1、河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,2,2020/9/26,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,3,2020/9/26,9.1 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(shí),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,4,2020/9/26,2. 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

2、50100s。,余輝放電階段：電流較小，約幾百安，持續(xù)時(shí)間約為0.030.15s。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,5,2020/9/26,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,6,2020/9/26,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

3、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,7,2020/9/26,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,8,2020/9/26,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；

4、 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,9,2020/9/26,1. 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12 mm

5、，鋼管直徑不小于20 mm； 針長12m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,10,2020/9/26,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,11,2020/9/26,避雷針高度hhr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

6、 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,12,2020/9/26,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hhr 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,13,2020/9/26,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：,

7、能保護(hù)。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,14,2020/9/26,雙支等高避雷針的保護(hù)范圍,在hhr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,15,2020/9/26,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

8、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,16,2020/9/26,2. 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h2hr時(shí)，無保護(hù)范圍。當(dāng)避雷線高度h2hr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)2hrhhr時(shí) b）當(dāng)h2hr時(shí),河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,17,2020/9/26,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)

9、2hr hhr 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,18,2020/9/26,3. 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(shí)，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(jì)。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,19,2020/9/26,變電所內(nèi)的設(shè)備和建

10、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) 。 “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(shí)，兩者之間會(huì)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,20,2020/9/26,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,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(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

11、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,21,2020/9/26,圖9-7 35110 kV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12km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10,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,22,2020/9/26,9.2 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

12、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,23,2020/9/26,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,24,2020/9/26,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

13、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,25,2020/9/26,3. 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,26,2020/9/26,4. 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。

14、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,27,2020/9/26,二、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

15、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,28,2020/9/26,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9-11 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),河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,29,2020/9/26,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

16、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9-12 TT系統(tǒng)示意圖,圖9-13 IT系統(tǒng)示意圖,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,30,2020/9/26,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。,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,31,2020/9/26

17、,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,32,2020/9/26,三、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。,河北科

18、技大學(xué)電氣信息學(xué)院,33,2020/9/26,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,34,2020/9/26,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，為接地

19、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)；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,35,2020/9/26,五、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

20、降低其接地電阻。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,36,2020/9/26,9.3 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,37,2020/9/26,圖9-15是國際電工委員會(huì)（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

21、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,38,2020/9/26,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(huì)引起心室顫動(dòng)，電流較大時(shí)會(huì)使心臟停止跳動(dòng)； 電流通過中樞神經(jīng)，會(huì)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,39,2020/9/26,電流通過頭部會(huì)使人昏迷，電流較大時(shí)會(huì)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(huì)使人癱瘓等。,傷害程度與電流

22、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(shí)可達(dá) 。,河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院,40,2020/9/26,皮膚的潮濕、多汗、有損傷等會(huì)降低人體電阻； 通過電流加大，通電時(shí)間加長，會(huì)增加發(fā)熱出汗，也會(huì)降低人體電阻； 接觸電壓增高，會(huì)擊穿角質(zhì)層，也會(huì)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