第9章 防雷、接地與電氣安全,9.1 過電壓與防雷 9.2 電氣裝置的接地 9.3 電氣安全,9.1 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。,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 50100s。 余輝放電階段：電流較小，約幾百安，持續(xù)時間約為0.030.15s。,1. 雷電現象：雷云放電的過程稱為雷電現象。,雷云雷電先導迎雷先導主放電階段 余輝階段,2. 雷電流的特性,雷電流波形（圖9-1）,波頭：指雷電流從零上升到最大幅值這一部分，一般只有14s；,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9-1 雷電流波形圖,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9-2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9-2 架空線路上的感應過電壓,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)的雷暴日數如表9-1所示。,表9-1 我國各地區(qū)的年平均雷暴日,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。,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（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12 mm，鋼管直徑不小于20 mm； 針長12m時，圓鋼直徑不小于16mm，鋼管直徑不小于25mm。,當避雷針高度hhr時：,單支避雷針的保護范圍（圖9-3）,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。,避雷針在地面上的保護半徑為：,圖9-3 單支避雷針的保護范圍,避雷針在hx 高度的水平面上的保護半徑為：,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hhr 時相同。,建筑物的防雷級別是根據其重要性、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。,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9-1（P301）:某廠一座高30m的水塔旁邊，建有一鍋爐房（圖9-4），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？,雙支等高避雷針的保護范圍（圖9-5）,在hhr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9-4 例9-1避雷針的保護范圍,解：,查表9-2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。,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9-5 雙支等高避雷針的保護范圍,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h2hr時，無保護范圍。當避雷線高度h2hr時，按下列方法確定（圖9-6）：,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9-6 單根避雷線的保護范圍 a）當2hrhhr時 b）當h2hr時,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 hhr 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,避雷帶和避雷網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8 mm，扁鋼截面不小于48mm2，厚度不小于4 mm。當煙囪上采用避雷環(huán)時，圓鋼直徑不小于12 mm，扁鋼截面不小于100mm2，厚度不小于4 mm。,四、變電所的防雷保護,1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 。,“反擊”現象：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：,獨立避雷針（線）的接地體與變電所接地網間的最小地中距離應滿足：,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。,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。,35110 kV變電所的防雷保護方案（圖9-7）,對于容量較小的35kV變電所，可根據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。,在變電所12km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12km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10。,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9-7 35110 kV變電所的進線保護方案,9.2 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：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，如圖9-8所示。,圖9-8 接地網示意圖 1接地體 2接地干線 3接地支線 4電氣設備,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9-9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9-9 接地電流和對地電壓分布圖,3. 接觸電壓和跨步電壓（圖9-10）,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 。,跨步電壓：人在接地故障點附近行走時，兩腳之間的電位差，稱為跨步電壓Ustep 。,圖9-10 接觸電壓和跨步電壓,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的電阻，稱為沖擊接地電阻，用Rsh表示。,二、接地的類型,工作接地：根據電力系統(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9-11a所示。,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9-11b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9-11c所示。,圖9-11 TN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),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9-12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1000）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9-13所示。,圖9-12 TT系統(tǒng)示意圖,圖9-13 IT系統(tǒng)示意圖,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1 km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9-14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。,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。,圖9-14 重復接地的作用說明 a）無重復接地 b）有重復接地,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3850mm的鋼管或40 40 4mm50505mm的角鋼。 水平埋設的接地體：用16mm的圓管或404mm的扁鋼。 接地線：用204mm404mm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。,接地網的布置：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。,單根垂直接地體的接地電阻：,四、接地電阻的計算,地電阻的最大允許值：見書中表9-3。 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,n根并聯垂直接地體的接地電阻：,若RE為允許最大值，則垂直接地體的根數n為 ：,K為各種接地體的簡化計算系數；為土壤電阻率，分別查書中表9-4和表9-5。,當有n根垂直接地體并聯時，考慮屏蔽效應影響，引入利用系數；考慮水平接地體的作用，垂直接地體可減少10%。,式中，為接地體的利用系數，查書中表9-6和表9-7。,五、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，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。,9.3 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。,圖9-15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30mAs。,圖9-15 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。,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； 電流通過頭部會使人昏迷，電流較大時會對腦組織產生嚴重損壞而導致死亡； 電流通過脊髓會使人癱瘓等。,傷害程度與電流種類的關系：直流電流、交流電流、高頻電流、靜電電荷以及特殊波形電流對人體都有傷害作用，通常以5060Hz的工頻電流對人體的危害最為嚴重。,人體電阻：人體電阻包括體內電阻和皮膚電阻。體內電阻約500，與接觸電壓有關。皮膚電阻較大，集中在角質層，正常時可達 。,皮膚的潮濕、多汗、有損傷等會降低人體電阻； 通過電流加大，通電時間加長，會增加發(fā)熱出汗，也會降低人體電阻； 接觸電壓增高，會擊穿角質層，也會降低人體電阻。,一般情況下，人體電阻可按10002000考慮。,安全電壓：是指不致使人直接致死或致殘的電壓。它取決于人體允許的電流和人體電阻。,我國規(guī)定的安全電壓等級為：42V、36V、24V、12V和6V。,凡手提照明燈、在危險環(huán)境和特別危險環(huán)境中使用攜帶式電動工具，如無特殊安全結構或安全措施，應采用42V或36V的安全電壓； 金屬容器內、隧道內、礦井內等工作地點狹窄、行動不便，以及周圍有大面積接地導體的環(huán)境，應采用24V或12V的安全電壓； 水下作業(yè)等場所采用6V的安全電壓。,在一般的正常環(huán)境條件下，通常稱交流50V電壓為可允許持續(xù)接觸的“安全特低電壓”。,二、漏電保護器的基本結構和原理,圖9-16是電流動作型漏電斷路器的工作原理示意圖。,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9-16 漏電保護器工作原理示意圖,三、安全用電的一般措施,建立電氣安全管理機構，確定管理人員和管理方式。 嚴格執(zhí)行各項安全規(guī)章制度。 對電氣設備定期進行電氣安全檢查，以便及時排除設備事故隱患。 加強電氣安全教育，以便提高工作人員的安全意識，充分認識安全用電的重要性。 妥善收集和保存安全資料。 按規(guī)定使用電工安全用具。 加強檢修安全制度。 普及安全用電知識，使用戶和廣大群眾都能了解安全用電的基本常識。,表9-2 按建筑物的防雷類別確定滾球半徑和避雷網尺寸,表9-3 閥型避雷器與被保護設備之間的最大允許距離,