知识点：防雷及接地设计

电力工业是国民经济的一项基础工业和国民经济发展的先行工业，它是一种将煤、石油、天然气、水能、核能、风能等一次能源转换成电能这个二次能源的工业，它为国民经济的其他各部门快速、稳定发展提供足够的动力，其发展水平是反映国家经济发展水平的重要标志。

变电所是电力系统重要组成部分，是联系发电厂和电力用户的中间环节，因此，它是防雷的重要保护部位。雷电具有很强的危害性，因此应该重视牵引变电所雷电的防护。如果变电所发生雷击事故，将造成大面积的停电，给社会生产和人民生活带来不便，影响了国民经济的发展。

变电所是电力系统防雷的重要保护对象，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民生活。所以变电所的防雷措施必须十分可靠。本设计第一节主要讲了雷电的形成，雷电对变电所的危害，变电所遭受雷击的基本形式（1）雷电直接击中变电所设备上，这种雷击称为“直击雷”（2）雷电对变电所设备、线路或其他物体产生静电感应或电磁感应而引起的，这种雷击又称“感应雷”或“闪电感应”（3）架空线路遭受直接雷击或间接雷击而引起的过电压波，沿线路侵入变电所或其他建筑物，这种雷击又称为“雷电波侵入”或“闪电感应”。以及牵引变电所防雷击的一些措施例如：（1）3～10kV变电所的典型防雷  在每路进线端和每段母线上，均装有阀型避雷器。如果进线是有一段引入电缆的架空线路，则在架空线路终端的电缆头处装设阀型避雷器或管型避雷器，其接地端与电缆头外壳相连后接地。避雷器的接地端应与变压器低压侧中性点及金属外壳等连接在一起接地。（2）35～110kV变电所防雷  在变电所进线段1～2km的杆塔上架设避雷线。在木杆或木横担的钢筋混凝土杆线路进线段的首端，装设一组管型避雷器Fl变电所的进线隔离开关或断路器，在雷雨季节可能处于开路状态，而线路侧又带电时，则必须在靠近隔离开关或断路器QFl处装设一组管型避雷器F2变电所母线上，装设阀型（或氧化锌）避雷器F3。如为母线分段的两路进线时，则每路进线和每段母线均应按这种标准方案施设保护。

第二节主要讲了防雷保护装置如：避雷针、避雷线的保护原理及保护范围；避雷器的组成及典型的几种避雷器等。第三节主要讲了牵引变电所的防雷接地装置电力系统中各电气设备的接地按其不同的作用可分为工作接地、保护接地和防雷接地。

（1）保护接地：将电气设备在正常情况下不带电的金属部分与大地连接。高压设备要求的保护接地电阻一般为（1～10）Ω。（2）防雷接地：专门传导雷电流的工作接地。防雷接地主要由过电压保护的需要决定，一般为4～30Ω。（3）工作接地：将电力系统的某一点与大地连接。这种接地可分为直接接地或经特殊装置接地。工作接地的接地电阻一般为（0.5～5）Ω。最后一节则讲了110kV牵引变电所防雷保护和接地设计。主要包括过电压的一些概念，以及牵引变电所过电压的防护等知识。（1）牵引变电所直击雷过电压的防护   对于直击雷必须装设避雷针或避雷线对直击雷进行保护。牵引变电所的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针的支数、高度、装设位置、验算它们的保护范围、应有的接地电阻、防雷接地装置设计等。(2)牵引变电所侵入波过电压的防护    其主要防护措施是在牵引变电所内装设阀型避雷器或氧化锌避雷器以限制入侵雷电波的幅值。

基于常用的防雷接地的设计方法，对110kv牵引变电所进行了详细的防雷接地设计。设计中，结合当地现状，综合考虑了气候、地形、环境等多种因素，给出了较好的防雷接地保护方案。通过对牵引变电所的防雷接地设计，全面剖析了电力系统中如何让提高牵引变电所的防雷水平，从而有效地降低牵引变电所的雷击事故，减少雷电对电网安全运行的影响。

2 雷

2.1 雷电

2.1.1 雷电的发生机理

雷电是一种自然现象。主要是天空中的饱和水蒸汽，由于上升气流的作用而使水滴分裂，水滴分裂过程的同时，微细水滴带有不同的电荷，使带正（或负）电荷的水滴上升，带电荷的小水滴漂浮在空中，就形成雷云。雷云中的电荷一般不是在云中均匀分布的，而是集中在几个带电的中心。雷云越集越多，也就是电荷越积越多，到达一定程度后，足以击穿与大地或地面上的建筑物与电气设备之间的空气时，就会发生强烈的放电，同时发出强烈的电光和巨响。随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度（大气中约为30kV/cm，有水滴存在时约为10kV/cm）时，就会发生云间或对大地的火花放电。雷电放电包括雷云对大地，雷云对雷云和雷云内部的放电现象。大多数雷云放电都是在雷云与雷云之间进行的，只有少数是对地进行的。在防雷工程中，主要关心的是雷云对大地的放电。雷云对大地放电虽然只占少数，但它是造成雷害事故的主要因素。

2.1.2雷电放电

雷电放电是由带电荷的雷云引起的放电现象。一般认为雷云是在某种大气和大地条件下，由强大的潮湿的热气流不断上升进入稀薄的大气层冷凝的结果。强烈的上升气流穿过云层，水滴被撞分裂带电。轻微的水沫带负电，被风吹得较高，形成大块的带负电的雷云；大滴水珠带正电，凝聚成雨下降，或悬浮在云中，形成一些带正电的区域。雷云的底部大多数是带负电，它在地面上会感应出大量的正电荷。这样，在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间，或者雷云和大地之间就形成了强大的电场，其电位差可达几兆伏甚至几十兆伏。随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度时，就会发生雷云之间或雷云对地的放电。直接击向地面的放电通常是从负电荷中心的边缘开始，故90%左右是负极性的雷。大多数雷电放电发生在雷云之间，对地面上的设备和建筑没有什么直接影响。雷云对地的放电虽占少数，但危害是十分严重的，是造成雷电事故的主要因素。要避免产生雷电事故，就必须对雷电的放电过程、活动规律和雷电参数加以研究。

2.1.3雷电放电的过程

雷电放电过程可分为先导放电、主放电和余辉放电三个主要阶段。

（1）先导放电

雷云下部大部分带负电荷，故绝大多数的雷击是负极性的。雷云中的电荷一般是集中在几个带电中心。测量数据表明，雷云的上部带正电荷，下部带负电荷。直接击向地面的放电通常从负电荷中心的边缘开始。雷云带有大量电荷，由于静电感应作用，在雷云下方的地面或地面上的物体将感应聚集与雷云极性相反的电荷，雷云与大地间就形成了电场。当雷云附近的电场强度达到足以使空气游离的强度（约25～30kv/cm）时，就发展局部放电。

当某一段空气游离后，这段空气就由原来的绝缘状态变为导电性的通道，称为先导放电通道。若最大场强方向是对地的，放电就从云中带电中心向地面发展，形成下行雷。

先导通道是分级向下发展的，每级先导发展的速度相当高，但每发展到一定的长度（约25m～50m）就有一个（30～90）μs的间歇。所以它的平匀发展速度较慢（相对于主放电而言），约为（1～8）×m/s，出现的电流不大。先导放电的不连续性，称为分级先导，历时约0.005～0.01s。

在先导通道发展的初始阶段，其发展方向受到一些偶然因素的影响并不固定。但当它发展到距地面一定高度时（这个高度称为定向高度），先导通道会向地面上某个电场强度较强的方向发展，这说明先导通道的发展具有“定向性”，或者说雷击有“选择性”。

（2）主放电

当先导接近地面时，地面上一些高耸的突出物体周围电场强度达到空气游离所需的场强，会出现向上的迎面先导，当先导通道的头部与迎面先导上的异号感应电荷或与地面之间的距离很小时，剩余空气间隙中的电场强度达到极高的数值，造成空气间隙强烈地游离，最后形成高导电通道，将先导头部与大地短接，这就是主放电阶段的开始。

由于其电离程度比先导通道强烈的多，电荷密度很大，故通道具有很高的导电性。主放电的发展速度很高，约为（2×107 ～1.5×108）m/s，所以出现极大的脉冲电流，并产生强烈的光和热使空气急剧膨胀震动，出现闪电和雷鸣。

主放电的过程极短，只有50～100?s，它是沿着负的下行先导通道，由下而上逆向发展，故又称“回击”，其速度高达2.0亿～1.5亿m/s。

（3）余辉放电

主放电完成后，云中的剩余电荷沿着主放电通道继续流向大地，形成余辉放电，电流不大，约为～10A，持续时间较长（0.03～0.05s）。由于云中同时可能存在几个带电中心，所以雷电放电往往是重复的，一般重复2～3次。

雷云中的电荷分布是不均匀的，往往形成多个电荷密集中心，所以第一个电荷中心完成上述放电过程后，可能引起第二个、第三个甚至多个的中心向第一个中心放电，并沿原先的通道到达大地，因此雷电可能是多重性的。第二次及以后的主放电电流一般较小，不超过30kA。如图2-1所示。

              图2-1  雷电放电的发展过程                                                     （a）放电过程示意图  （b）放电电流波形

2.1.4雷电放电的基本形式

（1）云对地放电

雷云对大地放电虽然占少数，但它是造成雷害事故的主要因素。当云层对地较低、或地面有高耸的尖端突起物时，雷云对地之间就会形成较高的场强，当场强达到一定的值时，雷云就会向地面发展向下的先导，当先导到达地面，或与大地迎面先导会合时，就开始主放电阶段。在主放电中雷云与大地之间所聚集的大量电荷通过狭小的电离通道发生猛烈的电荷中和，放出能量，产生强烈的声和光，即电闪、雷鸣。在雷击点，有巨大的电流流过。大多数雷电流的峰值有几十千安，也有少数达到上百千安。由于雷击是在极短的时间内释放较大的能量，因而会造成极大地破坏作用。

雷云对地的放电通常包含若干次重复的放电过程，每次放电一般都由先导放电、主放电和余光放电三个主要阶段组成。第一次从雷云向大地发展的先导不是连续向下发展的，而是逐级向下推进的，其平均发展速度较慢，相应的电流也较小（数十至数百安）。先导通道导电性能良好，因此带有与雷云同极性的多余电荷。雷云与先导在地面上感应出异号电荷。当先导接近地面时，会从地面较突出的部分发出向上的迎面先导。当迎面先导与下行先导相遇时便开始主放电过程，出现极大的电流（数十至数百千安），并伴随着雷鸣和闪光。主放电存在的时间极短，约50～100us，速度要比先导的发展速度快得多。主放电过程是逆着负先导的通道由下向上发展的，主放电到达云端时主放电过程就结束了，然后云中的残余电荷经过主放电通道继续流向大地，称为余光放电。余光放电对应的电流不大（约数百安），但持续的时间却较长（0.03～0.15s）。

（2）云对云放电

当带不同电荷的云团相遇时，就会发生云对云的放电，云对云的放电其实是最主要的雷电活动型式。云对云放电对人类活动的影响要比云对地放电小得多，不会产生直击雷，直接造成人身伤亡和建筑物损毁事故。但云对云放电会在线路和网络上产生感应雷过电压，过电压的大小视雷电活动强弱和放电雷云离地面的高低而定。

感应雷电压幅值与雷云对地放电时的电流大小、雷击点与线路间相对位置、雷击点周围环境（如土壤电阻率）、遭受感应雷击的线路的长度、线路埋设位置、设备接地装置的电阻等诸多因素有关系。

一般来讲，云对云放电越强烈，参与放电的云层离地面越低，所产生的感应雷过电压就愈高，反之则愈弱。感应雷的产生可由“静电感应”的效应产生，也可由“电磁感应”的效应产生，但大部分的情况是由这两种效应的综合作用而成。

（3）云内放电

当带电云团的内部，带异号电荷中心之间的电场强度达到空气间隙的击穿值时会发生云内放电，云内放电的强度一般都不会特高，属于最弱的一种雷电活动型式，对人类活动几乎没有什么影响，因而也很少受到人们的关注。

2.1.5雷电放电的选择性

在同一区域内雷击分布不均匀的现象称为“雷电放电的选择性”。雷击虽是小概率事件，但它的发生仍有一定的规律可循。雷电活动在一定的区域内，特别是云对地放电会受地形、地势和季风的影响有一定的规律，掌握这些规律对防雷具有重要意义。

（1）雷击与地形、地势的关系  对于山区来说，雷电活动受地形、地势的影响较为明显，因为山区雷云的活动主要受季风的影响，而季风又受山势及地形的影响，比如两侧有高山、碍口，那么雷云就会随着季风的作用从山谷或碍口穿越，这时如果附近有突出物，就会引起雷云对地放电，位于这些地段的线路或设施要么合理避让，要么采取特别的防雷措施。

（2）雷击与地质的关系  从现场资料分析可知：如果地面土壤分布不均匀，则在土壤电阻率特别小的地区，雷击的概率较大，这是由于静电感应的作用，在雷电先导放电阶段，地中的感应电流沿着电阻率较小的路径流通，使地面电阻率较小的区域被感应而积累了大量与雷云相反的电荷， 而雷电自然就朝着电阻率较小的地区发展。这就是为什么山区地下有金属矿的地方遭雷击概率大，河流附近雷击概率大的原因。

（3）雷击与地面设施的关系  当雷云运动到离地面较近的低空时，雷云与地面之间的电场受地面设施的影响而发生畸变，有时在突出的物体上由于电场强度增大，还会发生向上的迎面先导，雷电放电自然就容易在雷云与地面设施之间发生。这就是为什么高塔和高耸的建筑物容易遭受雷击的根本原因。

2.1.6我国雷电活动分布的规律

我们国家幅原辽阔，从位于亚热带的海南到位于寒带的莫河距离几千公里，从东边沿海地区西到云贵高原，降雨量和雷电活动相差很大，但总的来说则有如下规律：

（1）南方的雷电活动多于北方，从南到北逐渐减少，海南地区的雷电日高达180多个，而西北新疆地区雷电日则少于20。

（2）沿海多于内地，在其他条件相同时，沿海地区的雷电活动明显高于内地。如浙江、福建沿海的雷电活动明显高于同一纬度的内陆地区。

（3）山区高于平原，位于同一地区的山区雷电活动明显高于平原地区。

（4）东部高于西部，特别是东北地区的雷电活动明显高于处于同一纬度的西北地区，这主要是受东北降雨量明显高于西北地区的原因，也就是说雷电活动和降雨量基本上是一致的。

（5）在同一地区会受地形、地势、地质和小气候的影响差异较大，因而在防雷措施上也要因地制宜，制订针对性的防雷措施。

2.1.7雷电的危害

雷电具有很大的破坏性，能够摧毁房屋，劈裂树木伤害人畜，损坏电气设备和电力线路。雷击放电所出现的各种效应有以下几种：

(1)电效应。在雷电放电时，能产生高达数万伏的冲击电压，足以烧毁电力系统的发电机、变压器、断路器等电气设备或将输电线路绝缘击穿而发生短路，导致可燃、易燃易爆物品着火和爆炸。

(2)热效应。当几十至几千安的强大雷电流通过导体时，在极短时间内转换出大量的热能。雷击点的发热能量为500～2000J，这一能量可熔化50～200mm3的钢，故在雷电通道中产生的高温，往往会酿成火灾。

(3)机械效应。由于雷电的热效应，还将使雷电通道中木材纤维缝隙和其它结构中间的缝隙里的空气剧烈膨胀，同时使水分及其它物质分解为气体。因而在被雷击物体内部出现强大的机械压力，致使被击物体遭受严重破坏或造成爆炸。

(4)静电感应。当金属物处于雷云和大地电场中时，金属物上会生出大量的电荷。雷云放电后，云和大地间的电场虽然消失，但金属物上所感应积聚的电荷却来不及逸散，因而产生很高的对地电压（即静电感应电压）。静电感应电压往往高达几万伏，可以击穿数十厘米的空气间隙，发生火花放电，因此，对于存放可燃性物品及易燃、易爆物品的仓库是很危险的。

(5)电磁感应。雷电具有很高的电压和很大的电流，同时又是在极短暂的时间内发生的。因此在它周围的空间里，将产生强大的交变磁场，不仅会使处在这一电磁场的导体感应出较大的电动势，并且还会在构成闭合回路的金属物中感应电流，这时如果回路中有的地方接触电阻较大，就会局部发热或发生火花放电，这对于存放易燃、易爆物品的建筑物是非常危险的。

(6)雷电对电力系统的危害  随着高层建筑的不断涌现和电力系统的不断发展，雷电灾害也日益成为人们日常生活中的重要危害之一，每年夏季，全国各电力系 都会发生雷击自然灾害事故，造成电力系统中断，、建筑物被毁、危机人的生命和安全，雷击造成的经济损失近10亿元，已成为危害程度仅次于暴雨洪涝、气象地质灾害的第三大气象灾害。

(7)雷电对人的危害  雷雨多发季节，雷电造成的灾害除经济损失外，还可造成人身伤害以致威胁到人的生命安全。人是导电体，若被雷电直接击中头部，并且通过躯体传到地面，可以使心脏和神经麻痹，心脏可能停止跳动，或者发生室颤，就是心跳极不规则，心脏不能有效地射血，被击者无脉搏、无血压；脑神经受损可直接抑制心跳和呼吸中枢，使人几分钟内死亡。雷电对人伤害的四种形式：

①直接雷击：在雷电现象发生时，闪电直接袭击到人体，因为人是一个很好的导体，高达几万到十几万安培的雷电电流，由人的头顶部一直通过人体到两脚，流入到大地。人因此而遭到雷击，受到雷电的击伤，严重的甚至死亡。

②接触电压：当雷电电流通过高大的物体，如高的建筑物、树木、金属构筑物等泄放下来时，强大的雷电电流，会在高大导体上产生高达几万到几十万伏的电压。人不小心触摸到这些物体时，受到这种触摸电压的袭击，发生触电事故。

旁侧闪击：当雷电击中一个物体时，强大的雷电电流，通过物体泄放到大地。

一般情况下，电流是最容易通过电阻小的通道穿流的。人体的电阻很小，如果人就在这雷击中的物体附近，雷电电流就会在人头顶高度附近，将空气击穿，再经过人体泄放下来。使人遭受袭击。

③跨步电压：当雷电从云中泄放到大地时，就会产生一个电位场。电位的分布是越靠近地面雷击点的地方电位越高；远离雷击点的电位就低。如果在雷击时，人的两脚站的地点电位不同，这种电位差在人的两脚间就产生电压，也就有电流通过人的下肢。两腿之间的距离越大，跨步电压也就越大。

2.1.8雷电的防护措施

（1）建筑物的防雷

根据GB50057－94规定，第一类防雷建筑物和第二类防雷建筑物中有爆炸危险的场所，应有防直击雷、防感应雷和防雷电波侵入的措施。

第二类防雷建筑物除有爆炸危险者外及第三类防雷建筑物，应有防直击雷和防雷电波侵入的措施。

建筑物屋顶的易受雷击部位，应装设避雷针或避雷带（网）进行直击雷防护。如图2-2所示

图2-2  建筑物受雷击部位

         易受雷击的部位             雷击率最高部位                              –––  不易受雷击的屋脊或房檐

图为建筑物易受雷击的部位：(a)平屋面  (b)坡度不大于1/10的屋面  (c)坡度大于1/10且小于1/2的屋面(d)坡度不小于1/2的屋面建筑物防雷工程是一个系

                         图2-3建筑物的综合防雷系统                          统工程，必须将外部防雷措施和内部防雷措施作为整体综合考虑。如图2-3所示建筑物的综合防雷系统。 

（2）架空线输电线路的防雷

110kV以上的架空线路一般沿全线装设避雷线。如图2-4所示。

               图2-4  110kV输电线路防雷示意图

35kV架空线路一般只在进出变电所的一段线路上装设避雷线。

3～10kV架空线路的防雷措施

①利用三角形排列的顶线兼作防雷保护线。

②在全线绝缘比较薄弱的杆塔，装设管型避雷器或保护间隙。

③架空线路上的柱上断路器和负荷开关，应装设阀型避雷器保护。

④同级线路相互交叉或与较低电压线路、通信线路交叉时，交叉档两端的铁塔均应接地。

低压（380/220V）架空线路防雷措施

①多雷地区，当变压器采用Y/Yo或Y/Y接线时，宜在低压侧装设一组阀型避雷器或保护间隙。当变压器低压侧中性点不接地时，应在其中性点装设击穿保险器。

②对于重要用户，宜在低压线路进入室内前50米处安装一组低压避雷器，进入室内后再装一组低压避雷器。

③对于一般用户，可在低压进线第一支持物处装设一组低压避雷器或击穿保险器，亦可将接户线的绝缘子铁脚接地绝缘子铁脚接地（见图2-5所示）。

采用木横担、瓷横担或更高一级的绝缘子，以提高线路的防雷水平。

图2-5  低压接户线的绝缘子铁脚接地示意图

（3）变配电所的防雷

装设避雷针或避雷带（网）  变配电所及其室外配电装置，应装设避雷针以防止直击雷。如无室外配电装置，可于变配电所屋顶装设避雷针或避雷带或避雷网。为了防止雷击时雷电流在接地装置上产生的高电位对被保护的配电装置

图2-6  防直击雷的接地装置对配电装置及其接地装置的安全距离

及其接地装置“反击闪络”危及配电装置及有关人员的安全，防直击雷的避雷针的接地装置与配电装置及其接地装置之间应有一定的安全距离。如图2-6所示防直击雷的接地装置的安全距离。

①3～10kV变电所的典型防雷

在每路进线端和每段母线上，均装有阀型避雷器。如果进线是有一段引入电缆的架空线路，则在架空线路终端的电缆头处装设阀型避雷器或管型避雷器，其接地端与电缆头外壳相连后接地。避雷器的接地端应与变压器低压侧中性点及金属外壳等连接在一起接地，如图2-7所示3～10kV变电所防雷。

图2-7  3～10kV变电所架空线防雷图

②35～110kV变电所防雷

在变电所进线段1～2km的杆塔上架设避雷线。在木杆或木横担的钢筋混凝土杆线路进线段的首端，装设一组管型避雷器Fl变电所的进线隔离开关或断路器，在雷雨季节可能处于开路状态，而线路侧又带电时，则必须在靠近隔离开关或断路器QFl处装设一组管型避雷器F2变电所母线上，装设阀型（或氧化锌）避雷器F3。如为母线分段的两路进线时，则每路进线和每段母线均应按这种标准方案施设保护。

对35kV进线而容量不大的变电所，还可根据它的重要性简化防雷保护。例如，容量在1000kVA以下不重要负荷的变电所，可简化为如图所示的防雷接线方式。其中，FZ为阀型避雷器，JX为保护间隙。如图2-8所示：

图2-8  35～110kV变电所防雷示意图

2.2雷电参数

2.2.1雷电放电的计数模型及等值电路

对地放电的雷云绝大多数是负极性的，随着先导通道向地面发展，在附近地面上产生的正电荷也在增加。当先导通道距地面的间隙足够小时，剩余间隙被击穿，开始主放电过程。主放电产生的正电荷沿先导通道向上运动去中和通道中的负电荷，而产生的负电荷则沿雷击点流入大地，形成极大的主放电电流。

研究表明，先导通道具有分布参数的特征，其波阻抗用Z₀表示，Z₀是沿雷动的电压波与电流波的比值有关规程建议取300～400Ω。则雷击大地时的过程可用图2-9来描述。

即将先导放电的发展看作是一根均匀分布电荷的长导线自雷云向大地延伸，而将先导头部临近地面时气隙被击穿看做开关突然闭合。

设先导通道中电荷的线密度为δ，主放电速度为若大地为理想导体（土

壤电阻率为0），则流经主放电通道的电流（即流入大地的电流）。其极性与雷云的极性相同。雷击地面时的等值电路如图2-9（c）所示

研究表明，先导通道具有分布参数的特征，即：

—波阻抗

δ —先导通道中电荷的线密度；

—主放电速度

则可将先导放电的发展看作是一根均匀分布电荷的长导线自雷云向大地延伸，而将先导头部接近地面时气隙被击穿看作是开关突然合闸。

当雷击于避雷针、线路杆塔、架空地线或导线等具有分布参数特性的物体时，雷击放电过程可用2-10图表示。

图2-9  雷击大地时的放电过程              图2-10  雷击物体时的雷电波

（a）先导放电(b)主放电                     （a）雷电波的运动

（c）计算电流的等值电路                    （b）计算的等值电路

            2.2.2雷电流

目前，我国规程建议雷电通道的波阻抗为300～400Ω。雷电流为一非周期的冲击波，它与气象、自然等条件有关，是一个随机变量。下面我们介绍它的幅值、极性、波头、陡度、波长及其计算波形。

(1)雷电流的幅值

雷电流幅值是表示雷电强度的指标。雷电流一般为一非周期冲击波，主放电时的电流很大，但持续时间很短（约为40～50μS），其幅值与云层中电荷的多少、气象及自然条件有关，是一个随机变量，只有通过大量实测才能正确估计其概率分布规律。据我国长期进行的大量实测结果，在一般地区，雷电流幅值超过I的概率可用下式计算：

 (2)雷电流的极性

雷电的极性是按照从雷云流入大地的电荷极性决定的。据国内外实测结果表明，负极性雷约占75～90%。加之负极性的冲击过电压波沿线路传播时衰减小，对设备危害大，故在防雷计算中一般均按照负极性考虑。

(3)雷电流的波头（T₁）、陡度α及波长（T₂）

根据实测结果，雷电冲击波的波头是在1～5?s的范围内变化，多为2.5～2.6?s；波长在20～100?s的范围内，多数为50?s左右。在防雷计算中，雷电流的波形可采用2.6/50μS。

    雷电流的幅值I，与雷云中的电荷量及雷电放电通道的阻抗有关。雷电流一般在1～4μS内增大到幅值I。雷电流幅值以前的一段波形称为“波头”。而从幅值I/2的一段波形称为“波尾”。

雷电流的幅值和波头时间决定了雷电流的上升陡度。雷电流的陡度对雷击过电压的影响很大，我国采用2.6μS的固定波头长度，即幅值较大的雷电流其陡度也较大。所以雷电流波头的平均陡度为：

          实测结果表明，雷电流的幅值、陡度、波头、波尾虽然每次不同，但都是单极性的脉冲波，电力设备的绝缘强度实验和电力系统的防雷保护设计，要求将雷电流波形等值为典型化、可用公式表达、便于计算的波形。常用的等值波形有三种，如图2-12（a）

                                图2-12  雷电流的等值计算波形

              （a）双指数波；（b）斜角平顶波；（c）半余弦波

   （4）雷暴日及雷暴小时

雷暴日：一年中有雷电的天数，在一天内只要听到雷声就算作一个雷暴日。

雷暴小时：在一个小时内只要听到雷声就算作一个雷暴小时。

(5) 地面落雷密度γ

3 防雷保护装置

3.1避雷针

3.1.1避雷针保护原理及组成

雷电过电压的幅值可高达数十万伏、甚至数百万伏，如不采取防护措施，电力设备的绝缘一般是难以耐受的，一般防直击雷最常用的措施是装设避雷针（线）。

当雷云的先导通道开始向下伸展时，其发展方向几乎完全不受地面物体的影响，但当先导通道到达某一离地高度，空间电场已受到地面上一些高耸的导电物体的畸变影响，在这些物体的顶部聚集起许多异号电荷而形成局部强场区，甚至可能向上发展迎面先导。由于避雷针（线）一般均高于被保护对象，它们的迎面先导往往开始得最早、发展得最快，从而最先影响下行先导的发展方向，使之击中避雷针（线），并顺利泄入地下，从而使处于它们处于它们周围的较低物体受到屏蔽保护、免遭雷击。

避雷针（线）是接地的导电物，它们的作用就是将雷吸引到自己身上并安全地导入地中。因此，避雷针（线）的名称其实并不确切，叫做“引雷针（线）”更为合适。为了使雷电流顺利下泄，必须有良好的导电通道；因此，避雷针（线）的基本组成部分是接闪器（引发雷击的部位）、引下线和接地体。

图3-1  避雷针作用及结构示意图

接闪器：是避雷针的最高部分，用来接受雷电放电。

引下线：它的主要任务是将接闪器上的雷电流安全导入接地体。使之顺利入地。

接地体：它的作用是使雷电流顺利入地，并且减小雷电流通过时产生的压降。避雷针示意图如图3-1所示。

在一定高度的避雷针（线）下面，有一个安全区域，在这个区域中物体遭受雷击的概率很小（约0.1%左右），这个安全区域称为避雷针（线）的保护范围 。避雷针一般用于保护发电厂和变电所。

3.1.2避雷针的保护范围

(1)单支避雷针

单支避雷针的保护范围如图3-2所示。

图3-2  单支避雷针的保护范围

避雷针和避雷线的保护范围，以它能防护直击雷的空间来表示。GB 50057－94《建筑物防雷设计规范》规定避雷针（线）的保护范围采用IEC推荐的“滚球法”来确定。

所谓“滚球法”，就是选择一个半径为hr （滚球半径）的球体，沿需要防护直击雷的部位滚动，如果球体只接触到避雷针（线）或避雷针（线）与地面，而不触及需要保护的部位，则该部位就在避雷针（线）的保护范围之内。

（2）两支等高避雷针

工程上多采用两支或多支避雷针以扩大保护范围，两支等高避雷针的联合保护范围。两支等高避雷针相距不太远时，由于两支的联合屏蔽作用，使两针中间部分的保护范围比单针时的要大，避雷针外侧的保护范围与单根避雷针时相同，保护范围如图3-3所示。

图3-3  两支等高避雷针的联合保护范围

（a）两支等高避雷针的参数；（b）水平面上的保护范围；（c）O-O’截面的保护范围

两针间的保护范围的上部边缘应按通过两针顶点及中间最低点O的圆弧确定。O点的高度(m)按下式计算：

（3）多支等高避雷针（如图3-4所示）。

图3-4  三支等高避雷针的保护范围

3.2避雷线

3.2.1避雷线保护范围

避雷线(也称架空地线)

特点：对雷云与大地间电场畸变的影响比避雷针小，所以其引雷作用和保护宽度比避雷针小。但因避雷线的保护长度是与线等长的，故特别适于保护架空线路及大型建筑物，目前世界上大多数国家已转而用避雷线来保护500kV大型超高压变电站。

（1）单根避雷线的保护范围

当避雷线的高度h大于或等于2hr时，无保护范围；

当避雷线的高度h小于2hr时，应按下列方法确定(参看图3-5所示) 。

确定架空避雷线的高度时应计及弧垂的影响。在无法确定弧垂的情况下，当等高支柱间的距离小于120m时架空避雷线中点的弧垂宜采用2m，距离为120～15时，宜采用3m。

图3-5  单根避雷线的保护范围

图3-6  两平行避雷线的保护范围

避雷线的保护范围是一个狭长的带状区域，所以适合用来保护输电线路，也可用来作为变电站的直击雷保护措施。用避雷线保护线路时，避雷线对外侧导线的屏蔽作用以保护角α表示。保护角是指避雷线和外侧导线的连线与避雷线的铅垂线之间的夹角。保护角越小，保护性能越好。当保护角过大时，雷可能绕过避雷线击在导线上，称为绕击。要始保护角减小，就要增加杆塔的高度，保护角一般取10⁰~20⁰。如图3-7为避雷线保护角示意图。

                      图3-7  避雷线保护角示意图

3.3变配电所装设避雷针和避雷线的有关规定

3.3.1避雷针的有关规定

对于35kV（66 kV）及以下的变电所，因其绝缘水平低，必须装设独立的避雷针，并满足不发生反击的要求。

对于110 kV及以上的配电装置，由于其绝缘水平较高，因雷击避雷针所产生高电位不会造成电气设备的反击事故，可以将避雷针装设在配电装置的构架上。装设避雷针的构架应就近装设辅助接地装置，该装置与变电所接地网的连接点离主变压器与接地网连接点的距离不应小于15m，其目的是使雷击时避雷针接地装置上产生的高电位在沿地网向变压器接地点传播的过程中逐渐衰减，以避免对变压器造成反击。由于变压器是变电所中最重要的设备，且其绝缘较弱，因此在变压器门型构架上不应装设避雷针。

发电厂厂房一般不装设避雷针，以免发生反击事故和引起继电保护的误动作。

3.3.2避雷线的有关规定

由于变电所的配电装置至变电所出线的第一个杆塔之间的距离不可能很大，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。由于避雷线的两端分流作用，当雷击时，要比避雷针一起的电位升高小一些。因此，《规程》建议：110 kV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，当大于500 Ω时，避雷线应中止线路终端杆塔，进变电所一档线路保护可用避雷针保护。

3.4避雷器

3.4.１避雷器的保护原理及要求

作用：限制由线路传来的雷电过电压或由操作引起的内部过电压。保护原理：是一种放电器，与被保护设备并联连接。

当输电线路遭受雷击后，在导线上产生雷电冲击波并以电磁波速度向导线两侧传播，入侵到发电厂、变电站。这种雷电入侵波幅值很高，由线路绝缘子闪络电压决定。

当雷电入侵波超过避雷器的放电电压时避雷器放电，将强大的冲击电流泄入大地。

对避雷器有两个基本要求：

（1）当各类过电压波形超过一定幅值时，避雷器应先于被保护电气设备放电，从而使设备得到保护；

（2）在限制过电压后，应能迅速、可靠地切断工频续流，使电力系统恢复正常运行。

3.4.2避雷器的伏秒特性

伏秒特性曲线是绝缘材料在不同幅值冲击电压作用下，其冲击放电电压值与放电时间的函数关系。

绝缘材料的伏秒特性曲线与绝缘材料中电场强度的均匀程度密切相关，电场强度分布越均匀，伏秒特性曲线越平缓，且分散性越小；反之，电场强度分布越不均匀。则伏秒特性曲线越陡，且分散性越大。使用中电气设备的伏秒特性要高于避雷器的伏秒特性且平缓如图3-8伏秒特性的配合：

图3-8  伏秒特性的配合

1—变压器伏秒特性；2—避雷器伏秒特性；

                   3—电气设备上可能出现的最高工频电压

3.4.3避雷器的分类

（1）保护间隙

保护间隙是一种最简单的避雷器。保护间隙由主间隙和辅助间隙构成，主间隙由两个金属电极构成，其中一个电极固定在绝缘子上，而另一个电极则经绝缘子与第一个电极隔开，并保持适当的距离。如图3-9（a）所示。固定在绝缘子上的电极一端和带电部分相连，而另一个电极则通过辅助间隙与接地装置相连接。辅助间隙的作用，主要是防止主间隙因鸟类、树枝等造成短路时，不致引起线路接地。保护间隙按其结构形式的不同分为棒型、球型和角型三种。常见的角型间隙和辅助间隙的接线图如图3-9（b）所示。

保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压比后者低，使过电压波被限制到保护间隙F的击穿电压U_b。

优点：便宜，简单。 

缺点：熄弧能力差，要消除故障必须开关动作。

一般用于3-10kV电网中。多用于配电变压器或中性点保护或与自动重合闸等其它保护措施配合使用。如图3-9保护间隙接线图与结构图。

图3-9  保护间隙

(a)接线图（b）结构图

F—保护间隙  T—保护设备

1—主间隙  2—辅助间隙  3—绝缘子  4—电弧运动

（2）排气式避雷器

     排气式避雷器由内部间隙F1(由棒电极2、环形电极3构成)和外部间隙F2构成。产气管由纤维、塑料或橡胶等产气材料制成。

    缺点：续流太小时不能灭弧，有上、下限的规定，在型号中表示伏秒特性和产生截波方面与保护间隙相似 太大时产气过多，使管子爆裂，其切断工频续流有上、下限的规定，在型号中表示伏秒特性和产生截波方面与保护间隙相似，维护较麻烦。

应用范围：仅安装在输电线路上绝缘比较薄弱的地方和用于变电所的进线段保护中。

（3）阀式避雷器

阀式避雷器由火花间隙和非线性电阻(阀片)串联构成。

火花间隙由多个统一规格的单个间隙串联而成，非线性电阻也由多个非线性阀片电阻串联而成。

特点：间隙电场比较均匀，伏秒特性较平，分散性较小，能与被保护设备的冲击放电特性较好地配合。阀片以金刚砂SiC为主要成分，其电阻值与流过的电流有关：电流愈大，电阻愈小；电流愈小，电阻愈大。如图3-10为阀式避雷器的原理结构图：

图3-10  阀式避雷器的结构原理图

1—主间隙；2—阀片电阻

（4）管型避雷器

管形避雷器是一种灭弧能力很强的保护间隙?管型避雷器由产气管、内部间隙和外部间隙等三部分组成，如图3-11所示?产气管由纤维有机玻璃或塑料制成。内部间隙装在产气管内?一个电极为棒形，另一个电极为环形?当线路上遭到雷击或感应雷时，雷电过电压使管型避雷器的内、外间隙击穿，强大的雷电流通过接地装置入地?由于避雷器放电时内阻接近于零，所以其残压极小，但工频续流极大?雷电流和工频续流使管子内部间隙发生强烈电弧，使管内壁材料燃烧产生大量灭弧气体，由管口喷出，强烈吹弧，使电弧迅速熄灭，全部灭弧时间至多0.01s(半个周期)这时外部间隙的空气恢复绝缘，使避雷器与系统隔离，恢复系统正常运行。

外部火花间隙是保证正常时使避雷器与电网隔离，用以避免纤维管受潮漏电?外部火花间隙可根据网路额定电压而进行调节?

                          图3-11  管型避雷器

1—产气管；2—内部电极；3—外部电极；

                     —内部间隙；—外部间隙

（5）氧化锌ZnO避雷器

氧化锌（Zn）避雷器是二十世纪七十年代初开始出现的一种新型避雷器。ZnO避雷器是由氧化锌非线性电阻片组成的。由于ZnO电阻片具有优异的非线性伏安特性，可以取消串联火花间隙，实现避雷器无间隙无续流。

ZnO阀片和伏安特性（如图3-12所示）

图3-12  ZnO避雷器的伏安特性示意图

氧化锌阀片的伏安特性可分为小电流区、非线性区和饱和区。电流在1mA以下的区域为小电流区，非线性系数α较高约0.１～0.2左右；电流在1mA至3kA范围内时为非线性区，α = 0.015 ～0.05；电流大于3kA，一般进入饱和区。与SiC阀片相比，ZnO阀片具有很理想的非线性伏安特性。

ZnO避雷器的主要优点（如图3-13）

与普通阀型避雷器相比，ZnO避雷器具有优越的保护性能。这种避雷器具有无间隙、残压低、无续流、结构简单、可靠性高、使用寿命长、维护简便等优点，它很有发展前途，可能取代现有各类阀型避雷器。

3-13  ZnO、SiC和理想避雷器伏安特性比较

4 防雷接地装置

4.1接地装置的概述

埋入地下与土壤有良好接触的金属导体称为接地体，连接接地体和电气装置接地部分的导线称为接地线。接地装置是接地体和接地线的总称，其作用是减小接地电阻，以降低雷电流通过时避雷针（线）或避雷器上的过电压。输配电系统中出于正常运行和人身安全等考虑，也要求装设接地装置以减小接地电阻。

4.1.1 接地装置组成

接地：防雷装置或电气设备与大地之间的电气连接。

接地体：埋入土壤中或混凝土基础中作散流用的导体，又称接地极，分为：人工接地体和自然接地体?

接地线：连接于接地体与电气设备接地部分之间的金属导线，防雷装置的地线则指从引下线断接卡至接地体的连接导体?

接地网：由若干接地体在大地中相互用接地线连接起来的整体?

接地装置：接地体和接地线的总合?分为：接地干线和接地支线?如图4-1所示。

图4-1  接地装置的示意图

1—接地体；2—接地干线；3—接地支线；

                     4—电气设备；5—接地引下线

接地体分类：垂直、水平接地体和人工、自然接地体。如图4-2所示。

图4-2  典型接地装置

1—垂直接地体；2—接地平线；3—接地支线；

                   4—电气设备；5—水平接地体

4.1.2接地电阻和流散电阻

接地电阻是接地体的流散电阻与接地线和接地电阻的总和。由于接地线和接地的电阻相对很小，可略不计，因此接地电阻可认为是接地体的流散电阻。

(1)流散电流：接地电流流入地下以后，就通过接地体向大地作半球形散开，这一接地电流就叫做流散电流?如图4-3所示。

图4-3  流散电流示意图

(2)流散电阻：流散电流在土壤中遇到的全部电阻叫做流散电阻?接地电阻是接地体的流散电阻与接地线的电阻之和?接地线的电阻一般很小，可以忽略不计?因此，可以认为流散电阻就是接地电阻?

4.1.3对地电压、接触电压和跨步电压

（1）对地电压  就是带电体与电位为零的大地之间的电位差；电气设备的接地部分，如图4-4。

图4-4  接触电压、跨步电压和对地电压示意图

（2）接触电压   指设备的绝缘损坏时，在入地电流扩散的区域内，人的身体可同时触及的两部分之间出现的电位差。例如人站在发生故障的设备旁边，手触及设备的金属外壳，则人手与脚之间所呈现的电位差，即为接触电压，接触电压通常按人体离开设备0.8m考虑?人的接触电压为故障设备对地电压如图4-4U_c

（3）跨步电压  指在接地故障点附近行走，两脚之间所出现的电位差，如图4-4U_b1。

4.2接地装置的分类

电力系统中各电气设备的接地按其不同的作用可分为工作接地、保护接地和防雷接地。

保护接地：为防止因绝缘损坏而遭受触电的危险，将电气设备在正常情况下不带电的金属部分与大地连接。

防雷接地：防雷保护装置所用的接地称作防雷接地?其目的是将雷电流泄入大地，以消除雷电过电压的危害?

工作接地：为保证电力系统和电气设备达到正常工作要求而进行的接地，将电力系统的某一点与大地连接。

4.2.1工作接地

在正常或事故情况下，为了保证电气设备可靠运行而必须在电力系统中某一点进行接地，称为工作接地，例如电源中性点的接地。这种接地可分为直接接地或经特殊装置接地。工作接地的接地电阻一般为（0.5～5）Ω。

4.2.2保护接地

为防止因绝缘损坏而遭受触电的危险，将与电气设备带电部分相绝缘的金属外壳或构架同接地体之间作良好的连接，称为保护接地. 高压设备要求的保护接地电阻一般为（1～10）Ω。

4.2.3 防雷接地（如图4-5所示）

（1）防雷接地的特点

作用：使雷电流顺利流入大地，减小雷电流通过时的电位升高。

特点：由雷电流的特点决定。雷电流的特点是幅值大、等值频率高。雷电流的幅值大，会使地中电流密度δ增大，因而提高了地中的电场强度，当E超过一定值时，在接地周围土壤中会发生局部火花放电。

                                              （4-1）

图4-5  接地体示意图

火花效应：同一接地装置在流过幅值很高的冲击电流时的冲击接地电阻，小于流过工频电流时的工频接地电阻的现象。

电感效应：此外雷电流的等值频率高，会使接地体本身呈现明显的电感作用，阻碍雷电流流向接地体的远端，结果使接地体不能被充分利用，则冲击接地电阻

大于工频接地电阻。

防雷接地主要由过电压保护的需要决定，一般为4～30Ω。

4.3工程实用的接地装置

4.3.1输电线路的防雷接地

高压输电线路在每一级杆塔下都设有接地体，并通过引线与避雷线相连，其目的是使雷电流通过较低的接地电阻入地。规程规定线路杆塔接地电阻值：如表4-1所示：

表4-1  线路杆塔接地电阻值

土壤电阻率（Ω·m）	工频接地电阻（Ω）
100及以下	10
100以上至500	15
500以上至1000	20
1000以上至2000	25
2000以上	30，或敷设6-8根总长不超过500m的放射线，或用两根连续伸长接地线，阻值不作规定。

4.3.2发电厂和变电站的接地

发电厂和变电站内有大量的重要设备，因此需要良好的接地装置，以满足工作、安全和防雷的要求。一般的作法是根据安全和工作接地的要求敷设一个统一的接地网，然后再在避雷针和避雷器安装处增加辅助接地体以满足防雷接地的要求。发电厂和变电站的工频接地电阻值一般在（0.5～5）Ω 。

接地网一般做成网孔形，如图4-6所示，其目的主要在于均压，接地网中的两水平接地带的间距约（3-10）m，应按接触电压和跨步电压的要求确定。

                        图4-6  接地网示意图

                        （a）长孔；（b）方孔

4.4接地电阻的计算和降阻方法

4.4.1接地电阻的计算

接地装置的接地电阻R等于接地点处的电位与接地电流I的比值。

当接地电流I为定值时，接地电阻愈小，则电位UM愈低，反之愈高。此时地面上的接地物体也具有了电位。

4.4.2接地电阻的降阻方法

（1）敷设水平外延接地。

因为水平放设施工费用低，不但可以降低工频接地电阻，还可以有效地降低冲击接地电阻。

（2）深埋式接地极。

在地电阻率随地层深度增加而减小较快的地方，可以采用深埋接地体的方法减小接地电阻。因此利用大地性质，深埋接地体后，使接地体深入到地电阻率低的地层中，通过小的地电阻率来达到减小接地电阻的目的。在埋设地点选择时，应考虑选择地下水较丰富及地下水位较高的地方；接地网附近如有金属矿体，可将接地体插入矿体上，利用矿体来延长或扩大人工接地体的几何尺寸；深埋接地体的间距宜大于20m，可不计互相屏蔽的影响。但施工困难，土方量大，造价高，在岩石地带困难更大。

（3）利用接地电阻降阻剂

在接地极周围敷设了降阻剂后，可以起到增大接地极外形尺寸，降低接触电阻的作用。降阻剂是由几种物质配制而成的化学降阻剂，是具有导电性能良好的强电解质和水分。这些强电解质和水分被网状胶体所包围，网状胶体的空格又被部分水解的胶体所填充，使它不致于随地下水和雨水而流失，因而能长期保持良好的导电作用。而降阻剂的主要作用是降低与地网接触的局部土壤电阻率，换句话说，是降低地网与土壤的接触电阻，而不是降低地网本身的接地电阻。这是目前采用的一种较新和积极推广普及的方法。降阻剂已有超过二十年的工程运用历史，经过不断的实践和改进，现在无论是性能还是使用施工工艺都已经是相当成熟的产品了。

（4）更换土壤

这种方法是采用电阻率较低的土壤(如：粘土、黑土及砂质粘土等)替换原有电阻率较高的土壤，置换范围在接地体周围0.5m以内和接地体的1/3处。但这种取土置换方法对人力和工时耗费都较大。

 

5 110kV牵引变电所防雷保护和接地设计

5.1过电压的基本概念及分类

5.1.1过电压的定义

过电压是指在电气线路或电气设备上出现的超过正常工作要求的电压。工频下交流电压均方根值升高，超过额定值的10%，并且持续时间大于1分钟的长时间电压变动现象。

5.1.2过电压的分类

在电力系统中，按过电压产生原因的不同，可分为内部过电压和外部过电压（雷电过电压）两大类。

（1）内部过电压  由于电力系统本身的开关操作、发生故障或其他原因，使系统的工作状态突发改变，从而在系统内部出现电磁振荡而引起的过电压。内部过电压又分为操作过电压和谐振过电压。

①操作过电压是由于系统的开关操作、负荷骤变或由于故障而出现断续性电弧引起的过电压。

②谐振过电压是由于系统中的电路参数（R、L、C）在不利组合时发生谐振而引起的过电压。

（2）雷电过电压  由于电力系统的设备和地面构筑物因遭受来着大气中的雷击或雷电感应而产生的过电压，又称外部过电压或大气过电压。大气过电压的电压幅值高达数百千伏，电流幅值高达数百千安。大气过电压包括：直击雷过电压、感应雷过电压、雷电波侵入过电压。

①直击雷过电压

直击雷过电压系指雷云直接对电力网或设备放电而引起的过电压。很强的雷电流通过这些设备导入大地，从而产生破坏性很大的热效应和机械效应，使设备损坏。相伴的还有电磁效应和闪络放电。如图5-1所示直击雷的放电过程。

图5-1  直击雷的放电过程

（a）雷云在建筑物上放电；（b）雷云对建筑物放电

②感应雷过电压 

当雷云出现在架空线路上方时，线路上由于静电感应而积聚大量异性的束缚电荷，当雷云对其附近的大地放电后，线路上的束缚电荷被释放而形成自由电荷向线路两端泄放，形成电位很高的过电压，这就是感应雷过电压。高压线路上的感应雷过电压，可高达几十万伏，低压线路上的感应雷过电压也可达几万伏，对供电系统的危害很大。如图5-2所示。

图5-2  架空线路感应雷过电压

a）雷云在线路上方放电；b）雷云对地放电后

③雷电波侵入

由于架空线路遭受直击雷或感应雷而产生的雷电侵入波，沿架空线路侵入变电站、厂房或其它建筑物内亦将导致过电压，其幅值高达300～400kV。、据我国几个城市统计，供电系统中由于雷电波侵入而造成的雷害事故，占整个雷害事故的50％～70％，比例很大，因此对雷电波侵入的防护亦应予以足够的重视。

5.2牵引变电所容易遭受雷击的地方

发电厂、变电站是电力系统的重要组成部分，发电机、变压器、断路器等一些重要设备都安装在这里，牵引变电所容易遭受雷击的地方主要有两处：①雷直接击于牵引变电所，使内部的变压器、隔离开关等器件受损.屋外配电装置，包括组合导线、母线廊道，形成的直击雷过电压。②雷击输电线路产生的雷电波沿线路侵入牵引变电所，根据经验，凡装设符合标准要求的避雷针（线）的发电厂和变电站绕击和反击事故率是非常低的，所以沿线路侵入的雷电波是造成牵引变电所雷害事故的主要原因。要防止牵引变电所遭受雷击应从这两个方面进行防护，采取相应的措施。

对直雷击的保护，输电线路一般采用避雷线，发电厂、变电站一般采用避雷针或避雷线。对侵入波过电压的保护主要是合理确定在发电厂、变电站内装设的避雷器的位置、数量、类型和参数，同时加装进线端保护，以限制流过避雷器的雷电流幅值和降低入侵波陡度，使发电厂、变电站电气设备上的过电压幅值低于其雷电冲击耐受电压。

5.2.1直击雷的保护

保护对象：屋外配电装置变压器、隔离开关等器件，包括组合导线、母线廊道。

保护措施①110KV配电装置装设避雷针或装设独立避雷针；②主变压器装设独立避雷针；③屋外组合导线装设独立避雷针。

变电站的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针的指数、高度、装设位置、验算它们的保护范围、应有的接地电阻、防雷接地装置的设计等。

5.2.2雷电侵入波保护

保护对象：输电线路的进线端

保护措施：避雷器结合进线段保护。装设阀式避雷器是变电站对雷电过电压波进行防护的主要措施，它的保护作用主要是限制过电压波的幅值.但是为了使阀式避雷器不至与负荷过重(流过的冲击电流过大)和有效的发挥其保护功能，还需要有”进线段保护”与之配合，这是现代变电站防雷接线的基本思路。阀式避雷器的保护作用基于三个前提：①它的伏秒特性与被保护绝缘的伏秒特性有良好的配合在一切电压波形下，前者均处于后者之下②它的③伏安特性应保证其残压低于被保护绝缘的冲击电气强度③被保护绝缘必须处于该避雷器的保护距离之内。

5.3牵引变电所输电线路的防雷保护

5.3.1输电线路的感应雷过电压

    感应雷过电压的产生

    雷击线路附近大地时，雷电通道周围空间电磁场的急剧变化，在导线上会由于电磁感应而产生感应雷过电压，包括静电分量和电磁分量。感应过电压的幅值与雷电流大小、雷电通道与线路间的距离以及导线的悬挂高度等因素有关。由于雷击地面时雷击点的自然接地电阻较大，所以雷电流幅值I一般不超过100kA。

    实测证明，感应过电压一般不超过500kV，对35kV及以下的水泥杆线路会引起闪络事故；对110kV及以上的线路，由于绝缘水平较高，一般不会引起闪络事故。

5.3.2输电线路的直击雷过电压和耐雷水平

雷直击于有避雷线的线路可分为三种情况：雷击线路杆塔塔顶、雷击避雷线档距中央、雷绕过避雷线击于导线如图5-3所示。

   图5-3  雷击输电线路示意图

5.3.3输电线路的雷击跳闸率

雷击输电线路导致跳闸的两个条件：

1）雷电流超过线路耐雷水平，引起冲击闪络；是指带电云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。直击雷威力巨大，雷电压可达几万伏至几百万伏，瞬间电流可达十几万安、在雷电通路上，物体会被高温烧伤甚至融化。直击雷多为击于塔顶及塔顶附近的避雷线，一般造成该塔一相或多相瓷瓶闪络。

2）冲击闪络转变为稳定的工频电弧；是指绕击雷，是绕过避雷线击于导线上，绕击雷多发生在大跨越档和线路周同空旷地区。

5.4牵引变电所的防雷保护

5.4.1牵引变电所直击雷过电压的防护

对于直击雷必须装设避雷针或避雷线对直击雷进行保护。牵引变电所的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针的支数、高度、装设位置、验算它们的保护范围、应有的接地电阻、防雷接地装置设计等。

当雷击于避雷针后，它们对地的电位可能升高，如果它们与被保护设备之间的距离不够大，则有可能在避雷针、避雷线与被保护设备之间发生放电，这种现象称为避雷针（线）对电气设备的反击。

（1）避雷针的保护

①独立的避雷针

对于35kV及以下的配电装置，因绝缘水平低，为避免反击应架设独立避雷针，其接地装置与主接地网分开埋设。如图5-4所示。

                     图5-4  独立避雷针配电架构

②架构避雷针

对110kV及以上的配电装置，由于电气设备的绝缘水平较高，可将避雷针装设在配电装置的架构或房顶上，但在土壤电阻率较大的地区（ρ＞1000Ω·m），宜装设独立避雷针。

66kV的配电装置，允许将避雷针装设在配电装置的架构或房顶上，但在土壤电阻率ρ＞500Ω·m的地区，宜装设独立避雷针。

35kV及以下高压配电装置架构或房顶上不宜装设避雷针。

架构避雷针的接地是利用发电厂、变电站的主接地网，但应在其附近装设辅助集中接地装置，并且架构避雷针与主接地网的地下连接点至变压器的接地线与主接地网的地下连接点之间，沿接地体的长度不得小于15m。

（2）避雷线的防护

避雷线的保护采用架空避雷线保护的布置形式有两种。一种是避雷线一端经配电装置架构接地如图5-5所示，另一种是两端经绝缘子串与厂房建筑物绝缘 避雷线两端都接地。

                      图5-5  雷击一端绝缘的避雷线

  5.4.2牵引变电所侵入波过电压的防护

当牵引变电所采取了可靠的直击雷保护措施后，遭雷直击的概率很小。所以沿线侵入的雷电波是发电厂、变电站遭受雷害事故的主要原因。

其主要防护措施是在牵引变电所内装设阀型避雷器或氧化锌避雷器以限制入侵雷电波的幅值。如图5-6所示。

图5-6  避雷器直接装在变压器旁边

（a）接线图；（b）动作前的等值电路；（c）动作后的等值电路；

                           1—变压器；2—避雷器

5.4.3牵引变电所内变压器的防护

（1）变压器中性点保护 

110kV及以上的中性点有效接地系统，用于这种系统的变压器，其中性点对地绝缘有两种设计方案：

①全绝缘。即中性点处的绝缘水平与绕组首端的绝缘水平相同；

②分级绝缘。即中性点处的绝缘水平低于绕组首端的绝缘水平。

（2）35kV及以下的中性点非有效接地系统

变压器中性点为全绝缘，所以变压器的中性点一般不需装设防雷保护装置。

多雷区单进线变电所且中性点引出时，应在中性点装设保护装置。

（3）三绕组变压器的防雷保护

三绕组变压器可能出现只有高、中压绕组运行而低压绕组开路的情况，此时通过静电感应传递到低压绕组上的过电压值会很高，所以应在任一相低压绕组出口处对地加装一个避雷器。

（4）自耦变压器的防雷保护

自耦变压器低压绕组的任一相上应装设限制静电感应过电压的避雷器。

5.5牵引变电所内部防雷接线图   

见附图1

5.6牵引变电所防雷接地装置主视图 

见附图2

 

结   论

本文首先论述了牵引变电所防雷接地的必要性，并对我国防雷接地的发展情况进行了概述。接着讲述了雷电、雷电压和雷电流的形成过程，并给出了雷电参数，阐述了防雷装置如避雷针、避雷器的防雷原理以及保护范围，给出了直击雷和感应雷的防护方案，介绍了目前我国牵引变电所防雷接地设计中常用的几种措施，如：合理选择牵引变电所修建的地理位置，架设避雷针、敷设接地网，在进线段装设避雷器，同时对几种防雷措施进行了深入的论述和定量的计算分析。最后基于常用的防雷接地的设计方法，对110kV牵引变电所进行了详细的防雷接地设计。

通过对上述内容的研究分析，可得出以下结论：

（1）牵引变电所是供电系统的枢纽，因此牵引变电所一旦发生雷击事故时，就有可能造成系统的瘫痪，给生产和生活造成巨大的损失，所以应十分的重视牵引变电所的防雷接地。

（2）要实现有效的防雷安全，则要建立一套完善而健全的综合立体的防雷系统。一套完善而健全的综合立体防雷系统包括：直击雷的防护；感应雷的防护；接地网。

（3）牵引变电所直击雷的防护应在变电所范围内架设避雷针，使牵引变电所的全面积都在避雷针的保护范围之内。

（4）牵引变电所感应雷的防护应在进线段、变压器的高压侧和低压侧和馈线段装设避雷器，并在进线段1～2km处装设避雷线。

（5）地网的工频接地电阻值应小于0.5Ω，若由于环境因素不能达到这一要求，应综合采用敷设外延地网和换土等方法降低接地网的工频接地电阻值。

（6）为了保护变电所电气设备的安全运行，在装设避雷器时一定要限制避雷器的残压，也就是对流过避雷器的电流必须加以限制，使之不大于5kA，同时要限制入侵波的陡度。

（7）要使所有的设备到避雷器的电气距离都在保护范围内。避雷器一般安装在母线上。

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