2023學(xué)年完整公開課版防雷接地

第五節(jié)防雷接地防雷接地的目的是利用接地裝置將雷電流順利泄入地下，以消除過(guò)電壓的危險(xiǎn)影響。防雷接地裝置是防雷保護(hù)裝置不可或缺的組成部分，各種防雷保護(hù)裝置必須配備合適的接地裝置才能有效地發(fā)揮其保護(hù)作用。

一、接地裝置電氣設(shè)備需要接地的部分與大地的連接是靠接地裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，接地裝置由埋入地中的接地體和連接到設(shè)備接地部分的接地線組成。當(dāng)接地裝置中流過(guò)電流時(shí)，接地電流從接地體向周圍土壤流散，如圖13-36所示。由于大地并不是理想接地體，它具有一定的電阻率，接地電流將沿大地產(chǎn)生電壓降。在靠近接地體處，電流的密度和電位梯度最大，離接地體愈遠(yuǎn)，大地中的電流密度就愈小，在足夠遠(yuǎn)的距離外，地中電流密度也接近于零，該處的點(diǎn)位為零電位。當(dāng)電流流過(guò)接地體時(shí)地表面的電位分布如圖中曲線U所示。圖13-36接地裝置原理圖U—-接地點(diǎn)電位I—-接地電流U1—接觸電壓

U2—跨步電壓接地電阻是表征接地裝置功能的一個(gè)最重要的電氣參數(shù)。接地電阻是電流由接地裝置流入大地再經(jīng)大地流向另一接地體或向遠(yuǎn)處擴(kuò)散所遇到的電阻，它包括接地線電阻、接地體電阻、接地體與土壤間的接觸電阻和土壤中的散流電阻。由于前三種電阻與土壤中的流散電阻相比，要小得很多，一般均忽略不計(jì)，故通常近似以散流電阻作為接地電阻。接地電阻的大小等于接地裝置上點(diǎn)位的幅值與通過(guò)接地裝置電流的幅值得比值。當(dāng)接地裝置流過(guò)工頻電流時(shí)呈現(xiàn)的電阻，稱為工頻接地電阻；當(dāng)接地裝置流過(guò)沖擊電流時(shí)呈現(xiàn)的電阻，稱為沖擊接地電阻。當(dāng)接地電流為定值時(shí)，接地電阻愈小，接地點(diǎn)電位愈低，反之則愈高，此時(shí)地面上的接地物體（例如變壓器）也具有較高的電位，有可能引起與其他帶電部分間絕緣的閃絡(luò)，也可能引起大的接觸電壓和跨步電壓，從而不利于電氣設(shè)備絕緣和人身安全。電力系統(tǒng)中各種電氣設(shè)備的接地可分為保護(hù)接地、工作接地和防雷接地等三種。保護(hù)接地是為了人身安全而將電氣設(shè)備的金屬外殼加以接地，避免因設(shè)備絕緣損壞而使設(shè)備外殼帶有危險(xiǎn)電壓危及人身安全，它所要求的接地電阻在1～10Ω的范圍內(nèi)。工作接地是根據(jù)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行需要而設(shè)置的接地，它所要求的接地電阻值約在0.5～10Ω的范圍內(nèi)。防雷接地是針對(duì)防雷保護(hù)需要而設(shè)置的，目的是減小雷電流通過(guò)接地裝置時(shí)的電位升高，它的接地電阻值一般在1～30Ω的范圍內(nèi)。防雷接地所釋放的的電流是雷電流，雷電流是沖擊波，接地裝置在其作用下所呈現(xiàn)的是沖擊接地電阻，與工作接地和保護(hù)接地的工頻接地電阻不同。一方面，由于雷電流幅值大，使得接地體附近地中電流密度δ增大，從而提高了土壤中的電場(chǎng)強(qiáng)度（E=ρδ）。若此電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)土壤擊穿場(chǎng)強(qiáng)(約6～12kV／cm)時(shí)，在接地體周圍的土壤中便會(huì)發(fā)生局部火花放電，使土壤導(dǎo)電性增大，相當(dāng)于增大了接地電極的尺寸，使接地電阻減小。因此，同一接地裝置在幅值甚高的沖擊電流作用下，其接地電阻要小于工頻電流下的數(shù)值，這種效應(yīng)稱為火花效應(yīng)。另一方面，由于雷電流的等值頻率較高，這就使接地體自身電感的影響增加，阻礙電流向接地體遠(yuǎn)端流通。對(duì)于長(zhǎng)度較大的接地體，這種影響更加明顯。結(jié)果會(huì)使接地體得不到充分利用，使接地裝置的電阻值大于工頻接地電阻值。這種現(xiàn)象稱為電感效應(yīng)。由于上述原因，導(dǎo)致同一接地裝置在沖擊接地電阻和工頻接地電阻值不同，通常用沖擊系數(shù)α表示兩者的關(guān)系

(13-34)沖擊系數(shù)α與雷電流幅值、土壤電阻率ρ及接地裝置形式、尺寸等因素有關(guān)，一般依靠試驗(yàn)確定。一般情況下由于火花效應(yīng)大于電感效應(yīng)，故α﹤1，但對(duì)電感效應(yīng)較明顯的情況，則可能α≧1。二、典型人工接地裝置接地電阻人工接地裝置主要由扁鋼、圓鋼、角鋼或鋼管組成，埋于地表面下0.6～0.8m處。接地體的埋設(shè)分為垂直埋設(shè)和水平埋設(shè)兩種。水平接地體多用寬度為20～40mm、厚度不小于4mm的扁鋼，或者用直徑不小于6mm的圓鋼。垂直接地體一般用20mm×20mm×3mm～50mm×50mm×5mm角鋼或鋼管，長(zhǎng)度為2.5m以上。1．垂直接地體如圖13-37所示，設(shè)接地體長(zhǎng)度為（m），直徑為（m）。當(dāng)時(shí)，單根垂直接地體的接地電阻為：（13—35）式中：—接地體長(zhǎng)度（m）；—土壤電阻率（Ω·m）；—接地體直徑（m）。如果接地體不是鋼管或圓鋼，需要將其他鋼材幾何尺寸折算成等效圓鋼。采用扁鋼等效直徑=0.5，是扁鋼寬度；采用角鋼等效直徑=0.84，是角鋼每邊寬度。圖13-37單根垂直接地體當(dāng)單根垂直接地體的接地電阻不能滿足要求時(shí)，可用多根垂直接地體并聯(lián)的方法來(lái)降低接地電阻。當(dāng)有根垂直接地體時(shí)，由于各接地體間的流散電流相互屏蔽而使接地體不能得到充分的利用（見圖13-38）?？偨拥仉娮枰话愦笥诟鱾€(gè)垂直接地體電阻的并聯(lián)值?？捎孟率接?jì)算：（13—36）式中：—接地體利用系數(shù)，由于屏蔽效應(yīng)，﹤1，通常取0.65～0.8。接地體間距離與接地體長(zhǎng)度之比愈小，就愈小。圖13-38多根垂直接地體的屏蔽效應(yīng)2．水平接地體（13-37）式中：—水平接地體的總長(zhǎng)（m）；

—水平接地體埋設(shè)深度（m）；

—接地體直徑（m）；

—形狀系數(shù)，反映因受屏蔽影響使接地電阻增加的系數(shù)，其數(shù)值列于表13-4中。

表13-4水平接地體的形狀系數(shù)A

序號(hào)12345678接地體形狀屏蔽系數(shù)A00.380.480.871.692.145.278.81從表中可見，當(dāng)總長(zhǎng)相同時(shí)，由于電極形狀不同，A值會(huì)有顯著差別，如序號(hào)7、8的形狀對(duì)接地體的利用是很不充分的，不宜采用。以上公式計(jì)算出的是工頻電流作用下的接地電阻值，在雷電流作用下沖擊接地電阻值可用計(jì)算，的數(shù)值根據(jù)計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)得到。3．伸長(zhǎng)接地體在土壤電阻率較高的巖石地區(qū)，可以增加水平埋設(shè)的扁鋼長(zhǎng)度，來(lái)加大接地體的尺寸，從而降低接地電阻，通常稱這種接地體為伸長(zhǎng)接地體。由于雷電流的等值頻率很高，接地體自身的電感將會(huì)產(chǎn)生很大的影響，此時(shí)接地體將表現(xiàn)出具有分布參數(shù)的傳輸線的阻抗特性，加之火化效應(yīng)的出現(xiàn)將使伸長(zhǎng)接地體的電流通過(guò)時(shí)成為一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程。一般在簡(jiǎn)化條件下通過(guò)理論分析，對(duì)這一問(wèn)題作出定性的描述，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)得到工程應(yīng)用的依據(jù)。通常，伸長(zhǎng)接地體只在40—60m的范圍內(nèi)有效，超過(guò)這一范圍接地阻抗基本上不再變化。三、輸電線路的防雷接地高壓輸電線路在每一基桿塔下一般都設(shè)有接地裝置，并通過(guò)引線與避雷線相連，其目的是使擊中避雷線和桿塔的雷電流通過(guò)較低的接地電阻進(jìn)入大地。國(guó)家規(guī)程規(guī)定了桿塔接地電阻，見表13-5所示。高壓輸電線路桿塔都有混凝土基礎(chǔ),它也起自然接地的作用，其接地電阻稱為自然接地電阻。在大多數(shù)情況下，單純依靠自然接地電阻是不能滿足要求的，需要裝設(shè)人工接地裝置。只有在土壤電阻率不大于100Ω·m的潮濕地區(qū)，自然接地體的接地電阻值才有可能滿足要求。表13-5裝有避雷線的線路桿塔的工頻接地電阻（上限）土壤電阻率ρ（Ω·m）工頻接地電阻（Ω）土壤電阻率ρ（Ω·m）工頻接地電阻（Ω）100以下101000以上至200025100以上至500152000以上30，或敷設(shè)6—8根500以上至1000202000以上總長(zhǎng)不超過(guò)500m

的放射線，或用兩根連續(xù)伸長(zhǎng)接地線，阻值不作規(guī)定四、發(fā)電廠和變電所的防雷接地發(fā)電廠和變電站內(nèi)的接地直接關(guān)系到設(shè)備和人身的安全,因而發(fā)電廠和變電站內(nèi)需要有良好的接地，其接地裝置必須滿足工作接地、保護(hù)接地和防雷接地的要求。發(fā)電廠和變電站的接地通常是根據(jù)安全和工作接地要求敷設(shè)一個(gè)統(tǒng)一的接地網(wǎng)，然后再在防雷裝置(避雷針，避雷器等)接地點(diǎn)上增加一些垂直接地體或水平接地帶以滿足防雷接地的需要。

（a）（b）圖13-39接地網(wǎng)示意圖（a）長(zhǎng)孔形（b）方孔形接地網(wǎng)常用4×40mm的扁鋼或20mm的圓鋼水平連接，埋入地下0.6～0.8m處，接地網(wǎng)外緣連成閉合形，外緣的各角做成圓弧形，網(wǎng)內(nèi)敷設(shè)水平均壓帶構(gòu)成網(wǎng)孔形，其面積大體與發(fā)電廠和變電站的面積相同，如圖13-39所示。這種接地網(wǎng)的總接地電阻可以按下式估算：（13—38）式中：—接地體（包括水平和垂直的）總長(zhǎng)度（m）；—接地網(wǎng)的總面積（m2）；