第9章防雷接地与电气安全

第9章防雷、接地与电气安全•9.1过电压与防雷•9.2电气装置的接地•9.3电气安全9.1过电压与防雷1．内部过电压一、过电压的形式操作过电压：因开关操作、负荷剧变、系统故障等原因而引起的过电压。谐振过电压：因电感、电容等参数在特殊情况下发生谐振而引起的过电压。2．外部过电压外部过电压又称雷电过电压或大气过电压，它是由于电力系统的导线或电气设备受到直接雷击或雷电感应而引起的过电压。二、雷电的基本知识主放电阶段：电流很大，高达几百千安，但持续时间极短，一般只有50～100μs。余辉放电阶段：电流较小，约几百安，持续时间约为0.03～0.15s。1.雷电现象：雷云放电的过程称为雷电现象。雷云→雷电先导→迎雷先导→主放电阶段→余辉阶段2.雷电流的特性雷电流波形（图9-1）波头：指雷电流从零上升到最大幅值这一部分，一般只有1～4μs；波尾：指雷电流从最大幅值开始，下降到二分之一幅值所经历的时间，约数十微妙。雷电流的陡度：指雷电流在波头部分上升的速度，即tidd图9-1雷电流波形图3.雷电过电压的基本形式直击雷：雷电直接击中电气设备、线路、建筑物等物体。感应雷：由雷电对线路、设备或其他物体的静电感应或电磁感应而引起的过电压。感应雷的形成过程如图9-2所示。雷电波侵入：架空线路遭到直接雷击或感应雷而产生的高电位雷电波，沿架空线侵入变电所或其他建筑物而造成危险。图9-2架空线路上的感应过电压4．雷电活动强度及直击雷的规律雷暴日：一天中只要出现过雷电活动（包括看到雷闪和听到雷声），就算一个雷暴日。年平均雷暴日不足15日的地区为少雷区；年平均雷暴日超过40日的地区为多雷区；年平均雷暴日超过90日的地区为雷电活动特别强烈地区。我国各地区的雷暴日数如表9-1所示。表9-1我国各地区的年平均雷暴日地区年平均雷暴日地区年平均雷暴日西北地区20以下长江以南北纬23°线以北40～80左右东北地区30左右长江以南北纬23°线以南80以上华北和中部地区40～45左右海南岛、雷洲半岛120～130左右雷电活动的规律热而潮湿的地区比冷而干燥的地区雷暴多，且山区大于平原，平原大于沙漠，陆地大于湖海。雷击区的形成与地质结构（即土壤电阻率）、地面上的设施情况及地理条件等因素有关。土壤电阻率小的地方易遭受雷击；在不同电阻率的土壤交界处易遭受雷击；山的东坡、南坡较山的北坡、西坡易遭受雷击；山岳地区易遭受雷击。建筑物的雷击部位与建筑物的高度、长度及屋顶坡度等因素有关。5．雷电的危害雷电流的热效应可烧断导线和烧毁电力设备；雷电流的机械效应产生的电动力可摧毁设备、杆塔和建筑，伤害人畜；雷电流的电磁效应可产生过电压，击穿电气设备绝缘，甚至引起火灾爆炸，造成人身伤亡；雷电的闪络放电可烧坏绝缘子，使断路器跳闸或引起火灾，造成大面积停电。三、防雷装置防雷装置由接闪器、引下线和接地装置三部分组成。接闪器（受雷装置）：是接受雷电流的金属导体，常用的有避雷针、避雷线和避雷网（带）三种类型。引下线：应保证雷电流通过时不致熔化，一般用直径不小于10mm的圆钢或截面不小于80mm2的扁钢制成。接地装置：埋在地下的接地导线和接地体的总称。1.避雷针避雷针通常采用镀锌圆钢或镀锌焊接钢管制成。针长1m以下时，圆钢直径不小于12mm，钢管直径不小于20mm；针长1～2m时，圆钢直径不小于16mm，钢管直径不小于25mm。当避雷针高度h≤hr时：单支避雷针的保护范围（图9-3）避雷针的保护范围，以它能够防护直击雷的保护空间来表示，可按“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位滚动。如果球体只接触到避雷针（线）与地面，而不触及需要保护的部位，则该部位就在避雷针（线）的保护范围之内。在距地面hr处作一平行于地面的平行线。以避雷针的针尖为圆心、hr为半径作弧线，交于平行线的A、B两点。)2()2(xrxrxhhhhhhr避雷针在地面上的保护半径为：)2(0hhhrr图9-3单支避雷针的保护范围与地面相切。从该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。以A、B为圆心、hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交并避雷针在hx高度的水平面上的保护半径为：当避雷针高度h＞hr时：在避雷针上取高度为hr的一点代替避雷针的针尖作为圆心，其余的作法与h≤hr时相同。建筑物的防雷级别是根据其重要性、使用性质以及发生雷击事故的可能性和造成后果来划分的，共分为三级：一级防雷建筑物：指具有特别重要用途的建筑物，如国家级会堂、办公建筑、档案馆、大型博展建筑、大型铁路客运站、国际型航空港、国宾馆、国际港口客运站；国家级重点文物保护建筑物以及高度超过100m的建筑物等。二级防雷建筑物，是指重要的或人员密集的大型建筑物，如省部级办公楼、会堂、博展、体育、交通、通讯、广播等建筑物；省级重点文物保护建筑物；高度超过50m的建筑物以及大型计算中心和装有重要电子设备的建筑物。三级防雷建筑物，是指预计年雷击次数大于或等于0.05，或经过调查确认需要防雷的建筑物；建筑群中最高或位于建筑群边缘高度超过20m的建筑物；高度为15m及以上的烟囱、水塔等孤立建筑物等。例9-1（P301）:某厂一座高30m的水塔旁边，建有一锅炉房（图9-4），水塔上面安装一支2m高的避雷针，试问该避雷针能否保护这一锅炉房？双支等高避雷针的保护范围（图9-5）在h≤hr的情况下，当D≥时，各按单支避雷针的方法确定；当D＜时，按下述方法确定：)2(2hhhr)2(2hhhr图9-4例9-1避雷针的保护范围解：m,32m2m30hm8xhm13.23)8602(8)32602(32xrm13.23m68.185)810(22rm60rh查表9-2得因此，避雷针的保护半径为：8m高度上最远一角距离避雷针的水平距离为：∴能保护。ABCD外的保护范围，按单支避雷针所规定的方法确定。C、D点位于两针间的垂直平分线上。在地面每侧的最小保护宽度应按下式计算：DOCOb0在AOB轴线上，A、B间的保护范围上边线按下式确定：2222)(XDhhhhrrx22)2(Dhhhr图9-5双支等高避雷针的保护范围两针间ABCD内的保护范围，ACO、BCO、ADO、BDO各部分是类同的。以ACO部分的保护范围为例，按以下方法确定：在hx和C点所处的垂直平面上，以hx作为假想避雷针，按单支避雷针所规定的方法确定（见剖面）。2.避雷线避雷线一般采用截面不小于35mm2的镀锌钢绞线。单根避雷线的保护范围，当避雷线高度h≥2hr时，无保护范围。当避雷线高度h＜2hr时，按下列方法确定（图9-6）：在距地面hr处作一平行于地面的平行线。以避雷线尖为圆心、hr为半径作弧线，交于平行线的A、B两点。图9-6单根避雷线的保护范围a）当2hr＞h＞hr时b）当h≤2hr时以A、B为圆心、hr为半径作弧线，该两弧线相交或相切，并与地面相切。从该弧线起到地面止为避雷线的保护范围。当2hr＞h＞hr时，保护范围最高点的高度h0按下式计算：hhhr20避雷线在hx高度的水平面上的保护宽度bx按下式计算：)2()2(xrxrxhhhhhhb3.避雷带和避雷网避雷带和避雷网主要用于保护高层建筑免遭雷击，通常采用圆钢或扁钢焊接而成，并沿房屋边缘或屋顶敷设。注意：圆钢直径不小于8mm，扁钢截面不小于48mm2，厚度不小于4mm。当烟囱上采用避雷环时，圆钢直径不小于12mm，扁钢截面不小于100mm2，厚度不小于4mm。四、变电所的防雷保护1．直击雷的防护措施变电所应按一级防雷建筑物的标准进行防雷设计。变电所内的设备和建筑物通常采用独立避雷针或避雷线进行直击雷防护。“反击”现象：当避雷针（线）与附近设施之间的绝缘距离不够时，两者之间会发生强烈的放电现象，这种情况称为“反击”。为了防止反击事故的发生，避雷针（线）与附近其他金属导体之间必须保持足够的安全距离。独立避雷针（线）及其引下线与其他金属物体在空气中的安全距离应满足：xshhR1.03.0safS≥独立避雷针（线）的接地体与变电所接地网间的最小地中距离应满足：式中，Rsh为独立避雷针（线）的冲击接地电阻；hx为被保护物的高度。ESshR3.0≥Ssaf一般不应小于5m。SE一般不应小于3m。2．雷电侵入波的防护措施变电所对于雷电侵入波的过电压保护是利用阀型避雷器以及与阀型避雷器相配合的进线段保护。35～110kV变电所的防雷保护方案（图9-7）对于容量较小的35kV变电所，可根据其重要性和雷电活动情况，酌情简化进线保护措施；对于有电缆进线段的架空线路，避雷器应装设在电缆头附近，其接地端应和电缆金属外皮相连。在变电所1～2km进线段架设避雷线，既可防护直击雷，还可以使感应雷过电压产生在1～2km以外。为了降低雷电侵入波的幅值，在该线路进线段的首端应装设一组管型避雷器FA1，且其工频接地电阻不宜超过10Ω。在靠近隔离开关或断路器QF2处装设一组管型避雷器FA2，以防止线路上的雷电波侵入到隔离开关或断路器开路处时，由于反射而形成两倍侵入波幅值的电压，损坏隔离开关或断路器。母线上装设阀型避雷器FA3，主要用于保护变压器、电压互感器等所有高压电气设备。图9-735～110kV变电所的进线保护方案9.2电气装置的接地一、接地的有关概念1．接地装置接地：电气设备的某部分与大地之间做良好的电气连接。接地体：直接与大地接触的金属导体。接地线：连接接地体与电气设备接地部分的金属导体。接地装置：接地体与接地线的总和，称为接地装置。接地网：由若干个接地体在大地中相互用接地线连接起来的一个整体，称为接地网，如图9-8所示。图9-8接地网示意图1—接地体2—接地干线3—接地支线4—电气设备2．地和对地电压当电气设备发生接地故障时，接地电流IE通过接地体向大地作半球形散开，如图9-9所示。电气设备的接地部分与零电位地之间的电位差，称为接地部分的对地电压，用UE表示。实践证明：在距接地体20m以外的地方，散流电阻已趋近于零，也即电位趋近于零。该电位等于零的地方称为电气上的“地”或“大地”。图9-9接地电流和对地电压分布图3.接触电压和跨步电压（图9-10）接触电压：当电气设备发生接地故障时，人体触及的电气设备和大地上任意两点之间的电位差，称为接触电压Utou。跨步电压：人在接地故障点附近行走时，两脚之间的电位差，称为跨步电压Ustep。图9-10接触电压和跨步电压4.接地电阻流散电阻：接地体的对地电压与通过接地体流入地中的电流之比，称为流散电阻。接地电阻：电气设备接地部分的对地电压与接地电流之比，称为接地装置的接地电阻。工频接地电阻：工频接地电流流经接地装置所呈现的接地电阻，称为工频接地电阻，用RE表示；冲击接地电阻：雷电流流经接地装置所呈现的电阻，称为冲击接地电阻，用Rsh表示。二、接地的类型工作接地：根据电力系统运行的需要，人为地将电力系统中性点或电气设备的某一部分进行接地。保护接地：为保证人身安全、防止触电事故，将电气设备的外露可导电部分与地作良好的连接。TN系统：TN系统的电源中性点直接接地，并引出有中性线（N线）、保护线（PE线）或保护中性线（PEN线），电气设备的外露可导电部分与PE线或PEN线相连。TN-C系统：系统中N线与PE线合为一根PEN线，所有设备的外露可导电部分均接PEN线，如图9-11a所示。TN-S系统：系统中的N线与PE线完全分开，所有设备的外露可导电部分均接PE线，如图9-11b所示。TN-C-S系统：系统中前面线路采用TN-C系统，而后面线路部分或全部采用TN-S系统，所有设备的外露可导电部分接PEN线或PE线，如图9-11c所示。图9-11TN系统示意图a）TN-C系统b）TN-S系统c）TN-C-S系统TT系统：TT系统的电源电源中性点直接接地，系统中电气设备的外露