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河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,2,2019/12/25,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,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,3,2019/12/25,9.1過電壓與防雷,內(nèi)部過電壓,一、過電壓的形式,操作過電壓諧振過電壓,外部過電壓,過電壓,,,二、雷電的基本知識,1.雷電現(xiàn)象,雷云→雷電先導(dǎo)→迎雷先導(dǎo)→主放電階段→余輝階段,(雷電過電壓),河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,4,2019/12/25,2.雷電流的特性,雷電流波形,圖9-1雷電流波形圖,雷電流的陡度：指雷電流在波頭部分上升的速度，即,主放電階段：電流很大，高達(dá)幾百千安，但持續(xù)時(shí)間極短，一般只有50～100μs。,余輝放電階段：電流較小，約幾百安，持續(xù)時(shí)間約為0.03～0.15s。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,5,2019/12/25,,,,圖9-2架空線路上的感應(yīng)過電壓,3.雷電過電壓的基本形式,直擊雷：雷電直接擊中電氣設(shè)備、線路、建筑物等物體。感應(yīng)雷：由雷電對線路、設(shè)備或其他物體的靜電感應(yīng)或電磁感應(yīng)而引起的過電壓。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,6,2019/12/25,雷電波侵入：架空線路遭到直接雷擊或感應(yīng)雷而產(chǎn)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(xiǎn)。,4．雷電活動(dòng)強(qiáng)度及直擊雷的規(guī)律,雷暴日：一天中只要出現(xiàn)過雷電活動(dòng)（包括看到雷閃和聽到雷聲），就算一個(gè)雷暴日。,表9-1我國各地區(qū)的年平均雷暴日,我國各地區(qū)的雷暴日數(shù)如表9-1所示。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,7,2019/12/25,,,雷電活動(dòng)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(zhì)結(jié)構(gòu)（即土壤電阻率）、地面上的設(shè)施情況及地理?xiàng)l件等因素有關(guān)。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(guān)。,5．雷電的危害,雷電流的熱效應(yīng)可燒斷導(dǎo)線和燒毀電力設(shè)備；雷電流的機(jī)械效應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)力可摧毀設(shè)備、桿塔和建筑，傷害人畜；,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,8,2019/12/25,,雷電流的電磁效應(yīng)可產(chǎn)生過電壓，擊穿電氣設(shè)備絕緣，甚至引起火災(zāi)爆炸，造成人身傷亡；雷電的閃絡(luò)放電可燒壞絕緣子，使斷路器跳閘或引起火災(zāi)，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(dǎo)體，常用的有避雷針、避雷線和避雷網(wǎng)（帶）三種類型。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,9,2019/12/25,,1.避雷針,避雷針通常采用鍍鋅圓鋼或鍍鋅焊接鋼管制成。,引下線：應(yīng)保證雷電流通過時(shí)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(dǎo)線和接地體的總稱。,避雷針的保護(hù)范圍，以它能夠防護(hù)直擊雷的保護(hù)空間來表示，可按“滾球法”來確定。,針長1m以下時(shí)，圓鋼直徑不小于12mm，鋼管直徑不小于20mm；針長1～2m時(shí)，圓鋼直徑不小于16mm，鋼管直徑不小于25mm。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,10,2019/12/25,滾球法：選擇一個(gè)半徑為hr（滾球半徑）的球體，沿需要防護(hù)直擊雷的部位滾動(dòng)。如果球體只接觸到避雷針（線）與地面，而不觸及需要保護(hù)的部位，則該部位就在避雷針（線）的保護(hù)范圍之內(nèi)。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,11,2019/12/25,避雷針高度h≤hr時(shí)：,單支避雷針的保護(hù)范圍,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，交平行線于A、B兩點(diǎn)。以A、B為圓心、hr為半徑作弧線，該弧線與針尖相交并與地面相切。,圖9-3單支避雷針的保護(hù)范圍,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,12,2019/12/25,,,避雷針在地面上的保護(hù)半徑為：,避雷針在hx高度的水平面上的保護(hù)半徑為：,當(dāng)避雷針高度h＞hr時(shí)：,在避雷針上取高度為hr的一點(diǎn)代替避雷針的針尖作為圓心，其余的作法與h≤hr時(shí)相同。,建筑物的防雷級別是根據(jù)其重要性、使用性質(zhì)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。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,13,2019/12/25,例9-1（P301）如圖，試問該避雷針能否保護(hù)這一鍋爐房？,圖9-4例9-1避雷針的保護(hù)范圍,解：,查表9-2得,因此，避雷針的保護(hù)半徑為：,8m高度上最遠(yuǎn)一角距離避雷針的水平距離為：,∴能保護(hù)。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,14,2019/12/25,雙支等高避雷針的保護(hù)范圍,,在h≤hr的情況下，當(dāng)D≥時(shí)，各按單支避雷針的方法確定；當(dāng)D＜時(shí)，按下述方法確定：,圖9-5雙支等高避雷針的保護(hù)范圍,ABCD外的保護(hù)范圍，按單支避雷針?biāo)?guī)定的方法確定。C、D點(diǎn)位于兩針間的垂直平分線上。在地面每側(cè)的最小保護(hù)寬度應(yīng)按下式計(jì)算：,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,15,2019/12/25,,在AOB軸線上，A、B間的保護(hù)范圍上邊線按下式確定：,,,兩針間ABCD內(nèi)的保護(hù)范圍，ACO、BCO、ADO、BDO各部分是類同的。,以ACO部分的保護(hù)范圍為例，按以下方法確定：,在hx和C點(diǎn)所處的垂直平面上，以hx作為假想避雷針，按單支避雷針?biāo)?guī)定的方法確定（見剖面）。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,16,2019/12/25,2.避雷線：用截面不小于35mm2的鍍鋅鋼絞線。,單根避雷線的保護(hù)范圍，當(dāng)避雷線高度h≥2hr時(shí)，無保護(hù)范圍。當(dāng)避雷線高度h＜2hr時(shí)，按下列方法確定：,圖9-6單根避雷線的保護(hù)范圍a）當(dāng)2hr＞h＞hr時(shí)b）當(dāng)h≤2hr時(shí),河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,17,2019/12/25,,,,,,,,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(diǎn)。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(hù)范圍。當(dāng)2hr＞h＞hr時(shí)，保護(hù)范圍最高點(diǎn)的高度h0為:,避雷線在hx高度的水平面上的保護(hù)寬度bx為：,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,18,2019/12/25,,,3.避雷帶和避雷網(wǎng),避雷帶和避雷網(wǎng)主要用于保護(hù)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(shè)。,注意：圓鋼直徑不小于8mm，扁鋼截面不小于48mm2，厚度不小于4mm。當(dāng)煙囪上采用避雷環(huán)時(shí)，圓鋼直徑不小于12mm，扁鋼截面不小于100mm2，厚度不小于4mm。,四、變電所的防雷保護(hù),1．直擊雷的防護(hù)措施,變電所應(yīng)按一級防雷建筑物的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,19,2019/12/25,,變電所內(nèi)的設(shè)備和建筑物通常采用獨(dú)立避雷針或避雷線進(jìn)行直擊雷防護(hù)?！胺磽簟爆F(xiàn)象：當(dāng)避雷針（線）與附近設(shè)施之間的絕緣距離不夠時(shí)，兩者之間會發(fā)生強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象。,獨(dú)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(yīng)滿足：,≥,Ssaf一般不應(yīng)小于5m。,獨(dú)立避雷針（線）的沖擊接地電阻,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,20,2019/12/25,獨(dú)立避雷針（線）的接地體與變電所接地網(wǎng)間的最小地中距離應(yīng)滿足：,≥,SE一般不應(yīng)小于3m。,2．雷電侵入波的防護(hù)措施,35～110kV變電所的防雷保護(hù)方案（圖9-7）,,對于容量較小的35kV變電所，可根據(jù)其重要性和雷電活動(dòng)情況，酌情簡化進(jìn)線保護(hù)措施；對于有電纜進(jìn)線段的架空線路，避雷器應(yīng)裝設(shè)在電纜頭附近，其接地端應(yīng)和電纜金屬外皮相連。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,21,2019/12/25,圖9-735～110kV變電所的進(jìn)線保護(hù)方案,既可防護(hù)直擊雷，還可以使感應(yīng)雷過電壓產(chǎn)生在1～2km以外,為了降低雷電侵入波的幅值，且其工頻接地電阻不宜超過10Ω,防止線路上的雷電波侵入到隔離開關(guān)或斷路器開路處時(shí)，由于反射而形成兩倍侵入波幅值的電壓，損壞隔離開關(guān)或斷路器,用于保護(hù)變壓器、電壓互感器等所有高壓電氣設(shè)備,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,22,2019/12/25,9.2電氣裝置的接地,一、接地的有關(guān)概念,1．接地裝置,接地：電氣設(shè)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(dǎo)體。接地線：連接接地體與電氣設(shè)備接地部分的金屬導(dǎo)體。接地裝置：接地體與接地線的總和。接地網(wǎng)：由若干個(gè)接地體在大地中相互用接地線連接起來的一個(gè)整體。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,23,2019/12/25,圖9-8接地網(wǎng)示意圖1—接地體2—接地干線3—接地支線4—電氣設(shè)備,2．地和對地電壓,當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生接地故障時(shí)，接地電流IE通過接地體向大地作半球形散開（圖9-9）。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,24,2019/12/25,電氣設(shè)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(shí)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,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,25,2019/12/25,3.接觸電壓和跨步電壓,接觸電壓：當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生接地故障時(shí)，人體觸及的電氣設(shè)備和大地上任意兩點(diǎn)之間的電位差，稱為接觸電壓Utou。,跨步電壓：人在接地故障點(diǎn)附近行走時(shí)，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,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,26,2019/12/25,,,,,,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(shè)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(jīng)接地裝置所呈現(xiàn)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(jīng)接地裝置所呈現(xiàn)的電阻，稱為沖擊接地電阻，用Rsh表示。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,27,2019/12/25,二、接地的類型,工作接地：根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行的需要，人為地將電力系統(tǒng)中性點(diǎn)或電氣設(shè)備的某一部分進(jìn)行接地。保護(hù)接地：為保證人身安全、防止觸電事故，將電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)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(diǎn)直接接地，并引出有中性線（N線）、保護(hù)線（PE線）或保護(hù)中性線（PEN線），電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分與PE線或PEN線相連。,TN-C系統(tǒng)：N線與PE線合為一根PEN線，所有設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分均接PEN線（圖9-11a）。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,28,2019/12/25,,,TN-S系統(tǒng)：N線與PE線完全分開，所有設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分均接PE線（圖9-11b）。TN-C-S系統(tǒng)：前面線路采用TN-C系統(tǒng)，后面線路部分或全部采用TN-S系統(tǒng)，所有設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分接PEN線或PE線（圖9-11c）。,圖9-11TN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),河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,29,2019/12/25,TT系統(tǒng)：TT系統(tǒng)的電源中性點(diǎn)直接接地，電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分經(jīng)各自的PE線分別直接接地。IT系統(tǒng)：IT系統(tǒng)的電源中性點(diǎn)不接地或經(jīng)高阻抗接地，電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分經(jīng)各自的PE線分別直接接地。,,圖9-12TT系統(tǒng)示意圖,圖9-13IT系統(tǒng)示意圖,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,30,2019/12/25,重復(fù)接地：在TN系統(tǒng)中，為了避免PE線或PEN線斷開時(shí)系統(tǒng)失去保護(hù)作用，除在電源中性點(diǎn)必須采用工作接地外，PE線或PEN線還應(yīng)在下列地方重復(fù)接地：,在架空線路末端及沿線每隔1km處；在電纜和架空線路引入車間或其它大型建筑物處。,重復(fù)接地的作用可用圖9-14說明。,,,采取重復(fù)接地后，當(dāng)發(fā)生PE線或PEN線斷線，設(shè)備外殼上的對地電壓為：,仍有危險(xiǎn)！,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,31,2019/12/25,,,圖9-14重復(fù)接地的作用說明a）無重復(fù)接地b）有重復(fù)接地,為此，應(yīng)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(shè)開關(guān)或熔斷器。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,32,2019/12/25,,,,三、接地裝置的裝設(shè),自然接地體：與大地有可靠接觸的金屬導(dǎo)體，如埋入地下的金屬管道、建筑物的鋼結(jié)構(gòu)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(shè)的接地體：用φ38～50mm的鋼管或∠40404mm～∠50505mm的角鋼。水平埋設(shè)的接地體：用φ16mm的圓管或404mm的扁鋼。接地線：用204mm～404mm的扁鋼。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,33,2019/12/25,接地網(wǎng)的布置：應(yīng)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。,說明：接地裝置由多根接地體組成，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。,四、接地電阻的計(jì)算,地電阻的最大允許值：見書中表9-4。自然接地體接地電阻的計(jì)算：可查閱有關(guān)設(shè)計(jì)手冊。人工接地體接地電阻的計(jì)算,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,34,2019/12/25,,單根垂直接地體的接地電阻：,n根并聯(lián)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(shù)n為：,式中，η為接地體的利用系數(shù)。,說明：當(dāng)有n根垂直接地體并聯(lián)時(shí)，考慮屏蔽效應(yīng)影響，引入利用系數(shù)η；考慮水平接地體的作用，垂直接地體可減少10%。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,35,2019/12/25,,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(shè)水下接地網(wǎng)，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(nèi)和接地體的1/3處。化學(xué)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(dǎo)電性，從而降低其接地電阻。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,36,2019/12/25,9.3電氣安全,一、電氣安全的有關(guān)概念,電流對人體的作用,傷害程度與電流大小的關(guān)系：通過人體的電流愈大，人體的生理反應(yīng)愈明顯，傷害愈嚴(yán)重。,感知電流：指電流通過人體時(shí)可引起感覺的最小電流。感知電流值與時(shí)間因素?zé)o關(guān)。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(shí)間無關(guān)。室顫電流：指引起心室顫動(dòng)的最小電流。室顫電流與電流持續(xù)時(shí)間關(guān)系密切。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,37,2019/12/25,圖9-15是國際電工委員會（IEC）提出的人體觸電時(shí)間和通過人體電流對人身肌體反應(yīng)的曲線。,圖9-15人體觸電時(shí)間和通過人體電流對人身肌體反應(yīng)的曲線,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,38,2019/12/25,傷害程度與電流持續(xù)時(shí)間的關(guān)系：通過人體電流的持續(xù)時(shí)間愈長，愈容易引起心室顫動(dòng)，危險(xiǎn)性就愈大。,我國一般采用30mA（50Hz）作為安全電流值，但其觸電時(shí)間不得超過1s，因此這安全電流值也稱為30mAs。,傷害程度與電流通經(jīng)的關(guān)系：,電流通過心臟會引起心室顫動(dòng)，電流較大時(shí)會使心臟停止跳動(dòng)；電流通過中樞神經(jīng)，會引起中樞神經(jīng)嚴(yán)重失調(diào)而導(dǎo)致死亡；,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,39,2019/12/25,,電流通過頭部會使人昏迷，電流較大時(shí)會對腦組織產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞而導(dǎo)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(guān)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50～60Hz的工頻電流對人體的危害最為嚴(yán)重。,人體電阻：人體電阻包括體內(nèi)電阻和皮膚電阻。體內(nèi)電阻約500Ω，與接觸電壓有關(guān)。皮膚電阻較大，集中在角質(zhì)層，正常時(shí)可達(dá)Ω。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,40,2019/12/25,,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(shí)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(zhì)層，也會降低人體電阻。,一般情況下，人體電阻可按1000～2000Ω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。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,41,2019/12/25,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”。,凡手提照明燈、在危險(xiǎn)環(huán)境和特別危險(xiǎn)環(huán)境中使用攜帶式電動(dòng)工具，如無特殊安全結(jié)構(gòu)或安全措施，應(yīng)采用42V或36V的安全電壓；金屬容器內(nèi)、隧道內(nèi)、礦井內(nèi)等工作地點(diǎn)狹窄、行動(dòng)不便，以及周圍有大面積接地導(dǎo)體的環(huán)境，應(yīng)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。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,42,2019/12/25,正常情況下，通過TAN一次側(cè)的三相電流相量和等于零，TAN的鐵心中沒有磁通，其二次側(cè)沒有電流輸出。當(dāng)被保護(hù)電路發(fā)生漏電或有人觸電時(shí)，TAN中產(chǎn)生零序磁通，其二次側(cè)有電流輸出，經(jīng)放大器放大后，驅(qū)動(dòng)低壓斷路器QF的脫扣線圈YR，使斷路器QF自動(dòng)跳閘。,圖9-16漏電保護(hù)器工作原理示意圖,二、漏電保護(hù)器的基本結(jié)構(gòu)和原理,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,43,2019/12/25,,三、安全用電的一般措施,建立電氣安全管理機(jī)構(gòu)，確定管理人員和管理方式。嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)安全規(guī)章制度。對電氣設(shè)備定期進(jìn)行電氣安全檢查，以便及時(shí)排除設(shè)備事故隱患。加強(qiáng)電氣安全教育，以便提高工作人員的安全意識，充分認(rèn)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(qiáng)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。,,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,44,2019/12/25,,表9-2按建筑物的防雷類別確定滾球半徑和避雷網(wǎng)尺寸,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,45,2019/12/25,表9-3閥型避雷器與被保護(hù)設(shè)備之間的最大允許距離,,,