西南交大电气学院一次系统课程设计.doc

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1、课程设计（实训）报告题 目一次系统课程设计专 业电气工程及其自动化班 级电气2012-02班学 号20121334姓 名指导教师电气工程学院二一五年十月 至 二一五年十二月课程设计任务书学生姓名学生学号20121334学生专业电气工程及其自动化学生班级电气2012-02班发题日期 2015年10月26日完成日期 2015年12月17日课程名称一次系统课程设计指导教师设计题目某变电所防雷接地及绝缘配合方案设计课程设计主要目的：变电所是供电系统的枢纽，为了保证变电所的正常运行，以及发生异常情况时变电所的人员与设备的安全，在进行高压设备布局设计前，需要确定其高压绝缘配合标准，并根据长期发展规划要求进

2、行地网设计，同时为了避免雷电对变电所的危害，需要给出避雷针的布置方案，确定避雷针的防雷保护范围。本课程设计通过模拟某变电所的防雷接地与绝缘配合方案设计，掌握电力系统接地及过电压防护的相关规程，以及绝缘配合及防雷接地设计流程，并掌握一些重要参数的计算方法。课程设计任务要求：（包括原始数据、技术参数、设计条件、设计要求等）原始数据：土壤勘测数据如下表所示，测量时间为秋季，季节系数建议取1.2深度m0.03-0.061.39-1.74（1.60-2.00）1.45-1.82（1.60-2.00）大气中等污染地区，权盐碱和炉烟污秽地区，离海岸盐场3-10km地区，在污闪季节中潮湿多雾（含毛毛雨）但雨量

3、较少时0.06-0.101.74-2.17（2.00-2.50）1.82-2.27（2.00-2.50）大气污染较严重地区，重雾和重盐碱地区，近海岸盐场1-3km地区，工业与人口密度较大地区，离化学污源和炉烟污秽300-1500m的较严重污秽地区0.10-0.252.17-2.78（2.50-3.20）2.27-2.91（2.50-3.20）大气特别严重污秽地区，离海岸盐场1km以内，离化学污源和炉烟污秽300m以内的地区0.25-0.352.78-3.30（3.20-3.80）2.91-3.45（3.20-3.80）表B 普通型悬式瓷绝缘子技术参数表产品型号公称结构高度Hmm公称盘径Dmm公

4、称爬电距离 Lmm连接型式标记额定机电破坏负荷kN逐个拉伸负荷 kN打击破坏负荷Ncm工频耐受电压kV雷电冲击干耐受电压kV工频击穿电压kV无线电干扰电压重量kgGB/T7253-1987干湿对地试验电压kV1MHz最大无线电干扰电压uVXP-7014625529516B7035565704010011010504.8XP3-7014625531016B7035565704010011010504.9XP-10014625529516B10050678704010011010505.8XP-12014625529516B12060678704010011010506.1摘要本课程设计模拟了某变

5、电所的防雷接地与绝缘配合方案设计，通过电力系统接地及过电压防护的相关规程，以及绝缘配合及防雷接地设计流程，完成了计算书，平面布置图和安全校验书组成的设计方案。本次课程设计先是选取了自己任务对应的数据再通过相关计算计算出对应的配置方案的相关系数和对应参数，对避雷针、接地网和绝缘子串进行了设计，再对应配置方案进行方案的检验和校验，合乎要求后再画出了避雷针的保护范围和76接地网的参数的设计和画图，最终完成了本此课程设计关键词：计算书 校验书 避雷针保护范围 接地装置目录第一章 保护简述71.1 设计背景71.2原始数据及参数的选取7第二章 计算书22.1避雷针的设计22.1.1避雷针高度和位置的计算

6、82.1.2避雷针设计方案验算92.2 接地网系统的设计102.2.1 土壤电阻率的计算102.2.2地网导体的选择102.2.3 接地网面积和接地电阻的计算112.2.4 接触电压和跨步电压的计算122.3 绝缘子串的选择16第三章 安全校验书183.1避雷针设计方案校验183.2 接地电阻的校验183.3 跨步电压和接触电压的校验193.4 绝缘子串的校验19第四章 平面布置图204.1避雷针保护范围204.2接地装置图21第一章 保护简述1.1 设计背景变电所是电力系统中对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所,是联系发电厂与电力用户的纽带,担负着电压变换和电能分配的重要任务。如果变

7、电所发生雷击事故,会给国家和人民造成巨大的损失，因此变电所的防雷是不可忽视的问题。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，接地系统的设计越来越复杂。变电站接地包含工作接地、保护接地、雷电保护接地。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；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；雷电保护接地即为雷电保护装置向大地泄放雷电流而设的接地。变电站接地网安全除了对接地阻抗有要求外，还对地网的结构、使用寿命、跨步电位差、接触电位差、转移电位危害等提出了较高的要求

8、。近几年来, 由于污秽等原因, 线路的跳闸率居高不下。所以，根据特定的环境条件和气象条件，设计适合当地情况的绝缘配合方案，线路绝缘的加强, 可以提高线路安全运行的可靠性, 选择合适的绝缘子串、改变线路绝缘后对变电站绝缘配合的影响, 并提出防治措施, 对保证系统的安全稳定运行具有重大的经济和社会效益。1.2原始数据及参数的选取土壤勘测数据如下表所示，测量时间为秋季，季节系数建议取1.2深度m1.21.2-1010-2020-50土壤电阻率m100270250147技术参数： 条件1 变电所面积及布置情况：面积为120*100m2，门形构架最高20米,条件2 线路等级及污秽等级：电压等级220kV

9、，环境污秽等级IV级，绝缘子型号为XP-70条件3 最大接地短路电流（保护动作时间为0.5S）Imax=4700A第二章 计算书2.1避雷针的设计2.1.1避雷针高度和位置的计算对直击雷的防护一般采用避雷针或避雷线。对于面积较大的变电所，为将防雷范围覆盖整个变电所，一般采用多支避雷针共同作用的方式进行防雷设计，由已知变电所的基本条件，设计四支等高避雷针，摆放位置如下：避雷针位置图由已知条件可得：，被保护变电所高度即变电所门型架构高度：避雷针高度计算： 其中：两根避雷线间的水平距离 高度修正系数假设 将已知数据代入式（3-1）中，其中取，算得结果：与假设相反，故，代入式（1）中，可得避雷针高度：

10、 2.1.2避雷针设计方案验算对四支等高的避雷针系统进行验算时，可以将其分解成两个三角形区域（1、2、3和1、4、3），对每个区域包含三个避雷针看成整体进行单独验算，首先，对避雷针1、2、3进行验算其保护高度为： 1、2避雷针之间的高度：2、3避雷针之间的高度：1、3避雷针之间的高度： 故高度上都满足保护高度门型架构的要求，所以这三个避雷针组成的区域保护高度满足题目要求对避雷针的保护宽度满足公式： 故1、2号避雷针保护宽度： 2、3号避雷针保护宽度： 1、3号避雷针保护宽度： 由上述计算可得三个避雷针组成的区域保护高度满足题目要求，由于避雷针1，4,3形成的保护区域与1,2,3相类似，同理经过

11、计算可得该四支避雷针形成的避雷保护区域满足题目所给的保护范围，能够保护到整个变电所区域。2.2 接地网系统的设计2.2.1 土壤电阻率的计算土壤电阻率是接地工程的一个常用参数，直接影响接地装置接地电阻的大小、地网地面电位分布、跨步电压利设备接触电压。查阅资料可得，对n层土壤的平均土壤电阻率满足以下公式：其中hi第i层土壤层的厚度 i第i曾土壤层的电阻率由设计参数中已知土壤原始数据：土壤勘测数据如下表所示，测量时间为秋季，季节系数建议取1.2深度m1.21.2-1010-2020-50土壤电阻率m100270250147将该原始数据代入上式，可得该地土壤平均电阻率：2.2.2地网导体的选择导体选

12、择首先考虑最小截面必需能满足热稳定性的要求，在此基础上考虑长期运行性能。我国接地网设计使用寿命为50年，设计时要求经过50年的腐蚀后，其剩余截面能满足导体的热稳定性要求。（1）热稳定性根据实用电力接地技术中，根据热稳定性条件，未考虑腐蚀时，接地体的最小截面应该符合： 其中： 本文选取接地网导体为圆钢材料，其热稳定系数，又从已知条件可得短路时间为，则最小截面：（1）土壤腐蚀影响考虑土壤腐蚀的影响，根据实测得到的土壤对导体的年腐蚀速度（mm/a）以及预期的地网运行寿命，就能容易地得出导体的最小截面，查阅相关资料，可知土壤对圆钢的腐蚀率约为0.065mm/a，按照50年的规划计算，可以得到圆钢直径：

13、 根据计算，取圆钢直径为10mm。2.2.3 接地网面积和接地电阻的计算(1)入地电流的计算发电厂与变电站的内部或外部发生接地短路时，流经接地装置的电流可按下式计算：其中：入地短路电流，A；接地短路时最大接地短路电流，A；厂站内部或外部短路时，避雷线的分流系数。发生最大接地短路电流时，流经发电厂变电站中性点的最大接地短路电流，A；将，代入上式，可以得入地短路电流：（2）接地网面积在计算接地网面积时，需要满足变电站接地网对接地电阻的允许值的要求，发电厂、变电所中的接地网是集工作接地、保护接地和防雷接地为一体的良好接地装置。按照工作接地要求，我国规程中给出的复合地网接地电阻允许值为：式中：R考虑到

14、季节变化的最大接地电阻（） I计算用的流经接地装置的入地短路电流（A）按照我国规程给出的复合地网接地电阻计算简化公式：代入前式中，可以得到通过上述计算，得到接地网面积取值范围，在此基础上，我们可取接地网面积为，令接地网长为，宽。（2）接地电阻将接地网面积代入式（3-2）中，可得接地电阻大小为：2.2.4 接触电压和跨步电压的计算（1）接地装置电位在我国交流电气设备接地规程中，根据继电保护装置与二次设备的耐压水平，规定变电站地网电位升不得超过2000V，接地装置的电位可按下式计算：其中：入地短路电流（A） 接地电阻（）（2）接触电压接地短路（故障）电流流过接地装置时，大地表面形成分布电位，在地面

15、上离设备水平距离为0.8米处与设备外壳，架构或墙壁离地面的垂直距离1.8米处两点间的电位差，称为接触电压差；接地网孔中心对接地网接地极的最大电位差，称为最大接触电位差。可以按照我国电力行业标准DL/T 621-1997 交流电气装置的接地的附录B中给出了非均匀布置中接触电压与跨步电压的计算方法，其中接触电压计算公式为：其中：接地装置电位（V） 最大接触电压系数对于均匀土壤中非等距分布接地网，附录给出的计算公式如下： （3-3）其中：、分别为等效直径、埋深、形状、网孔数和根数的影响系数，计算公式如下： （2-4）式中：沿长方向布置的均压带根数；沿宽方向布置的均压带根数；接地网网孔数， 水平接地网

16、埋深，；、接地网的长度和宽度，；均压带等效直径，；（3）网孔数确定根据式（3-3）可得网孔数计算公式如下： （2-5）此时、可按照下式计算当为整数时当为不整数，为了确保地网的安全，采用收尾发的到的的表达式为：根据3.2.2中的接地网导体的选择结果，地网导体等效直径，埋藏深度，结合已知条件继电保护装置动作时间，按照电力行业标准DL/T 621-1997的推荐公式计算可得最大允许跨步电压和最大允许接触电压分别为： （3-6）其中：接触电位差，V；跨步电位差，V；人脚站立处地表面的土壤电阻率，m；最大接触电压系数可以通过下式得到将各参数代入式（3-3）、（3-4）、（3-5）中，可得到地网的网孔总数

17、 （3）跨步电压计算接地短路（故障）电流流过接地装置时，地面上水平距离为0.8米的两点间的电位差，称为跨步电压差；接地网外的地面上水平距离0.8米处对接地网边缘接地极的电位差，称为最大跨步电位差跨步电压计算可按照下列公式：其中：最大跨步电压系数对于均匀土壤中非等距分布接地网，计算公式如下：式中各系数分别为等效直径、埋深、形状、网孔数和根数的影响系数，计算公式如下：其中：沿长方向布置的均压带根数；沿宽方向布置的均压带根数；接地网网孔数， 水平接地网埋深，；、接地网的长度和宽度，；均压带等效直径，；将计算得到的地网的网孔总数， 代入上式，可算得实际跨步电压为： 因为在工程中对地网进行设计和优化时，

18、首先要考虑的是地网的网孔数，而决定网孔数的指标为接触电压和跨步电压满足安全要求（如式3-6），通常情况下接触电压满足安全要求时，跨步电压一般满足要求，且前文中由（5）中计算出来的网孔数已经能够满足接触电压的安全要求，所以我们可以认为，该地网设计也已经满足跨步电压的安全要求。2.3 绝缘子串的选择除了某些500kV线路采用简化统计法作绝缘配合外，其余线路至今大多采用确定性法进行绝缘配合。因此，现以确定性法作架空输电线路的绝缘配合。以确定性法作架空输电线路的绝缘配合，主要是线路绝缘子串的选择与线路上各空气间隙的极间距离（空气间距）的确定。首先，按工作电压要求，为防止绝缘子串在工作电压下发生污闪事故

19、，绝缘子串应具有足够的沿面爬电距离。根据爬电比距的定义确定为避免污闪事故所需要的绝缘子片数为： （3-7）式中 绝缘子片数； 系统最高工作（线）电压有效值，kV； 绝缘子爬电距离有效系数； 每片绝缘子的几何爬电距离，cm。由1.2中设计参数中可以得线路等级，污秽等级IV级时集合爬电比距离取，所选绝缘子XP-70的集合爬电。将以上数据代入式（3-7）中，确定防止工作电压下污闪的绝缘子个数：其次，按操作过电压要求，绝缘子串在操作过电压的作用下，也不应发生湿闪。由于没有完整的绝缘子在操作过电压下的湿闪电压数据，近似地以绝缘子串的工频湿闪电压代替其在操作过电压下的湿闪电压。对于常用的XP-70型绝缘子

20、来说，其工频湿闪电压幅值为： （3-8）变电所操作过电压要求的变电所绝缘子串正极性操作冲击电压波50%放电电压u，应符合下式要求且不得低于变电所电气设备中隔离开关、支柱绝缘子的相应值 （3-9）其中：对范围I（3.6kVUm252kV）代之以计算用最大操作过电压，kV 变电所绝缘子串操作过电压配合系数，取1.18最大操作过电压满足： 其中：为220KV电压等级相对地计算用最大操作过电压标幺值，取3.0电压等级（线电压）代入式（3-8）中得： 故在操作过电压不发生湿闪的情况所需的绝缘子子串课根据式（3-8）得： 根据我国规定的零值绝缘子片数（如表2-1）考虑需要增加的零值绝缘子片数表2-1额定电

21、压（kV）35220330500绝缘子类型悬垂串耐张串悬垂串耐张串1223最后得出操作过电压所要求的片数为： 故最终所得到的满足操作过电压要求片数：最后，按雷电过电压要求取和中较大的片数，故确定绝缘子串片数： 由此计算出绝缘子串几何爬电总距离： 第三章 安全校验书3.1避雷针设计方案校验由题意可有： 1、2避雷针之间的高度：2、3避雷针之间的高度：1、3避雷针之间的高度： 故高度上都满足保护高度门型架构的要求，所以这三个避雷针组成的区域保护高度满足题目要求 故1、2号避雷针保护宽度： 2、3号避雷针保护宽度： 1、3号避雷针保护宽度： 由上述计算可得三个避雷针组成的区域保护高度满足题目要求，由

22、于避雷针1，4,3形成的保护区域与1,2,3相类似，同理经过计算可得该四支避雷针形成的避雷保护区域满足题目所给的保护范围，能够保护到整个变电所区域。3.2 接地电阻的校验由3.3中（2）关于接地电阻的计算可以估算得接地电阻，对该结果进行检验，应该满足规程中给出的复合地网接地电阻允许值为：将入地短路电流代入上式，可以得到： 故接地电阻取值满足古河接地网电阻的允许值。3.3 跨步电压和接触电压的校验（1）跨步电压校验在发生接地短路时，接地网外的地表面的最大跨步电位差 （66）对该结果进行检验，按照电力行业标准DL/T 621-1997的推荐公式计算可得最大允许跨步电压由3.2.5中式（3-6）得到

23、 ：所以实际跨步电压满足规程所给要求。（2）接触电压校验由文中3.2.5中（2）根据实际算出的参数计算得到了实际接地网接触电压为： 对该结果进行检验，按照电力行业标准DL/T 621-1997的推荐公式计算可得最大允许跨步电压由3.2.5中式（3-6）得到 ：所以实际接地网接触电压满足规程所给要求。3.4 绝缘子串的校验通过文中3.3的计算，最终设计的绝缘子串数为，由于没有完整绝缘子操作过电压的湿闪电压数据，代入式（3-8）可得绝缘子串近似的操作过电压： 结合式（3-9）所算得的变电所电气设备中隔离开关、支柱绝缘子的相应值进行比较： 经验算可得，该绝缘子串耐雷水平能够满足变电所操作过电压的要求

24、。经检验，设计中避雷针的保护高度、接地电阻阻值、跨步电压与接触电压、绝缘子实际爬距均已满足要求的指标，符合我国变电站绝缘配合设计的要求。第四章 平面布置图4.1避雷针保护范围在保护范围内被保护物不致遭受雷击。由于放电的路径受很多偶然因素影响，因此要保证被保护物绝对不受雷击是非常困难的，一般采用 0.1% 的雷击概率即可。避雷针(线)的保护范围是用模拟试验及运行经验确定的。本设计中，由于待保护对象为的变电所，故采用四根等高避雷针的防护方案，原理图如图1四根避雷针保护范围，图二为单根等高避雷针保护范围，图三为两根等高避雷针保护范围。图1 四根避雷针保护范围图2单根等高避雷针保护范围图3 两根避雷针

25、保护范围4.2接地装置图根据均匀土壤中矩形接地网的优化方法中推导出的计算方法可得编号为的接地体位置的计算表达式为 式中 n接地网边长方向的网孔数;a接地网边长，m。我们首先计算较长边上7根接地导体的位置 同理，计算较短边上6根接地导体位置如下所示 由以上点位点我们可绘制接地导体位置布置如图4所示图4在横向坐标有0,7.45,25.74,51.70,78.90,104.26,122.55和130，纵向坐标有0,8.32,28.45,55,81.55,101.68。总结本此课程设计主要是做了变电站的避雷装置的设计，通过模拟某变电所的防雷接地与绝缘配合方案设计，掌握电力系统接地及过电压防护的相关规程，以及绝缘配合及防雷接地设计流程，并掌握一些重要参数的计算方法。在期间面临了很多困难，通过自己认真学习相关资料和小组其他成员的耐心帮助下最终完成了本此课程设计，收获颇丰，为以后的工作打下了基础，相信能够让自己的专业水平更上一层楼。