110kV变电站的接地网与防雷设计Word格式文档下载.doc
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67.5m2(包括站区围墙)。
变压器:
两台三绕组变压器
容量120MVA
连接组别YN,yn0,d11
出线规模:
110kV出线4回,向北架空出线;
35kV出线6回,向东架空出线;
10kV出线通过电缆沟均由本所南侧出线。
1.1.3站区地理条件
土质表层为旱地黑黄沙土、土、石方,变电站站址以旱土和山地为主,只有极少部分低产田,根据地质物探结果并且考虑了季节系数,该站土壤电阻率取100。
1.1.4系统的容量及阻抗值分别为
计算基准值:
=100MVA
=115、37、10.5kV
系统零序阻抗:
=0.1758
=1.6384
1.1.5短路电流计算接线图
图1.1短路电流计算接线图
1.1.6变电站电气平面布置总图
图1.2变电站电气平面布置总图
1.2设计要求
根据当地天气和土壤的情况对变电站的接地网和防雷布置设计,使得变电站全站都在防雷保护范围之内,使得其接地电阻、接触电压和跨步电压都满足要求。
掌握设计的一般程序,综合运用所学的专业课程知识,对防雷接地方案作一些技术比较。
通过此次设计,要对变电站接地网与防雷保护设计有更加深入的了解,同时培养在设计上独立的思考能力,为从事电气工程方面的工作打下良好的基础。
1.3设计基本内容
(1)最大入地短路电流的计算;
(2)接地网接地电阻、最大接触电压、最大跨步电压的计算,如果不满足规程要求必须采取降阻措施,直到满足要求;
(3)直击雷保护设计包括避雷针安装位置、避雷针高度、直击雷保护范围等。
要求变电站内的所有设备和构筑物都在防雷保护范围内;
(4)对变电站配电装置侵入雷电波的过电压保护措施进行设计。
2短路电流计算
2.1短路电流计算的目的与假定
2.1.1短路电流计算目的
接地装置的设计中需要先进行短路计算,通过计算各个短路点的短路电流,然后经过比较选出短路电流的最大值,作为计算接地电阻最大允许值的短路电流,通过短路电流的最大值计算算出变压器中性点最大入地电流,再进行接地网设计的一系列的计算。
2.1.2短路电流计算需要进行以下基本假定
(1)正常工作时,三相系统对称运行。
(2)所有电源的电动势相位角相同。
(3)系统中的同步和异步电机均为理想电机,不考虑电机磁饱和、磁滞、涡流及导体集肤效应等影响;
转子结构完全对称;
定子三相绕组空间位置相差120度电气角度。
(4)电力系统中各元件的磁路不饱和,即带铁芯的电器设备电抗值不随电流大小发生变化。
(5)电力系统中所有电源都在额定负荷下运行,其中50%[9]负荷接在高压母线上,50%负荷接在系统侧。
(6)同步电机都具有自动励磁调整装置(包括强行励磁)。
(7)短路电流为最大瞬间值。
(8)不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流。
(9)除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外,元件的电阻都略去不计。
(10)元件的计算参数均取其额定值,不考虑参数的误差和调整范围。
(11)输电线路的电容略去不计。
2.2短路计算过程说明
接地网设计中,短路电流计算是其中一个重要环节,只要想进行短路计算得出最大入地电流,才能进行接地电阻允许值的计算。
计算时一定要注意以下几点:
(1)接线方式:
计算短路电流时方式,应是可能发生最大短路电流的正常接线方式,即最大运行方式。
(2)短路种类:
应为是要计算变压器中性点最大入地电流,因此考虑两相接地短路和单相短路。
2.3短路点的选择原则与确定
2.3.1短路点选择原则
短路计算点是指在正常接线方式时,通过电器设备的短路电流为最大的地点。
所选的短路点一定要是各种短路类型是最严重的情况,应为只要这样才能得出变压器中性点的最大入地电流,算出后才能进行接地电阻允许值的计算。
而且一般不止选择一个短路点,而是通常选择2~3个分别进行计算,然后将计算结果进行比较。
2.3.2短路点的选择
在该系统中分别选择了110kV高压侧母线、35kV中压侧母线、10kV低压侧母线这三个点进行短路计算(参见短路电流计算等值网络图6.1)。
2.4短路计算原理
(1)制定等值网络。
①选取基准功率MVA,基准电压;
②系统和正、负电抗用、,略去网络各元件的电阻和输电线路的电容和变压器的励磁支路;
③无限大功率电源的内电抗等于零;
④略去负荷。
(2)制定序网图
根据《电力系统分析》中关于正、负和零序网络制定的方法,将各个短路点的正负和零序的等值序网图画出。
(3)进行网络化简。
按网络化简的原理,将个电抗按三角型化Y型、并联化串联将网络化简,得出化简后的正负和零序网络图,然后算出正、负、零序阻抗。
(4)根据《电力系统分析》短路计算中两相短路和单相短路的计算公式分别计算其短路的正序、负序和零序的电流。
3接地网设计
3.1接地网设计目的
变电站接地系统的合理与否是直接关系到人身和设备安全的重要问题。
随着电力系统规模的不断扩大,接地系统的设计对变电站的安全运行有着重要的作用。
(1)工作接地即为电力系统电气装置中,为运行需要所设的接地;
(2)保护接地即为电气装置的金属外壳、配电装置的构架和线路杆塔等,由于绝缘损坏有可能带电,为防止其危及人身和设备的安全而设的接地;
(3)雷电保护接地即为为雷电保护装置向大地泄放雷电流而设的接地。
3.2变电站接地设计的必要性
接地是避雷技术最重要的环节,不管是直击雷,感应雷或其它形式的雷,雷击过电流都将通过接地装置导入大地。
因此,没有合理而良好的接地装置,就不能有效地防雷。
从避雷的角度讲,把接闪器与大地做良好的电气连接的装置称为接地装置。
接地装置的作用是把雷电对接闪器闪击的电荷尽快地泄放到大地,使其与大地的异种电荷中和。
变电站的接地网上连接着全站的高低压电气设备的接地线、低压用电系统接地、电缆屏蔽接地、通信、计算机监控系统设备接地,以及变电站维护检修时的一些临时接地。
如果接地电阻较大,在发生电力系统接地故障或其他大电流入地时,可能造成地电位异常升高;
如果接地网的网格设计不合理,则可能造成接地系统电位分布不均,局部电位超过规定的安全值,这会给出运行人员的安全带来威胁,可能因反击对低压或二次设备以及电缆绝缘造成损坏,使高压窜入控制保护系统、变电站监控和保护设备会发生误动、拒动,酿成事故,甚至是扩大事故,由此带来巨大的经济损失和社会影响
3.3变电站接地设计原则
由于变电站各级电压母线接地故障电流越来越大,在接地设计中要满足R≤2000/I是非常困难的。
现行标准与原接地规程有一个很明显的区别是对接地电阻值不再规定要达到0.5,而是允许放宽到5,但这不是说一般情况下,接地电阻都可以采用5,接地电阻放宽是有附加条件的,即:
防止转移电位引起的危害,应采取各种隔离措施;
考虑短路电流非周期分量的影响,当接地网电位升高时,3~10kV避雷器不应动作或动作后不应损坏,应采取均压措施,并验算接触电位差和跨步电位差是否满足要求,施工后还应进行测量和绘制电位分布曲线。
变电站接地网设计时应遵循以下原则:
(1)尽量采用建筑物地基的钢筋和自然金属接地物统一连接地来作为接地网;
(2)尽量以自然接地物为基础,辅以人工接地体补充,外形尽可能采用闭合环形;
(3)应采用统一接地网,用一点接地的方式接地。
3.3.1变电站接地电阻的构成及降阻措施
(1)接地引线电阻,是指由接地体至设备接地母线间引线本身的电阻,其阻值与引线的几何尺寸和材质有关。
(2)接地体本身的电阻,其电阻也与接地体的几何尺寸和材质有关。
(3)接地体表面与土壤的接触电阻,其阻值与土壤的性质、颗粒、含水量及土壤与接地体的接触面积及接触紧密程度有关。
(4)从接地体开始向远处(20米)扩散电流所经过的路径土壤电阻,即散流电阻,决定散流电阻的主要因素是土壤的含水量。
(5)垂直接地体的最佳埋置深度是指能使散流电阻尽可能不而又易于达到的埋置深度。
决定垂直接地体的最佳深度,应考虑到三维地网的因素,所谓三维地网,是指垂直接地体的埋置深度与接地等值半径处于同一数量级的接地网。
(6)接地体的通常设计,是用多根垂直接地体打入地中,并以水平接地体并联组成接地体组,由于名单一接地体埋置的间距仅等于单一接地体长度的两倍左右,此时电流流入名单一接地体时,将受到相互的限制而妨碍电流的流散,即等于增加名单一接地体的电阻,这种影响电流流散的现象,称为屏蔽作用。
(7)化学降阻剂的应用,化学降阻剂机理是,在液态下从接地体向外侧土壤渗出,若干分钟固化后起着散流电极的作用。
(8)对于变电站一般采用外引接地的降阻和深井降阻。
3.3.2变电站接地电阻最大允许值计算
据《交流电气装置的接地》(DL/T621-1997)可知:
接地电阻允许值:
(3.1)
I—入地电流
(3.2)
(3.3)
—最大接地短路电流;
—流经变电所接地中性点最大接地电流;
其中入地电流I入地应取于之间的较大者。
3.3.3接地电压和跨步电压最大允许值
据《交流电气装置的接地》(DL/T621-1997)中的接触电压和跨步电压允许值计算部分可得:
接触电压:
(3.4)
跨步电压:
(3.5)
—土壤电阻率;
—故障切除时间;
已知条件:
规程规定:
=0.2
3.3.4人工接地极工频接地电阻计算(水平复合接地网)
根据《交流电气装置接地》(DL/T621—1997)中对110kV变电站接地网设计的规定,对该变电站的接地网设计如下:
水平复合接地网采用主边缘闭合的50×
5扁钢;
水平接地极采用50×
5热镀锌扁钢;
垂直接地极深度:
H=2.5m;
水平接地极埋深:
h=0.8m;
水平接地极:
d=0.025m;
其中:
(3.6)
(3.7)
(3.8)
L—水平接地极总长度;
L0—地网主边缘长度
Re—等值(即等面积、等水平接地极总长度)方形接地网的接地电阻:
(3.9)
3.3.5接地网表面最大接触电位差计算
(3.10)
(3.11)
——最大接触电位差;
——最大接触电位差系数
——接地装置的电位
(3.12)
n=(3.13)
(3.14)
(3.15)
=(3.16)
3.3.6接地网外的地表面最大跨步电位差计算
(3.17)
——最大跨步电位差;
——最大跨步电位差系数。
(3.18)
(3.19)
(3.20)
据规程可知:
—即跨步距离
3.3.7由接触电位差和跨步电位差反推接地电阻要求值
(1)由接触电位差反推电压要求值:
(3.21)
(3.22)
(3.23)
(2)由跨步电位差反推电压要求值:
(3.24)
(3.25)
(3.26)
若由(式3.23式3.26)计算的电阻数值都比较大,则考虑当绝缘地面ρ=5000时,接地电阻要求值:
(3.27)
(3.28)
3.4本设计的接地网设计
本站是一个110kV的降压变电站,占地面积4198.5。
设有4根独立的避雷针,因此需设独立的接地装置且必须与设计的接地网相连。
根据《交流电气装置接地》(DL/T621—1997)和其它相关的文献要求,该变电站主接地网采用水平接地体和垂直接地体组成的复合接地网,水平接地体采用50×
5的扁钢沿全站按栅格网布置,网格孔尺寸为8000×
8000,水平接地体埋深为800;
垂直接地体采用2500长的∠50×
50×
5的角铁桩,角铁桩沿水平接地体每间隔一个网格布置一根,接地网外围每个网格布置一根接地角铁桩。
电器设备接地引下分支线采用40×
4的扁钢与主接地网连接,单支柱电器设备采用一根引下线,双支柱电器设备采用两根引下线,相互焊接的A型架和龙门架采用两根引下线,主变压器基础、站用变压器基础、断路器基础,电力电容器基础采用两根引下线。
站内所有电缆沟内的角铁支架采用25×
3的扁钢连成一体,电缆沟内的扁钢与主接地网的接地点不少于两点。
可绘制出该变电站的接地网平面布置图,即附图B-01。
4变电站防雷设计原则
变电站是电力系统的重要组成部分,如果发生雷击事故,有可能对变压器及其它电器设备造成破坏,从而引起大面积长时间的停电,严重影响国民经济和人民生活,因此,对变电站的防雷保护就显得尤为重要。
变电站的雷害事故来自两个方面:
一是雷直击于变电站;
二是雷击输电线路产生的雷电波沿线路侵入变电站。
这就要求为变电站设计十分可靠的防雷保护装置,本章通过介绍防雷保护装置、直击雷保护、侵入雷保护和防雷保护估算,确定该变电站的防雷保护装置。
4.1防雷保护装置
4.1.1防雷保护装置概述
电力系统中最基本的防雷保护装置有:
避雷针、避雷线、避雷器和防雷接地装置。
直击雷保护装置是指能使被保护物体避免雷击,而引雷于本身,并顺利地泄入大地发装置,避雷针和避雷线可以防止雷电直接击中被保护物体,因此也称作直击雷保护。
避雷器可以防止沿输电线侵入变电站的雷电过电压波,因此也称作侵入波保护;
接地装置的作用是减少避雷针(线)或避雷器与大地(零电位)之间的电阻值,以达到降低雷电过电压幅值的目的。
根据设计要求,结合该变电站的实际情况,只选用避雷针、避雷器和防雷接地装置配合作为防直击雷保护装置,避雷线在此不作考虑。
4.1.2避雷针的保护范围
装设避雷针应该使变电站的所有设备和构筑物处于保护范围内。
避雷针的设计一般有以下几种类型:
①单支避雷针的保护;
②两针或多支避雷针的保护。
(1)单根避雷针的保护范围如(图4.1)所示。
设避雷针的高度为(m),被保护物体的高度为(m),则避雷针的有效高度为,在高度上避雷针保护范围的半径(m)由以下公式计算:
当≥时
(4.1)
当<
时
(4.2)
式中——高度校验系数,当≤30m时,=1;
当30m<
≤120m时,,实际设计中>30m,取=0.98。
(式4.1)和(式4.2)可由几何图表示(图4.1)。
从避雷针顶尖向下作斜线,此斜线旋转而成的锥体,构成≥时的保护范围。
从地平面距离避雷针1.5处向避雷针0.75高处作连线,此连线旋转成的锥体,构成<
时的保护范围。
图4.1单根避雷针的保护范围
(2)工程上多采用两支以及多支(等高或不等高)避雷针以扩大保护范围。
①等高避雷针的联合保护范围要比两针各自保护范围的和要大。
避雷针的外侧保护范围同样可以由(式41)和(式4.2)确定,而击于两针之间单针保护范围边缘外侧的雷,可能被相邻避雷针吸引而击于其上,从而使两针间保护范围加大,如(图4.2)所示。
保护最底点高度(0点的高度):
(4.3)
②避雷针保护宽度:
按《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T620—1997中的(两等高避雷针间保护范围的一侧最小宽度与的关系图即图2.3)确定。
当>时,取。
求得后,可按(图3)绘出两针间的保护范围。
两针间距离与针高之比不宜大于5。
图4.2两根等高避雷针的保护范围
图4.3两等高避雷针间保护范围的一侧最小宽度与的关系
4.1.3避雷器
(1)概述
避雷器是用以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的一种电器设备。
避雷器是一种放电器,并联连接在被保护设备附近,当作用电压超过避雷器的放电电压时,避雷器即先放电,限制了过电压的发展,从而保护了其他电器设备免遭击穿损坏。
目前使用的避雷器有以下四种类型:
①保护间隙式避雷器;
②排气式避雷器;
③阀型避雷器;
④氧化锌避雷器。
(2)为使避雷器能够达到预期的保护效果,必须满足以下基本要求:
①具有良好的伏秒特性,以易于实现合理的绝缘配合。
②应有较强的绝缘强度自恢复能力,以利于快速切断工频续流,使电力系统得以继续运行。
4.2直击雷保护原则
4.2.1避雷针的装设原则及其接地装置的要求
(1)独立避雷针宜设独立的接地装置。
在非高土壤电阻率地区,其工频接地电阻不宜超过10。
当有困难时,该接地装置可与主接地网连接,使两者的接地电阻都得到降低。
但为了防止经过接地网反击35kV及以下的设备,要求避雷针与主接地网的地下接地点至35kV及以下的设备与主接地网的地下连接点,沿接地体的长度不得小于15m。
经15m长度,一般能将接地体传播的雷电过电压衰减到对35kV及以下的设备不危险的程度。
独立避雷针不应设在人经通行的地方,避雷针及其接地装置与道路或出入口等的距离不宜小于3m,否则应采取均压措施,或铺设砾石或沥青地面。
(2)电压110kV及以上的配电装置,一般将避雷针装在配电装置的架构或屋顶上,但在土壤电阻率大于1000的地区,宜装设独立避雷针。
否则,应通过验算,采取降低接地电阻或加强绝缘等措施,防止造成反击事故。
63kV的配电装置,允许将避雷针装在配电装置的架构或房顶上,但在土壤电阻率大于500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,因其绝缘水平很低,雷击时易引起反击。
装在架构上的避雷针应与接地网连接,并应在其附近装设集中接地装置。
装有避雷针的架构上,接地部分与带电部分间的空气中距离不得小于绝缘子串的长度;
但在空气污秽地
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- 110 kV 变电站 接地 防雷设计
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