防雷接地系统讲解

电力工程基础制作孙丽华第9章防雷、接地与电气安全河北科技大学电气信息学院22020/3/16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电气安全河北科技大学电气信息学院32020/3/169.1过电压与防雷内部过电压一、过电压的形式操作过电压谐振过电压外部过电压过电压二、雷电的基本知识1.雷电现象雷云→雷电先导→迎雷先导→主放电阶段→余辉阶段(雷电过电压)河北科技大学电气信息学院42020/3/162.雷电流的特性雷电流波形图9-1雷电流波形图雷电流的陡度：指雷电流在波头部分上升的速度，即tidd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。河北科技大学电气信息学院52020/3/16图9-2架空线路上的感应过电压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。河北科技大学电气信息学院62020/3/16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。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。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左右我国各地区的雷暴日数如表9-1所示。河北科技大学电气信息学院72020/3/16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。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；河北科技大学电气信息学院82020/3/16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。河北科技大学电气信息学院92020/3/161.避雷针避雷针通常采用镀锌圆钢或镀锌焊接钢管制成。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。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。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。河北科技大学电气信息学院102020/3/16滚球法：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。河北科技大学电气信息学院112020/3/16避雷针高度h≤hr时：单支避雷针的保护范围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，交平行线于A、B两点。以A、B为圆心、hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切。图9-3单支避雷针的保护范围河北科技大学电气信息学院122020/3/16)2()2(xrxrxhhhhhhr避雷针在地面上的保护半径为：)2(0hhhrr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。河北科技大学电气信息学院132020/3/16例9-1（P301）如图，试问该避雷针能否保护这一锅炉房？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。河北科技大学电气信息学院142020/3/16双支等高避雷针的保护范围在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9-5双支等高避雷针的保护范围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：河北科技大学电气信息学院152020/3/16DOCOb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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）。河北科技大学电气信息学院162020/3/162.避雷线：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单根避雷线的保护范围a）当2hr＞h＞hr时b）当h≤2hr时河北科技大学电气信息学院172020/3/16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。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为:hhhr20避雷线在hx高度的水平面上的保护宽度bx为：)2()2(xrxrxhhhhhhb河北科技大学电气信息学院182020/3/163.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。河北科技大学电气信息学院192020/3/16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。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≥Ssaf一般不应小于5m。独立避雷针（线）的冲击接地电阻河北科技大学电气信息学院202020/3/16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：ESshR3.0≥SE一般不应小于3m。2．雷电侵入波的防护措施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。河北科技大学电气信息学院212020/3/16图9-735～110kV变电所的进线保护方案既可防护直击雷，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，且其工频接地电阻不宜超过10Ω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用于保护变压器、电压互感器等所有高压电气设备河北科技大学电气信息学院222020/3/169.2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。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。河北科技大学电气信息学院232020/3/16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（图9-9）。河北科技大学电气信息学院242020/3/16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河北科技大学电气信息学院252020/3/163.接触电压和跨步电压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河北科技大学电气信息学院262020/3/164.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。河北科技大学电气信息学院272020/3/16二、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：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（图9-11a）。河北科技大学电气信息学院282020/3/16TN-S系统：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（图9-11b）。TN-C-S系统：前面线路采用TN-C系统，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（图9-11c）。图9-11TN系统示意图a）TN-C系统b）TN-S系统c）TN-C-S系统河北科技大学电气信息学院292020/3/16TT系统：TT系统的电源中性点直接接地，电气设备的外露可导电部分经各自的PE线分别直接接地。IT系统：IT系统的电源中性点不接地或经高阻抗接地，电气设备的外露可导电部分经各自的PE线分别直接接地。图9-12TT系统示意图图9-13IT系统示意图河北科技大学电气信息学院302020/3/16重复接地：在TN系统中，为了避免PE线或PEN线断开时系统失去保护作用，除在电源中性点必须采用工作接地外，PE线或PEN线还应在下列地方重复接地：在架空线路末端及沿线每隔1km处；在电缆和架空线路引入车间或其它大型建筑物处。重复接地的作用可用图9-14说明。采取重复接地后，当发生PE线或PEN线断线，设备外壳上的对地电压为：EEEEERRURIU2U仍有危险！河北科技大学电气信息学院312020/3/16图9-14重复接地的作用