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1、河北科技大学电气信息学院,2,2019/7/18,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,3,2019/7/18,9.1 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,4,2019/7/18,2. 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,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
2、50100s。,余辉放电阶段：电流较小，约几百安，持续时间约为0.030.15s。,河北科技大学电气信息学院,5,2019/7/18,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,6,2019/7/18,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
3、各地区的年平均雷暴日,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,7,2019/7/18,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,8,2019/7/18,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；
4、 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,9,2019/7/18,1. 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12 mm
5、，钢管直径不小于20 mm； 针长12m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,10,2019/7/18,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,11,2019/7/18,避雷针高度hhr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
6、 单支避雷针的保护范围,河北科技大学电气信息学院,12,2019/7/18,避雷针在地面上的保护半径为：,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hhr 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,13,2019/7/18,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：,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：,
7、能保护。,河北科技大学电气信息学院,14,2019/7/18,双支等高避雷针的保护范围,在hhr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：,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,15,2019/7/18,在AOB轴线上，A、B间的保护范围上边线按下式确定：,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
8、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,16,2019/7/18,2. 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h2hr时，无保护范围。当避雷线高度h2hr时，按下列方法确定：,图9-6 单根避雷线的保护范围 a）当2hrhhr时 b）当h2hr时,河北科技大学电气信息学院,17,2019/7/18,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
9、2hr hhr 时，保护范围最高点的高度h0为:,避雷线在hx高度的水平面上的保护宽度bx为：,河北科技大学电气信息学院,18,2019/7/18,3. 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8 mm，扁钢截面不小于48mm2，厚度不小于4 mm。当烟囱上采用避雷环时，圆钢直径不小于12 mm，扁钢截面不小于100mm2，厚度不小于4 mm。,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,19,2019/7/18,变电所内的设备和建
10、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：,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,20,2019/7/18,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：,SE一般不应小于3m 。,2雷电侵入波的防护措施,35110 kV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
11、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,21,2019/7/18,图9-7 35110 kV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12km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10,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,22,2019/7/18,9.2 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
12、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,23,2019/7/18,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,24,2019/7/18,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
13、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,25,2019/7/18,3. 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,26,2019/7/18,4. 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。
14、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,27,2019/7/18,二、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
15、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,28,2019/7/18,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9-11 TN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,29,2019/7/18,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
16、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9-12 TT系统示意图,图9-13 IT系统示意图,河北科技大学电气信息学院,30,2019/7/18,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1 km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：,仍有危险！,河北科技大学电气信息学院,31,2019/7/18,图9-14 重复接地的作用说明 a）无重复接地 b）有重复接地,为此，应尽量避免PE线和PEN线的断线事故，在PE线和PEN线是一般不允许装设开关或熔断器。,河北科技大
