电气设备防雷及接地

EXIT2020/6/291.李钊年EXIT供配电系统进行正常运行，首先必须要保证其安全性防雷和接地是电气安全的主要措施。因此掌握电气安全、防雷和接地的设计方法也非常重要。2020/6/292EXIT电气设备的防雷与接地一、电气安全二、过电压和防雷三、牵引供电系统设备的防雷2020/6/293EXIT一、电气安全电气安全的含义电气安全包括人身安全和设备安全两个方面。人身安全是指电气从业人员或其他人员的安全；设备安全是指包括电气设备及其所拖动的机械设备的安全。2020/6/294EXIT过电压及雷电概述过电压的种类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。过电压按产生原因可分为内部过电压和雷电过电压。二、过电压与防雷2020/6/295EXIT过电压内部过电压雷电过电压供电系统中开关操作、负荷骤变或由于故障而引起的过电压雷电引起的过电压（大气过电压）2020/6/296EXIT内部过电压内部过电压是由于电力系统正常操作、事故切换、发生故障或负荷骤变时引起的过电压。分为操作过电压、弧光接地过电压及谐振过电压。内部过电压的能量来自于电力系统本身，经验证明，内部过电压一般不超过系统正常运行时额定相电压的3～4倍，对电力线路和电气设备绝缘的威胁不是很大。2020/6/297.EXIT雷电过电压（外部过电压、大气过电压）雷电过电压是由于电力系统中的设备或建筑物遭受来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压。雷电冲击波的电压幅值可高达1亿伏，其电流幅值可高达几十万安，对电力系统的危害远远超过内部过电压。其可能毁坏电气设备和线路的绝缘，烧断线路，造成大面积长时间停电。因此，必须采取有效措施加以防护。2020/6/298.EXIT雷电过电压的种类直击雷过电压当雷电直接击中电气设备、线路或建筑物时，强大的雷电流通过其流入大地，在被击物上产生较高的电位降，称直击雷过电压。大气过电压直击雷感应雷2020/6/299.EXIT雷击的种类1、直击雷雷云直接对地面建筑物或人放电防雷接地的基本知识2020/6/2910.EXIT有时雷云很低，周围又没有带异性电荷的雷云，这样有可能在地面凸出物上感应出异性电荷，在雷云与大地之间形成很大的雷电场。当雷云与大地之间在某一方位的电场强度达到25～30kV/cm时就开始放电，这就是直击雷，据观测，在地面上产生雷击的雷云多为负雷云。见图。2020/6/2911.EXIT2020/6/2912.EXIT雷击的种类2、感应雷雷云通过静电感应或电磁感应，在附近的金属体上产生感应电压防雷接地的基本知识2020/6/2913.EXIT感应雷过电压当雷云在架空线路上方时，使架空线路感应出异性电荷。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，产生电位很高的过电压，称感应雷过电压，如图所示。架空线路上的感应过电压可达几万甚至几十万伏，对供电系统的危害很大。2020/6/2914.EXIT2020/6/2915.EXIT防雷保护的措施防直击雷保护用接闪器、引下线、接地体三部分组成的避雷装置。接闪器避雷针避雷针避雷线避雷网（带）2020/6/2916.EXIT接闪器是用来接受直接雷击的金属物体。接闪的金属杆称为避雷针，主要用于保护露天变配电设备及建筑物；接闪的金属线称避雷线或架空地线，主要用于保护输电线路；接闪的金属带、金属网称避雷带、避雷网，主要用于保护建筑物。2020/6/2917.EXIT接闪器的工作原理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、建筑物免受雷击。接闪器的实质是引雷2020/6/2918.EXIT接闪器防护范围的确定接闪器（避雷针、避雷线、避雷带、避雷网）的防护范围一般用滚球法明确定，不同的防雷等级所用球的半径不同防雷接地的基本知识2020/6/2919.EXIT①避雷针避雷针是防止直击雷的有效措施。一定高度的避雷针（线）下面，有一个安全区域，此区域内的物体基本上不受雷击。我们把这个安全区域叫做避雷针的保护范围。2020/6/2920.EXIT避雷针的保护范围用“滚球法”来确定。“滚球法”，就是选择一个半径为hr（滚球半径），沿需要防护直击雷的部分滚动，如果球体只触及接闪器或接闪器和地面，而不触及需要保护的部位时，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防雷类别确定的，见下表。2020/6/2921.EXIT表1-2各类防雷建筑物的滚球半径和避雷网格尺寸建筑物防雷类别滚球半径hr（m）避雷网格尺寸（m）第一类防雷建筑物30≤5×5或≤6×4第二类防雷建筑物45≤10×10或≤12×8第三类防雷建筑物60≤20×20或≤24×162020/6/2922.EXIT单支避雷针的保护范围图7-3单支避雷针的保护范围2020/6/2923.EXIT当避雷针高度h≤hr时a.距地面hr处作一平行于地面的平行线；b.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；c.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。由此弧线起到地面为止的整个锥形空间就是避雷针的保护范围。2020/6/2924.EXIT避雷针在被保护物高度hx的xx′平面上的保护半径rx)2()2(xrxrxhhhhhhr当避雷针高度hhr时在避雷针上取高度hr的一点代替避雷针的针尖作为圆心。余下作法与避雷针高度h≤hr相同。2020/6/2925.EXIT②避雷线避雷线是用来保护架空电力线路和露天配电装置免受直击雷的装置。它由悬挂在空中的接地导线、接地引下线和接地体等组成，因而也称“架空地线”。它的作用和避雷针一样，将雷电引向自身，并安全导入大地，使其保护范围内的导线或设备免遭直击雷。2020/6/2926.EXIT③避雷带和避雷网避雷带和避雷网用于在建筑物的边缘及凸出部分上加装，通过引下线和接地装置很好地连接。对建筑物进行保护。2020/6/2927.EXIT④避雷针（线）的接地装置避雷针接地必须良好，接地电阻不宜超过10Ω；35kV及以下变配电所的避雷针应单独装设支架，避雷针与被保护设备之间的空气距离不小于5m；独立避雷针应有自己专用的接地装置，接地装置与变配电所接地网间的地中距离不应小于3m；避雷针及接地装置与道路入口等的距离不小于3m。2020/6/2928.EXIT避雷器是用来防止线路的感应雷及沿线路侵入的过电压波对变电所内的电气设备造成的损害。它一般接于各段母线与架空线的进出口处，装在被保护设备的电源侧，与被保护设备并联。感应雷和入侵雷防护图避雷器的连接2020/6/2929.⑤避雷器EXIT避雷器管形避雷器阀形避雷器金属氧化物避雷器2020/6/2930.EXIT金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器又称压敏避雷器。它是一种没有火花间隙只有压敏电阻片的阀型避雷器。压敏电阻片是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，它具有极大的电阻，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；在雷电过电压作用下，其电阻变得很小，能很好地泄放雷电流。2020/6/2931.EXIT⑥保护间隙与被保护物绝缘并联的空气火花间隙叫保护间隙（又叫空气间隙）。按结构形式可分为棒形、球形和角形三种。目前3～35kV线路广泛应用的是角形间隙。角形间隙由两根φ10～12mm的镀锌圆钢弯成羊角形电极并固定在瓷瓶上，见图a。2020/6/2932.EXIT作用？2020/6/2933.EXIT工作原理：正常情况下，间隙对地是绝缘的。当线路遭到雷击时，就会在线路上产生一个正常绝缘所不能承受的高电压，使角形间隙被击穿，将大量雷电流泄入大地。角形间隙击穿时会产生电弧，因空气受热上升，电弧转移到间隙上方，拉长而熄灭，使线路绝缘子或其他电气设备的绝缘不致发生闪络，从而起到保护作用。2020/6/2934.EXIT因主间隙暴露在空气中，容易被外物（如鸟、鼠、虫、树枝）短接，所以对本身没有辅助间隙的保护间隙，一般在其接地引线中串联一个辅助间隙，这样，即使主间隙被外物短接，也不致造成接地或短路，见上图b。2020/6/2935.EXIT防雷措施（1）架空线的防雷措施－装设避雷线在60kV及以上的架空线路上全线装设；35kV的架空线路上，一般只在进出变配电所的一段线路上装设；而10kV及以下线路上一般不装设避雷线。2020/6/2936.三、牵引供电系统设备的防雷EXIT接触网无避雷线，不能有效防止直击雷。当雷击发生在接触网附近时，会在接触网上产生感应电流。直击雷电流和感应雷电流沿接触网向两侧传播通过避雷器与接地极放电，当雷电流传到变电所时就有可能引发跳闸接触网防雷的特点:接触网的防雷2020/6/2937.EXIT接触网防雷的特点:铁路隧道内接触网对地的空气间隙太小，规范规定困难值为240mm，耐雷水平仅11kA，当直击雷电流或感应雷电流从接触网流过时。有可能击穿空气间隙，造成接地短路，引发跳闸。接触网防雷2020/6/2938.EXIT接触网支柱是利用回流线作闪络保护地线的集中接地，支柱基础上的螺栓可起到一定的接地作用，但普遍接地电阻较大。接触网防雷技术可以参考输电线路的防雷措施，但从客观环境看，接触网防雷较为复杂一些。接触网防雷2020/6/2939.EXIT日本接触网防雷区域划分防雷措施架空避雷线避雷器设置位置A区雷害严重且重要线路，进行全面防雷保护全线架设避雷线1.牵引变电所出口2.接触网隔离开关两侧3.架空线与电缆连接处4.架空线终端B区雷害比较严重且重要的线路，对雷害场所、重点设备进行必要的防雷保护特别需要的场所沿接触网架设避雷线1、牵引变电所出口2、接触网隔离开关两侧3、架空线与电缆连接处4、架空线终端C区A和B以外的区域1.牵引变电所出口2.接触网隔离开关两侧3.架空线与电缆连接处接触网防雷2020/6/2940.EXITS状horn每间隔200m加一个带放电角的绝缘子来分段在架空地线分段区间的中间进行接地。接地阻抗30Ω以下接触网防雷2020/6/2941.EXIT～信号設備単巻変圧器饋電変電所線条変圧器AT供电线接触导线钢轨AT保护线中性线避雷器放电开始电压42kV放电器放电开始电压：5kV接地阻抗10Ω以下接触网防雷2020/6/2942.EXIT国内接触网防雷现状在TB10009-98《铁路电气牵引供电设计规范》中规定：1、吸流变压器的原边应设避雷装置。2、重雷区及超重雷区，下列重点位置应设避雷装置。1）分相和站场端部的绝缘关节；2）长度2000m及以上隧道的两端；3）供电线或AF线连接到接触网上的连接处。通过规范可以看出，我国电气化铁路接触网防雷工程设计中，除了通过绝缘子自恢复绝缘外，还在接触网系统相关位置设置了避雷器以达到防雷的目的。接触网防雷2020/6/2943.EXIT1－避雷器2－回流线3－承力索4－接触网导线接触网示意图接触网安装的避雷器接触网防雷2020/6/2944.EXIT在接触网上安装避雷器的优点:避雷器的体积小、重量轻，安装在现有接触网上不会明显增加支柱的机械负荷。避雷器的结构紧凑、安装方式简单，便于现场安装和更换。避雷器的保护水平与接触网的绝缘水平配合良好，特别是带间隙避雷器的50％冲击放电电压与接触网绝缘子的放电特性一致，且正、负极性的分散性要小。接触网防雷2020/6/2945.EXIT两种主要的避雷器用于接触网线路的避雷器主要有两种，一种是火花间隙形避雷器，另一种是氧化锌避雷器接触网防雷2020/6/2946.EXIT曲线1为支柱接地，曲线2为支柱不接地支柱落雷时电位分布曲线支柱接地布置对架空线电位影响接触网防雷2020/6/2947.EXIT接地间距对耐雷水平的影响接地电阻对耐雷水