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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目：关于防雷、接地和电气安全的研究
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层 次： 专科起点本科
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完成日期： 2021年5月22日
变电站对于直击雷的保护一般采取装设避雷针或采用沿变电站进线段一定距离内架设避雷线的方法解决。防雷接地为防雷保护装置提供泄放雷电荷的途径，做好接地、屏蔽以及等电位连接是实施雷电防护措施的重要保障。本文就对变电站的防雷、接地和电气安全进行了研究，论文首先是全文的概括，简述了课题的背景和意义以及国内外发展现状，接着对变电站高压电力装置防雷技术进行了详细介绍，再者对接地与屏蔽技术在本文是介绍重点，例如如何防雷接地、如何防雷接地等，最后是本文的总结，指出今后的研究方向。希望本文的写作能为今后的研究做一些参考贡献。
关键词：电气设备防雷；接地；等电位
目 录
1.1 课题的背景及意义
随着现代科学技术的发展，电气设备及电子信息系统的应用越来越广泛，成为现代社会人们生活中不可或缺的一部分。在公用及民用建筑中，设备安装所占的比例越来越大。一方面，人们日常生活得到很大的方便，办公自动化使生产效率大幅度提高；另一方面，使用电气设备所隐含的危险也不断加大。因此如何采用技术手段，保护建筑物内电气设备的正常使用，电气设备的安全及电气设备的使用安全，成为摆在我们建筑机电安装技术人员面前的首要问题。
建筑物内电气设备的安全隐患主要有[1]：大自然雷电对电器设备的危害，对电子信息设备使用的影响：由于气候环境日趋恶劣，雷暴天气越来越多，对人民生活的影响也越来越大，我省的年平均雷暴日在全国是属于比较高的，雷击对电气设备的影响是多方面的，既有直接的雷击，又有从电源线路，信号线路及各种管道等侵入的雷电电磁脉冲，还有在建筑物附近落雷形成的电磁感应，以及接闪器接闪后由接地装置引起高电位反击。因此必须综合防护才能达到预期地效果。
电器设备绝缘损坏对人身的危险：随着电气设备的增多，使用过程中由于使用不当，绝缘老化或者绝缘损坏引起的电气设备不能正常使用及人身触电事故也越来越多，严重影响人们的生命安全。为了解决这些问题，我们通常采用的做法是：接地及等电位连接。
而变电站是电力系统的重要组成部分，变电站发生雷击事故，将造成大面积停电，会对电网造成较大的危害。近年来，随着我国电力变电站实现综合自动化，不仅为变电站实现无人值守和配电网实现自动化奠定了基础，而且也为供电部门提供更安全、经济、可靠和高质量的电能创造了条件，这就更加要求防雷接地措施必须十分可靠。在变电站的设计过程中，保护变电站的设备安全，提高其供电可靠性，优化防雷接地设计方案，加强变电站的防雷接地安全措施，最大程度的减少雷击事故发生，有着极其重要的意义[2]。
1.2 防雷接地保护的重要性
雷电是严重的自然灾害之一。每年因雷击所造成的人员伤亡、财产损失不计其数，雷电导致的火灾、爆炸、信息系统瘫痪等事故频繁发生。
目前，测量控制、电子信息等技术已渗透到人类社会生产和生活的各个领域，各种电子信息设备应用的范围之广、品种之多、数量之大前所未有。以微电子技术为基础的电子信息设备由于集成度高、工作电压低、运算速度快，而耐过电压、耐过电流和抗雷电电磁脉冲的能力差，极易遭受雷电的危害。特别是雷电电磁脉冲造成的损害更为严重。从卫星通信、导航到计算机网络、通信系统、监控、安全防范系统、工业测量控制系统等都已成为雷电灾害的重大灾区。
这些设备都属于微电子设备（即弱电设备），其耐过电压冲击的能力很弱，而由电源线、信号传输线、地线侵入的雷电冲击波强度却很大。通过电源线、信号传输线引入的雷电感应冲击大电流，足以使许多微电子设备遭受不同程度的损坏，并危及人身安全，造成巨额的直接经济损失。而更重要的是会导致整个网络瘫痪失控，重要数据丢失，间接经济损失不可估量。
随着社会经济建设的高速发展，平安城市建设活动的普遍开展，城市报警与监控联网系统建设已在各地普及，安全防范系统已在各行业（如火药炸药库、金融系统、交通、码头、小区、库房管理等）得到广泛应用。由于这些系统的设备分布广，线路长，不少设备置于露天，极易受到雷电的袭击，系统的防雷问题显得尤为重要和紧迫。 安防系统自身的安全，特别是雷电防护的问题已成为一个急需解决的重要问题[3]。就视频监控系统而言，大量的前端设备暴露在室外，极易受到雷电闪击或雷电电磁脉冲的侵入和感应。因此，安全防范系统的防雷问题要特别予以重视。
遭受雷击的途径:一是雷直击于变电站的设备上；二是各类架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入到变电站。
根据入侵的途径，防雷措施对策一般可分为:
（1）阻止雷电波的进入；
（2）利用保护装置把雷电波导入到接地网中。
防雷保护措施要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、特点等，选择安装适宜的保护装置。现代防雷工程的防雷对象扩大了，防雷措施增加了，防雷设计的方法也在不断发展。
变电站实现综合自动化是传统变电站二次系统的重大变革，其装置形式、功能配置以及操作方法都发生了根本性变化。利用多台微机和大规模集成电路装置组成的自动化系统，可用于控制、监测、保护、通信等等[4]。但是，由于这类装置使用了超大规模集成电路，运行电压只有数伏、信号电流仅为微安级的微机装置，
相比于传统的电磁式的各类保护装置，设备的耐热性能要差，对尖峰脉冲的耐受
能力比较脆弱，特别是雷击过电压的暂态冲击会通过变电站的电源线引入，从而引起瞬态过电压，如果不经处理，就会引起二次设备的损坏。
同时，接地是避雷技术很重要的环节，变电站接地系统的合理与否，是直接采用关系到人身和设备安全的重要问题。不管是直击雷、感应雷或其它形式的雷，采用何种类型的防雷设备，都要求将雷电流尽快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。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、使用寿命等提出了较高的要求。
1.3 防雷接地保护的研究现状
当雷电直接击中电力系统的导线部分时，会产生极高的雷电过电压，任何电压等级的设备绝缘都会难以耐受。变电站对于直击雷的保护一般采取装设避雷针或采用沿变电站进线段一定距离内架设避雷线，吸引雷电击向自身，减低雷击点的过电压，通过良好接地的装置，将雷电流迅速泄入大地。
避雷针大大增加雷击概率，这使得依附于一次设备的，目前正在大量更新的保护、监控、通信等二次设备遭受雷击的概率大大增加，损坏方式也多种多样，从而给电力生产带来很大的损失。这些二次设备防感应雷基本上靠机壳和内部元件本身，可靠性较低。当雷击使高压线路引入雷电波时，往往影响到变电站的整个低压电源系统、通信系统，导致低压电源系统中绝缘薄弱设备的某些元件损坏，如设备的电源模块，计算机监控系统等，一旦被波及往往造成接口元件击穿或烧坏。接地起着维持正常运行、保护、防雷、防干扰等作用。当接地不规范时，雷电电磁脉冲容易引起接地点之间电位差，产生的电磁场干扰二次设备的运行，严重时会损坏设备内部的电子回路[5]。接地电阻不合格，雷电引起的地电位升高，也会通过设备的接地线引入二次设备中，损坏设备的插件。所以，各接地网间必须通过合理布置接地线，等电位连接、屏蔽及装置本身的电磁兼容防护来解决设备的安全问题。
1.4 本文的主要内容
作为一个研究领域，有关防雷、接地和电气安全有很多需要研究的问题。全文共分4部分，各部分内容简介如下：第1部分为绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；第2部分对变电站高压电力装置防雷技术进行了详细介绍；第3部分介绍了接地与屏蔽技术；最后1部分是对全文的总结，并指出了研究课题的未来发展方向。
2.1 引言
建筑物的防雷设计要因地制宜地采取防雷措施，目标是要防止或减少雷击建筑物所发生的人身伤亡和财产损失，同时做到安全可靠、技术先进、经济合理。要在认真调查被保护物周围的地理、地质、土壤、气象、环境等条件，了解雷电活动规律及其特点的基础上，仔细研究防雷装置的形式及其布置。建筑物根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为三类。各类防雷建筑物都必须采取防直击雷和防雷电波侵入的措施，对于第一类防雷建筑物和部分第二类防雷建筑物还要采取防雷电感应的措施。变电站一般为第二类防雷建筑，本文以第二类防雷建筑要求，进行防雷设计[6]。
2.2 雷电参数特性
雷电是一种自然现象，它释放出的巨大能量，有极强大的破坏能力。而且雷电发生的随机性很大，关于雷电特性的各个参数需要通过大量实测，数据统计后才能确定，防雷保护设计的依据来源于这些实测数据。
2.2.1 雷电流幅值及分布概率
雷电流幅值是指物体遭到直接雷击时，经过接地电阻，被击物体中雷电流的最大值。它是表示雷电强度的指标，也是产生雷电过电压的根源，是最重要的雷电参数。
2.2.2 雷电流波形和极性
雷电流对电气设备绝缘的危险程度同雷电流波头（波前时间）陡度的大小有关。雷电流的幅值和波前时间决定了它的陡度，雷电流的陡度是指其波前随时间上升的变化率。根据实测统计，对于中等强度以上的雷电流，其波头（波前时间T）大多为1-5s，平均为2.6s。雷电流是单极性的脉冲波，75%-90%的雷电流是负极性的。
2.2.3 雷暴日
雷暴日是一年中有雷电的天数。可表征不同地区的雷电活动频繁程度，统计雷暴的严重程度。
地区雷暴日等级可根据年平均雷暴日数来划分。一般可划分为少雷区、多雷区、高雷区、强雷区。少雷区是指年平均雷暴日在20天及以下的地区；多雷区是指年平均雷暴日大于20天但不超过40天的地区；高雷区是年平均雷暴日大于40天，不超过60天的地区；强雷区是年平均雷暴日超过60天以上的地区。
