shè)備簡(jiǎn)單地說有路與場(chǎng)兩條途徑，其中路是指設(shè)備的配電線路、通信線路、接地線路等，場(chǎng)是指雷擊電磁場(chǎng)。引下線、附近雷擊等引起的樓內(nèi)電磁場(chǎng)地線通信線配電線地網(wǎng)雷電入侵變電站與電力大樓二次設(shè)備途徑電源線路：交流電源線路:380V/220V低壓配電線路直流電源線路:220V/110V直流配電線路通信線路：通信、控制、采樣、語(yǔ)音線路、RS485（RS232等）等數(shù)據(jù)線、RJ45

21、以態(tài)網(wǎng)線、PT、CT、YX、YC等室內(nèi)線路相互感應(yīng)：電源線、通信、控制、采樣線路等都在電纜層布設(shè)，線與線之間可能相互感應(yīng)變電站與電力大樓二次設(shè)備雷電防護(hù)原理二次設(shè)備感應(yīng)雷擊防護(hù)基本原理：接地與等電位，安裝SPD，屏蔽，合理布線。使得線路與空間都“干凈”。接地與等電位：C、設(shè)備就近用10mm2銅線接到接地母排A、采用共用接地方式， 兩條主地線， 4*40扁銅（鋼）D、SPD就近接到接地母排B、4*40扁銅作接地母排直流屏380V其它設(shè)備交流SPD直流SPD或交直流SPD測(cè)控等設(shè)備信號(hào)SPDE信號(hào)線電源線其它設(shè)備安裝SPD屏蔽：一端接地效果差兩端接地效果良好套金屬管雙層屏蔽能屏蔽90%的雷電。合理

22、布線：非屏蔽的室外可能感應(yīng)到雷電的線路與室內(nèi)線路分開0.5米以上。非屏蔽的強(qiáng)弱電線路分開0.5米以上。強(qiáng)弱電線路各自套金屬線槽屏蔽。 可能感應(yīng)到雷電的交流電源安裝交流SPD,直流電源線應(yīng)安裝直流SPD(或交直流共用SPD)來(lái)保護(hù)。 變電站線路特別是控制線路非常多，不可能每條都安裝SPD保護(hù)，應(yīng)在主要通道上安裝SPD來(lái)保護(hù)。 目前主要參考標(biāo)準(zhǔn)為： GB50057建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50343建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范 DL548電力系統(tǒng)通信站防雷運(yùn)行管理規(guī)定二次設(shè)備雷電防護(hù)原則及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)總配電、樓層配電、機(jī)房配電、 UPS輸出安裝電源防雷器直流輸出配電根據(jù)情況安裝電源防雷器微波饋線、栽波

23、通信線安裝高頻信號(hào)防雷器樓內(nèi)五類線、語(yǔ)音線、2M口線等根據(jù)情況安裝通信防雷器各機(jī)房設(shè)置接地母排強(qiáng)弱電線路分開布設(shè)，并各自屏蔽，設(shè)備外殼良好接地通信中心微波信息中心自動(dòng)化中心調(diào)度中心客服中心配電室380V48VUPS輸出載波光纖網(wǎng)線數(shù)據(jù)線二級(jí)交換機(jī)交直流配電線防雷方案站用變備份交流屏直流屏通信保護(hù)測(cè)控主控后臺(tái)監(jiān)控UPS48V整流直流母線中控室主要通道信號(hào)線防雷方案交流屏直流屏通信保護(hù)測(cè)控主控后臺(tái)監(jiān)控PT、CTM光纖載波等GPSRJ45網(wǎng)線485CAN485語(yǔ)音線等CTPT去調(diào)度經(jīng)布線層等的主要通信線安裝SPD。屏內(nèi)的232等通信線不須安裝SPD接地與屏蔽屏蔽措施:機(jī)柜接地有良好的屏蔽作用,采用屏蔽電纜.C、設(shè)備及需接地的點(diǎn)就近接地排(槽鋼)。B、主地線4*40扁銅以上銅或鋼(2條以上)A、共用接地方式變電站地網(wǎng)野外電網(wǎng)變壓器 防雷接地工程農(nóng)村電網(wǎng)現(xiàn)狀整改方案農(nóng)村用電變壓器防雷示