电力系统防雷保护分析论文.doc

论文电力系统防雷保护分析申请人：胡坚学科（专业）：电力系统及其自动化指导教师：赵进全2011年03月网络教育学院毕 业 设 计 (论 文) 任 务 书专业班级 电力系统及其自动化 层次 专升本 姓名 胡坚 学号 09017909010023 一、毕业设计（论文）题目 电力系统防雷保护分析 二、毕业设计（论文）工作自2011年1月12日起至2011年3月31日止三、毕业设计（论文）基本要求： 1、阐述雷击产生的原因 2、分析电力系统高压电力装置防雷技术 3、分析新型防雷技术应用 4、分析电力系统弱电装置防雷技术 5、分析电力系统雷击防护器的工作原理 6、分析新形势下的现代防雷技术及改革措施 7、提交符合要求的论文； 8、严禁抄袭。 指导教师： 赵进全 网络教育学院毕业设计(论文)考核评议书指导教师评语：论文首先阐述了电雷产生的机理、类型、危害及其防护的意义，然后就电力系统高压电力装置的应用及防雷技术等进行了详细的分析，并论述了新形势下的现代防雷技术及改革思想。论文写作认真，结构合理，条理清楚，达到了网络学院毕业设计的要求，同意论文答辩。建议成绩： 及格 指导教师签名： 2011年3月27日答辩小组意见：负责人签名 年 月 日答辩小组成员 毕业设计（论文）答辩委员会意见： 负责人签名： 年 月 日论文题目：电力系统防雷保护分析学科（专业）：电力系统及其自动化申请人：胡坚指导教师：赵进全摘要随着现代电子技术的不断发展，各种高、精、尖的电子设备不断推广和普及应用，计算机网络系统也广泛应用于电力、政府机关、学校、交通、公安、银行、证券、邮政等企事业单位中，由于这些网络系统的电子设备内部结构的高度集成化，耐过电压、耐过电流的水平极低、抗雷击能力，避雷针对这些电子设备的保护也无能为力，因而极易遭受雷电流的冲击而损坏，轻者使终端计算机和通信接口设备损坏、通信中断、各种信息无法传递；重者使网络主机损坏，致使网络瘫痪，工作无法进行，甚至会导IT管理员或在办公的其他工作人员因雷击而身亡。因此，为了使计算机网络系统正常运作，防止雷击而带惨重损失，有必要对计算网络系统进行综合雷电浪涌防护措施，除了要安装良好的避雷针、避雷带，还必须在电源系统、信号系统进行可靠、有效的防护工作，并具备可靠的接地装置。关 键 词：计算机网络系统；高度集成化；避雷针；防止雷击；可靠的接地装置论文类型：设计报告Title: electric power system lightning protection analysisSpeciality:Power system and its automationApplicant:HuJianSupervisor:Prof. ZhaoJinQuanABSTRACTWith modern electronic technology unceasing development, various high-quality precisioninstrument, electronic equipment constantly to popularize the application, computer network system also widely used in electric power, government agencies, schools, transportation, public security, banking, securities, postal and other enterprises and institutions. Because these network system of electronic equipment the internal structure of the highly integrated, resistance to over-voltage, over current levels of resistance to extremely low and resistance against these corona lightning ability, the protection of electronic equipment incompetence, extremely easy suffered the impact of lightning current to damage, light person make terminal computers and communication interface damage of equipment, communication interrupt, all kinds of information cannot transfer; That makes web host damage, cause paralysis, network work can be done even will guide IT administrators or in an office itsKEY WORDS: he computer network system; Highly integrated; Lightning rod;Prevent lightning; Reliable grounding deviceTYPE OF THESIS: Design report目 录1 前 言12 雷电危害及分类22.1雷电危害22.2 雷电分类32.2.1 直击雷32.2.2 传导雷32.2.3 感应雷32.3 安徽省雷暴的统计情况52.3.1 年际变化52.3.2 雷暴的月变化62.3.3 雷暴的日变化62.3.4 2004年雷击灾害73 发生雷击现象的分析93.1雷电波的侵入过程93.2综自设备屡遭雷害的原因93.3远动系统受雷害特别严重的原因93.4高压线路接地故障（瞬时/永久性）的过流/过电压104 防雷接地保护系统的整体概念134.1根据IEC61312-1防雷分区的定义134.2防雷器分级保护原理155 防雷接地保护措施175.1分流175.2屏蔽175.3等电位连接175.4接地175.5过电压保护176 设计依据和原则196.1 设计依据196.2 设计原则196.2.1 安全可靠196.2.2 技术先进196.2.3 经济合理206.2.4 实用性206.2.5 开放性，可扩充、可维护性207 某电力供电所防雷设计217.1 供电所的一般现状217.2 现场勘测及分析217.2.1 现场勘察的内容217.2.2被保护建筑物的长宽高及位置分布，相邻建筑物的高度227.2.3现场勘察具体步骤237.3防雷工程的设计内容247.3.1防直击雷工程的整套设计247.3.2 防雷电感应设计的主要内容为247.3.3 防雷电波侵入设计的内容247.4 供电所机房的感应雷防护267.4.1 电源防护267.4.2 网络信号的防护287.5 防静电感应过电压及室内均压等电位287.6 接地系统287.6.1人工接地体的制作297.6.2人工接地体的安装297.7注意事项298 防雷设计结果分析308.1 防雷达到的效果308.2信号防雷器对系统的影响30结束语31致 谢32参考文献33 CONTENTS1 Preface1 2 Lightning harm and category 2 2.1 Lightning damage.22.2Lightnin classification .3 2.2.1 Direct lightning flash .3 2.2.2Conduction ray .3 2.2.3 induction lightning 3 2.3 The statistics anhui thunderstorms situation. 5 2.3.1 Interannual variability.52.3.2 Thunderstorms months change.62.3.3 Thunderstorms diurnal variation.6 2.3.4 Lightning disasters in 2004.73 The analysis of lightning strikes 93.1 The invasion of the seitching process.93.2 By ray possesses the equipment of reason upon repeatedly .9 3.3 Far from ray actuator system against especially serious reasons .93.4 High-pressure line earth-fault (instantaneous/permanent) over-current/overvoltage.10 4 Lightningproof grounding protection system the whole concept 13 4.1 IEC61312-1 according to the definition of lightning protection division. 13 4.2Lightning protection device grading protection principle .155 Lightningproof grounding protection measures. 17 5.1 Shunt .175.2 Shielding.17 5.3 Equipotential connection 17 5.4 Grounding .17 5.5 Over-voltage protection .17 6 Design basis and principle .19 6.1 Design basis .196.2 Design principle .19 6.2.1 safe and reliable .196.2.2 advanced technology . 196.2.3 economic and reasonable .206.2.5 openness, extendable and maintainability. 20 7 A lightning protection design power powered .217.1 The general situation and 1 powered .217.2 field survey and analysis .21 7.2.1 on-sight content .217.2.2 protected buildings and position of the dimensions of the height of the adjacent buildings distribution227.2.3 on-sight specific steps. 23 7.3 Lightning protection engineering design content24 7.3.1 prevent thunder engineering design of a complete set of direct 24 7.3.2 lightningproof inductive, design of the main content 247.3.3 lightning protection waves the design content and intrusive .247.4 powered room induction lightning protection 267.4.1 power protection.267.4.2 network signal protective. 28 7.5 anti-static induced overvoltage and indoor equalizing equipotential. 287.6 grounding system. 297.6.1 The artificially grounding body made .297.6.2 The installation of artificially grounding body 297.7 note .298 lightning protection design result analysis. 30 8.1 The effect of thunder reached30 8.2 of system of lightning protection device signal affect .30 Closing .31 To thank 32References .331 前 言某供电公司在经历了“城农网改造后”后，电网系统的信息化建设有了很大的提高，各类自动化系统（如：调度自动化系统、光通讯系统、OA自动化系统、供电所综合自动化系统、MIS自动化系统等等）都已经建成并投入使用，这为提高供电可靠性、提高工作效率发挥了非常重要的作用。某地处山区，属于雷雨多发地带，雷电产生的极大的对地电流，同时高压电力线路的故障（瞬时性故障和永久性故障）电流也可能产生尖峰脉冲电流或浪涌电流，这些极大瞬间电流直接或间接地的冲击到上述电子设备上。由于目前各个自动化系统均没有安装有效的过流接地保护装置，从而对上述自动化系统、通信系统的各种电子设备（计算机设备）的运行存在着极大的隐患。因此针对上述系统的防雷/过流接地保护显得越来越重要。随着科学技术的日新月异，各类电子产品在电力系统中得到了飞速的发展和广泛的应用。但微机系统越是先进，芯片的集成度就越高，电路越复杂，工作电压越低，对环境稳定性的要求也越高。抗干扰和耐冲击始终是微机系统在电力工业恶劣电磁环境下应用中的两大薄弱环节。而雷击事件由于其极高的电压幅值和不可预测性更是微机系统的“天敌”。它极大的威胁着现代化变电所的运行安全，应该引起供电企业的足够重视。因此，电子信息系统雷电防护工程所应采取的防雷措施、防雷装置及防雷器件也就不可能是单一的，即千篇一律的，而应是从整体、综合、系统、全方位、多层次上去考虑防护措施。在各类电子设备（包括计算机、通信设备、控制系统、仪表等）中，对抗电磁干扰考虑的比较周全。但对雷电电磁脉冲的防护相对显的薄弱，而雷电电磁脉冲的侵袭是在瞬间造成微机保护和自动装置永久损坏的第一杀手。每年各种电子设备因雷击而遭受破坏的事例屡见不鲜，因此如何保护变电所的电子设备等免遭雷击损坏也越来越引起了各方面的高度重视。因此，从整体、综合、系统、全方位、多层次上有效地防止雷击对变电所的电子设备所产生的危害，是保证电力系统安全、稳定运行的重要保证。2 雷电危害及分类2.1雷电危害雷电是一种非常壮观的自然现象，它具有极大的破坏力，对人类的生命、财产安全造成巨大的危害。1987年联合国确定的“国际减灾十年”中，雷电为对人类危害最大的十种灾害之一。自从人类进入到电气化时代以后，雷电的破坏由主要以直击雷击毁人和物为主，发展到以通过金属线传输雷电波破坏电气设备为主。随着近年来电子技术的飞速发展，计算机系统的网络化程度越来越高,人类对电气设备尤其是计算机设备的依赖越来越严重。而电子元器件的微型化、集成化程度越来越高，各类电子设备的耐过电压能力下降，遭雷电和过电压破坏的比例呈不断上升的趋势，对设备与网络的安全运行造成严重威胁。据统计，全世界每年因雷害造成的损失高达十亿美元以上。当人类社会进入电子信息时代后，雷灾出现的特点与以往有极大的不同，可以概括为：(1)受灾面大大扩大，从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业，特点是与高新技术关系最密切的领域，如航天航空、国防、邮电通信、计算机、电子工业、石油化工、金融证券等；(2)从二维空间入侵变为三维空间入侵。从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场从三维空间入侵到任何角落，无空不入地造成灾害，因而防雷工程已从防直击雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲（LEMP）。前面是指雷电的受灾行业面扩大了，这儿指雷电灾害的空间范围扩大了。一次闪电造成附近二家以上单位同时受到雷灾，而不是以往的一次闪电只是一个建筑物受损。(3)雷灾的经济损失和危害程度大大增加了，它袭击的对象本身的直接经济损失有时并不太大，而由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。例如2005年8月29日凌晨2点，某市电信遭受雷击，导致信号中断数小时，其直接损失是有限的，但间接损失将大大超过直接损失。产生上述特点的根本原因，也就是关键性的特点是雷灾的主要对象已集中在微电子器件设备上。雷电的本身并没有变，而是科学技术的发展，使得人类社会的生产生活状况变了。微电子技术的应用渗透到各种生产和生活领域，微电子器件极端灵敏这一特点很容易受到无孔不入的LEMP的作用，造成微电子设备的失控或者损坏。为此，当今时代的防雷工作的重要性、迫切性、复杂性大大增加了，雷电的防御已从直击雷防护到系统防护，我们必须站到历史时代的新高度来认识和研究现代防雷技术，提高人类对雷灾2.2 雷电分类2.2.1 直击雷 直击雷蕴含极大的能量，电压峰值可达5000KV，具有极大的破坏力。如建筑物直接被雷电击中，巨大的雷电流沿引下线入地，会造成以下三种影响：（1）巨大的雷电流在数微秒时间内流下地，使地电位迅速抬高，造成反击事故， 危害人身和设备安全。（2）雷电流产生强大的电磁波，在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压。（3）电流流经电气设备产生极高的热量，造成火灾或爆炸事故。2.2.2 传导雷远处的雷电击中线路或因电磁感应产生的极高电压，由室外电源线路和通信线路传至建筑物内，损坏电气设备。2.2.3 感应雷云层之间的频繁放电产生强大的电磁波，在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压，峰值可达50KV。1雷针的副作用产生二次感应雷击效应，雷电电流经过避雷针导地时感应到市内的传输线上，如下图：图2-1几十年来的通讯设备是从电子管、晶体管向集成电路过渡的。由于电子管、晶体管的耐冲击能力较强，因此二次雷击效应对电子管、晶体管通讯设备没有造成太大损害。集成化度较高的微电子设备，其耐冲击能力差受雷击更易使微电子设备受到损坏。通过对部分雷击事故的分析，发现许多雷击事故都是在避雷针接地完好的情况下发生的。分析其原因就是二次雷击效应造成。2电源线、信号线或天馈线引入感应雷击 通过电感性耦合（磁感应）耦合到各类传输线而破坏设备，如下图：图2-11、电源线引入感应雷击：市区以外的建筑物的供电线路大多采用架空明线。试验表明，雷电频谱在几十MHZ以下频域，主要能量集中分布在工频附近。因此，雷电与市点相耦合的概率很高。2、信号线引入雷击：雷击在信号线或电话线上产生瞬间过压。闪电释放出来的电量是可怕的，虽然一般建筑物可承受的电流上限是200KA，但闪电可产生高至530kA的电流，如果雷电击中了一栋无建筑防雷保护设计的建筑物，电流就会找到一条建筑物的接地信道，建筑物就很有可能被严重破坏甚至发生火灾。即使建筑物安装了避雷针但没有对信号进行保护，当避雷针引雷入地产生二次雷击效应是顺避雷针而下的天馈线和建筑物内导线首当其冲。可一旦二次雷击效应以信号方式进入导线时，各种信号设备端口损坏也就在所难免了，反之如果雷电击中一栋有建筑防雷保护设计的建筑物，电流就会通过预定的方式导地。3点位反击引入感应雷击l 通过电阻性耦合方式经数据线破坏设备，见下图： 图2-3l 通过电阻性耦合方式经中线及地线破坏设备，如下图：图2-4上述各种耦和会产生高达6000伏（根据BS6651，CCITT，LIT，IEEE及我国相关标准）的瞬间电压而破坏电子设备。2.3 安徽省雷暴的统计情况2.3.1 年际变化根据19612000年40年的雷暴统计资料表明，安徽省平均每年出现32.1个雷暴日，属中雷区。年际变化大，最多年份多达62个，出现在1964年；最少年份为12个，出现在1999年。60年代（19611970年）共出现449个雷暴日，70年代（19711980年）共出现342个雷暴日，80年代（19811990年）共出现278个雷暴日，90年代（19912000年）共出现244个雷暴日，60至70年代中期，年雷暴日数基本维持在3060个左右，之后则基本维持1540个左右，安徽省的雷暴日有减少的变化趋势，由图1可以看出，年雷暴日数5年滑动平均呈缓慢下降的趋势。安徽省初雷日一般在3月中下旬出现，初雷最早出现在1969年1月26日，最迟出现在1975年6月21日；安徽省终雷日一般出现在9到10月份，最早出现在1977年8月10日，最迟出现在1996年12月31日；最长雷暴期为1996年的319天，最短雷暴期为1975年的85天。 图2-5 近年雷暴变化曲线图2.3.2 雷暴的月变化安徽省12月（1979年12月21日和1996年12月31日除外）基本无雷暴，111月均有雷暴出现，但雷暴的活跃期开始于3月份，35月占全年雷暴日数的17%，68月为雷暴的高发期，占全年雷暴日数的72%，78月达到高峰，分别占全年的32%和26%，其中7月出现的雷暴日数最多，9月份锐减至7%，1011月只占全年雷暴的1.6%。雷暴的这种明显的月变化分布特征与天气变化是密切相关的，35月北方冷空气强度逐渐减弱，西南暖湿气流日趋活跃，冷暖空气在江淮流域上空频繁交汇，因此，雷暴活动也日趋活跃；68月西太平洋副热带高压增强西伸，67月为江淮流域梅雨季节，安徽省地处副高边缘，冷暖空气在安徽省上空频繁交汇引发雷暴，出梅后，安徽省在副高控制下，温度高，湿度大，再加上周边和境内湖泊和水库较多，午后到夜里极易产生局地对流引发雷暴；7至8月份，由于受副热带高压短期变化的影响，对流活动最为活跃，所以是雷暴活动的高峰期；9月份为过渡季节，10月份以后至2月份雷暴较少出现。2.3.3 雷暴的日变化统计了19912000年10年的雷暴资料，19912000年共有244个雷暴日，其中有116个雷暴日在夜间（208时）出现了雷暴，雷暴日在夜间出现雷暴的概率约为48%。雷暴在白天（820时）的分布情况如图3所示，可以看出，安徽省雷暴的日变化非常明显，89时呈下降的趋势，912时略显平稳，1215时一直呈上升趋势，15时以后呈下降趋势，其中1417时为雷暴出现的高峰期，占了白天出现总数的51%，1516时达到最大值，约占29%。 图2-6 近年雷暴在8-20时的分布情况2.3.4 2004年雷击灾害随着安徽省经济的发展，各行各业遭受雷击的可能性大大增强，2004年一年，仅安徽省防雷中心就统计到9个企事业单位和个人遭到雷击：如：2004年68月份，安徽省供电局及所属供电所共15个变压器被击坏，总价值约78万元；安徽省晏子网吧、铜城兄弟网吧、蓝天等十几个网吧于6至7月均遭到不同程度的雷击，其中严重的信号线路被打烧，数台电脑和主机全部被打坏；安徽省二中办公室至住宅楼之间的网线遭雷击，十几个私人用户的机器接口被打坏；一私人别墅被雷击，室内电源开关、接线盒全部被打飞，天花板打出十几个小洞。雷暴灾害已严重威胁到人民生命财产安全，防雷减灾刻不容缓，且任重道远。3 发生雷击现象的分析3.1雷电波的侵入过程雷电波通常是通过变电所（35kV）临近的10kV线路侵入10kV母线，再经过10kV所用变压器高、低压绕组间的静电和电磁耦合，闯入低压出线。途中经过了10kV线路阀式避雷器、母线阀式避雷器和所用变阀式避雷器3级削峰，再经过所用变低压出线的平波作用，电压幅值大为下降。但由于雷电波的电压、能量极高，且阀式避雷器等设备技术上的局限性，虽然绝大部分的雷电能量都能在到达设备之前得以消除，但雷电波仍可能以幅值相对很高，但作用时间很短的低能量尖峰脉冲的形式，通过所用变压器的低压出线，加到变电所内所有的220V交流回路中。还有一种情况，就是感应雷电波通过调度远动系统的综合自动化设备和信号采集的二次电缆入侵，以很高的电压直接加到远动系统的信号和传送端上，造成接收和发送端模块烧坏。3.2综自设备屡遭雷害的原因变电所的保护和合闸电源直流系统的整流充电系统设计容量都比较大，电压耐受能力也比较好。而且由于大容量电池组吸收尖峰脉冲的作用，和整流回路的平波作用，加到保护装置上的脉冲电压大大降低。再加上常规的电磁式保护装置的元器件多为单元件的电阻、电容和电感线圈等，耐热容量大，对尖锋脉冲的耐受能力也比较强，所以能安全度过低能量、高电压的冲击暂态过程。但对于使用超大规模集成电路，运行电压只有数伏，信号电流仅为A级的微机装置来说，就不一定能经受得住。这就是造成微机装置损坏而常规保护装置却能安全运行的关键原因。3.3远动系统受雷害特别严重的原因首先是电源方面：调度的远动载波系统多由独立的小容量UPS供电，而这些UPS最多的是使用压敏电阻保护。在防雷和限幅能力都比较有限，保护UPS本身尚且不够，更不用说保护后接的电子设备了。实际运用中也屡屡发生UPS雷击烧毁现象，所以单从提高UPS质量方面入手难以从根本上解决问题。其次是信号端方面：变电所内的电子设备之间的连接一般很少采用屏蔽电缆，又地处雷电多发区，而变电所内的电子设备也没装设任何防雷设备，所内和沿线附件落雷都很容易在电缆中感应出很高的雷电压并通过电缆直接加到设备上，造成设备的击穿损坏。3.4高压线路接地故障（瞬时/永久性）的过流/过电压供电系统中的电感性和电容性负载开启或断开、地极短路、电源线路短路等，都能在电源线路上产生高压脉冲，其脉冲电压可达到线电压的3.5倍，从而损坏设备。破坏效果与雷击类似。由此产生的雷电过电压对电子设备的破坏主要有以下几个方面：1损坏元器件a、过高的过电压击穿半导体结，造成永久性损坏；b、较低而更为频繁的过电压虽在元器件的耐压范围之内，亦使器件的工作寿命大大缩短；c、电能转化为热能，毁坏触点、导线及印刷电路板，甚至造成火灾；2设备误动作及破坏数据文件因此，应该根据实际情况具体分析，采取相应的防雷保护措施，确保计算机系统的安全工作。4 防雷接地保护系统的整体概念图4-1 雷电保护示意图4.1根据IEC61312-1防雷分区的定义a、雷电保护区LPZ0A(0A区)该区内的各物体都可能遭受直接雷击,同时在该区内雷电产生的电磁场能自由传播,没有衰减.b、雷电保护区LPZ0B(0B区)该区内的各物体在接闪器保护范围内,不会遭受直接雷击,但该区内的雷电电磁场因没有屏蔽装置雷电产生的电磁场也能自由传播,没有衰减。c、 雷电保护区LPZ1(1区)该区内的各个物体因在建筑内，不会遭受直接雷击，流经各导体的电流比LPZ0B区更小，本区内的雷电电磁场可能衰减（雷电电磁场与LPZ0A、LPZ0B区可能不一致），这取决于屏蔽措施。d、后续防雷区LPZ2等(2区等)当需要进一步减少雷电流和电磁场时，应引入后续防雷区，并按照需要保护的系统所要求的环境选择后续防雷区的要求条件。表4-1区间不同级别防雷器的安装位置区别B级C级D级可否遭受直接雷击是否对磁场传播有衰减0A区可能遭受直接雷击没有衰减0B区不会遭受直接雷击没有衰减1区0区与1区之间的交界处不会遭受直接雷击有衰减区间1区与2区之间的交界处重要设备前端不会遭受直接雷击进一步衰减4.2防雷器分级保护原理IEC61312定义了防雷的保护分区，根据保护分区的要求需要在每个分区的交界处，安装相对应的防雷器，在LPZ0B区与LPZ1区的交界处安装B级（即第一级）防雷器，在LPZ1区与LPZ2区的交界处安装C级（即第二级）防雷器，在LPZ2区内的备前端安装D级（即第三级）防雷器。其工作原理为利用分级的防雷器，层层泄放雷电感应的能量，逐级减低浪涌电压，从而保护用户端设备。根据标准对B、C、D三级防雷器保护水平的要求表4-2防雷器保护水平防雷器安装等级B级电源防雷器4KVC级电源防雷器2.5KVD级电源防雷器1.5KV B级防雷器一般采用具有较大通流量的防雷器,可以将较大的雷电流泄放入地,达到限流的目的,同时将过电压减小到一定的程度 C、D级防雷器采用具有较低残压的防雷器，可以将线路中剩余的雷电流泄放入地，达到限压的效果，使过电压减小到设备能承受的水平。防雷保护分区和防雷器的分级应用如下图所示： 图4-2防雷保护分区和防雷器的分级应用示意图5 防雷接地保护措施概括地说，当今电子设备的防雷手段，主要采用分流、接地、屏蔽、等电位和过电压保护五种方法。5.1分流利用避雷针、避雷带和避雷网等将雷电流沿引下线安全地流入大地，防止雷电直接击在建筑物和设备上。