第10章供配电系统的安全技术

第10章供配电系统的安全技术第10章供配电系统的安全技术10.1电气安全的基本知识10.2过电压与防雷10.3供配电系统的接地10.4低压配电系统的等电位联结与漏电保护基本技能训练触电的急救处理思考题与习题第10章供配电系统的安全技术10.1电气安全的基本知识1.触电对人体的危害人体也是导体，当人体不同部位接触不同电位时，就会有电流流过人体，这就是触电。人体触电可分为两种情况，一种是雷击和高压触电，较大的安培数量级的电流通过人体所产生的热效应、化学效应和机械效应将使人的机体遭受严重的电灼伤、组织炭化坏死以及其他难以恢复的永久性伤害；另一种是低压触电，在数十至数百毫安电流的作用下，人的肌体会产生病理生理性反应，轻的有针刺痛感，或出现痉挛、血压升高、心律不齐，以致昏迷等暂时性的功能失常，重的可引起呼吸停第10章供配电系统的安全技术2.安全电流和安全电压1)安全电流安全电流就是人体触电后最大的摆脱电流。我国规定安全电流为30mA(50Hz交流)，触电时间不超过1s，因此安全电流值也称为30mA·s。当通过人体的电流不超过30mA·s时，对人身机体不会有损伤，不致引起心室纤维性颤动、停搏或呼吸中枢麻痹。如果通过人体的电流达到50mA·s，则对人体就有致命危险，而达到100mA·s时，一般会致人死命。第10章供配电系统的安全技术安全电流主要与下列因素有关：(1)触电时间。触电时间在0.2s以下或0.2s以上，电流对人体的危害程度有很大的差别。触电时间超过0.2s，致颤电流值将急剧降低。(2)电流性质。实验表明，直流、交流和高频电流通过人体时对人体的危害程度是不一样的，50～60Hz的工频电流对人体的危害最为严重。(3)电流路径。电流对人体的伤害程度主要取决于心脏的受损程度。实验表明，不同路径的电流对心脏有不同的损害程度，而以电流从手到脚特别是从手到胸对人体的危害最为严重。(4)体重和健康状况。健康人的心脏和衰弱患病人的心脏对电流损害的抵抗能力是不同的。人的心理、情绪好坏以及人的体重等也使电流对人体的危害有所差别。第10章供配电系统的安全技术2)安全电压安全电压就是不会使人直接致死或致残的电压。我国国家标准GB3805—83《安全电压》规定的安全电压等级如表10-1所示。从电气安全的角度来说，安全电压与人体电阻有关。人体电阻一般为1700Ω左右。因此，从触电安全角度考虑，人体允许持续接触的安全电压为Usaf=30×10-3×1700≈50V此处的50V(50Hz交流有效值)称为一般正常环境条件下允许持续接触的“安全特低电压”。第10章供配电系统的安全技术第10章供配电系统的安全技术3.直接触电防护和间接触电防护根据人体触电的情况可将触电防护分为直接触电防护和间接触电防护两类。(1)直接触电防护是指对直接接触正常带电部分的防护，例如对带电导体加隔离栅栏或保护罩等。(2)间接触电防护是指对故障时可带危险电压而正常时不带电的外露可导电部分(如金属外壳、框架等)的防护，例如将正常第10章供配电系统的安全技术10.2过电压与防雷10.2.1过电压的形式过电压是指在电气设备或线路上出现的超过正常工作要求并对其绝缘构成威胁的电压。过电压按其发生的原因可分为两大类，即内部过电压和雷电过电压。1)内部过电压内部过电压是由于电力系统本身的开关操作、发生故障或其他原因使系统的工作状态突然改变，从而在系统内部出现电磁能量的转化或传递所引起的电压升高。第10章供配电系统的安全技术内部过电压又分为操作过电压和谐振过电压等形式。操作过电压是由于系统中的开关操作、负荷骤变或由于故障出现断续性电弧而引起的过电压。谐振过电压是由于系统中的电路参数(R、L、C)在特定组合时发生谐振而引起的过电压。内部过电压的能量来源于电网本身。经验证明，内部过电压一般不会超过系统正常运行时额定电压的3~3.5倍，对线路和电气设备的威胁不是很大。第10章供配电系统的安全技术2)雷电过电压雷电过电压又称为大气过电压，它是由于电力系统内的设备或建筑物遭受直接雷击或雷电感应而产生的过电压。由于引雷电过电压产生的雷电冲击波其电压幅值可高达上亿伏，其电流幅值可高达几十万安，因此对电力系统危害极大，必须采取有效措施加以防护。第10章供配电系统的安全技术雷电过电压的基本形式有三种。(1)直击雷过电压。雷电直接击中电气设备、线路或建筑物时，强大的雷电流通过该物体泄入大地，在该物体上会产生较高的电位降，这种雷电过电压称为直击雷过电压。雷电流通过被击物体时，将产生有破坏作用的热效应和机械效应，相伴的还有电磁效应和对附近物体的闪络放电(称为雷电反击或二次雷击)。(2)感应过电压。当雷云在架空线路(或其他物体)上方时，会使架空线路上感应出异性电荷。雷云对其他物体放电后，架空线路上的电荷被释放，形成自由电荷流向线路两端，将会产生很高的过电压。高压架空线路上的感应过电压可达几十万伏，第10章供配电系统的安全技术(3)雷电波侵入。由于直击雷或感应雷而产生的高电位雷电波沿架空线路或金属管道侵入变配电所或用户，因而会造成危害。据统计，供电系统中由于雷电波侵入而造成的雷害事故在整个雷害事故中占50%以上。因此，对雷电波侵入的防护问题第10章供配电系统的安全技术10.2.2防雷设备一个完整的防雷设备一般由接闪器或避雷器、引下线和接地装置三个部分组成。而防雷的主要功能是由接闪器或避雷器完成的，因此下面介绍这部分内容。1.接闪器接闪器就是专门用来接受直接雷击的金属物体。接闪器的金属杆称为避雷针；接闪器的金属线称为避雷线或架空地线；接闪器的金属带、金属网分别称为避雷带、避雷网。所有接闪器都必须经过引下线与接地装置相连。它们都是利用其高出被保护物的突出地位，把雷电引向自身，然后通过引下线和接地装置把雷电流泄入大地，使被保护的线路、设备和建筑物免受雷击。第10章供配电系统的安全技术1)避雷针避雷针的功能实质上是引雷。由于避雷针高出被保护物，又与大地相连，当雷云先导接近时，它与雷云之间的电场强度最大，因而可将雷云放电的通路吸引到避雷针本身，并经引下线和接地装置将雷电流安全地泄放到大地中去，使被保护物体免受直接雷击。所以，避雷针实质上是引雷针，它把雷电波引入地下，从而保护了线路、设备及建筑物等。避雷针一般用镀锌圆钢或镀锌焊接钢管制成。它通常安装在构架、支柱或建筑物上，其下端经引下线与接地装置焊接。第10章供配电系统的安全技术避雷针的保护范围以其能防护直击雷的空间来表示，按新颁布的国家标准采用“滚球法”来确定。所谓“滚球法”，就是选择一个半径为hr(滚球半径)的球体，沿需要防护直击雷的部分滚动，如果球体只触及接闪器或者接闪器和地面，而不触及需要保护的部位，则该部位就在这个接闪器的保护范围之内。滚球半径是按建筑物的防雷类别来确定的，见表10-2。第10章供配电系统的安全技术第10章供配电系统的安全技术单支避雷针的保护范围如图10-1所示，可通过下列方法来确定。(1)当避雷针高度h≤hr时，①在距地面hr处作一平行于地面的平行线。②以避雷针的针尖为圆心、hr为半径，作弧线交平行线于A、B两点。③以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交，并与地面相切。由此弧线起到地面止的整个锥形空间就是避雷针的保护范围。避雷针在被保护物高度hx的xx′平面上的保护半径rx可按式(10-1)来计算，即(10-1)式中，hr为滚球半径，其值按表10-2确定。)2()2(xrxxxhhhhhhr第10章供配电系统的安全技术(2)hZhr时，在避雷针上取高度hr处的一点代替避雷针的针尖作为圆心。其余做法如同h≤hr【例10-1】某厂一座高30m的水塔边建有一个水泵房(属第三类防雷建筑物)，尺寸如图10-2所示，水塔上安装一支高2m的避雷针。试问此避雷针能否保护水泵房。第10章供配电系统的安全技术图10-2避雷针的保护范围第10章供配电系统的安全技术解：查表10-2可得，滚球半径hr=60mh=30+2=32m，hx=6m，根据式(10-1)可得避雷针的保护半径为水泵房在hx=6m高度上最远屋角距离避雷针的水平距离为由此可见，水塔上的避雷针能保护水泵房。关于两支及多支避雷针的保护范围可查阅GB50057-1994修订本或有关设计手册，此处从略。m9.26)6602(6)32602(32xrxrrm7.185)612(22第10章供配电系统的安全技术2)避雷线避雷线架设在架空线路的上边，用来保护架空线路或其他物体(包括建筑物)免遭直接雷击。由于避雷线既架空又接地，因此又称为架空地线。避雷线的原理和功能与避雷针基本相同。3)避雷带和避雷网避雷带和避雷网普遍用来保护较高的建筑物免受雷击。避雷带一般沿屋顶周围装设，高出屋面100～150mm，支持卡间距离1～1.5m。装在烟囱、水塔顶部的环状避雷带又叫避雷环。避雷网除沿屋顶周围装设外，当需要时还可在屋顶上面用圆钢或扁钢纵横连接成网。避雷带和避雷网必须经引下线与接地装置可靠连接。第10章供配电系统的安全技术2.避雷器避雷器用来防止雷电所产生的大气过电压沿架空线路侵入变电所或其他建筑物，以免危及被保护设备的绝缘。避雷器应与被保护设备并联，装在被保护设备的电源侧，其放电电压低于被保护设备的绝缘耐压值，如图10-3所示。当线路上出现危及设备绝缘的雷电过电压时，避雷器的火花间隙被击穿，使过电压对地放电，从而保护设备的绝缘。避雷器的类型主要有管型、阀型和金属氧化物等。第10章供配电系统的安全技术图10-3避雷器的连接第10章供配电系统的安全技术1)管型避雷器管型避雷器主要由产气管、内部间隙和外部间隙组成，其结构如图10-4所示。当线路上遭到雷击或感应雷时，雷电过电压使管型避雷器的内部间隙s1与外部间隙s2击穿，强大的雷电流通过接地装置泄入大地，将过电压限制在避雷器的放电电压值内。由于避雷器放电时内阻接近于零，因此其残压极小，但工频续流极大。雷电流和工频续流使管子内部间隙发生强烈电弧，在电弧高温作用下，管内壁材料燃烧并产生大量灭弧气体，灭弧腔内压力急剧增大，高压气体从喷口喷出，产生强烈的吹弧作用，将电弧熄灭。这时外部间隙的空气恢复绝缘，使避雷器与系统隔离，恢复正常运行状态，电力网正常供电。管型避雷器主要用于变配电所的进线保护和线路绝缘薄弱点的保护。保护性能较好的管型避雷器可用于保护配电变压器。第10章供配电系统的安全技术图10-4管型避雷器第10章供配电系统的安全技术2)阀型避雷器阀型避雷器主要由火花间隙和阀片组成，装在密封的磁套管内。阀型避雷器的火花间隙组是由多个单间隙串联组成的。正常运行时，间隙介质处于绝缘状态，仅有极小的泄漏电流通过阀片。当系统出现雷电过电压时，火花间隙很快被击穿，雷电冲击电流很容易通过阀性电阻而泄入大地，释放过电压负荷，阀片在大的冲击电流下其电阻由高变低，所以冲击电流在阀片上产生的压降(残压)较低。此时，作用在被保护设备上的电压只是避雷器的残压，从而使电气设备得到了保护。高、低压阀型避雷器的外形结构如图10-5所示。阀型避雷器广泛应用于交直流系统中，保护变配电所设备的绝缘。第10章供配电系统的安全技术图10-5高、低压阀型避雷器(a)FS4-10型；(b)FS-0.38型第10章供配电系统的安全技术3)金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器是以氧化锌电阻片为主要元件的一种新型避雷器。它分为有火花间隙和无火花间隙两种。无火花间隙的金属氧化物避雷器其瓷套管内的阀电阻片是由氧化锌等金属氧化物烧结而成的多晶半导体陶瓷元件，具有理想的伏安特性。在工频电压下，阀电阻片具有极大的电阻，能迅速有效地阻断工频电流，因此不需要火花间隙来熄灭由工频续流引起的电弧；在雷电过电压的作用下，阀电阻片的电阻变得很小，能很好地泄放雷电流。有火花间隙的金属氧化物避雷器与前述的阀型避雷器类似，只是普通阀型避雷器采用的是碳化硅阀电阻片，而这种金属氧化物避雷器采用的是氧化锌电阻片，其非线性更优异，有取代碳化硅阀型避雷器的趋势。目前，氧化物避雷器广泛应用于高、低压设备的防雷保护。Y5W无间隙金属氧化物避雷器的外形