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1、河北科技大学电气信息学院,2,2023/10/5,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,3,2023/10/5,9.1 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,4,2023/10/5,2.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 50100
2、s。,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,5,2023/10/5,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,6,2023/10/5,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
3、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,7,2023/10/5,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,8,2023/10/5,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
4、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,9,2023/10/5,1.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，钢管直径不小于20 m
5、m；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,10,2023/10/5,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,11,2023/10/5,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 单支避雷针的保护范围,河北科
6、技大学电气信息学院,12,2023/10/5,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,13,2023/10/5,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：,能保护。,河北科技大学电气信息学
7、院,14,2023/10/5,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,15,2023/10/5,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作为假想避雷针，按单支避雷针所规定的
8、方法确定（见剖面）。,河北科技大学电气信息学院,16,2023/10/5,2.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,17,2023/10/5,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 hhr 时，保护范围最高点的高度h0为
9、:,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,18,2023/10/5,3.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,19,2023/10/5,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。“
10、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,20,2023/10/5,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，避雷器应装设在电缆头附近，其接地端应和电缆金属外皮相连。,
11、河北科技大学电气信息学院,21,2023/10/5,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,22,2023/10/5,9.2 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
12、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,23,2023/10/5,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,24,2023/10/5,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
13、地电压分布图,河北科技大学电气信息学院,25,2023/10/5,3.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,26,2023/10/5,4.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。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
14、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,27,2023/10/5,二、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
15、气信息学院,28,2023/10/5,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,29,2023/10/5,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。
16、,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,30,2023/10/5,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,31,2023/10/5,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PE
17、N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。,河北科技大学电气信息学院,32,2023/10/5,三、接地装置的装设,自然接地体：与大地有可靠接触的金属导体，如埋入地下的金属管道、建筑物的钢结构和钢筋、行车的钢轨、电缆金属外皮等都可作为自然接地体。人工接地体：采用钢管、圆钢、角钢、扁钢等钢材制成。,垂直埋设的接地体：用3850mm的钢管或40 40 4mm50505mm的角钢。水平埋设的接地体：用16mm的圆管或404mm的扁钢。接地线：用204mm404mm的扁钢。,河北科技大学电气信息学院,33,2023/10/5,接地网的布置：应使接地装置附近的电位分布尽可能均匀，以
18、降低接触电压和跨步电压，保证人身安全。,说明：接地装置由多根接地体组成，可成排布置，也可以环形布置。每根接地体长2.5m左右，接地体之间的距离约5m，将各接地体打入地中后，用圆钢或扁钢连成一体。,四、接地电阻的计算,地电阻的最大允许值：见书中表9-4。自然接地体接地电阻的计算：可查阅有关设计手册。人工接地体接地电阻的计算,河北科技大学电气信息学院,34,2023/10/5,单根垂直接地体的接地电阻：,n根并联垂直接地体的接地电阻：,若RE为允许最大值，则垂直接地体的根数n为：,式中，为接地体的利用系数。,说明：当有n根垂直接地体并联时，考虑屏蔽效应影响，引入利用系数；考虑水平接地体的作用，垂直
19、接地体可减少10%。,河北科技大学电气信息学院,35,2023/10/5,五、降低土壤电阻率的措施,采用外引式接地装置：将接地体引至附近的水井、泉眼、水沟、河边、水库边、大树下等土壤电阻率较低的地方，或者敷设水下接地网，以降低接地电阻。深埋地极法：如果地下较深处的土壤电阻率较低，可用深埋式接地体。换土法：用电阻率较低的土壤（如粘土、黑土等）替换原有电阻率较高的土壤，置换范围在接地体周围0.5m以内和接地体的1/3处。化学处理法：在接地体周围加入低电阻率的减阻剂来增加土壤的导电性，从而降低其接地电阻。,河北科技大学电气信息学院,36,2023/10/5,9.3 电气安全,一、电气安全的有关概念,
20、电流对人体的作用,伤害程度与电流大小的关系：通过人体的电流愈大，人体的生理反应愈明显，伤害愈严重。,感知电流：指电流通过人体时可引起感觉的最小电流。感知电流值与时间因素无关。摆脱电流：指人在触电后能够自行摆脱带电体的最大电流。摆脱电流值也与时间无关。室颤电流：指引起心室颤动的最小电流。室颤电流与电流持续时间关系密切。,河北科技大学电气信息学院,37,2023/10/5,图9-15是国际电工委员会（IEC）提出的人体触电时间和通过人体电流对人身肌体反应的曲线。,图9-15 人体触电时间和通过人体电流对人身肌体反应的曲线,河北科技大学电气信息学院,38,2023/10/5,伤害程度与电流持续时间的
21、关系：通过人体电流的持续时间愈长，愈容易引起心室颤动，危险性就愈大。,我国一般采用30mA（50Hz）作为安全电流值，但其触电时间不得超过1s，因此这安全电流值也称为30mAs。,伤害程度与电流通经的关系：,电流通过心脏会引起心室颤动，电流较大时会使心脏停止跳动；电流通过中枢神经，会引起中枢神经严重失调而导致死亡；,河北科技大学电气信息学院,39,2023/10/5,电流通过头部会使人昏迷，电流较大时会对脑组织产生严重损坏而导致死亡；电流通过脊髓会使人瘫痪等。,伤害程度与电流种类的关系：直流电流、交流电流、高频电流、静电电荷以及特殊波形电流对人体都有伤害作用，通常以5060Hz的工频电流对人体
22、的危害最为严重。,人体电阻：人体电阻包括体内电阻和皮肤电阻。体内电阻约500，与接触电压有关。皮肤电阻较大，集中在角质层，正常时可达。,河北科技大学电气信息学院,40,2023/10/5,皮肤的潮湿、多汗、有损伤等会降低人体电阻；通过电流加大，通电时间加长，会增加发热出汗，也会降低人体电阻；接触电压增高，会击穿角质层，也会降低人体电阻。,一般情况下，人体电阻可按10002000考虑。,安全电压：是指不致使人直接致死或致残的电压。它取决于人体允许的电流和人体电阻。,我国规定的安全电压等级为：42V、36V、24V、12V和6V。,河北科技大学电气信息学院,41,2023/10/5,在一般的正常环
23、境条件下，通常称交流50V电压为可允许持续接触的“安全特低电压”。,凡手提照明灯、在危险环境和特别危险环境中使用携带式电动工具，如无特殊安全结构或安全措施，应采用42V或36V的安全电压；金属容器内、隧道内、矿井内等工作地点狭窄、行动不便，以及周围有大面积接地导体的环境，应采用24V或12V的安全电压；水下作业等场所采用6V的安全电压。,河北科技大学电气信息学院,42,2023/10/5,正常情况下，通过TAN一次侧的三相电流相量和等于零，TAN的铁心中没有磁通，其二次侧没有电流输出。当被保护电路发生漏电或有人触电时，TAN中产生零序磁通，其二次侧有电流输出，经放大器放大后，驱动低压断路器QF
24、的脱扣线圈YR，使断路器QF自动跳闸。,图9-16 漏电保护器工作原理示意图,二、漏电保护器的基本结构和原理,河北科技大学电气信息学院,43,2023/10/5,三、安全用电的一般措施,建立电气安全管理机构，确定管理人员和管理方式。严格执行各项安全规章制度。对电气设备定期进行电气安全检查，以便及时排除设备事故隐患。加强电气安全教育，以便提高工作人员的安全意识，充分认识安全用电的重要性。妥善收集和保存安全资料。按规定使用电工安全用具。加强检修安全制度。普及安全用电知识，使用户和广大群众都能了解安全用电的基本常识。,河北科技大学电气信息学院,44,2023/10/5,表9-2 按建筑物的防雷类别确定滚球半径和避雷网尺寸,河北科技大学电气信息学院,45,2023/10/5,表9-3 阀型避雷器与被保护设备之间的最大允许距离,
