发电厂及变电站电气设备第8章

第八章接地装置第第1页共9页第八章接地装置教学要求：掌握保护接地、保护接零的工作原理；了解影响接地电阻的因素及降低方法，了解接地系统。接地是防止人身受到电击，保障电力系统正常运行，保护线路和设备免遭损坏，预防电气火灾，防止雷击和防止静电损害的基本措施。电对人体的伤害是多方面的：电流通过人体会造成电击；电流的热效应会造成电灼伤；电流的化学效应会造成电烙印和皮肤金属化；电磁场能量对人体的辐射作用，会引起头晕、乏力、神经衰弱等症状；电火花会引起瓦斯及氢气爆炸，造成设备损坏和人身伤亡。所以，必须研究电气安全技术，采取有效措施。s8．1人体触电的概念及机理8.1.1人体的触电8.1.1.1触电发生的原因人体的不同部分，如手脚之间、两手之间或两脚之间受到电压的作用，在人体内产生电流造成伤害，甚至危及生命安全，叫做触电。通常是人站在天然导电的地面上，手接触到带电体而发生触电。统计表明，多数触电事故是由于直接接触或接近电路的裸带电部分而造成的。另有约20%的事故则是由于电气设备的绝缘损坏致使金属外壳、基础构架等发生非正常带电而引发的。前一类称为直接触电，防止的办法是采用电气隔离，并且正确地执行电气设备安全运行的组织措施和技术措施。后一类称为间接触电，除了加强绝缘的定期监测和维修，便是采用接地保护的办法。须知绝缘损坏并不都是由外部原因引发的偶然现象，任何绝缘的老化都是必然的，而老化的绝缘便随时可能出现绝缘故障。8.1.1.2电流对人体作用的机理电流通过人体内部，对人体的伤害程度与通过人体电流大小、电流通过人体的持续时间、电流通过人体的途径、电流的种类及人体的精神状态有关，而且各种因素之间有密切联系。1．电流大小。通过人体的电流越大，人体的生理反应越强烈，引起心室颤动所需的时间越短，致命的危险就越大。对于工频电流，按照电流通过人体的大小不同，可以划分为以下三级：（1）感知电流。引起人的感觉的最小电流称为感知电流。实验资料表明，对于不同的人，感知电流也不同，成年男性的平均感知电流约为1.1mA，成年女性的平均感知电流约为0.7mA。（2）摆脱电流。人触电后能自动摆脱电源的最大电流称为摆脱电流。实验资料表明，对于不同的人，摆脱电流也不同，成年男性的平均感知电流约为16mA，成年女性的平均感知电流约为10.5mA。（3）致命电流。引起心室颤动的最小电流称为致命电流。根据动物实验和统计分析得出的资料列入表8-1。该资料考虑了通电时间的影响，表中，O是没有感觉的范围，A不引起心室颤动，B是容易产生严重后果的范围。2．通电时间。第八章接地装置第第2页共9页表8-1表明，通电时间愈长，愈容易引起心室的颤动，死亡的危险性增大。这是因为，通电时间愈长，能量积累增加，引起心室颤动的电流减小。工频电流对人体作用的分析资料表8-1电流范围电流（mA）通电时间人体生理反应O0~0.5连续通电没有感觉A10.5~5连续通电开始有感觉，手指手腕等处有痛感，没有痉挛，可以摆脱带电体A25~30数分钟以内痉挛，不能摆脱带电体，呼吸困难，血压升高，尚可忍受A330~50数秒到数分心脏跳动不规则，昏迷，血压升高，强烈痉挛，时间过长即引起心室颤动B150~数百低于心脏搏动周期受强烈冲击，但未发生心室颤动超过心脏搏动周期昏迷，心室颤动，接触部分留有电流通过的痕迹B2超过数百低于心脏搏动周期昏迷，心室颤动，接触部分留有电流通过的痕迹超过心脏搏动周期心脏停止跳动，昏迷，可能致命3．电流途径电流通过心脏时会引起心室颤动，较大的电流还会使心脏停止跳动。电流流过中枢神经，会引起中枢神经系统强烈失调而导致死亡。电流通过头部会使人昏迷，若电流较大，会对脑产生严重伤害，使人昏迷而导致死亡。因此，从左手到胸部是最危险的电流途径，从手到手、从手到脚也是很危险的电流途径。4．电流种类直流电流、高频电流、冲击电流和静电电荷对人体都有伤害作用，其伤害程度一般较工频电流为轻。电流的频率不同，对人体的伤害程度亦不同。25~300HZ的交流电对人体的伤害程度最严重。5．人体状况电流对人体的伤害程度与人体状况也有关系：电流对人体的作用，女性较男性敏感；小孩承受电击能力较成年人低；引起心室颤动的电流约与体重成正比。6．人体电阻和安全电压人体电阻不是一个常数，它与电流途径、皮肤（干湿及破损）状况以及接触面大小有关，且随作用电压的大小而变。在小电压时，皮肤具有绝缘保护作用，在电压升高时皮肤将逐渐发生击穿，并增加机体电解，使人体总电阻下降。设电流途径为手一手或手一脚，皮肤具有一般的接触面积和平均干湿度。当电压低于100V时，人体电阻平均值约为3000Ω，忽略站脚处地面电阻率的影响，则痉挛电压值约为3000×0。02=60V。即是说，在一般条件下，触电者不需别人帮助能自行脱开60V的触电电压,避免出现触电死亡事故。若接触条件变坏(指皮肤潮湿、接触面加大)，即使人体电阻降至1300Ω,也不致于达到50mA的使心室纤颤的危险限值。故一般可认为根据国际电工学会的推荐，该电压值现宜降至50V。第八章接地装置第第3页共9页在特殊环境中，例如地水中或特别潮湿处，或地金属的地面上；地湿皮肤和大面积接触的情况下，人体电阻只有几百欧姆。此时必须使用更低的安全电压规定值，例如36V、24V甚至12V。8．2保护接地8.2.1.接地的分类所谓接地，既将电气设备的某些部分用导线（接地线）与埋在土壤中或水中的金属导体（接地体）相连接。按照接地的作用,电气设备的接地主要有三种形式：（1）工作接地工作接地是为了使电气装置正常工作而将电气回路中的某一特定点接地，使之与地基本保持同电位。如变压器中性点、电压互感器中性点等的接地。（2）保护接地保护接地是将主要电气设备可能带电的金属部分进行接地，防备由于绝缘损坏使外壳带危险电压，以保护人身的安全。如电气设备的金属外壳，钢或钢筋混凝土构架、杆塔，停电检修的电路等的接地。由于绝缘故障有可能窜入高电压的低压回路一点接地，也具有保护接地的性质。如电流互感器二次回路的一点接地。（3）冲击接地其作用是将雷电流安全地泄入地中，消除过电压的危险影响。如避雷针、避雷器和线路杆塔等的接地。按照接地电流的波形，工作接地和保护接地属于工频接地，在电站共用一个统一的接地装置。冲击接地常设置独立的集中接地装置，构成过电压保护装置的一部分。8.2.2基本原理未作保护接地时，当电气设备主绝缘损坏致使金属外壳等与带电部分相连通时，人一接触设备，既与故障相的对地电压接触，这对人体是非常危险的，如图8-1所示。处于相电压下的金属外壳对人体安全构成的威胁还与系统中性点的运行方式有关。在中性点不接地系统或经消弧线圈接地的系统中，通过触电者的电流将是单相接地的电容性电流（或过补偿的感性电流），其数值以安培计，故对人体构成威胁。在中性点直接接地系统中，加于触电者的电压将是相电压，在高压系统中将导致人体的迅速烧毁。当金属外壳等有保护接地之后时，情况便大不相同。当电气设备绝缘损坏时，设备外壳上的对地电压为Ud=IdRd式中，Id——单相接地电流Rd——接地装置的电阻当人触及设备外壳时，接地电流将沿着接地体和人体两条通路流过，如图8-1所示，而通过人体的电流为Ir=IdRd/(Rr+Rd)式中，Rr——人体的电阻第八章接地装置第第4页共9页图8-1保护接地的作用原理以图8-2为例，与外壳同电位并与土壤紧密接触的接地体，在向地中散流时，因土壤的电阻率很大，在设备附近形成一个倒漏斗形的地电位分布曲线。靠近接地体附近的土壤中电流密度大，电位分布陡峭。距接地体越远，电流密度越小，电压降也越小。约在15—20m处地电位接近于零.最高电位Ujd与接地电流Ijd之比值叫做接地电阻Rjd,即Rjd=Ujd/Ijd(8-1)显然接地电阻不一个集中参数,而是遍及电位分布场中的分布电阻。图8-2单根垂直接地体的散流场和地面电位分布8.2.3接触电压与跨步电压在发生接地故障（如电气设备主绝缘损坏致使金属外壳等与带电部分相连通）时，位于分布电位场内的人体所受到的电压有接触电压和跨步电压。所谓接触电压Uj，即人站在距设备0.8m处,手触外壳等带电部分,手脚之间所受的电压值。即Uj=Ujd—U（8-2）式中:U为触电者站脚处的电位由该式可见，接触电压的大小与接地电阻的大小有关，接地电阻愈小，接触电压就愈小。接地保护之所以有效，不仅在于降低了带电外壳等的电位Ujd，而且还因抬高了站脚处的电位U。设备的接地即使非常好，在故障电源未切断前，接触电压也是存在的。所谓跨步电压Uk，即人在接地故障区域内行走，跨出0.8m步距的两脚所受到的电位差值。即UK=U1—U2(8-3)式中：U1、U2为两脚落地点的地面电位。当人处于电场内有麻电的感觉时，不能奔跑逃离电场，而应该单脚跳或细步离开电场。8.2.4接地电阻最大允许值接地电阻由R=Ujd/Ijd来决定，这时的接地电压Ujd应是能保证人身安全的数值。1.对小接地电流系统在中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中,一相绝缘损坏时的接地电流一般控制在10～30A以下，可以带故障运行2h。此时为了不致出现过高的接触电压和跨步电压，应适当限制接地电压值。当接地装置仅用于高压系统时，规定接地电压不超过250V，故一般应符合R≤250/Ijd，接地电阻值一般不应大于10Ω。当接地装置用于低压系统或高压系统共用时，考虑到人与低压设备接触的机会较多，需要更加降低接触电压和跨步电压,规定接地电压不超过120V，故一般应符合R≤120/Ijd，接地电阻一般不应该超过4Ω。在发电机或变压器的容量小于100kVA时，可放宽至10Ω。高土壤电阻率地区，接地电阻允许升高，但不应超过：发电厂、变电站15Ω，其余30Ω。2.对大接地电流系统在中性点直接地系统中，一相绝缘损坏时的接地电流很大，此时巨大的短路电流流过接地点必伴随第八章接地装置第第5页共9页着高接地电压。但保护将速动作切除故障电路，接地电压的出现只是短暂的，致使人体触电的机遇很少，而且作用时间短。故允许采用较大的接地电压和跨步电压值，并综合考虑电力系统运行的多方面要求，规定接地电压不超过2000V，故一般应符合R≤2000/Ijd,当系统的计算单相短路电流大于4000A时，可取R≤0.5Ω。高土壤电阻率地区，接地电阻允许升高，但不应超过5Ω。3.对低压系统低压系统（主要是380/220V系统）的中性点一般采用直接接地。并联运行电气设备的总容量为100kVA以上时，接地电阻一般不应大于4Ω；并联运行电气设备的总容量为100kVA及以下时，接地电阻一般不应大于10Ω。高土壤电阻率地区，接地电阻允许升高，但不应超过30Ω。8.3保护接零8.3.1保护接零原理在中性点直接地系统中，无论高低电压，要发生单相接地时，都使一相电压经接地中性点与故障接地点形成单相短路回路。但由于低压系统电压低，中性点和设备处接地装置阻值较大，单相短路电流偏小，常达不到保护所需要的动作值；此外，对低压设备，接地电压也略显过大。针对低压设备保护接地存在：接地电流偏小和接地电压偏高的两个主要缺点，一般在380/220V低压系统中设置工作零线，将电气设备的金属外壳等与工作零线相连，构成保护接零。它用零线短接了保护接地回路中的电阻Ro和Rs，因故接零保护可增大接地电流和减小接地电压。它是保护接地的进一步发展。图8-3（a）为保护接零图。当电气设备绝缘损坏而发生碰壳短路时，形成了一个闭合的金属性短路回路，由于这个回路不包括接地体的接地电阻，所以短路电流比较大，使继电保护装置能够可靠动作。另外，假定零线阻抗与相线阻抗（包括变压器或发电机每相绕组阻抗）持平，则相电压220V在相线与零线上各降落110V左右。图（b）实线表示只有变压器中性点接地时，接零保护的电位分布。此时故障设备外壳的对地电压Ujd为110V左右。若在故障设备处作零线的重复接地，则零线上的电位分布如图（b）中虚线所示，这时零线压降在Ro和Rs两个接地电阻上分压。可见，在中性点直接接地的低压系统中，具有重复接地的接零保护能提供比接地保护大得多的故障分断电流和低得多的接地电压，这是接零保护的优点。图8-3