10220KV变电站防雷保护设计.doc

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1、毕业设计（论文）报告题 目_ 10-220KV变电站防雷保护研究设计 _机电学_院（系）_电气工程及其自动化_专业学 号_ _ 学生姓名_ _ _指导教师_ _起讫日期_ 设计地点_井冈山大学_ _ 学 位 论 文 独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得井冈山大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文作者签名： 日期： 井 冈 山 大 学 学 位

2、论 文 使 用 授 权 声 明井冈山大学有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权井冈山大学教务处办理。 论文作者签名： 导师签名： 33摘 要 变电站的防雷和接地问题，是个非常复杂并且十分关键的问题，它关系到设备的安全人们的人身与财产的安全。特别是随着电力系统的发展与我国经济的提升，变电站对防雷保护的各种要求也越来越高。 本文阐述了雷电的形成和发展过程、雷电过电压和雷电参数的概念，介绍了雷电

3、的类型和雷电的危害。并根据220kV变电站的实际运行情况，对直击雷保护和感应雷保护做了介绍和剖析，并对避雷针保护范围的计算方法做了简要分析。 文章介绍了接地、接地电阻、接地装置、接触电压和跨步电压等概念。讨论了土壤电阻率对变电站接地电气参数的影响，并给出了变电站接地的基本要求和接地电阻的计算方法。 关键词：变电站；防雷与接地；接地电阻；接地装置ABSTRACT Substation lightning protection and grounding problem, is a very complicated and crucial problem, it is related to the

4、 safety of the equipment of the personal and property safety. Especially with the development of electric power system and the promotion of the economy in our country, the various requirements of lightning protection of transformer substation is becoming more and more high. This paper expounds the f

5、ormation and development process of lightning, lightning overvoltage and concept of lightning parameters, this paper introduces the types of lightning and thunder and lightning harm. And according to the practical operation of 220 kv substation, the lightning protection and induction lightning prote

6、ction do a introduction and analysis, and the calculation method of protection range of lightning rod made a brief analysis.This paper introduces the grounding, grounding resistance, grounding device, step and touch voltages. Soil resistivity on the substation grounding electric parameters are discu

7、ssed, and the basic requirements of substation grounding is given and the calculation method of grounding resistance.Key words: substation; Lightning protection and grounding; Grounding resistance; Grounding device 目 录第一章 绪论.6 1.1 本次设计目的.6第二章 雷电基本知识及危害.7 2.1 雷电的形成.7 2.2 雷电的分类.7 2.1 直击雷.7 2.2 球形雷.7 2

8、.4 感应雷.7第三章 电气主接线的设计.8 3.1 电气主接线概念.8 3.2 220KV侧主接线设计.8 3.3 35KV侧主接线设计.9 3.4 10KV侧主接线设计.9 3.5 主接线方案设计选择.9 3.6 主接线设备配置.11第四章 主要电气设备的选择.12 4.1 电气设备选择概述.124.11 选择原则.12 4.12电气设备和载流导体的一般选择.12 4.2 220KV侧断路器的选择.12 4.3 35KV侧断路器的选择.13 4.4 10KV电抗互感器、断路器隔离开关选择.15 4.5 220KV电流互感器的选择.18 4.6 电压互感器选择.20 4.7 母线的选择.22

9、第五章 主要保护配置.26 5.1 设置保护的目的.26 5.2 定时限过流保护.26 5.3 电流速度保护.27 5.4瓦斯保护.27第六章 防雷保护和接地装置.28 6.1 变电所的保护对象.28 6.2 电工装置防雷措施.286.2 1 主控室及屋内配电装置对直接雷的防雷设施.29 6.2 2 防雷保护装置.296.2 3 避雷针.29 6.3 接地装置.30总结.31致谢.32参考文献.33附录.34第一章 绪论1.1 课题设计目的 雷电产生的问题直接威及到人身安全和变电站电气设备安全，采取准确有效的防雷措施一直是防雷保护的重要研究课题。 本课题通过对雷电过电压进行分析，根据 10-2

10、20kV 变电站运行的实际情况，提出防雷保护的基本要求与雷电对电力系统产生影响的综合特点，对变电站进行全面的防雷保护分析，并对变电站的接地问题以及接地装置等情况进行的讨论。 通过学习与完成本设计，基本掌握变电站综合防雷保护技术的设计方法。 第二章 雷电的基本知识及其危害雷电是大自然的一种自然现象，它在很久远之前就已经存在，然而对雷电的物理本质有所领悟学习还是近代通过人们的努力才取得的。2.1 雷电的形成雷电放电是雷云由于某些原因使自身带电荷，在一定的条件下，雷云放电产生的气体放电现象。雷电的类型可划分为很多不同的种类，虽然雷击大地的比例只是各种不同类型雷云放电总次数的很小一部分，但是，这部分雷

11、击却直接威胁着人类生命财产安全和电力系统的安全可靠运行。雷电的大小和活动的情况与各地地区的天气条件，地形，以及所在的地区有关。一般来说平原地区雷电比山地地区雷电少，大陆地区比沿海地区要少。 2.2 雷电的分类雷电对人们的生活具有严重的负面影响，其破坏影响是多方面的，包括电性质、热性质和机械性质的三种不同形式的破坏。根据雷电的产生和危害特性的不同，雷电可以分为以下四种不同形式。2.2.1 直击雷雷雨活动密集区内，雷云直接透过建筑物、设备或人体等对大地放电而产生的电击现象为直击雷。雷电与建筑物、设备或人体汇合时，强大的雷电流由热能的形式释放，最多可释放大概几百兆焦耳的能量，产生不可估量的损失。 2

12、.2.2 球形雷球形雷一般与一般性雷电同时发生，且在一般性雷电的闪击点附近形成，它的外形犹如一个带火的球。球的直径通常为 1020cm。球形雷通常以每秒数米的状态接近地面作水平跳跃式滚动。球形雷的存在有时候会大于一分钟，不过通常存在时间为几秒钟。球形雷及其产生的原因到目前为止还没有找到合理的解释。 2.2.3 感应雷雷电感应一般可分为电磁感应和静电感应两种类型。静电感应是通过雷云接近地表，在地表的金属凸出物体顶端感应出大量不同极性电荷所产生。电磁感应：雷击后，数额极高的雷电流在雷击周围产生的强大且变化的磁场所导致。 第三章 电气主接线的设计3.1 电气主接线概述变电站和发电厂中的一次设备、按一

13、定顺序和要求连接成的电气电路，称为电气主接线，也就是主电路。它把各电源送来的电能集总起来，并分发给各级用户。它可以展现各种一次设备的作用和数量以及设备之间的各种连接方式，以及与电力系统的连接形式。所以电气主接线的主体是变电站和发电厂，对电力系统的经济、安全、可靠运行起着不可或缺的作用，并对配电装备的配置、电气设备的选择、控制方式的拟定和继电保护有很大影响。1. 在选择电气主接线时的设计依据 发电厂、变电所所在电力系统中的地位和作用 发电厂、变电所的分期和最终建设规模 负荷大小和重要性 系统备用容量大小 系统专业对电气主接线提供的具体资料2. 主接线设计的基本要求 可靠性 灵活性 经济性3. 1

14、0-220KV高压配电装置的基本接线有汇流母线的连线方式：单母线、单母线分段、双母线、双母线分段、增设旁路隔离开关或者旁路母线等。无汇流母线的接线方式：角形接线、桥形接线、变压器-线路单元接线等。电压等级及出线回路数的选择由10-220KV高压配电装置的接线方式决定。3.2 220KV侧主接线的设计查找电力工程电气设计手册第二章第二节中的相关规定可知：220KV侧配电装置宜采用单母线分段的接线方式。220KV侧采用单母线分段的接线方式，有下列优点： 供电可靠性：当由于某些原因其中一组母线故障或停电时，由于电力系统具有自动调整的特性，不会影响另外一组母线正常供电； 调度灵活，当系统任一电源消失时

15、，电源可由另一电源带两段母线替换： 扩建方便； 在保证可靠性和灵活性的基础上，较经济。故220KV侧采用单母分段的连接方式。3.3 35KV侧主接线的设计查找电力工程电气设计手册第二章第二节中的相关规定可知：对于3563KV配电装置，当出线回路数为48回时，采用单母分段连接，当负荷较大，连接的电源较多时也可采用双母线接线。故35KV可采用单母分段连接也可采用双母线连接。3.4 10KV侧主接线的设计10KV侧出线回路数本期为8回，最终10回查找电力工程电气设计手册第二章第二节中的相关规定可知：对于610KV配电装置，当出线回路数为6回及以上时，采用单母分段连接故10KV采用单母分段连接3.5

16、主接线方案的比较选择由以上可知，此变电站的主接线有两种方案方案一：10KV侧采用单母分段连接，35KV侧采用单母分段连接，220KV侧采用单母分段的连接方式。方案二：10KV侧采用单母分段连接，35KV侧采用双母线连接，220KV侧采用单母分段的连接方式。此两种方案的比较方案一 220KV侧采用单母分段的连接方式，当有需要时扩建起来经济方便、调度灵活、供电性能可靠，35KV、10KV采用单母分段连线，可以引出两个回路供给重要用户，当其中一段母线发生故障或停电时，分段断路器可以有选择性的自动切除故障，保证其他正常母线供电的连续性。方案二虽供电调度起来更灵活，供电性能更可靠，但是比起方案一，配电装

17、置布置复杂以至于设备增多，占地面积和投资增大，检修复杂。由以上分析可知，应该采用第一种接线，即10KV侧采用单母分段连接，35KV侧采用单母分段连线，220KV侧采用单母分段的连接方式。方案一图: 方案二图：3.6 主接线中的设备配置1. 隔离开关的配置 一般应在中小型发电机出口处装设隔离开关，但是双绕组变压器与容量为220MW及以上大机组为单元连接时，应有可拆连接点，但其出口处不能装设隔离开关。 在出线上装设电抗器的610KV配电装置中，共用一台断路器和一组电抗器于不同用户供电的两回线，应在每条回路线上各装设一组出线隔离开关。 接在变压器、发电机中性点或因出线上的避雷器不可以装设隔离开关。

18、普通变压器的接地方式为中性点直接接地的话均应通过隔离开关接地。2. 接地刀闸或接地器的配置 为保证用电设备和母线的检修安全，35KV及以上应该装设1-2组接地器或接地刀闸，每组接地刀闸之间都应该保持适当的距离。 63KV及以上应该配置接地到刀闸于配电装置的断路器两侧隔离开关和线路隔离开关的线路。3. 电压互感器的配置 主接线方式通常决定了电压互感器的数量额配置，并应满足保护、测量、同期和自动装置的几本要求。 出线外侧装设电压互感器的情况和需要取决定旁路母线上是否需要装备电压互感器。 有时需要检测和监视线路侧是否有电压，出现侧应装设有电压互感器。4.电流互感器的配置 回路里装有断路器的电路，通常

19、都应该装设电流互感器，并选取合适的数量以满足自动装置要求。 没有设置断路器的以下地方应该装设电流互感器：变压器和发电机的中性点、变压器和发电机的出口等。 直接接地系统通常选用三相配置。对于非直接接地的系统，两相或三相就需要根据具体情况而定了。5.避雷器的装置 三绕组变压器低压侧的一相上宜设置一台避雷器。 下列情况的变压器中性点应装设避雷器 SF6全封闭电器的架空线路侧必须装设避雷器。 110220KV线路一般不装设避雷器。第四章 主要电气设备的选择4.1 电气设备选择概述1. 选择的原则 设备的选择和校验。 应按当地环境条件校核。 应力求技术先进和经济合理 与整个工程的建设标准应协调一致。 同

20、类设备应尽量减少种类。 选用的新产品均应具有可靠的实验数据。2. 电气设备和载流导体选择的一般条件按正常工作条件选择 额定电压：电缆和电气设备的最高允许工作电压，必须大于等于装设回路的最高运行电压 额定电流：电气设备的额定电流In，或导体的长期工作所允许的电流Iy，必须要大于等于电气设备工作时的最大持续工作电流Imax。计算Imax的时候，必须考虑在各种运行方式下的最大持续工作电流，取其中最大值。4.2 220KV侧断路器隔离开关的选择1. 进线侧断路器、母联断路器的选择流过断路器的最大持续工作电流 额定电压选择： UNUNs=220KV 额定电流选择： INImax=661.33A 开断电流

21、选择： INbrI”=7.22KA (d1 点短路电流) Qnp =TI”=0.057.222 =2.61（KA）2S （式2-4） Qp = = Qk= Qnp+Qp=2.61+11.47=14.08（KA）2S 所以It2t Qk 满足热稳定校验动稳定校验： ies=100KAish =18.41KA 满足动稳定校验，因此所选断路器合适。 2. 主变压器侧断路器的选择 额定电压选择： UNUNs=220KV额定电流选择： INImax=347.20A 开断电流选择： INbrI”=7.22KA (d4 点短路电流)由上表可知LW11-110II同样满足主变侧断路器的选择其动稳定、热稳定计算

22、与母联侧相同3. 进线侧隔离开关、母联断路器隔离开关的选择额定电压选择： UNUNs=220KV额定电流选择： INImax=661.33A 极限通过电流选择：iesish=18.41KA(d1 点短路电流)选用GW4-110D型隔离开关。热稳定校验： It2tQk 由（式2-2） It2t=2524=2500 Qk =14.08（KA）2S 由（式2-3）动稳定校验： ies=62.5KAish =18.41KA 满足动稳定和热稳定要求4. 主变压器侧隔离开关的选择额定电压选择： UNUNs=220KV额定电流选择： INImax=347.20A极限通过电流选择：iesish=18.41KA

23、(d4 点短路电流)由上表可知GW4-110D同样满足主变侧隔离开关的选择。其动稳定、热稳定计算与母联侧相同。4.3 35KV侧断路器隔离开关的选择1. 出线侧断路器、母联断路器的选择流过断路器的最大持续工作电流由（式2-1） 额定电压选择： UNUNs=35KV额定电流选择： INImax=2078.46A 开断电流选择： INbrI”=7.64KA (d2 点短路电流) 选用SW4-35I型断路器。热稳定校验： It2t Qk It2t=1624=1024（KA）2S热稳定时间为：tk =0.15+0.08+0.06=0.29 Qk 满足热稳定校验动稳定校验： ies=40KAish =1

24、9.48KA满足动稳定校验，因此所选断路器合适。2. 主变压器侧断路器的选择由式 额定电压选择： UNUNs=35KV额定电流选择： INImax=1091.19A 开断电流选择： INbrI”=6.12KA (d5 点短路电流)由上表可知SW4-35I同样满足主变侧断路器的选择。其动稳定、热稳定计算与母联侧相同。3. 出线侧隔离开关、母联断路器隔离开关的选择 额定电压选择： UNUNs=35KV额定电流选择： INImax=2078.46A 极限通过电流选择：iesish=19.48KA (d2 点短路电流)选用GW4-35DW型隔离开关。热稳定校验： It2t Qk It2t=31.524

25、=3969 Qk=19.85（KA）2S动稳定校验： ies=63KAish =19.48KA满足动稳定和热稳定要求4. 主变压器侧隔离开关的选择由式 额定电压选择： UNUNs=35KV额定电流选择： INImax=1091.19A 极限通过电流选择：iesish=15.61KA(d5 点短路电流)由上表可知GW4-35DW同样满足主变侧隔离开关的选择。其动稳定、热稳定计算与母联侧相同。 4.4 10KV侧限流电抗器、断路器隔离开关的选择1. 限流电抗器的选择由于短路电流过大需要装设限流电抗器额定电压选择： UNUNs=10KV额定电流选择： INImax=1.553KA Imax=(S27

26、0%)/(UN)=( 3842070%)/(10)=1.553KA 设将电抗器后的短路电流限制到I=20KA 要使短路电流满足要求，电抗器的电抗百分比XL%按下式计算： 式（2-4） IB=6.048KA =0.0765+0.183/0.183=0.0765+0.0915=0.168 SB=110MVA S”=UBI”=10.520=363.72MVA选用XKK-10-4000-12型电抗器。电压损失和残压校验当计算值小于所选电抗值的时候，应该重新计算短路后的电流，以便残压校验。 式（2-5） =(0.121.553) 0.6/4=2.80%60%70%热稳定校验： It2t Qk 热稳定时间

27、为：tk =2+0.17+0.06=2.23ish =91.77KA，满足动稳定要求 根据以上校验，所选电抗器满足要求 具体参数如下表：表（2-1）计算数据XKK10400012UNs 10KVUN 10KVImax 1553AIN 4000Aish 91.77KAies 204KA2.出线侧断路器、母联断路器的选择限流后I”=20KA，ish =2.5520=51KA流过断路器的最大工作电流为：由式（2-1） 额定电压选择： UNUNs=10KV额定电流选择： INImax=4436.36A 开断电流选择： INbrI”=20KA 选择SN410G/5000型断路器。热稳定校验 式（2-7）设后备保护时间为2S，灭弧时间为0.06Stk =2+0.15+0.06=2.21S1S，因此非周期分量不考虑 式（2-8） =2.21(12202)/12=884 （KA）2SIt2t Qk ，因此所选断路器满足热稳定要求动稳定校验： ies =300KAish=51 KA，满足动稳定要求 因此，所选断路器合适 具体参数如下：表2-2计算数据SN4-10G/5000UNs 10KVUN 10KVImax 4436.36AIN 5000AI 20KAINbr 105KA