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(nèi)部過電壓,一、過電壓的形式,操作過電壓：因開關(guān)操作、負(fù)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(shù)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(dǎo)線或電氣設(shè)備受到直接雷擊或雷電感應(yīng)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(dá)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(xiàn)象：雷云放電的過程稱為雷電現(xiàn)象。,雷云雷電先導(dǎo)迎雷先導(dǎo)主放電階段 余輝階段,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(jīng)歷的時間，約數(shù)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(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。,感應(yīng)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(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。,圖9-2 架空線路上的感應(yīng)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(xiàn)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(shù)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(zhì)結(jié)構(gòu)（即土壤電阻率）、地面上的設(shè)施情況及地理條件等因素有關(guān)。,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(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； 雷電流的機械效應(yīng)產(chǎn)生的電動力可摧毀設(shè)備、桿塔和建筑，傷害人畜； 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。 引下線：應(yīng)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(dǎo)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(dāng)避雷針高度hhr時：,單支避雷針的保護(hù)范圍（圖9-3）,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。,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(hù)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(hù)的部位，則該部位就在避雷針（線）的保護(hù)范圍之內(nèi)。,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(hù)半徑為：,圖9-3 單支避雷針的保護(hù)范圍,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：,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(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：,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(hù)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(hù)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(shè)備的建筑物。 三級防雷建筑物，是指預(yù)計年雷擊次數(shù)大于或等于0.05，或經(jīng)過調(diào)查確認(rèn)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(hù)這一鍋爐房？,雙支等高避雷針的保護(hù)范圍（圖9-5）,在hhr的情況下，當(dāng)D 時，各按單支避雷針的方法確定；當(dāng)D 時，按下述方法確定：,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)。,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)按下式計算：,在AOB軸線上，A、B間的保護(hù)范圍上邊線按下式確定：,圖9-5 雙支等高避雷針的保護(hù)范圍,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）。,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(hù)范圍，當(dāng)避雷線高度h2hr時，無保護(hù)范圍。當(dāng)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(hù)范圍 a）當(dāng)2hrhhr時 b）當(dāng)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(hù)范圍。 當(dāng)2hr hhr 時，保護(hù)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(hù)寬度bx按下式計算：,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8 mm，扁鋼截面不小于48mm2，厚度不小于4 mm。當(dāng)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(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。 變電所內(nèi)的設(shè)備和建筑物通常采用獨立避雷針或避雷線進(jìn)行直擊雷防護(hù) 。,“反擊”現(xiàn)象：當(dāng)避雷針（線）與附近設(shè)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(xiàn)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(dǎo)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(yīng)滿足：,獨立避雷針（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：,式中，Rsh為獨立避雷針（線）的沖擊接地電阻；hx為被保護(hù)物的高度。,Ssaf一般不應(yīng)小于5m。,SE一般不應(yīng)小于3m 。,2雷電侵入波的防護(hù)措施,變電所對于雷電侵入波的過電壓保護(hù)是利用閥型避雷器以及與閥型避雷器相配合的進(jìn)線段保護(hù)。,35110 kV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。,在變電所12km進(jìn)線段架設(shè)避雷線，既可防護(hù)直擊雷，還可以使感應(yīng)雷過電壓產(chǎn)生在12km以外。,為了降低雷電侵入波的幅值，在該線路進(jìn)線段的首端應(yīng)裝設(shè)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(guān)或斷路器QF2處裝設(shè)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(guān)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(guān)或斷路器。,母線上裝設(shè)閥型避雷器FA3，主要用于保護(hù)變壓器、電壓互感器等所有高壓電氣設(shè)備。,圖9-7 35110 kV變電所的進(jìn)線保護(hù)方案,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，稱為接地裝置。 接地網(wǎng)：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(wǎng)，如圖9-8所示。,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，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(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(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生接地故障時，人體觸及的電氣設(shè)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(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。,二、接地的類型,工作接地：根據(jù)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(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)：系統(tǒng)中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，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(shè)備的外露可導(dǎo)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(shè)備的外露可導(dǎo)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(shè)備的外露可導(dǎo)電部分均經(jīng)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(jīng)高阻抗（約1000）接地，系統(tǒng)中電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分均經(jīng)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(fù)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(hù)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(yīng)在下列地方重復(fù)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(fù)接地的作用可用圖9-14說明。,若沒有采取重復(fù)接地，當(dāng)發(fā)生PE線或PEN線斷線，且在斷線的后面又有設(shè)備發(fā)生一相碰殼時，接在斷線后面的所有設(shè)備外殼上都將呈現(xiàn)接近于相電壓的對地電壓，這是很危險的。采取重復(fù)接地后，發(fā)生同樣故障時，設(shè)備外殼的對地電壓降低了，危險程度也大大降低了。,因此應(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。,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,三、接地裝置的裝設(shè),自然接地體：凡是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3850mm的鋼管或40 40 4mm50505mm的角鋼。 水平埋設(shè)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(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。,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(guān)設(shè)計手冊。 人工接地體接地電阻的計算,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 ：,K為各種接地體的簡化計算系數(shù)；為土壤電阻率，分別查書中表9-4和表9-5。,當(dāng)有n根垂直接地體并聯(lián)時，考慮屏蔽效應(yīng)影響，引入利用系數(shù)；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(shù)，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(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。,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：指電流通過人體時可引起感覺的最小電流。感知電流值與時間因素?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。擺脫電流值也與時間無關(guān)。 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(guān)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(yīng)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(yīng)的曲線,傷害程度與電流持續(xù)時間的關(guān)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(jīng)的關(guān)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(jīng)，會引起中樞神經(jīng)嚴(yán)重失調(diào)而導(dǎo)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(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5060Hz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500，與接觸電壓有關(guān)。皮膚電阻較大，集中在角質(zhì)層，正常時可達(dá) 。,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(zhì)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(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)等工作地點狹窄、行動不便，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。,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(hù)器的基本結(jié)構(gòu)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(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，由于漏電電流的存在，通過TAN一次側(cè)的三相電流相量不等于零，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(hù)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(gòu)，確定管理人員和管理方式。 嚴(yán)格執(zhí)行各項安全規(guī)章制度。 對電氣設(shè)備定期進(jìn)行電氣安全檢查，以便及時排除設(shè)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(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(wǎng)尺寸,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,