第8章防雷及接地

第八章防雷與接地本章要點供電系統(tǒng)正常運行，首先保證整個系統(tǒng)的安全性，本章主要圍繞工業(yè)和民用電力裝置的防雷保護和接地裝置的運行與設(shè)計問題，介紹雷電的產(chǎn)生和發(fā)展的物理過程、常用的防雷保護裝置、架空線路和變配電所的防雷措施、接地和接零的基本概念和計算。第一節(jié)電氣安全1.電氣安全強調(diào)電氣安全的重要性。第一節(jié)電氣安全二、電氣安全措施(1).建立完整的安全管理機構(gòu)。(2).健全各項安全規(guī)程，并嚴格執(zhí)行。(3).嚴格遵循設(shè)計、安裝規(guī)范。(4)加強運行維護和檢修試驗工作.(5)按規(guī)定正確使用電氣安全用具。第一節(jié)電氣安全(6)采用安全電壓和符合安全要求的電器。為防止觸電事故而采用的由特定電源供電的電壓系列，稱為安全電壓。對于容易觸電及有觸電危險的場所，應(yīng)按表中的規(guī)定采用相應(yīng)的安全電壓。說明：某些重負載的電氣設(shè)備，對上表列出的額定值雖然符合規(guī)定，但空載時電壓都很高，若超過空載上限值仍不能認為安全。(7)普及安全用電知識第一節(jié)電氣安全三、電氣防火和防爆電氣設(shè)備、線路處于短路、過載、接觸不良、散熱不良的不正常運行狀態(tài)時，其發(fā)熱量增加，溫度升高，容易引起火災(zāi)。在有爆炸性混合物的場合，電火花、電弧還會引發(fā)爆炸。

1．防火防爆的措施

(1)選擇適當?shù)碾姎庠O(shè)備及保護裝置，應(yīng)根據(jù)具體環(huán)境、危險場所的區(qū)域等級選用相應(yīng)的防爆電氣設(shè)備和配線方式，所選用的防爆電氣設(shè)備的級別應(yīng)不低于該爆炸場所內(nèi)爆炸性混合物的級別。

(2)保持必要的防火間距及良好的通風。第一節(jié)電氣安全2.電氣火災(zāi)的特點

(1)著火的電氣設(shè)備可能是帶電的，如不注意可能引起觸電事故。

(2)有些電氣設(shè)備(如油浸式變壓器、油斷路器)本身充有大量的油，可能發(fā)生噴油甚至爆炸事故，擴大火災(zāi)范圍。第一節(jié)電氣安全

3.電氣失火的處理電氣失火后應(yīng)首先切斷電源，但有時為爭取時間，來不及斷電或因生產(chǎn)需要等原因不允許斷電時，則需帶電滅火，帶電滅火必須注意以下幾點。(1)選擇適當?shù)臏缁鹌?。二氧化?CO：)、四氯化碳(CCl：)、二氟一氯一溴甲烷(CF：C1Br，俗稱“12ll”)或干粉滅火器的滅火劑均不導電，可用于帶電滅火。二氧化碳(干冰)滅火器使用時要打開門窗，離火區(qū)2—3m噴射，勿使干冰沾著皮膚，以防凍傷。四氯化碳滅火器滅火要防止中毒，應(yīng)打開門窗，有條件時最好戴上防毒面具，因為四氯化碳與氧氣在熱作用會起化學反應(yīng)，生成有毒的光氣(COCl：)和氯氣(Cl。)。不能使用一般的泡沫滅火器，因為其滅火劑(水溶液)具有一定的導電性，而且對電氣設(shè)備具有腐蝕作用。第一節(jié)電氣安全

(2)小范圍帶電滅火，可使用干砂覆蓋。

(3)專業(yè)滅火人員用水槍滅火時，宜采用噴霧水槍，這種水槍通過水柱的泄漏電流較小，帶電滅火比較安全，用普通直流水槍滅火時，為防止泄漏電流流過人體，可將水槍噴嘴接地，也可讓滅火人員穿戴絕緣手套、絕緣靴或穿戴均壓服后進行滅火。第一節(jié)電氣安全四．觸電及防護1．觸電的概念及其危害人體也是導體，當人體不同部位接觸不同電位時，就有電流流過人體，這就是觸電。觸電分直接觸電和間接觸電兩類。觸電事故可分為“電擊”與“電傷”兩類。電擊是指電流通過人體內(nèi)部，破壞人的心臟、呼吸系統(tǒng)與神經(jīng)系統(tǒng)，重則危及生命；電傷是指由電流的熱效應(yīng)、化學效應(yīng)或機械效應(yīng)對人體造成的傷害，它可傷及人體內(nèi)部，甚至骨骼，還會在人體體表留下諸如電流印、電紋等觸電傷痕。第一節(jié)電氣安全觸電事故引起死亡大都是由于電流刺激人體心臟，引起心室的纖維性顫動、停搏和電流引起呼吸中樞麻痹，導致呼吸停止而造成的。安全電流是指人體觸電后最大的擺脫電流。我國規(guī)定為30mA(50Hz交流)，觸電時間按不超過ls計，即30mA.S。電流對人體的危害程度與觸電時間、電流的大小和性質(zhì)及電流在人體中的路徑有關(guān)，觸電時間越長，電流越大，頻率接近工作頻率，電流流過心臟最為危險。此外，還與人的體重、健康狀況有關(guān)。第一節(jié)電氣安全

2．觸電的防護(1)直接觸電防護指對直接接觸正常帶電部分的防護，例如，對帶電體加隔離柵欄或加保護罩，使用絕緣物等。(2)間接觸電防護指對故障時可帶危險電壓而正常時不帶電的外露可導電部分(如金屬外殼、框架等)的防護，例如，將正常不帶電的外露可導電部分接地，并裝設(shè)接地故障保護裝置，故障時可自動切斷電源。第二節(jié)過電壓和防雷一、過電壓及雷電概述1．過電壓及分類：過電壓：在電氣設(shè)備或者線路上出現(xiàn)的超出正常工作要求并對其絕緣構(gòu)成威脅的電壓。第二節(jié)過電壓和防雷2．雷電的形成雷電放電過程分為：先導放電和主放電過程；先導放電過程：當電場強度達到25KV~30KV/cm時，空氣絕緣擊穿；主放電過程：強烈的電荷中和過程，強大電流，數(shù)十至數(shù)百千安；第二節(jié)過電壓和防雷3．雷電過電壓的種類高空中雷云之間的放電雖然強烈，但對于人和地面物體沒有危害，而雷云對大地的放電將會產(chǎn)生很大的破壞作用的大氣過電壓，主要包括三類：第二節(jié)過電壓和防雷第二節(jié)過電壓和防雷4．雷電的危害

雷電對于電力裝置等的危害，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

(1).電動力效應(yīng)：雷電的機械效應(yīng)產(chǎn)生的電動力可摧毀設(shè)備、桿塔和建筑，傷害人和畜；

(2).熱效應(yīng)：強大的雷電流所產(chǎn)生的熱量，可燒斷導線和燒毀電力設(shè)備；

(3).電磁效應(yīng)：雷電的電磁效應(yīng)可能產(chǎn)生過電壓，擊穿電氣絕緣，甚至引起火災(zāi)爆炸，造成人身傷亡；

(4).閃絡(luò)放電：雷電的閃絡(luò)放電可能燒壞絕緣子、使斷路器跳閘或引起火災(zāi)，造成大面積停電。第二節(jié)過電壓和防雷二、避雷針（防雷設(shè)備）及其保護范圍計算第二節(jié)過電壓和防雷（A）接閃器第二節(jié)過電壓和防雷1．避雷針的作用及組成（1）避雷針的作用：吸引雷，并將雷電流通過避雷針安全引入大地，保護避雷針附近的電力設(shè)備和建筑物免受直擊雷的危害；（2）避雷針的組成：第二節(jié)過電壓和防雷2．避雷針保護范圍的計算避雷針的頂端電壓：其中：——通過避雷針的雷電流；——沖擊接地電阻；——避雷針單位長度上的電感；

——避雷針的高度——雷電流上升的速度；避雷針頂端電位：雷電流在避雷針電阻和電感中產(chǎn)生的電壓降組成；第二節(jié)過電壓和防雷滾球法：選擇一半徑為的球體，沿著需要防護直擊雷的滾動部位滾動，如果球體只接觸到避雷針或避雷針（線）與地面，而不觸及需要保護的部位，則該部位就處于避雷針的保護范圍之內(nèi)。第二節(jié)過電壓和防雷單支避雷針的保護范圍確定方法：（1）根據(jù)建筑物的防雷類別確定滾球半徑hr；（2）當避雷針高度h<hr時：距離地面處做一平行地面的平行線；以避雷針的針尖為圓心，hr為半徑，做弧線交于平行線的A,B兩點；以A,B為圓心，hr為半徑做弧線，該弧線與針尖相交并與地面相切，從此弧線起到地面為止的整個錐形空間內(nèi)，就是避雷針的保護范圍；第二節(jié)過電壓和防雷避雷針在被保護物體高度的平面上的保護半徑，按照下式進行計算：避雷針在地面上的保護范圍為：第二節(jié)過電壓和防雷(3)當h>hr時：在避雷針上取高度為的一點來代替單支避雷針的針尖作為圓心，進行計算。其他步驟同上。單針避雷針的保護范圍是有限的，由于保護范圍并不隨著避雷針的高度成比例增大；為了擴大保護范圍，從經(jīng)濟形角度出發(fā)，可以設(shè)置多個避雷針進行避雷，對于多個避雷針的保護范圍確定方法參考其他資料。第二節(jié)過電壓和防雷3．避雷線架設(shè)在架空線路的上面，保護架空線路或者建筑物；既架空又接地，又稱架空地線。防雷的原理與避雷針相同；單根避雷線保護范圍確定方法：注意：（1）當高度h≥2hr時，無保護范圍；（2）當高度h<2hr時，首先需要考慮架空線路的弧垂現(xiàn)象： 當支柱之間的檔距<120m時，避雷線中點的弧垂取2m； 當檔距為120~150m時，取3m。第二節(jié)過電壓和防雷計算方法：(1)距地面處做一平行于地面的平行線(2)以避雷針為圓心，hr為半徑做弧線交于平行線的A,B兩點；(3)以A,B為圓心，hr為半徑畫弧，該兩弧相交或者相切，并與地面相切。從該弧線起到地面為止就是保護范圍(4)當2hr

>h>hr

時，保護范圍最高點的高度按下式計算：第二節(jié)過電壓和防雷(5)避雷線在高度的平面上的保護寬度：其中：——為避雷線的高度；——被保護物體的高度；第二節(jié)過電壓和防雷注意：在高壓以及超高壓輸電線路中，一般采用兩根等高避雷線進行防雷；第二節(jié)過電壓和防雷4．避雷帶和避雷網(wǎng)保護高層建筑（煙囪、樓房）免受直擊雷和感應(yīng)雷；一般均采用圓鋼和扁鋼，優(yōu)先采用圓鋼，而且對于界面積具有嚴格規(guī)定；上述的接閃器均應(yīng)經(jīng)過引下線與接地裝置連接。第二節(jié)過電壓和防雷（B）避雷器（lightningarrester）用途：防止雷電產(chǎn)生的過電壓波沿線侵入變配電所或其他的建筑物內(nèi)，以免危及被保護設(shè)備的絕緣。與保護設(shè)備并聯(lián)，裝在被保護設(shè)備的電源側(cè)。保護原理：當線路上出現(xiàn)危及設(shè)備絕緣的雷電過電壓時，避雷針器的火花間隙被擊穿，或者由高阻變?yōu)榈妥?，使過電壓對大地放電，保護設(shè)備的絕緣；第二節(jié)過電壓和防雷1．閥型避雷器組成：火花間隙和閥片；原理：正常工作電壓時，火花間隙不會被擊穿從而隔斷工頻電流；但在雷電過電壓時，火花間隙被擊穿放電；閥片的非線性特性介紹；注意：雷電流通過閥片時，產(chǎn)生的電壓降將會加在被保護的設(shè)備上，不能超過設(shè)備的絕緣允許的耐壓值。第二節(jié)過電壓和防雷2．氧化鋅避雷器目前最先進的過電壓保護設(shè)備；組成：

保護對象：變壓器、發(fā)電機、開關(guān)、母線等高壓設(shè)備；第二節(jié)過電壓和防雷第二節(jié)過電壓和防雷第二節(jié)過電壓和防雷3．保護間隙特點：簡單經(jīng)濟、維修方便；但是保護性能差，滅弧能力差，容易造成接地或者短路故障，由于保護間隙的滅弧能力差，雷擊后可能會切不斷工頻電流造成短路故障，引起線路開關(guān)跳閘或熔斷器熔斷，造成停電；一般配合自動重合閘裝置，提高靈敏度；連接時，一電極接線路，另一電極接地。保護對象：室外或者負荷不重的線路；第二節(jié)過電壓和防雷特點：簡單經(jīng)濟、維修方便；但是保護性能差，滅弧能力差，容易造成接地或者短路故障，由于保護間隙的滅弧能力差，雷擊后可能會切不斷工頻電流造成短路故障，引起線路開關(guān)跳閘或熔斷器熔斷，造成停電；一般配合自動重合閘裝置，提高靈敏度；連接時，一電極接線路，另一電極接地。保護對象：室外或者負荷不重的線路；第二節(jié)過電壓和防雷三．防雷保護1．架空線路的防雷保護(1)架設(shè)避雷線：最有效但成本高，只有66KV以上的線路才沿全線裝設(shè)；(2)提高線路本身的絕緣水平：10KV以下的架空線路；采用磁橫擔代替鐵橫擔；絕緣子采用高一電壓等級；(3)三角形排列的頂線兼做防雷保護線：并裝設(shè)放電極間隙；(4)絕緣薄弱環(huán)節(jié)：高電桿，電纜頭、開關(guān)等，裝設(shè)管型避雷器或保護間隙加以保護；第二節(jié)過電壓和防雷(5)采用自動重合閘裝置：雷擊時的短路為順時故障；(6)絕緣子鐵腳接地：對于分布較密的低壓線路及接戶線的絕緣子鐵腳宜接地；第二節(jié)過電壓和防雷2．變配電所的防雷保護(1)防直擊雷裝設(shè)避雷針保護整個變配電所建筑物；但是為了保證建筑物免受反擊事故，需要滿足：獨立的避雷針和建筑物之間距離要滿足；獨立接地；接地裝置不應(yīng)該設(shè)置在人員經(jīng)常出入的地方。(2)進線防雷保護35KV的電力線路，一般在1-2km段內(nèi)裝設(shè)避雷線，保證該段電路免受直擊雷的危害；為保證保護段之外的線路受到雷擊時侵入變電所內(nèi)的過電壓有所限制，在避雷線兩端處的線路上裝設(shè)避雷器；3~10kV進線，每路進線的終端裝設(shè)閥型避雷器，以保護線路斷路器和隔離開關(guān)；若采用電纜進線，應(yīng)該在架空線路終端靠近電纜頭處裝設(shè)避雷器，其接地端與電纜頭外殼相連后接地。第二節(jié)過電壓和防雷(3)配電裝置的防雷保護（變壓器）在配電所每段母線上裝設(shè)一組閥型避雷器，并盡量靠近變壓器(小于5m)；并且避雷器的接地中性點以及金屬外殼連在一起，如圖。第二節(jié)過電壓和防雷第二節(jié)過電壓和防雷3．高壓電動機的防雷保護若電動機直接與架空線路連接時，需要進行防雷。由于電動機長期運行，絕緣老化嚴重，一般采用防雷效果較好的磁吹型避雷器或者氧化鋅避雷器，且盡可能靠近電動機；第三節(jié)電氣裝置的接地一、接地概述1．接地和接地裝置接地——電氣設(shè)備的某部分與大地之間做良好的電氣連接；接地體——埋于地下并直接與土壤相接觸的金屬導體；接地線——電氣設(shè)備中應(yīng)接地部分與接地體相連接的金屬導體；接地裝置——接地體與接地線總稱；接地網(wǎng)——由若干接地體在大地中用接地線相互連接起來的整體；第三節(jié)電氣裝置的接地2．接地電流和對地電壓接地電流——電氣設(shè)備發(fā)生故障時，電流經(jīng)過接地裝置流入大地并作半球狀散開，此電流稱為接地電流；距離接地體越遠，散流電阻越小，一般在20m處，散流電阻為零；零電位——電位為零的地方；稱為地或者大地；對地電壓——電氣設(shè)備的接地部分與零電位之間的電位差；第三節(jié)電氣裝置的接地第三節(jié)電氣裝置的接地3．接觸電壓和跨步電壓接觸電壓——人體所承受的電位差；跨步電壓——在接地故障點附近，人的雙腳之間所呈現(xiàn)的電位差；與跨步的大小以及距離接地點的遠近有關(guān)；第三節(jié)電氣裝置的接地4．工作接地、保護接地、重復接地工作接地——正常工作或者故障時，為了保證電氣設(shè)備可靠運行而將電力系統(tǒng)某一點接地；如：電源的中性點接地保證非故障相對地電壓為相電壓；防雷設(shè)備的接地為將雷電流引入大地；保護接地——為了保障人身安全、防治間接觸電而將設(shè)備的外露可導電部分接地；第三節(jié)電氣裝置的接地（1）TN系統(tǒng)電源中性點——直接接地，并引出中性線(N)、保護線(PE)或者保護中性線（PEN）；如圖：TN-C——N與PE合為PEN；由于PEN中有電流流過，可對接PEN線的設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，故此方式不適合對電磁干擾要求較高的場合；此外如果PEN斷線，可使接PEN線的設(shè)備外露可導電部分造成人身觸電危險，此方式不適合對安全要求較高的場合；TN-S——N與PE分開；所有設(shè)備外殼與PE相連接；由于PE中沒有電流流動，故不會對接PE線的設(shè)備造成電磁干擾；且PE斷線不會造成設(shè)備外殼帶電，故該方式適合于對安全和電磁干擾要求比較高的場合；TN-C-S——前部分N與PE合并，后一部分N與PE分開；此方式比較靈活，對安全以及電磁干擾要求比較高的場合，采用TN-S系統(tǒng)，其他場合采用TN-C系統(tǒng)，兼有二者的優(yōu)點。第三節(jié)電氣裝置的接地特點：TN系統(tǒng)中的設(shè)備外殼經(jīng)低壓配電系統(tǒng)中公共PE線或者PEN線接地——保護接零；故障分析：TN系統(tǒng)中發(fā)生單相碰殼接地故障時，形成單相短路回路，因該回路內(nèi)部無任何接地電阻，短路電流很大，足以保證在最短時間內(nèi)使得熔絲熔斷、保護裝置或者自動開關(guān)跳閘，從而切斷電源保障設(shè)備及人身安全。（2）

TT系統(tǒng)電源中性點——直接接地，引出N線；設(shè)備外露可導電部分均經(jīng)過各自的接地裝置單獨接地。彼此之間沒有電磁干擾，適用于對電磁干擾要求較高的場合；但是在此場合下，若設(shè)備的絕緣不良或者損壞而使其外露部分帶電時，由于其漏電電流較小，往往不足以使線路上的過電流保護動作，從而會增加觸電的危險，因此這種方式下必須裝設(shè)靈敏的漏電保護裝置。故障分析：發(fā)生單相接地故障時，短路回路電阻很?。ā?歐〉，產(chǎn)生較大的短路電流：對于小容量的電氣設(shè)備，其保護熔絲或者自動開關(guān)能夠自動斷開；

第三節(jié)電氣裝置的接地（3）IT系統(tǒng)電源中性點——不接地或者經(jīng)過大電阻（1K）接地，不引出中性線，屬于三相三線制系統(tǒng)；設(shè)備的外露部分經(jīng)過各自的接地裝置單獨接地；故障分析：當設(shè)備發(fā)生單相接地故障時，就會通過接地裝置、大地、兩非故障相對地電容以及電源的中性點接地裝置（采用中性點經(jīng)阻抗接地時）形成單相接地故障電流，此時若人體接觸外殼，人體電阻與接地電阻并聯(lián)，由于：，通過人體的電流遠小于流經(jīng)接地電阻中的電流，可以減小觸電的危害程度。第三節(jié)電氣裝置的接地此種接線方式中，各設(shè)備之間不會產(chǎn)生電磁干擾，且當一點接地故障出現(xiàn)時，三相設(shè)備能夠正常運行，但此時需要安裝絕緣監(jiān)察裝置或者單相接地保護發(fā)出報警信號。第三節(jié)電氣裝置的接地重復接地：將零線上的一處或多處通過接地裝置與大地連接；在架空線路終端以及沿線1KM處、電纜或者架空線引入建筑物處都需要重復接地；否則當零線萬一斷線而同時斷點后某設(shè)備發(fā)生單相碰殼，斷點之后接零設(shè)備外殼都將感應(yīng)出較高的接觸電壓。第三節(jié)電氣裝置的接地5．應(yīng)實行接地或者接零的設(shè)備凡是因為絕緣損壞而可能帶有危險高壓的電氣設(shè)備以及電氣裝置的金屬外殼和框架均應(yīng)可靠接地或者接零。（1）電動機、變壓器、變阻器、電力電容器、開關(guān)設(shè)備的金屬外殼；（2）配電屏、控制屏的金屬框架、鄰近帶電的金屬遮攔；（3）電纜的金屬保護管和金屬保護皮，電纜的終端頭和中間接頭的金屬保護皮以及母線的外罩；（4）照明燈具、電扇以及電熱設(shè)備的金屬外殼；（5）避雷針、避雷器、保護間隙和耦合電容器的底座，裝有避雷線的電力線路金屬桿塔。（6）互感器的二次線圈；第三節(jié)電氣裝置的接地其它的可以不接地：（1）采用安全電壓或者低于安全電壓的電氣設(shè)備；裝在配電屏、控制屏上的電氣測量儀表、繼電器與