第8章(供配電工程)

2/4/20231河北科技大學電氣信息學院第八章防雷、接地與電氣安全8.3電氣安全8.1過電壓與防雷8.2電氣裝置的接地5/15/20212河北科技大學電氣信息學院8.1過電壓與防雷

1．內部過電壓一、過電壓的形式操作過電壓：因開關操作、負荷劇變、系統(tǒng)故障等原因而引起的過電壓。諧振過電壓：因電感、電容等參數(shù)在特殊情況下發(fā)生諧振而引起的過電壓。2．外部過電壓外部過電壓又稱雷電過電壓或大氣過電壓，它是由于電力系統(tǒng)的導線或電氣設備受到直接雷擊或雷電感應而引起的過電壓。5/15/20213河北科技大學電氣信息學院二、雷電的基本知識主放電階段：電流很大，高達幾百千安，但持續(xù)時間極短，一般只有50～100μs。余輝放電階段：電流較小，約幾百安，持續(xù)時間約為0.03～0.15s。1.雷電現(xiàn)象：雷云放電的過程稱為雷電現(xiàn)象。雷云→雷電先導→迎雷先導→主放電階段→余輝階段5/15/20214河北科技大學電氣信息學院2.雷電流的特性雷電流波形（圖8-1）波頭：指雷電流從零上升到最大幅值這一部分，一般只有1～4μs；波尾：指雷電流從最大幅值開始，下降到二分之一幅值所經歷的時間，約數(shù)十微妙。雷電流的陡度：指雷電流在波頭部分上升的速度，即圖8-1雷電流波形圖5/15/20215河北科技大學電氣信息學院3.雷電過電壓的基本形式直擊雷：雷電直接擊中電氣設備、線路、建筑物等物體。感應雷：由雷電對線路、設備或其他物體的靜電感應或電磁感應而引起的過電壓。感應雷的形成過程如圖8-2所示。雷電波侵入：架空線路遭到直接雷擊或感應雷而產生的高電位雷電波，沿架空線侵入變電所或其他建筑物而造成危險。圖8-2架空線路上的感應過電壓5/15/20216河北科技大學電氣信息學院4．雷電活動強度及直擊雷的規(guī)律雷暴日：一天中只要出現(xiàn)過雷電活動（包括看到雷閃和聽到雷聲），就算一個雷暴日。年平均雷暴日不足15日的地區(qū)為少雷區(qū)；年平均雷暴日超過40日的地區(qū)為多雷區(qū)；年平均雷暴日超過90日的地區(qū)為雷電活動特別強烈地區(qū)。我國各地區(qū)的雷暴日數(shù)如表8-1所示。表8-1我國各地區(qū)的年平均雷暴日地區(qū)年平均雷暴日地區(qū)年平均雷暴日西北地區(qū)20以下長江以南北緯23°線以北40～80左右東北地區(qū)30左右長江以南北緯23°線以南80以上華北和中部地區(qū)40～45左右海南島、雷洲半島120～130左右5/15/20217河北科技大學電氣信息學院雷電活動的規(guī)律

熱而潮濕的地區(qū)比冷而干燥的地區(qū)雷暴多，且山區(qū)大于平原，平原大于沙漠，陸地大于湖海。雷擊區(qū)的形成與地質結構（即土壤電阻率）、地面上的設施情況及地理條件等因素有關。土壤電阻率小的地方易遭受雷擊；在不同電阻率的土壤交界處易遭受雷擊；山的東坡、南坡較山的北坡、西坡易遭受雷擊；山岳地區(qū)易遭受雷擊。建筑物的雷擊部位與建筑物的高度、長度及屋頂坡度等因素有關。5/15/20218河北科技大學電氣信息學院5．雷電的危害雷電流的熱效應可燒斷導線和燒毀電力設備；雷電流的機械效應產生的電動力可摧毀設備、桿塔和建筑，傷害人畜；雷電流的電磁效應可產生過電壓，擊穿電氣設備絕緣，甚至引起火災爆炸，造成人身傷亡；雷電的閃絡放電可燒壞絕緣子，使斷路器跳閘或引起火災，造成大面積停電。5/15/20219河北科技大學電氣信息學院三、防雷裝置防雷裝置由接閃器、引下線和接地裝置三部分組成。接閃器（受雷裝置）：是接受雷電流的金屬導體，常用的有避雷針、避雷線和避雷網(wǎng)（帶）三種類型。引下線：應保證雷電流通過時不致熔化，一般用直徑不小于10mm的圓鋼或截面不小于80mm2的扁鋼制成。接地裝置：埋在地下的接地導線和接地體的總稱。1.避雷針避雷針通常采用鍍鋅圓鋼或鍍鋅焊接鋼管制成。針長1m以下時，圓鋼直徑不小于12mm，鋼管直徑不小于20mm；針長1～2m時，圓鋼直徑不小于16mm，鋼管直徑不小于25mm。5/15/202110河北科技大學電氣信息學院當避雷針高度h≤hr時：單支避雷針的保護范圍（圖8-3）避雷針的保護范圍，以它能夠防護直擊雷的保護空間來表示，可按“滾球法”來確定。所謂“滾球法”，就是選擇一個半徑為hr（滾球半徑）的球體，沿需要防護直擊雷的部位滾動。如果球體只接觸到避雷針（線）與地面，而不觸及需要保護的部位，則該部位就在避雷針（線）的保護范圍之內。在距地面hr處作一平行于地面的平行線。以避雷針的針尖為圓心、hr為半徑作弧線，交于平行線的A、B兩點。5/15/202111河北科技大學電氣信息學院避雷針在地面上的保護半徑為：圖8-3單支避雷針的保護范圍與地面相切。從該弧線起到地面為止的整個錐形空間，就是避雷針的保護范圍。以A、B為圓心、hr

為半徑作弧線，該弧線與針尖相交并避雷針在hx

高度的水平面上的保護半徑為：5/15/202112河北科技大學電氣信息學院當避雷針高度h＞

hr時：在避雷針上取高度為hr的一點代替避雷針的針尖作為圓心，其余的作法與h≤hr時相同。建筑物的防雷級別是根據(jù)其重要性、使用性質以及發(fā)生雷擊事故的可能性和造成后果來劃分的，共分為三級：一級防雷建筑物：指具有特別重要用途的建筑物，如國家級會堂、辦公建筑、檔案館、大型博展建筑、大型鐵路客運站、國際型航空港、國賓館、國際港口客運站；國家級重點文物保護建筑物以及高度超過100m的建筑物等。5/15/202113河北科技大學電氣信息學院二級防雷建筑物，是指重要的或人員密集的大型建筑物，如省部級辦公樓、會堂、博展、體育、交通、通訊、廣播等建筑物；省級重點文物保護建筑物；高度超過50m的建筑物以及大型計算中心和裝有重要電子設備的建筑物。三級防雷建筑物，是指預計年雷擊次數(shù)大于或等于0.05，或經過調查確認需要防雷的建筑物；建筑群中最高或位于建筑群邊緣高度超過20m的建筑物；高度為15m及以上的煙囪、水塔等孤立建筑物等。例8-1:某廠一座高30m的水塔旁邊，建有一鍋爐房（圖8-4），水塔上面安裝一支2m高的避雷針，試問該避雷針能否保護這一鍋爐房？5/15/202114河北科技大學電氣信息學院雙支等高避雷針的保護范圍（圖8-5）在h≤hr的情況下，當D≥時，各按單支避雷針的方法確定；當D＜時，按下述方法確定：圖8-4例8-1避雷針的保護范圍解：查表8-2得因此，避雷針的保護半徑為：8m高度上最遠一角距離避雷針的水平距離為：

∴能保護。5/15/202115河北科技大學電氣信息學院ABCD外的保護范圍，按單支避雷針所規(guī)定的方法確定。C、D點位于兩針間的垂直平分線上。在地面每側的最小保護寬度應按下式計算：在AOB軸線上，A、B間的保護范圍上邊線按下式確定：圖8-5雙支等高避雷針的保護范圍5/15/202116河北科技大學電氣信息學院兩針間ABCD內的保護范圍，ACO、BCO、ADO、BDO各部分是類同的。以ACO部分的保護范圍為例，按以下方法確定：在hx和C點所處的垂直平面上，以hx作為假想避雷針，按單支避雷針所規(guī)定的方法確定（見剖面）。2.避雷線避雷線一般采用截面不小于35mm2的鍍鋅鋼絞線。單根避雷線的保護范圍，當避雷線高度h≥2hr時，無保護范圍。當避雷線高度h＜2hr時，按下列方法確定（圖8-6）：5/15/202117河北科技大學電氣信息學院在距地面hr處作一平行于地面的平行線。以避雷線尖為圓心、hr為半徑作弧線，交于平行線的A、B兩點。圖8-6單根避雷線的保護范圍a）當2hr＞h＞hr時b）當h≤2hr時5/15/202118河北科技大學電氣信息學院以A、B為圓心、hr為半徑作弧線，該兩弧線相交或相切，并與地面相切。從該弧線起到地面止為避雷線的保護范圍。當2hr

＞h＞hr

時，保護范圍最高點的高度h0按下式計算：避雷線在hx高度的水平面上的保護寬度bx按下式計算：3.避雷帶和避雷網(wǎng)避雷帶和避雷網(wǎng)主要用于保護高層建筑免遭雷擊，通常采用圓鋼或扁鋼焊接而成，并沿房屋邊緣或屋頂敷設。

注意：圓鋼直徑不小于8mm，扁鋼截面不小于48mm2，厚度不小于4mm。當煙囪上采用避雷環(huán)時，圓鋼直徑不小于12mm，扁鋼截面不小于100mm2，厚度不小于4mm。5/15/202119河北科技大學電氣信息學院四、供配電系統(tǒng)的防雷措施1.架空線路的防雷措施架設避雷線；提高線路本身的絕緣水平；利用三角形排列的頂線兼作防雷保護線；裝設自動重合閘；加強對絕緣薄弱點的保護。2.變配電所的防雷措施直擊雷的防護措施變電所應按一級防雷建筑物的標準進行防雷設計。變電所內的設備和建筑物通常采用獨立避雷針或避雷線進行直擊雷防護。5/15/202120河北科技大學電氣信息學院“反擊”現(xiàn)象：當避雷針（線）與附近設施之間的絕緣距離不夠時，兩者之間會發(fā)生強烈的放電現(xiàn)象，這種情況稱為“反擊”。為了防止反擊事故的發(fā)生，避雷針（線）與附近其他金屬導體之間必須保持足夠的安全距離。獨立避雷針（線）及其引下線與其他金屬物體在空氣中的安全距離應滿足：

≥式中，Rsh為獨立避雷針（線）的沖擊接地電阻；hx為被保護物的高度。Ssaf一般不應小于5m。5/15/202121河北科技大學電氣信息學院獨立避雷針（線）的接地體與變電所接地網(wǎng)間的最小地中距離應滿足：≥SE一般不應小于3m。2．雷電侵入波的防護措施變電所對于雷電侵入波的過電壓保護是利用閥型避雷器以及與閥型避雷器相配合的進線段保護。35～110kV變電所的防雷保護方案（圖8-7）對于容量較小的35kV變電所，可根據(jù)其重要性和雷電活動情況，酌情簡化進線保護措施；對于有電纜進線段的架空線路，避雷器應裝設在電纜頭附近，其接地端應和電纜金屬外皮相連。5/15/202122河北科技大學電氣信息學院在變電所1～2km進線段架設避雷線，既可防護直擊雷，還可以使感應雷過電壓產生在1～2km以外。為了降低雷電侵入波的幅值，在該線路進線段的首端應裝設一組管型避雷器FA1，且其工頻接地電阻不宜超過10Ω。在靠近隔離開關或斷路器QF2處裝設一組管型避雷器FA2，以防止線路上的雷電波侵入到隔離開關或斷路器開路處時，由于反射而形成兩倍侵入波幅值的電壓，損壞隔離開關或斷路器。母線上裝設閥型避雷器FA3，主要用于保護變壓器、電壓互感器等所有高壓電氣設備。圖8-735～110kV變電所的進線保護方案5/15/202123河北科技大學電氣信息學院8.2電氣裝置的接地一、接地的有關概念1．接地裝置接地：電氣設備的某部分與大地之間做良好的電氣連接。接地體：直接與大地接觸的金屬導體。接地線：連接接地體與電氣設備接地部分的金屬導體。接地裝置：接地體與接地線的總和，稱為接地裝置。接地網(wǎng)：由若干個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)，如圖8-8所示。圖8-8接地網(wǎng)示意圖1—接地體2—接地干線3—接地支線4—電氣設備5/15/202124河北科技大學電氣信息學院2．地和對地電壓當電氣設備發(fā)生接地故障時，接地電流IE通過接地體向大地作半球形散開，如圖8-9所示。電氣設備的接地部分與零電位地之間的電位差，稱為接地部分的對地電壓，用UE表示。

實踐證明：在距接地體20m以外的地方，散流電阻已趨近于零，也即電位趨近于零。該電位等于零的地方稱為電氣上的“地”或“大地”。圖8-9接地電流和對地電壓分布圖5/15/202125河北科技大學電氣信息學院3.接觸電壓和跨步電壓（圖8-10）接觸電壓：當電氣設備發(fā)生接地故障時，人體觸及的電氣設備和大地上任意兩點之間的電位差，稱為接觸電壓Utou

?？绮诫妷海喝嗽诮拥毓收宵c附近行走時，兩腳之間的電位差，稱為跨步電壓Ustep

。圖8-10接觸電壓和跨步電壓5/15/202126河北科技大學電氣信息學院4.接地電阻流散電阻：接地體的對地電壓與通過接地體流入地中的電流之比，稱為流散電阻。接地電阻：電氣設備接地部分的對地電壓與接地電流之比，稱為接地裝置的接地電阻。工頻接地電阻：工頻接地電流流經接地裝置所呈現(xiàn)的接地電阻，稱為工頻接地電阻，用RE表示；沖擊接地電阻：雷電流流經接地裝置所呈現(xiàn)的電阻，稱為沖擊接地電阻，用Rsh表示。5/15/202127河北科技大學電氣信息學院二、接地的類型工作接地：根據(jù)電力系統(tǒng)運行的需要，人為地將電力系統(tǒng)中性點或電氣設備的某一部分進行接地。保護接地：為保證人身安全、防止觸電事故，將電氣設備的外露可導電部分與地作良好的連接。TN系統(tǒng)：

TN系統(tǒng)的電源中性點直接接地，并引出有中性線（N線）、保護線（PE線）或保護中性線（PEN線），電氣設備的外露可導電部分與PE線或PEN線相連。

TN-C系統(tǒng)：系統(tǒng)中N線與PE線合為一根PEN線，所有設備的外露可導電部分均接PEN線，如圖8-11a所示。5/15/202128河北科技大學電氣信息學院

TN-S系統(tǒng)：系統(tǒng)中的N線與PE線完全分開，所有設備的外露可導電部分均接PE線，如圖8-11b所示。TN-C-S系統(tǒng)：系統(tǒng)中前面線路采用TN-C系統(tǒng)，而后面線路部分或全部采用TN-S系統(tǒng)，所有設備的外露可導電部分接PEN線或PE線，如圖8-11c所示。圖8-11TN系統(tǒng)示意圖a）TN-C系統(tǒng)b）TN-S系統(tǒng)c）TN-C-S系統(tǒng)5/15/202129河北科技大學電氣信息學院TT系統(tǒng)：TT系統(tǒng)的電源電源中性點直接接地，系統(tǒng)中電氣設備的外露可導電部分均經各自的PE線分別直接接地，如圖8-12所示。IT系統(tǒng)：

IT系統(tǒng)的電源系統(tǒng)的中性點不接地或經高阻抗（約1000Ω）接地，系統(tǒng)中電氣設備的外露可導電部分均經各自的PE線分別直接接地，如圖8-13所示。圖8-12TT系統(tǒng)示意圖圖8-13IT系統(tǒng)示意圖5/15/202130河北科技大學電氣信息學院重復接地：在TN系統(tǒng)中，為了避免PE線或PEN線斷開時系統(tǒng)失去保護作用，除在電源中性點必須采用工作接地外，PE線或PEN線還應在下列地方重復接地：

在架空線路末端及沿線每隔1km處；在電纜和架空線路引入車間或其它大型建筑物處。重復接地的作用可用圖8-14說明。若沒有采取重復接地，當發(fā)生PE線或PEN線斷線，且在斷線的后面又有設備發(fā)生一相碰殼時，接在斷線后面的所有設備外殼上都將呈現(xiàn)接近于相電壓的對地電壓，這是很危險的。采取重復接地后，發(fā)生同樣故障時，設備外殼的對地電壓降低了，危險程度也大大降低了。5/15/202131河北科技大學電氣信息學院因此應盡量避免PE線和PEN線的斷線事故，在PE線和PEN線是一般不允許裝設開關或熔斷器。＞＞若，則。實際上，由于，所以，對人還是有危險的。圖8-14重復接地的作用說明a）無重復接地b）有重復接地5/15/202132河北科技大學電氣信息學院三、接地裝置的裝設自然接地體：凡是與大地有可靠接觸的金屬導體，如埋入地下的金屬管道、建筑物的鋼結構和鋼筋、行車的鋼軌、電纜金屬外皮等都可作為自然接地體。人工接地體：采用鋼管、圓鋼、角鋼、扁鋼等鋼材制成。垂直埋設的接地體：用φ38～50mm的鋼管或∠40×40×4mm～∠50×50×5mm的角鋼。水平埋設的接地體：用φ16mm的圓管或40×4mm的扁鋼。接地線：用20×4mm～40×4mm的扁鋼。說明：接地裝置由多根接地體組成，這些接地體可成排布置，也可以環(huán)形布置。每根接地體長2.5m左右，接地體之間的距離約5m，將各接地體打入地中后，用圓鋼或扁鋼連成一體。5/15/202133河北科技大學電氣信息學院接地網(wǎng)的布置：應使接地裝置附近的電位分布盡可能均勻，以降低接觸電壓和跨步電壓，保證人身安全。電力系統(tǒng)不同接地裝置的接地電阻允許值見書中表8-3。四、接地電阻的計算1．工頻接地電阻的計算自然接地體接地電阻的計算：可查閱有關設計手冊。人工接地體接地電阻的計算單根垂直接地體的接地電阻：n根并聯(lián)垂直接地體的接地電阻：當有n根垂直接地體并聯(lián)時，考慮屏蔽效應影響，引入利用系數(shù)η；考慮水平接地體的作用，垂直接地體可減少10%。5/15/202134河北科技大學電氣信息學院2．接地裝置的設計計算按設計規(guī)范要求確定所設計變電所的接地電阻允許值（查表8-3）；實測或估算可以利用的自然接地體的接地電阻RE(nat)；計算需要裝設的人工接地體的接地電阻RE(man)；

根據(jù)設計經驗，初步擬訂接地體埋設方案，并試選接地體和連接導線尺寸;計算單根接地體的接地電阻RE(1);按下式計算接地體的數(shù)量n:例8-2

(P195)5/15/202135河北科技大學電氣信息學院3.降低土壤電阻率的措施采用外引式接地裝置：將接地體引至附近的水井、泉眼、水溝、河邊、水庫邊、大樹下等土壤電阻率較低的地方，或者敷設水下接地網(wǎng)，以降低接地電阻。深埋地極法：如果地下較深處的土壤電阻率較低，可用深埋式接地體。換土法：用電阻率較低的土壤（如粘土、黑土等）替換原有電阻率較高的土壤，置換范圍在接地體周圍0.5m以內和接地體的1/3處。化學處理法：在接地體周圍加入低電阻率的減阻劑來增加土壤的導電性，從而降低其接地電阻。5/15/202136河北科技大學電氣信息學院五、低壓配電系統(tǒng)的等電位聯(lián)結等電位聯(lián)結：是使建筑物電氣裝置的各外露可導電部分與電氣裝置外的其他金屬可導電部分電位基本相等的一種電氣連接。采取等電位聯(lián)結后，可以降低接觸電壓，保障人身安全?？偟入娢宦?lián)結（MEB）：在建筑物進線處，將PE線或PEN線與電氣裝置接地干線、建筑物內的各種金屬管道以及建筑物的金屬構件等，都接向總等電位連接端子板，使他們都具有基本相等的電位。局部等電位聯(lián)結（LEB）：又稱輔助等電位聯(lián)結，是在遠離總等電位聯(lián)結處、非常潮濕、有腐蝕性物質、觸電危險性大的局部范圍內進行的等電位聯(lián)結，以作為總等電位聯(lián)結的一種補充。5/15/202137河北科技大學電氣信息學院圖8-15總等電位聯(lián)結（MEB）和局部等電位聯(lián)結（LEB）5/15/202138河北科技大學電氣信息學院等電位聯(lián)結導線的選擇總等電位聯(lián)結主母線的截面，不應小于裝置中最大PE線截面的一半，且不得小于6mm2。如果采用銅導線，其截面可不超過25mm2。連接兩個外露可導電部分的局部等電位線，其截面不應小于接至該兩個外露可導電部分的較小PE線的截面。連接裝置外露可導電部分與裝置外可導電部分的局部等電位聯(lián)結線，其截面不應小于相應PE線截面的一半。PE線、PEN線和等電位聯(lián)結線以及引至接地裝置的接地干線等，在安裝竣工后，均應檢測其接地是否良好，絕不允許有接觸不良現(xiàn)象。5/15/202139河北科技大學電氣信息學院六、漏電保護器的基本結構和原理圖8-16漏電保護器工作原理示意圖正常情況下，通過TAN一次側的三相電流相量和等于零，TAN的鐵心中沒有磁通，其二次側沒有電流輸出。當被保護電路發(fā)生漏電或有人觸電時，由于漏電電流的存在，通過TAN一次側的三相電流相量不等于零，TAN中產生零序磁通，其二次側有電流輸出，經放大器放大后，驅動低壓斷路器QF的脫扣線圈YR，使斷路器QF自動跳閘。圖8-16是電流動作型漏電斷路器的工作原理示意圖。5/15/202140河北科技大學電氣信息學院8.3電氣安全

一、電氣安全的有關概念電流對人體的作用傷害程度與電流大小的關系：通過人體的電流愈大，人體的生理反應愈明顯，傷害愈嚴重。感知電流：指電流通過人體時可引起感覺的最小電流。感知電流值與時間因素無關。擺脫電流：指人在觸電后能夠自行擺脫帶電體的最大電流。擺脫電流值也與時間無關。室顫電流：指引起心室顫動的最小電流。室顫電流與電流持續(xù)時間關系密切。5/15/202141河北科技大學電氣信息學院圖8-17是國際電工委員會（IEC）提出的人體觸電時間和通過人體電流（50Hz）對人身肌體反應的曲線。我國一般采用30mA（50Hz）作為安全電流值，但其觸電時間不得超過1s，因此這安全電流值也稱為30mA·s。圖8-17人體觸電時間和通過人體電流對人身肌體反應的曲線傷害程度與電流持續(xù)時間的關系：通過人體電流的持續(xù)時間愈長，愈容易引起心室顫動，危險性就愈大。5/15/202142河北科技大學電氣信息學院傷害程度與電流通經的關系：

電流通過心臟會引起心室顫動，電流較大時會使心臟停止跳動；電流通過中樞神經，會引起中樞神經嚴重失調而導致死亡；電