毕业设计(论文)-山区变电所防雷电保护研究.doc
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1、毕业设计说明书山区变电所防雷电保护研究学生姓名: 学号: 学 院: 计算机与控制工程学院 专 业: 电气工程及其自动化 指导教师: 2015 年 06 月中北大学2015届毕业设计说明书山区变电所防雷电保护研究摘要在电网的事故中,以输电线路的故障占大部分,而雷击跳闸是造成输电线路跳闸停电事故的主要原因,对山区输电线路来说更为严重。防雷保护对供电可靠性有着至关重要的影响。本文论述了国内外输电线路防雷保护研究现状,对构成输电线路防雷保护理论和技术进行了较为深入探讨。通过对线路避雷器的认识,介绍了线路复合绝缘氧化锌避雷器的工作原理、类型,对比了带间隙型的线路用避雷器和无间隙的线路避雷器的性能。根据变
2、电站相关信息,采用设计避雷针并计算验证其保护范围实现了对变电站直击雷的防护;通过选择安装避雷器和设计变电站进线段的保护接线实现对变电站雷电侵入波的防护。同时,论证了220kV变电站输电线路进线段输电线路上取消传统的架空地线,而装设线路避雷器作为防雷保护是可行的,减少事故率,节约投资,具有较大工程意义。本设计针对220kv变电站的防雷保护进行设计及计算,进行了接地保护设计。最后分析总结,并对如何完善输电线路的防雷性能提出了建议。关键词:防雷保护,线路避雷器,避雷针,接地保护Study on lightning protection of substation in mountainous are
3、aAbstractIn the power network accident, the fault of transmission line is the main part, and the lightning trip is the main reason for the transmission line trip outage, and the fault of the transmission line is more serious. The lightning protection has the vital influence on the reliability of pow
4、er supply.This paper discusses the current situation of lightning protection for transmission lines at home and abroad, and discusses the theory and technology of lightning protection for transmission line. Through the understanding of line surge arrester, introduces the line composite insulation pr
5、inciple of zinc oxide lightning arrester, types and comparing the belt gap line lightning arrester and no gap arrester performance.According to the related information of substation, the lightning rod is designed and calculated to verify the scope of protection achieved of the substation lightning p
6、rotection; by selecting the installation arrester and design of substation into line protection wiring to achieve the substation lightning invasion wave door. At the same time, demonstrates the 220kV substation transmission lines into line transmission line to cancel the traditional overhead ground
7、wire, while installing line surge arrester for lightning protection is feasible, to reduce the accident rate, saving investment, is of great engineering significance.This design for 220kV substation lightning protection design and calculation, the grounding protection design.Finally, the analysis an
8、d summary of the lightning protection performance of the transmission line is proposed.Key words : Lightning protection, Line arrester,Lightning arrester,ground protection目录一 绪论11.1 题目背景及意义11.2 国内外研究现状1二 防雷保护方式概述32.1输电线路防雷保护方式32.2防雷保护装置避雷器32.2.1线路避雷器的工作原理32.2.3复合绝缘氧化锌避雷器(CMOA)4三 变电所防雷保护53.1直击雷保护53.1
9、.1避雷针的保护范围计算公式53.1.2避雷针的计算83.2雷电侵入波保护133.2.1进线段的计算153.2.2避雷器的选择173.2.3 进线段输电线路取消传统架空地线,安装避雷器可行21四、 220V变电站的接地保护设计234.1接地装置的介绍234.2地装置的计算254.3接地装置选择安装28五 总结结论以及合理建议30参考文献31致谢32第页 共页中北大学2011届毕业设计说明书一 绪论1.1 题目背景及意义架空输电线是电力输送系统中重要的组成部分,因其地处旷野,纵横连绵,大面积暴露在自然环境中,特别是雷雨季,使得输电线路遭受雷害的几率大。在电网发生事故统计中,出现在输电线路的上的故
10、障比例占到大部分,而雷击跳闸又是造成输电线路跳闸停电事故的主要原因。根据数据统计,在我国的高压输电线路跳闸事故里面,由于雷击造成的跳闸事故占到40%70%。而从国外的实际线路运行来看,输电线路安全可靠运行的主要危害依旧是雷击,雷害事故占电力系统事故中50%以上,例如:瑞典电力系统因雷击引发的事故占所有事故的51%;日本电力系统事故中由于雷击输电线路引起的事故占50%以上的;在国际大电网会议的统计数据中:在美国,加拿大等12个国家中,总长3.27万公里的输电线路、电压等级为275500kV,雷害事故占总事故的60%。14输电线路的电压等级越高,其杆塔高度越高,线路走廊尺寸也加大,其引雷半径自然也
11、增大,这样遭受雷害的几率也随之增加,尤其是在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的山区,雷击输电线路而引起的跳闸率更高。5因此在防雷保护的技术措施上要求更加严格。同时,雷击输电线路后沿线路入侵变电所的雷电波也是威胁变电所设备安全的主要因素。因此,在复杂山区高压输电线路中进行绝缘配合、防雷保护的设计等有效的线路防雷保护措施,既保障了我国电力系统中高压输电线路的安全,又降低了高压输电线路出现雷击故障的几率,可为我国电力行业的发展提供很好的安全基础。61.2 国内外研究现状从发展时间来看,输电线防雷保护技术大体上经历了四个阶段第一阶段(1930年以前):主要以防止感应雷为主,采取的措施主要是装设地线,增加耦
12、合系数,减小线路上的感应过电压。第二阶段(19301950年):主要以防止雷电直击输电线路为主,这一阶段,人们系统归纳了表征雷电的参数,并意识到直击雷是电压等级较高的输电线路发生跳闸的主要原因。提出了用行波理论来计算绝缘子串两端电压的方法。第三阶段(19501962年):由美国OVEC345kV线路发生了非常多的绝缘闪络引发的争论和对以前的防雷计算方法和数据进行重新估价的时期, 推动了线路防雷研究工作的进展,使理论分析,现场实测以及模拟试验和运行经验等方面有了极大提高。第四阶段(1962至今):将模拟试验,现场实测,概率统计方法和计算机进行了综合使用阶段。7从技术上看,针对线路雷害事故形成的主
13、要四个阶段(1)防直击技术(2)防闪络技术(3)防建弧技术(4)防停电技术。8二 防雷保护方式概述2.1输电线路防雷保护方式 (1)装设自动重合闸。由于雷击造成的闪络多数能在跳闸后自行恢复绝缘性能,所以重合闸成功率较高。重合闸装置可有效地保证雷击跳闸后的供电可靠性。 (2)采用消弧线圈接地方式。绝大多数的单相闪络着雷接地故障能被消弧线圈所消除。而在两相或三相着雷时,雷击引起第一相导线闪络并不会造成跳闸,闪络后的导线相当于地线,增加了耦合作用,使未闪络相绝缘子串上的电压下降,从而提高了耐雷水平。 (3)加装氧化锌避雷器。造价高,效果好,可以防止各种过电压,但避雷器本身需要定期检查试验,运行成本较
14、高,一般用于35kv线路。 (4)采用不平衡绝缘方式。雷击时,绝缘子串片数少的回路先闪络,闪络后的导线相当于地线,增加了对另一回路导线的耦合作用,提高了另一回路的耐雷水平。 (5)适当增加线路的绝缘配置。这种方法投资大,施工工作量也大。 (6)架设偶合地线。增加避雷线与导线间的耦合作用,以降低绝缘子串上的电压。 (7)加装可控放电避雷针。该装置以缓慢变化的小电流上行雷闪放电形式泄放雷云电荷,从而避免强烈的下行雷闪放电。这种方法造价比较便宜,使用效果好,但对大档距线路保护范围不足。 (8)架设避雷线。高压和超高压输电线路上最主要的防雷措施,对直击雷具有良好的防范作用,同时还可以实现对雷电流进行分
15、流,降低杆塔的电位,有效的减少导线上的感应过电压。 (9)降低杆塔接地电阻。可以有效的提高线路的耐雷水平。2.2防雷保护装置避雷器2.2.1线路避雷器的工作原理 安装线路避雷器后,雷击时将导致避雷器动作,使避雷器残压不超过绝缘子50%放电电压,如果雷击电流加大,也不会使残压过大引发闪络。在雷电流过后,工频续流依然是毫安级,并在过零时熄灭而不会导致断路器跳闸,确保系统正常运行。具体来讲, 安装线路避雷器后,雷击输电线路时,线路避雷器将雷电流分流出一部分输送到邻近杆塔,雷电流经过避雷线与导线时受电磁感应作用产生耦合分量,升高导线电位,使导线与杆塔顶端电位差在安全范围之内,从而起到防雷的作用。92.
16、2.2线路避雷器的种类用于线路防雷的避雷器有两种结构类型:一种是无间隙型:避雷器与导线直接连接,它是电站型避雷器技术的延续,具有吸收冲击能量可靠,无放电时延等优点;另一种为带间隙型:避雷器与导线通过空气间隙来连接,只在雷电流作用时才承受工频电压的作用,具有可靠性高,运行寿命长等优点。表2.1 带间隙型的线路用避雷器和无间隙的线路避雷器的性能比较类型 带间隙型 无间隙型性能劣化只在串联间隙动作时才承受工作电压的作用,很少劣化,可增加运行寿命长期承受工作电压的作用残压适当提高荷电率,即减少电阻片数量,使残压降低比带串联间隙的残压高故障安全性不需要特殊的故障脱落装置避雷器故障时需要特殊的脱落装置将避
17、雷器与导线分离其他原则上有放电时延容易实现紧凑型设计无放电时延2.2.3复合绝缘氧化锌避雷器(CMOA)国际、国内避雷器的发展经历了三个阶段:碳化硅阀式避雷器(简称SICA)、氧化锌电瓷避雷器(简称MOA)、合成绝缘氧化锌避雷器(简称CMOA)。MOA相对于SICA而言,无机元件氧化锌电阻片取代了碳化硅电阻片,产品芯体性能有了质的飞跃;CMOA相对于MOA,由于新型有机材料的发现,产品外壳材料的性能又有了一次质的飞跃,内外性能质的飞跃,加上内外部分的科学粘接,最终保证了整个产品全性能的质的飞跃。复合绝缘氧化锌避雷器实际上是氧化锌避雷器和复合绝缘子的组合装置,它是复合绝缘外壳的MOA与复合绝缘子
18、并联的组合装置。复合外套氧化锌避雷器一般以下面几个主要部件组成:a.串联的氧化锌非线性电阻片(或称阀片)组成阀芯;b.玻璃纤维增强热固性树脂(FRP)构成的内绝缘和机械强度材料;c.热硫化硅橡胶外伞套材料;d.有机硅密封胶和粘合剂;e.内电极、外接线端子及金具。三 变电所防雷保护3.1直击雷保护3.1.1避雷针的保护范围计算公式(一)单支避雷针它的保护范围是一个以其本体为轴线的曲线锥体。它的侧面边界线实际上是曲线,但我国规程建议近似用折线来拟合,以简化计算,如图3.1所示。 图3.1 单只避雷针的保护范围与上图相对应的计算公式如下:在某一被保护物高度hx的水平面上的保护半径rx为 当时, (式
19、3.1)当时, (式3.2)式中 h 避雷针的高度,m; P 高度修正系数,是考虑到避雷针很高时rx不与针高h成正比增大而引入的一个修正系数。 当时 ; 当时 不难看出,地面上()的保护半径即为最大的保护半径。为了增大保护范围,而一味提高避雷针高度并非良策,合理的解决办法是采用多支避雷针作联合保护。(二) 两支等高避雷针这时总的保护范围并不是两个单针保护范围的简单相加,而是两针之间的保护范围有所扩大,但两针外侧的保护范围仍按照单针的计算方法确定,如图3.2所示。图3.2 两支等高避雷针的联合保护范围两针之间的保护范围可利用下式求得 (式3.3) (式3.4) 式中 h 避雷针的高度,m; ho
20、 两针联合保护范围上部边缘的最低点的高度,m; 2bx 在高度hx的水平面上,保护范围的最小宽度,m。求bx得后,即可在hx水平面的中央画出到两针连线的距离为bx二的两点,从这两点向两只避雷针在hx层面是上的半径为rx的圆形保护范围作切线,便可得到这一水平面上的联合保护范围。此时在OO截面上的保护范围最小宽度bx与hx的关系如图3.2右上角的分图所示,在地面上(),。应该强调的是,要使两针能形成扩大保护范围的联合保护,两针间的距离不能太大,例如当时,,一般两针间距离不宜大于。(三)两支不等高避雷针此时的保护范围可按下法确定:首先按两针分别作出其保护范围,然后从低针2顶点作一条水平线,与高针1的
21、保护范围边界交于点3,再取点3为一假想的等高避雷针的顶点,求出等高避雷针2和3的联合保护范围,即可得到总的保护范围,如图3.3。 图3.3 两支不等高避雷针1和2的联合保护范围(四)三支或更多支避雷针(a) (b)图3.4 多支避雷针的联合保护范围 (a)三支避雷针;(b)四支避雷针三支避雷针的联合保护范围可按每两支针的不同组合,分别计算出双针的联合保护范围,只要在被保护物体高度气的水平面上,各个双针的bx均0,那么三针组成的三角形中间部分都能受到三针的联合保护,如图(a)。四针及多针时,可以按照每三支针的不同组合求取其保护范围,然后叠加起来得出总的联合保护范围。如各边的保护范围最小宽度bx均
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