变电站防雷保护与防雷范围计算2017.6.22

变电站防雷保护与防雷范围计算二0一七年六月晋煤供电分公司变电站防雷保护与防雷范围计算☆雷电知识简述☆变电站防雷措施☆避雷针保护范围计算（滚球法）☆接地体及接地网晋煤供电☆第一章雷电知识简述雷电的实质是一种气体放电现象，叫做大气过电压。雷电的实质是云团在大气中上下翻滚不断的摩擦碰撞而使某些云团带正电荷，而某些云团带负电荷，当两个云团接近到一定距离时，击穿大气互相放电的过程，这就是人们在天空经常看到的雷电，当带电云团接近大地附近的比较高的建筑物或者物体时，会在建筑物或比较高的物体中感应出相反的电荷，会产生雷云对大地的放电，即我们经常说的雷击现象，遭受雷击时，会产生很大的雷电流和雷电压，对于建筑物及设备甚至人身都会产生极大的威胁。通常建筑物遭受雷击都是下形雷造成的，下形雷主要是指雷电由雷云向地面建筑物行进的，反之称为上形雷，比较少见。雷电的种类通常有三类，比较常见的是线形雷。片形雷比较少见，另外有时候还能看到球形雷。晋煤供电☆第一章雷电知识简述雷电通常有直击雷、感应雷和雷电侵入波三种形式。◇直击雷带电荷的雷云电压可以达到几亿伏特，当雷云接近地面并对地面物体放电时，就是我们常说的雷击，这种情况会发生激烈放电，并伴随着闪电和雷鸣称为直击雷，雷电的放电过程通常分为先导放电、主放电和余光三个阶段。◇感应雷也叫作感应过电压或雷电过电压，一般有静电感应和电磁感应两种。静电感应的产生是由于雷云接近地面建筑物，在建筑物顶端感应出大量异性电荷，而雷云并没有对建筑物放电，当雷云对其它物体或雷云放电时，建筑物中的电荷会失去束缚，而沿着建筑物传播，这就形成了静电感应。电磁感应是因为雷电流会在周围产生强烈变化的电磁场，而变化的电磁场会使周围的导体产生很高的感应电压。◇雷电侵入波指的是雷击过程中，产生的冲击波沿着高压输电线路传播。晋煤供电☆第一章雷电知识简述※危害雷击的破坏主要包括电作用的破坏、机械作用的破坏和热作用的破坏三个方面。电作用的破坏主要有产生几百万伏的冲击电压能损坏电气设备的绝缘，造成大面积停电甚至设备的报废，高电压损坏绝缘的同时，产生电火花或者爆炸事故的发生，另外，巨大的雷电流可能引发周围产生强电场，可能导致触电伤亡事故的发生。机械作用主要是雷电流通过被击物时，产生大量的热量，使气体气化膨胀可能导致爆炸，另外，由于电动力的产生，也可能损坏电气设备。热作用的破坏主要是雷电流通过导体，产生的大量的热量可能引发火灾，如果接触到易燃易爆物，则可能发生爆炸。晋煤供电☆第一章雷电知识简述雷电的放电过程基本上可以分为三个阶段，即先导放电、主放电和余光三个阶段。雷电放电原理雷电放电的雷电流波形晋煤供电☆第二章变电站防雷措施晋煤供电通过前面对雷电知识的简单介绍，大家都知道雷电的危害极大。对于电力系统中的变电站而言，站内电气设备正常运行时，设备的绝缘水平都处于正常的工作电压之下，设备的绝缘不会遭到损坏，但是当雷电发生时，雷电过电压和雷电过电流会侵入电力设备，使电力设备的绝缘遭到破坏，超过了电气设备正常的绝缘水平，雷电直接击中电气设备，会产生巨大的雷电流和雷电压，当通过设备时，会产生电作用和热作用甚至机械作用的破坏。另外雷云在空中漂浮时，会在架空线路上感应出相反的电荷，当雷云离开时或者雷云对地建筑物放电时，架空线路中的感应电荷失去束缚，会沿着输电线路传播进入变电站，这就是我们说的感应过电压也就是感应雷。都会造成变电站电气设备的损害。所以对变电站的雷电防护尤其重要。☆第二章变电站防雷措施晋煤供电※变电站的防雷措施主要分为外部防护和内部防护。外部防护即把雷电通过接闪器接收，通过引下线导入大地把雷电流泄露到大地中。第二是阻塞防护，即阻塞沿着输电线路或信号线侵入的过电压，此种防护不仅用于雷电过电压防护也适用于内部过电压防护。第三，限制被保护设备上的过电压幅值，主要由避雷器实现。避雷针、避雷网和避雷带及其引下线和接地体构成了外部防雷系统，主要是对建筑物实施防雷保护的。内部防雷则是防止内部过电压对电力设备的危害，是外部防雷系统无法满足对于内部过电压的危害，为了防止内部过电压的危害，需要对电缆及保护设备进行等电位连接。因为雷电引起损害的原因也是有巨大电位差的存在，对于防雷的等电位连接，需要对进出线电缆，信号线，金属管道等都需要与避雷器进行等电位连接，首先进行局部等电位连接，最后还要进行主等电位连接。☆第二章变电站防雷措施※具体防护措施:因为对于下形雷来说，雷电直接击打变电所电气设备上，或者架空线路上的感应过电压都会以雷电波的形式侵入变电所，所以如何对直击雷和雷电侵入波的防护称为变电站防雷的关键点。直击雷的防护，主要采用的措施是避雷针，避雷针把雷电引向自身，并把雷电流泄漏到大地中，整个变电站的建筑物和整个电力设备的全部必须在避雷针的保护范围内，对于避雷针的保护范围，在下章会做整体介绍。雷电侵入波的防护，主要是在进线上加装避雷器。晋煤供电☆第三章避雷针保护范围计算变电站防雷装置种类繁多，但是常用的防雷装置主要有避雷针、避雷线、避雷网、避雷带以及避雷器比较常见。避雷针主要是对整个变电站的建筑物实施防雷。避雷线主要是对高压输电线路以及进出变电站的线路实施防雷保护。避雷网和避雷带也同样是对建筑物防雷。避雷器主要对电力设备实施防雷保护的。无论哪种防雷装置，总体上都是由三大部分组成分别称为接闪器、引下线和接地装置三部分。接闪器主要是接受雷击的部件，一般突出于建筑物或建筑物的金属屋顶都可做接闪器，主要是把雷电引向自身，通过自身放电保护周围建筑物的，例如避雷针、避雷线、避雷网和避雷带突出上面的部分都称为接闪器。引下线主要作用是通过雷电流，保证雷电流通过时不至于融化引下线，一般用直径不小于10mm的圆钢或截面不小于80mm2的扁钢制成。接地装置指的是埋在地下的部分，防雷装置的接地装置与一般的接地装置基本相同，所不同的是防雷装置的接地体更大。晋煤供电◇避雷针避雷针也称为引雷针，主要是把雷电引向自身，通过自身放电保护建筑物，避雷针高于被保护建筑物，避雷针保护建筑物的大体范围如下图所示。一般称避雷针的保护范围为伞状保护，避雷针在雷云的作用下，其顶端电场强度最大，所以吸引雷电流过来通过避雷针放电，之后通过引下线和接地体把雷电流泄入大地，保护建筑物安全。晋煤供电◇避雷针图常见接闪器外形图避雷针一般用镀锌钢管制成，避雷针的直径不得小于下列数值:针长1m以下圆钢12mm，钢管20mm针长1～2m圆钢16mm，钢管25mm晋煤供电◇避雷针※避雷针的保护范围计算避雷针的保护范围的计算方法，国际电工委员会IEC推荐使用滚球法来确定，也可以使用折线法来确定，对于同一类型的避雷针，采用滚球法的精确度要高于折线法。GB50057-2016规定采用滚球法来确定接闪器的保护范围。雷电的放电过程比较复杂，收到很多因素的影响，所以绝对保证不受雷击是不现实的。在保护范围内，尽可能的保护被保护物不会遭受雷击，我国的保护概率是按照99.9%确定的，这个雷击概率是完全可以接受的。晋煤供电◇避雷针的保护范围计算晋煤供电滚球法：假想有一个以雷击距为半径的假想球体从天空而降，沿随机路径逼近地面或地面上物体，球体最先触及的且处于地电位的点，是最可能的雷击点。◇避雷针的保护范围计算（滚球法）原理当雷云的下行先导向地面上被保护物体发展时，处在高处的接闪器率先将先导引向自身，使雷击发生在接闪器上，让强大的雷电流经引下线和接地装置泄入大地，从而使被保护物体免遭直接雷击。因此，常规接闪器——避雷针的真正功能不是避雷，而是引雷，靠“自我牺牲”，来换取其下面的物体得到保护。晋煤供电◇避雷针的保护范围计算（滚球法）定义滚球法：是指以某一定半径hr的球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物），或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位，则该部分就得到接闪器的保护。图中阴影部分为该接闪器的保护范围。晋煤供电建筑物hr接闪器◇避雷针的保护范围计算（滚球法）☆滚球法特点以雷击距为基础，将滚球半径与雷电流幅值联系起来，其保护范围能反映与雷电流幅值的相关性。《建筑物防雷设计规范》GB50057-2016中取雷击距经验公式为：hr=10Im0.65[Im=(hr/10)1.54]Im:雷电流幅值（kA）hr:滚球半径(吸引半径)(m)强雷（雷电流幅值较大）对应的滚球半径大;弱雷（雷电流幅值较小）对应的滚球半径小。典型值：30m5.4kA;45m10.1kA;60m15.8kA晋煤供电◇避雷针的保护范围计算（滚球法）同样的接闪器，选择不同的滚球半径，确定的保护范围是不同的；滚球半径越小，确定的保护范围就越小；也就是说弱雷（雷电流幅值较小）时，保护范围较小。幅值较小的雷电流可能穿越较大滚球半径对应的保护范围，击中被保护物体。晋煤供电hr1hr2建筑物接闪器◇避雷针的保护范围计算（滚球法）滚球半径的选择根据建筑物的防雷类别，选择合适的滚球半径，确定接闪器的保护范围，设计建筑物的直击雷防护系统。《建筑物防雷设计规范》GB50057-2016中规定：晋煤供电◇避雷针的保护范围计算（滚球法）滚球法的应用1.确定接闪器的保护范围2.设计直击雷防护装置以下针对1.单支避雷针2.双支避雷针（等高的）晋煤供电◇单针的保护范围计算晋煤供电单针保护范围的立体图，为一对称的圆弧曲面锥体滚动hrhr避雷针◇单针的保护范围计算根据滚球法定义，通过作图法确定单支避雷针的保护范围，分两种情形：1.避雷针的高度h≤hr2.避雷针的高度hhrh≤hr：晋煤供电步骤：1.离地面hr高度作一平行线平行于地面2.以避雷针的针尖为圆心，hr为半径画弧，交平行线与A、B两点3.分别以A、B为圆心，以hr为半径画弧，两弧交于针尖，并与地面相切4.将圆弧以避雷针为轴，旋转180度，所得的圆弧曲面圆锥体就是单支避雷针的保护范围。rhhhrAB地面◇单针的保护范围计算晋煤供电hrABhrhxrxr1r0=rx+r1h地面问题：h已知，求在hx高度上的保护半径rx?(公式法确定保护范围)hx：建筑物高度rx：为hx高度上的保护半径r0：地面上的保护半径h：避雷针的高度◇单针的保护范围计算晋煤供电解：根据勾股定理通常设计避雷针时，hx已知，滚球半径hr也已知，因此r1已知。因为，解方程可得：若已知r0=r1+rx,可得取（h≤hr)hrABhrhxrxr1r0=rx+r1h地面横截面r0hr-hhr)2()(220hhhhhhrrrr)2()(221xrxxrrhhhhhhr)2()2(10xrxrxhhhhhhrrr)2()(220hhhhhhrrrr202rhhhrr212)(rrhhhxrr212)(rrhhhxrr◇单针的保护范围计算也就是说，如果下列变量已知：1.滚球半径hr单针的高度h2.辅助变量r1建筑物高度上单针的保护范围rx可求。晋煤供电※实际需用的针高与h的关系1、独立针，针高=h;2、非独立针，针高=h-建高特别提醒建筑物避雷针h建筑物避雷针建高h◇单针的保护范围计算hhr时，在避雷针上截取高度为hr的一点，代替避雷针针尖为圆心，其他步骤同h≤hr。特点：1）在hhr时，避雷针保护范围不随针高再增大2）在h－hr部分，将会出现侧向暴露区，在避雷针的该部分上将会遭受侧面雷击。晋煤供电hh-hrhr地面避雷针◇双针的保护范围计算等高双针分析条件：1)h≤hr2)两针的距离D＝2r0，两圆相切，各按单针设计D2r0，两圆不交，各按单针设计D2r0，两圆相交其中，r0为单针地面保护半径晋煤供电r0r0ABD220rrrr=h-h-hh2h-h◇双针的保护范围计算等高双针保护的立体图特点：1.两侧和单针保护范围相同2.两针间保护区域上边线为一段圆弧(端点为两针针尖）晋煤供电◇双针的保护范围计算问题：如何确定等高双针的保护范围1.两侧和单针保护范围相同2.C、E两点为两侧滚球在地面的切点，位于两针间连线的垂直平分线上。3.两针间保护区域上边