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摘要：变电站变压器接地系统的合理性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。变电所变压器接地包括工作接地、保护接地和防雷接地。工作接地是电力系统中电气设备运行所需的接地；保护接地是电气设备的金属外壳、配电装置的结构和线路铁塔等，其设置是为了避免因可能的带电绝缘而危及人身和设备的安全。防雷接地是指防雷装置对地释放雷电电流的接地。变电站变压器接地网的安全除了满足接地阻抗的要求外，对接地网的结构、使用寿命、跨步电位差、接触电位差、转移电位风险等要求更高。
关键词：变电站变压器；防雷保护；接地装置
1.1 研究背景
雷暴天气在自然界中经常发生，伴随着闪电现象的发生。雷雨造成各种事故，造成各种危害，主要是火灾甚至爆炸。闪电的发生产生巨大的能量和破坏力。巨大的雷电电流和电压对电力系统中的电力设备绝缘构成了巨大的威胁。另外，闪电产生的高温可达数万度，极易引起火灾或爆炸。因此，采取合理有效的防雷措施是防止雷击的关键。接地是防雷技术的重要组成部分。无论是直击雷、感应雷还是其他形式的雷电，都将通过接地装置引入大地。因此，如果没有合理、良好的接地装置，就不能有效地进行防雷保护。从避雷器的角度来看，使闪光器与地之间的电气连接良好的装置称为接地装置。接地装置的作用是尽快将雷电闪络电荷释放到地面，以中和地面上的不均匀电荷。
1.2 研究意义
变电站变压器是电力系统防雷的重要保护设施，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。为保证电力系统的安全运行，电力系统应根据被保护物的重要性和危险程度的不同，对于直接雷、雷电感应、雷电侵入波应采取相应的防雷保护措施。因此要求变电站变压器的防雷保护措施必须十分可靠。
所有可以说变电站变压器的防雷安全形势不容乐观，主要表现在：一是社会人民防雷安全意识不强,对雷电灾害的危害性认识不够,事不关己的态度旁观此事；二是随着社会经济的发展,雷电灾害的危害途径增多,防雷安全理念已发生巨大变化,不仅要有传统的防御直击雷,还要防感应雷的新时代,而许多地方还是采用传统的防雷方式，防雷效果较差。
2 变电站变压器的防雷保护
变电站变压器雷击的主要原因如下：
闪电是雷云接近地球时，地面感应到相反的电荷。当电荷积累到一定程度时，它们在云和云之间、云和地球之间放电，发出光和声音。在供电系统正常运行时，电气设备的绝缘在电网的额定电压下。然而，由于雷击，供配电系统的某些部分的电压会超过正常值。变电站中变压器雷击通常有两种：一种是变电站中变压器设备的雷击，另一种是架空线路的雷电感应。过电压和直接雷电过电压产生的雷电波沿线路侵入变电站。其具体表现如下：
（1）直接雷电过电压。
当雷云直接击中电源时，会形成强大的雷电流。雷电电流在供电设备上产生高压。当雷电电流通过物体时，会产生破坏性的热效应和机械效应。
（2）感应过电压。
当雷云位于架空导线上方时，由于静电感应，架空导线上会积累大量的各向异性束缚电荷。雷云向地面放电时，线路上的电荷释放，自由电荷流向线路两端，造成高过电压，对电网造成危害。
（3）雷电侵入波。
架空线路的雷电感应过电压和雷电直接过电压侵入沿线变压器，是造成变压器雷击破坏的主要原因。如果不采取保护措施，将不可避免地造成变压器电气设备的绝缘损坏，造成事故。
防雷措施一般分为两类：
①避免雷电波的进入;
②利用保护装置将雷电波引入接地网。
防雷保护措施应根据现场常见的雷击形式、频率、强度以及被保护设施的重要性、特点安装适宜的保护装置。
2.1 变电站变压器的直击雷保护
闪电放电是由带电雷云引起的。人们普遍认为，雷暴云是由水滴或冰晶在某些大气和地面条件下凝结形成的积云，因为强湿和热空气不断上升到稀薄的大气中。在强上升空气的作用下，水滴被分裂并充满电。大多数雷云底部带负电荷，顶部带正电荷。一个强大的电场形成于具有大量不同极性或电荷的雷云之间，或雷云与地球之间。当电场强度超过空气击穿强度时，空气开始自由放电，产生强雷电。大多数闪电放电发生在雷云之间。虽然有少量雷云向地面放电，但估计雷云的电位至少为100毫伏。放电通道中的电流可以达到数十千安培甚至数百千安培，雷云的温度可以上升到2万多摄氏度。变电所变压器遭受雷击的方式有：一是直接雷击变电所设备；二是雷电波侵入沿线变电所引起的架空线路雷电感应过电压和直接雷电过电压。
直击雷防护是指防止建筑物、构筑物、电网或电气设备遭受直击雷的作用。直接防雷技术是防雷系统的第一部分。它主要保护建筑物本身免受雷击损坏。在建筑物沿建筑物向地面放电的过程中，减少了巨大的雷电电流对建筑物内部空间的影响。
2.2 变电站变压器的侵入波保护
变电站变压器抗侵入波的主要措施是在进出站线路上安装阀门避雷器。避雷器安装在被保护物体的前端。上端与线路连接，下端接地。通常安装在变电站的变压器母线上。阻火器的基本组成部分是火花隙和非线性电阻。目前，SFZ系列阀式避雷器主要用于大中型变电站变压器电气设备的保护。FS系列阀门避雷器主要用于保护小容量配电装置。
限制变电站内变压器侵入波的主要设备是避雷器，避雷器与变电站内变压器的母线相连，并与受保护设备并联，使所有设备都能可靠地受到保护。
由于各级变压器母线接地故障电流不断增大，在接地设计中很难满足R<2000/I的要求。电流标准明显不同于原接地规程。不再规定接地电阻应达到0.5，但允许放宽至5。但这并不意味着接地电阻是普遍可用的。接地电阻的松弛有附加条件。为了防止传输电位的危害，应采取各种隔离措施，并考虑短路电流的非周期分量。当接地网电位升高时，3-10千伏避雷器运行后不应运行或损坏。应采取均压措施，检查接触电位差和跨步电位差是否符合要求。施工后还应测量并绘制电位分布曲线。变电站变压器接地网的设计应遵循以下原则：
建筑物基础的钢筋和天然金属接地体应尽可能作为接地网。
尽可能以自然接地体为基础，人工接地体为辅，其形状尽量为闭环。
采用统一的接地网，接地方式为一点接地。
2.3 变电站变压器的进线段保护
为了限制雷电电流的幅度和雷电波通过避雷器的波形，变电站必须对变压器线路进行保护。当线路发生过电压时，波导管向变电站变压器移动。启动值为线路绝缘50%冲击闪络电压。输电线路的冲击耐受电压远高于变电站变压器设备的冲击耐受电压。因此，在变电站变压器进出线附近安装避雷器是主要措施。如果没有安装避雷器，雷击会损坏线路。变电所变压器线路保护是在变电所变压器线路框架附近1-2公里线路上采取的可靠的防雷措施。变电站变压器线路保护的具体措施取决于变电站变压器的线路状况。
3 变电站变压器的防雷接地
3.1 接地概述
接地是将电力或建筑电气装置、设施的某些导电部分通过接地线与接地极连接。接地按工作内容分为以下几类：
（1）工作接地
工作接地是指系统正常运行的接地。例如，为了降低电力设备的绝缘水平，上述电力系统应采用中性点接地的运行方式，两路一地的双极高压直流输电也应采用中性点接地。除主要设备的接地外，根据电路的不同性质，还有各种工作接地，如直流接地、交流接地、数字接地、模拟接地、信号接地、电源接地、电源接地等。
（2）防雷接地
为了避免雷电的危害，避雷针、避雷器等防雷设备必须配备相应的接地装置，以便将雷电电流引入大地。
（3）安全接地
为保证人身安全，电气设备外壳接地。任何接地极都存在接地电阻。因此，当电流通过接地极时，接地电阻上的电压降会使接地极电位上升的电流在地面上扩散，在地面上会出现电位梯度。
3.2 接地电阻
地球不是理想的导体，它有一定的电阻率。因此，当外力作用于地球上的电流时，地球就不能保持相等的电位。
接地电阻是电流从接地装置流向另一接地体或扩散到远处时产生的电阻。包括接地线与接地体本身的电阻、接地体与接地电阻的接触电阻、接地电阻或两接地体之间无限距离的接地电阻。
1.《电力设备接地设计技术规范》中规定了接地电阻，一般不大于0.5Ω。在土壤电阻率较高的地区，当接地装置要求规定的接地电阻在技术上和经济上不合理时，大接地短路电流系统的接地电阻可达到5Ω，但应采取电位隔离措施，防止高电位感应、检查接触电位、跨步电压等。按规定，主要目的是控制接地故障发生时接地电位的增加不超过2000V，二是要求接地电阻不超过0.5和5。因此，一般认为110kV及以上变电站接地电阻值小于0.5Ω，即合格，大于0.5Ω不合格，无论有多少短路电流，采取措施都是不合理的。
2.分析接地短路电流在系统发生接地故障时，接地短路电流通过三种方式流入系统接地中性点。
a.经架空地线—杆塔系统；
b.经设备接地引下线，地网流入本站内变压器中性点；
c.经地网入地后通过大地流回系统中性点。而对地网接地电阻起决定性作用的只是入地短路电流。
3.3 变电所接地装置
接地装置是由埋入地中的接地体（即金属导体）和连接接地体与电气设备金属外壳（或电路中某一节点）的导线所组成的装置。
接地体及接地线要进行防腐蚀处理。接地线还必须满足机械强度及短路电流通过时的发热稳定性要求。
变电站变压器对接地装置的要求和一般规定
接地设计首先根据项目要求确定接地设计原则：根据地网的类型、目的、接地要求进行设计。
4 变电所防雷接地设计实例
4.1 变电所的规模
拟建110kV变电站变压器位于中国大部分农村地区。设计和安装避雷器，用于变电站变压器的直接防雷，设计和安装变电站变压器的雷电侵入波保护。
变电所变压器接地网一般采用40 m m*4 m m扁钢或直径20 m m圆钢成方孔或长孔布置，埋深0.6-0.8 m，宜埋在北方冻土层以下。其面积与变电所变压器相同或略大。埋于变电所变压器外壁，距墙1.5-2米，外缘应封闭，外缘转角应做成圆弧。半径不应小于接地网平衡带间距的一半。在网络中铺设的均衡带间距一般为3-10米，可以均匀或不均匀布置，但应按一定的规则改变。
表4.1 变电站变压器相关参数
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图4.1 110kV变电站变压器电气接线图
4.2 避雷针的选择
避雷器是专门用以限制过电压的一种电气设备，它实质是一个放电器，与被保护的电气设备并联，当作用电压超过一定幅值时，避雷器先放电，限制了过电压，保护了其它电气设备。
目前在新建或技术改造的变电所中，一般都选用氧化锌避雷器，作为电力变压器等电气设备的大气过电压、操作过电压及事故过电压的保护设备。氧化锌避雷器与阀型避雷器相比，具有残压低、无续流、通流容量大、性能稳定和动作迅速等优点。
避雷器的配置原则如下：
①配电装置的每组母线上均应装设避雷器。
②旁路母线上是否应装设避雷器，应视当旁路母线投入运行时，避雷器到被保护设备的电气距离是否满足而定。
③330kV 及以上变压器和并联电抗器处必须装设避雷器，并应尽可能靠近设备本体。
④110kV 及以下变压器到避雷器的电气距离超过允许值时，应在变压器附近增设一组避雷器。
⑤三绕组变压器低压侧的一相上宜装设一台避雷器。
（1）110kV侧避雷器的选择
①按额定电压选110kV系统最高电压230kV，相对地电压为230/
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=132.8kV，避雷器相对地电压为
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，取避雷器额定电压为204kV。
②按持续运行电压选择110kV系统相电压132.8kV，选择氧化锌避雷器持续运行电压152kV，此值大于132.8kV。
②标称放电电流的选择110kV氧化锌避雷器标称放电电流选择10A。
④雷电冲击残压的选择110kV额定雷电冲击内绝缘耐受电压为786kV，计算避雷器标称放电电流引起的雷电冲击残压为
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（4-1）
选择氧化锌避雷器雷电冲击电流下残压（峰值）为532kV。
⑤校核陡坡冲击电流下的残压110kV变压器类设备的内绝缘截断雷电冲击耐受电压为882kV，计算陡坡冲击电流下的残压为
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（4-2）
选择陡坡冲击电流下残压（峰值）为596kV。
⑥操作冲击电流下的残压110kV变压器线端操作波试验电压为550kV，计算变压器110kV侧操作冲击电流下的残压为
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（4-3）
选择操作冲击电流下峰值残压为454kV。
⑦根据上述计算和校核，选择Y10WF-204/532型避雷器YH10WZ1-204/532型号说明如下：
Y—金属氧化物
H—复合型避雷器，
10—8us/20us波形标称放电电流：10k A，
W—无间隙
Z—陶瓷式
204—避雷器额定电压
532—残压，标称放电电流为10KA时的残压不大于532。
参数如下：
使用场所：110kV系统；裙数：58；爬电比距（cm/KV）：2.5；避雷器额定电压（kV）：204；避雷器持续运行电压（kV）：152；直流1m A参考电压下不小于（kV）：296；标准放电电流（8/20μs）下的最大残压峰值（kV）：532；操作冲击（30/60μs）下的最大残压峰值（kV）：454；陡波下的最大残压峰值（kV）：596；2ms方波电流幅值（A）：800。
（2）选型结果
本设计中110kVⅠ、Ⅱ段母线采用南阳市丰电避雷器有限公司Y10WF-204/532型避雷器；1号、2号主变110kV侧采用明电舍（郑州）电气工程有限公司Y10WF-204/532型；20kVⅠ、Ⅱ段母线、1号、2号主变20kV侧采用明电舍（郑州）电气工程有限公司Y10WF-100/260S型避雷器；20kV中性点采用大连蓝电避雷器有限公司HY5WZ-72/186型避雷器；10kVⅠ、Ⅱ段母线及出线采用宜宾电子元器件厂HY5WZ-17/45型避雷器。
4.3 避雷针的设置及防雷保护校验
该110kV变电站变压器主变压器容量2500kV•A，电压为35/10.5kV，中性点不接地，经消弧线圈接地。最大运行方式下，低压母线三相短路电流为4.25kA，单相短路电流为10.8kA。低压侧主保护动作时限为0.7s。变电站变压器范围为长为50m,宽为40m。
变电站变压器电源进线为一回110kV架空线路，导线型号为LJ-95，3km长。电源变电站变压器110kV母线最大运行方式下短路容量500MV•A，单相接地电容电流为15A。110kV出线继电保护动作时限为1.4s。功率因数要求不小于0.9。
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图4.2 35/10.5KV变电站变压器接地网示意图
接地设计步骤如下。
接地电阻要求值 因为中性点不接地、经消弧线圈接地，仅供高压电气装置接地保护用时，要求
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确定土壤电阻率 考虑季节变化，土壤电阻率应乘以季节系数
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，所以最大电阻率为：
选择接地体及确定接地装置型式 选角钢L50×50×5，长3.5m做垂直接地体；并选扁钢40mm×5mm做水平接地体，构成以垂直接地体为主的复式接地装置。
接地装置在距变电站变压器建筑物外墙1.5m处，呈环路闭合的长孔型布置，中间加一条均匀带。垂直接地体间距取6～7m，沿闭合环路垂直打入地中，上端用扁钢连接，扁钢埋地0.5～0.7m。高、低压配电装置角钢基础及变压器底部钢轨均通过不少于2根的接地线连接到接地装置上。变电站变压器各室出入口敷设帽檐式均压带或铺设沥青路面（变电站变压器无自然接地体）。
单根垂直接地体的接地电阻
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2）初定垂直接地体根数，确定屏蔽系数 因闭合接地装置的周长L=[(1.5×2+50)+(1.5×2+40)]×2=192m，接地体间距a=6～7m，故垂直接地体根数约为 n=L/a=32～27.5根
实取 n=30 根
按n=30及
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，查得
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接地装置的接地线（即连接扁钢）热稳定性校验
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选接地线40×5=200mm2>Smin 合格
防雷接地
110kV变电站变压器采用独立避雷针。避雷针的接地线埋在接地部分，配电装置的接地导体埋在3米以上的土壤部分，变电所变压器电气装置的接地装置采用以水平接地极为主体的人工接地网，水平接地接地极采用扁钢50mm x5mm，垂直接地极采用角钢50mm x5mm，垂直接地为垂直接地。电杆间距5-6米，主接地网接地装置的电阻不大于4Ω，主接地网埋于冻土1米以下。人工接地网外缘应封闭，外缘角应做成圆弧。
4.4 接地装置的设置
无论是工作接地还是保护接地，都是经过接地装置与大地连接，接地装置包括接地体和接地线两部分。
1.接地体（网）
待设计变电所为长方形，则接地网也可取为长方形，若取直径为48mm，长为250cm的钢管作接地体，埋深0.8m,接地体之间连接一般用镀锌扁钢，应保证接地地电阻R≤4Ω。
2.接地线
接地线是连接接地体和电气设备接地部分的金属部分的金属导体，一般接地采用截面积不小于4mm×12mm的扁钢，直径不 应小于6mm的圆钢。
结语
本文在分析和研究农村110kV变电站雷电过电压放电过程及其机理的基础上，重点进行了农村110kV变电站的防雷设计。根据各种防雷装置的保护原理，设计安装了避雷器，用于变电站变压器的直接防雷，设计安装了变电站变压器的雷电侵入波保护。同时，结合基础接地知识和变电站变压器接地标准，对110kV变电站变压器进行了接地保护设计。根据国家防雷接地标准，理论和计算可以得出以下结论：
通过本次毕业设计，我基本掌握了变电站变压器防雷设计的基本思路和实施步骤。在设计和论文写作的整个过程中，导师在各个方面给予了全面的指导和帮助。教师的渊博学识、求实创新、勤奋严谨的学习作风、忘记工作作风，一直影响着我。教师的因材施教精神和孜孜不倦的教学给学生留下了深刻的印象，这将使我终生受益。在此，我向我尊敬的导师和家庭成员表示衷心的感谢和衷心的祝愿。
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致 谢
本论文是在导师的谆谆教诲和指导下完成的，从选题、构思到定稿无不渗透着导师的心血和汗水；导师渊博的知识和严谨的学风使我受益终身，在此表示深深的敬意和感谢。
这次写论文的经历也会使我终身受益，我感受到，做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程。没有认真学习和钻研，自己就不可能有研究的能力，就不可能有自己的研究，就不会有所收获和突破。希望这个经历，在今后的学习和生活中能够继续激励我前进。
另外，还要特别感谢我的家人，他们时刻关心我，给我提供了学习的机会，时时刻刻为我鼓劲、为我加油，进而促使我不断成长和进步。同时，也要感谢寝室的室友以及所有关心我的朋友，感谢他们陪伴我走过了很多美好的时光，在我遇到困难时他们关心我、帮助我。在完成毕业论文的过程中，很多朋友都给了我无私的帮助和支持，在此表示由衷的谢意！
最后，因本人水平有限，论文肯定还有不少不足之处，恳请各位老师批评指正，我希望可以有机会继续去完善，我将不断努力继续充实自己。