供電系統(tǒng)的保護接地與防雷

內(nèi)容提要：本章概述供電系統(tǒng)的保護接地與防雷保護。

第5章供電系統(tǒng)的保護接地與防雷第5章供電系統(tǒng)的保護接地與防雷第一節(jié)供電系統(tǒng)的保護接地第二節(jié)供電系統(tǒng)的防雷保護第一節(jié)供電系統(tǒng)的保護接地

一、電流對人體的危害

電流對人體的傷害程度與通過人體電流的強度、持續(xù)時間、頻率、路徑及人體健康狀況等因素有關(guān)。電流大小不同，引起人體的生理、病理效應不同。我國規(guī)定觸電時間不超過ls的安全電流為30mA(50Hz)

。一般情況下通過人體的工頻電流超過50mA時，心臟就會停止跳動，發(fā)生昏迷，并出現(xiàn)致命的電燒傷。工頻l00mA電流通過人體時，很快使人致命。圖5-1是人體觸電時間與通過人體電流對人身機體反應的曲線二、接地和接地裝置

1．接地的基本概念

電氣設(shè)備的某部分與大地之間做良好的電氣連接，稱為接地。接地裝置是由接地體和接地線兩部分組成的。埋入地中并直接與大地接觸的金屬導體，稱為接地體或接地極。接地體與電氣設(shè)備的金屬外殼之間的連接線，稱為接地線。由若干接地體在大地中相互用接地線連接起來的一個整體，稱為接地網(wǎng)。

2．接地裝置的構(gòu)成

接地裝置是由接地極(埋入地中并與大地接觸的金屬導體)和接地線(電氣裝置、設(shè)施的接地端子與接地極連接用的金屬導電部分)所組成。由若干接地極在大地中相互連接而組成的總體，稱為接地網(wǎng)。

接地電流、對地電壓及接地電流電位分布曲線

當電氣設(shè)備發(fā)生接地故障時，電流就通過接地體向大地作半球形散開，這一電流稱為接地電流－IE。試驗表明，在距單根接地體或接地故障點20m左右的地方，實際上散流電阻已趨近于零，電位為零的地方，稱為電氣上的“地”或“大地”。電氣設(shè)備的接地部分與零電位的“地”（大地）之間的電位差，就稱為接地部分的對地電壓，如圖中的UE。

3．接地裝置的散流效應

跨步電壓和接觸電壓示意圖

接觸電壓是指設(shè)備的絕緣損壞時，在身體可同時觸及的兩部分之間出現(xiàn)的電位差。

跨步電壓是指在故障點附近行走，兩腳之間出現(xiàn)的電位差4．接地電阻的組成及電力系統(tǒng)對接地電阻的要求

a)土壤電阻:土壤電阻的大小用土壤電阻率表示。土壤電阻率就是的正立方體土壤的電阻值。b)接地線:自然接地線包括建筑物的金屬結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)用的金屬構(gòu)架如吊車軌道、配電裝置外殼，布線的鋼管，電纜外皮以及非可燃和爆炸危險的工業(yè)管道等。c)接地極:自然接地極主要有：地下水管道，非可燃、非爆炸性液、氣金屬管道；建筑物和構(gòu)筑物的金屬結(jié)構(gòu)和電纜外皮。（2）電力系統(tǒng)對接地電阻的要求電力系統(tǒng)在不同情況下對接地電阻的要求是不同的。具體內(nèi)容見表5-3（1）決定接地電阻的因素

5．工頻接地電阻的計算(1)人工接地極工頻接地電阻的計算不同類型的單個接地極的接地電阻計算公式，在設(shè)計手冊中均有介紹，讀者可根據(jù)需要參考有關(guān)設(shè)計手冊。在實際的供電系統(tǒng)設(shè)計中，往往單個接地極的接地電阻不能滿足某些系統(tǒng)對接地電阻的要求，因此，必須將數(shù)根接地極進行并聯(lián)成組?！斯そ拥貥O(以鋼管為例)單根電阻()

——接地極的根數(shù)

——接地極組的利用系數(shù)，根據(jù)接地極布置情況，根數(shù)及其間距而定；設(shè)計時可查閱相關(guān)設(shè)計手冊

——人工接地極組的總電阻值()

組合接地極是用扁鋼連接的——長度為z的扁鋼考慮利用系數(shù)時的電阻值()?！L度為z的扁鋼，未考慮利用系數(shù)影響前的電阻值()?！怃摰睦孟禂?shù)。設(shè)計時可查閱相關(guān)設(shè)計手冊。人工接地網(wǎng)的總接地電阻人工接地極組的總電阻為鋼管數(shù)扁鋼6.

沖擊接地電阻的計算沖擊接地電阻——沖擊接地電阻()

——接地體的沖擊系數(shù)

——工頻接地電阻()三、保護接地

為保證人體觸及意外帶電的電氣設(shè)備時的人身安全，而將電氣設(shè)備的金屬外殼進行接地即為保護接地（又稱安全接地）依據(jù)低壓配電系統(tǒng)的對地關(guān)系、電氣設(shè)備（或裝置）的外露可導電部分的對地關(guān)系以及整個系統(tǒng)的中性線（neutralwire，簡寫N線）與保護線（protectivewire，簡寫PE線）的組合情況，低壓配電系統(tǒng)接地型式有IT系統(tǒng)、TT系統(tǒng)和TN系統(tǒng)（包括TN-C、TN-S、TN-C-S系統(tǒng)）共5種。

1、

IT系統(tǒng)

電源小電流接地系統(tǒng)的保護接地方式，電氣設(shè)備的不帶電金屬部分直接經(jīng)接地體接地

電氣設(shè)備的保護接地（IT系統(tǒng)）

2、

TT系統(tǒng)

配電系統(tǒng)的中性線N引出，但電氣設(shè)備的不帶電金屬部分經(jīng)各自的接地裝置直接接地

TT系統(tǒng)

3、

TN系統(tǒng)

TN系統(tǒng)

TN系統(tǒng)TN－C系統(tǒng)TN－S系統(tǒng)TN－C－S系統(tǒng)整個系統(tǒng)的中性線N與保護線PE是合在一起的，電氣設(shè)備不帶電金屬部分與之相連。配電線路中性線N與保護線PE分開，電氣設(shè)備的金屬外殼接在保護線PE上。TN-C和TN-S系統(tǒng)的綜合，電氣設(shè)備大部分采用TN-C系統(tǒng)接線，在設(shè)備有特殊要求場合局部采用專設(shè)保護線接成TN-S形式四、共同接地與重復接地

1、共同接地

要想用簡單可靠的方法保證安全，就應當采取共同接地的方式(見圖5-9)。這樣就可以將兩相分別接地短路變成相間短路，迅速使保護裝置動作。圖5-9共同接地

2、重復接地同一低壓系統(tǒng)中，不能有的采取保護接地，有的又采取保護接零，否則當采取保護接地的設(shè)備發(fā)生單相接地故障時，采取保護接零的設(shè)備外露可導電部分將帶上危險的電壓。中性點不接地系統(tǒng)中的設(shè)備不允許采用保護接零。因為任一設(shè)備發(fā)生碰殼時都將使所有設(shè)備外殼上出現(xiàn)近于相電壓的對地電壓，這是十分危險的。在中性線上不允許安裝熔斷器和開關(guān)，以防中性線斷線，失去保護接零的作用，為安全起見，中性線還必須實行重復接地，以保證接零保護的可靠性。在中性點直接接地的低壓電力網(wǎng)中采用接零時，將零線上的一點或多點再次與大地作金屬性連接，稱為重復接地。重復接地可在系統(tǒng)中發(fā)生碰殼短路時降低零線的對地電壓，減輕觸電的危險。當采用保護接零而零線斷裂時，如果在斷線后的電力設(shè)備有一相碰殼，則后面的零線會帶上相電壓，造成危險。采用了重復接地后，接在斷裂處后面的所有電氣設(shè)備外殼上的對地電壓UE＜＜

U，危險程度大大降低，五、漏電保護器的應用漏電保護（又稱剩余電流保護）是從泄漏電流，人體觸電等非金屬性單相接地故障考慮，用來保護人身及設(shè)備安全的一種保護方式。漏電保護器的類型按其工作原理可分為電壓動作型、電流動作型、電壓電流動作型、交流脈沖型和直流動作型等。由于電流動作型的檢測特性較好，既可作全系統(tǒng)的總保護，也可作各干線、支線的分級保護，所以是目前應用較為普遍的一種。電流動作型漏電保護器主要由零序電流互感器、脫扣機構(gòu)及主開關(guān)組成。零序電流互感器是一個檢測元件，可以安裝在變壓器中性點與接地板之間，構(gòu)成全網(wǎng)總保護，也可安裝在干線或分支線上，構(gòu)成干線或分支線保護。如圖5-13所示。圖5-13電流動作型漏電保護器工作原理圖

a)全網(wǎng)總保護b)支干線保護干線或分支線回路的漏電保護工作原理可用圖5-14來說明。圖5-14干線回路漏電保護工作原理(1)漏電保護用于TN系統(tǒng)中，從使用漏電保護裝置的地點起，TN－C系統(tǒng)應改用TN－S系統(tǒng)，即保護線不再用作中性線，使整體成為TN－C－S系統(tǒng)。(2)漏電保護應用于TT系統(tǒng)中，可以降低對設(shè)備接地電阻值的要求。但是裝設(shè)漏電保護和不裝漏電保護的設(shè)備不能共用一個接地裝置。第二節(jié)供電系統(tǒng)的防雷保護

過電壓內(nèi)部過電壓

外部過電壓（雷電過電壓）直擊雷擊感應雷擊雷電波侵入一、過電壓與雷電的有關(guān)概念（一）過電壓的形式

操作過電壓諧振過電壓等

（二）雷電流的產(chǎn)生、幅值與陡度

異性帶電雷云間的放電就是通常所說的閃電。

雷電流是一個陡度很高、幅值很大的沖擊波電流。對電力系統(tǒng)的電氣設(shè)備來說，雷電流的陡度越大，在負載電感L上產(chǎn)生的過電壓也越大，對絕緣的破壞性也就越嚴重。雷云對地或架空線路的放電就會造成雷電流。

雷電沖擊波具有波的傳導特性。輸電線路受到雷擊后，產(chǎn)生的雷電沖擊波會向輸電線路兩側(cè)流動傳播，雷電波在傳導過程中到達結(jié)點后，還會發(fā)生折射和反射現(xiàn)象。

傳播速度

雷電波沿架空線傳播的速度與光速（3×108m/s）相同，而在電纜中傳播的速度約為上值的1/2～1/3。波阻抗波阻抗表征的是沿導線傳播的電壓沖擊波和電流沖擊波之間的動態(tài)關(guān)系，與線路長度無關(guān)。（三）雷電沖擊波的基本特性

雷電入射波到達線路末端結(jié)點處會發(fā)生全反射，線路的開路末端電壓將增大至雷電行波電壓的2倍，嚴重威脅線路的絕緣安全，必須設(shè)置避雷器等防雷保護措施。變電所常采用一段100～200m的進線電纜，以達到降低行波陡度的效果。二、防雷裝置

防雷設(shè)備由接閃器、引下線、接地裝置等組成。接閃器是專門用來接受直接雷擊的金屬物體。接閃器包括金屬桿狀的避雷針，金屬線狀的避雷線，金屬帶狀或網(wǎng)狀的避雷帶、避雷網(wǎng)等。

避雷針的作用是引雷。1.避雷針

避雷針是防止直擊雷的有效措施。一定高度的避雷針（線）下面，有一個安全區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)的物體基本上不受雷擊。我們把這個安全區(qū)域叫做避雷針的保護范圍。避雷針的保護范圍用“滾球法”來確定。當避雷針高度為h時，如h≤hr，地面上的保護半徑r0為單支避雷針的保護范圍

高度為hx的平面xx’上的保護半徑rx為

避雷針接地必須良好，接地電阻不宜超過10；

35kV及以下變配電所的避雷針應單獨裝設(shè)支架，避雷針與被保護設(shè)備之間的空氣距離不小于5m；獨立避雷針應有自己專用的接地裝置，接地裝置與變配電所接地網(wǎng)間的地中距離不應小于3m；避雷針及接地裝置與道路入口等的距離不小于3m。Ω“折線法”現(xiàn)行電力行業(yè)標準DL/T620－1997規(guī)定，用于變配電所和電力線路的防雷保護時，避雷針、線的保護范圍按“折線法”來確定。2.避雷線

避雷線的接閃原理與避雷針類似。閥電阻特性3.避雷器避雷器的作用是防止雷電過電壓沿輸電線路侵入變電所或其它建筑物，危害電氣設(shè)備的絕緣。閥式避雷器管型避雷器和保護間隙金屬氧化物避雷器在工頻電壓下，金屬氧化物避雷器呈現(xiàn)極高電阻，能迅速有效地阻斷工頻續(xù)流，無需火花間隙來熄滅由工頻續(xù)流引起的電?。欢斃纂娺^電壓的作用下，其電阻變?yōu)楹苄。茌^好地泄放雷電流。避雷器是用來防止線路的感應雷及沿線路侵入的過電壓波對變電所內(nèi)的電氣設(shè)備造成的損害。它一般接于各段母線與架空線的進出口處，裝在被保護設(shè)備的電源側(cè)，與被保護設(shè)備并聯(lián)避雷器的連接

避雷器管形避雷器閥形避雷器金屬氧化物避雷器

①管型避雷器

管型避雷器主要用于變配電所的進線保護和線路絕緣弱點的保護，保護性能較好的管型避雷器可用于保護配電變壓器。管型避雷器結(jié)構(gòu)示意圖1—產(chǎn)氣管；2—膠木管；3—棒形電極；4—環(huán)形電極；5—動作指示器；s1—內(nèi)間隙；s2—外間隙

②

閥型避雷器

由火花間隙和閥片組成，裝在密封的磁套管內(nèi)。閥型避雷器的火花間隙組是由多個單間隙串聯(lián)組成的。正常運行時，間隙介質(zhì)處于絕緣狀態(tài)，僅有極小的泄漏電流通過閥片。當系統(tǒng)出現(xiàn)雷電過電壓時，火花間隙很快被擊穿，使雷電沖擊電流很容易通過閥性電阻而引入大地，釋放過電壓負荷，閥片在大的沖擊電流下電阻由高變低，所以沖擊電流在其上產(chǎn)生的壓降（殘壓）較低，此時，作用在被保護設(shè)備上的電壓只是避雷器的殘壓，從而使電氣設(shè)備得到了保護。

③

金屬氧化物避雷器

金屬氧化物避雷器又稱壓敏避雷器。它是一種沒有火花間隙只有壓敏電阻片的閥型避雷器。壓敏電阻片是氧化鋅等金屬氧化物燒結(jié)而成的多晶半導體陶瓷元件，具有理想的伏安特性。在工頻電壓下，它具有極大的電阻，能迅速有效地阻斷工頻電流，因此不需要火花間隙來熄滅由工頻續(xù)流引起的電弧；在雷電過電壓作用下，其電阻變得很小，能很好地泄放雷電流。

三、供電系統(tǒng)的防雷措施戶外變配電所中，一般采用避雷針作為直擊雷的防護裝置，并要求所有被保護的電氣設(shè)備和建筑物均應處于避雷針的保護范圍之內(nèi)。變配電所中一般需要通過裝設(shè)閥式避雷器或氧化鋅避雷器對變壓器進行雷電侵入波的防護。避雷器應盡可能靠近變壓器安裝。避雷器接地線應與變壓器低壓側(cè)接地中性線及金屬外殼連在一起接地。

避雷器的選擇，必須使其伏秒特性與變壓器伏秒特性合理配合，并且避雷器的殘壓必須小于變壓器絕緣耐壓所能允許的程度。（1）架空線的防雷措施

用戶供電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的負荷末端，具有以下特點：

1)一般架空線路都在35kV以下，是中性點不接地系統(tǒng)，當雷擊桿頂對一相導線放電時，工頻接地電流很小，不會引起線路的跳閘。

2)配電網(wǎng)路一般不長，同時架空線路多受建筑物和樹木的屏蔽，遭受雷擊的機會比較少。3)對于有重要負荷的供電系統(tǒng)，采用雙電源供電或自動重合閘裝置，可以減輕雷害事故的影響。用戶供電系統(tǒng)35kV架空線路的防雷一般可采用以下措施：

1)增加架空線絕緣子個數(shù)，采用較高等級的絕緣子，或頂相用針式而下面兩相改用懸式絕緣子，提高反擊電壓水平。

2)部分架空線裝設(shè)避雷線。

3)改進桿塔結(jié)構(gòu)，譬如當應力允許時，可以采用瓷橫擔等。

4)減小接地電阻以及采用拉線減少桿塔電感。

5)采用電纜供電。對于6~10kV架空線，一般比35kV線路高度低，不需裝設(shè)避雷線，防雷方式可利用鋼筋混凝土桿的自然接地，必要時也可采用雙電源供電和自動重合閘。（2）變電所的防雷

對直擊雷和線路侵入沖擊波的防護(1)獨立避雷針受雷擊時的高電位對附近設(shè)施的反擊和電磁感應圖5-27獨立避雷針與附近設(shè)施的最小距離

(2)對線路侵入雷電沖擊波的防護