1 绪论
雷电放电作为一种强大的自然力的爆发是难以制止的，产生的雷电过电压可高达数十，甚至数百千伏，如不采取防护措施，将引起电力系统故障，造成大面积停电。
雷电事故在现代电力系统的跳闸停电事故中占有很大比重，除了那些地处寒带和那些雷暴日数很少的国家和地区外，各国莫不对电力系统的防雷保护给与很大的注意。目前人们主要是设法去躲避和限制雷电的破坏性，基本措施就是加避雷针、避雷线、避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等防雷保护装置。避雷线、避雷针用于防止直击雷过电压，避雷器用于防止沿输电线路侵入变电站的感应雷过电压。
雷电对电力系统的破坏非常严重，主要有以下几个方面的影响:(1)雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压，其幅值可高达数十万伏，甚至数兆伏，电力系统一般是难以忍受的，它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因。(2)雷电放电所产生的巨大电流，会产生极大的破坏作用，雷电流通过被击物体时，产生大量的热，使物体燃烧。被击物体由于突然受热，急剧膨胀，还可能被劈裂。所以当雷云向地面放电时，常常发生房屋倒塌，损坏或引起火灾，发生人畜伤亡。
输电线路是电力系统的大动脉，担负着将发电厂的生产和经过变电所变压后的电力输送到各地的用电中心的重任。架空输电线路往往穿越山岭旷野，纵横延伸，遭受雷电袭击的机会很多，因而线路的雷击事故在电力系统总的事故中占有很大的比重。输电线路防雷保护的根本目的就是尽可能的减少线路雷害事故的次数和损失。
变电站和发电厂是电力系统的枢纽，一旦发生雷害事故，将造成大面积停电；而且变电站内主要电气设备的内绝缘没有自恢复能力，万一受到雷害损坏，修复起来十分困难，势必延长停电时间，严重影响国民经济和人民生活。因此，发电厂和变电站的防雷保护要求十分可靠。电力系统中的雷电过电压虽大多起源于架空输电线路，但因过电压波会沿着线路传播到变电所和发电厂，因而电力系统的防雷保护包括了线路、变电所、发电厂等各个环节。
雷电是一种可怖而又壮观的自然现象，我国东周时《庄子》上有记载：“阴阳纷争故为电，阴阳相争故为雷，阴阳交错，天地大骇，于是有雷，有霆。”
雷电是由雷云(带电的云层)对地面建筑物及大地或两块带异号电荷的雷云之间的自然放电现象。雷电放电时，产生强大的雷电冲击电流，会产生巨大的电磁效应、机械效应、热效应，也会对电力设备造成严重的破坏。因此，对雷电的形成过程及其放电条件应由所了解，从而采取适当的措施，预防或限制雷电所带来的危害。
雷电放电起源于雷云的形成，而雷云的形成过程至今尚无定论，比较广泛认同的是水滴分裂理论。
当大水滴分裂成水珠和细微的水沫时，会出现电荷分离现象，大水珠带正电，小水珠带负电。在特定的大气和地形条件下会出现强大而潮湿的上升气流，造成云层中的水滴分裂起电，细微水沫带负电，被上升气流带往高空，形成大片带负电的雷云；带正电的水珠或者凝聚成雨滴落向地面，或者悬浮在云中，形成雷云下部的局部正电荷区。但在雷云的顶部往往充斥着正电荷，这是因为，在离地面4～5km的高空，大气温度常处
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于-10～-20℃。因而此处的水分均已变成冰晶，它们与空气摩擦也会起电，冰晶带负电，空气带正电。带正电的气流携带着冰晶碰撞时造成的细微碎片向上运动，使雷云上部充满正电荷，而带负电荷的大粒冰晶下降到云的下部时，因此处气温已在0℃以上，冰晶融化成为带负电的水滴。
由上述可知:整块雷云可以有若干个电荷中心，负电荷中心位于雷云下部，距地面500～10000m范围内。直接击向地面的放电通常从负电荷中心的边缘开始。当天空出现雷云后，雷云中的负电荷会在地面上感应出大量正电荷。这样一来，在雷云与大地之间或两块带异号电荷的雷云之间会形成强大电场，二者之间的电位差可高达数兆伏甚至数十兆伏，但因距离很大，平均场强仍很少超过100kv/m。一旦在个别地方出现能使该处空气发生电子崩和电晕的场强时，就可能引发雷电放电。雷电有几种不同形式，如线状雷电、片状雷电、球状雷电，以下将主要探讨“云一地”之间的线状雷电，因为电力系统中绝大多数雷电事故都是这种雷电所造成的。
变电站是电力系统重要的组成部分，变电站发生雷击事故，将造成大面积的停电，会对电网形成较大的危害，这就要求防雷措施必须十分可靠。
变电站遭受的雷击主要来自两个方面：一是雷直击在变电站的电器设备上；二是架空线路的感应雷过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站。因此，直击雷和雷电侵入波对变电站进线及变压器的破坏的防护十分重要。
本设计是针对变电站的防雷保护，就雷害不同的来源采取相应的保护措施:雷直击于变电站时，装设避雷针、接地装置；雷击输电线路产生的雷电过电压波沿线路入侵变电站，采用进线段保护和安装避雷器；同时本设计还将对输电线路的防雷性能进行计算。设计使我们学到的知识升华，学习的的最终目的是创新，这次设计必然会使我们每个同学的个人能力得到提高，设计中我们发现自己知识的不足，不断地“温故而知新”，不断地充实自己，设计中还恳请老师给予指导，使我们的设计更加完善。
2直击雷的防护
直击雷在雷暴日活动区域内，雷云直接通过建筑物或设备等对地放电所产生的电击现象，称之为直接雷击。此时雷电主要破坏力在于电流特性，雷电击中建筑物或设备时，强大的雷电流转变成热能。因此雷电流的高温热效应将灼伤人体，引起建筑物燃烧使设备部分熔化。在雷电流流过的通道上，物体水分受热汽化而剧烈膨胀，产生强大的冲击机械力，可使建筑物结构、设备部件等断裂破碎，从而导致建筑物破坏，以及设备毁坏等。
直击雷的防护都是采用避雷针、避雷线、避雷网作为接闪器，然后通过良好的接地引下线和接地装置迅速而安全把它送入大地，它可以有效地防止雷击损坏建筑物，并大大降低了雷电直接击中设备的可能性，起到了防雷的作用。避雷装置中避雷针都是处于地面上的最高处，与雷云的距离最近，而且与大地有良好的电气连接，在避雷针的尖端形成了一个局部强电场，所以它比较容易吸引雷电先导，使其放电集中到它上面，同时采用接地装置降低雷电通过时的低电位来保护电气设备。避雷针比较适宜像变电站，发电厂那样相对集中的保护对象，而像架空线那样伸展很长的保护对象应采用避雷线。
2.1 避雷针的介绍和计算原理
当雷电直接击中电力系统中导电部分（导线、母线）时，会产生极高的雷电过电压，任何电压等级的系统绝缘都将是难以忍受的，所以在电力系统中需要安装直接雷击的防护装置，广泛采用的即为避雷针和避雷线。见图2-1：
图2-1 避雷针的简图
避雷针是一种简单的防直击雷装置。其最大优点是结构简单，安装方便，成本低廉，便于维护。避雷针经过两百多年来在全世界千百万建筑物上的防雷实践，证明它是一种可靠而有效的避雷装置。
避雷针的保护原理:在雷雨天气，高楼上空出现带电云层时，避雷针和高楼顶部都被感应出大量电荷，由于避雷针针头是尖的，当出现静电感应时，导体尖端总是聚集了最多的电荷。这样，避雷针就聚集了大部分的电荷。空间电场已受到地面的一些高耸的导电物体畸变的影响，在这些物体的顶部积聚许多异号电荷而形成局部强场区，甚至可能向上发展迎面先导，由于避雷针均高于被保护对象，它们的迎面先导往往开始得最早，发展最快，从而最先影响下行的先导发展方向，避雷针又与这些带电云层形成了一个电容器，由于它比较尖，即这个电容器的两极板正对面积很小，电容也就很小，也就是说它能容纳的电荷很少。而它又聚集了大部分的电荷，所以，当云层上电荷较多时，避雷针与云层之间的空气就很容易被击穿，形成导体。这样，带电云层与避雷针形成通路，将电荷导入大地，使其不对高层建筑构成危害。
避雷针的保护范围:被保护物体在此空间内不致受到雷击。我国有关标准所推荐的避雷针保护范围是根据高压试验中大量的模拟实验结果，并经过多年实际运行经验校核后得出的。实验不考虑电流具体数值的影响，保护范围是按照保护概率99.9%（即屏蔽失效率或绕击率0.1%）确定的。所以，保护范围只是具有相对意义，即保护范围不是保险的，而是相对于某一概率而言的。
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2.1.1避雷针的保护范围计算公式
（一）单支避雷针保护范围的计算公式
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
图2-2 单只避雷针的保护范围
与图2-2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
h当 hx ? 时，rx = ( h - hx )P （2-1）
2当 hx<
h2时，rx = ( 1.5 h -2 hx ) P （2-2）
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h?30m时 P=1；
当30m< h
? 120m时 P=305.5?。 hh不难看出，最大的保护半径即为地面上（hx=0）的保护半径 rg?1.5h。 从h越高、修正系数P越小可知: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。