5供電系統(tǒng)的保護接地與防雷詳解

第5章供電系統(tǒng)的愛護接地與防雷第一節(jié)供電系統(tǒng)的愛護接地其次節(jié)供電系統(tǒng)的防雷愛護第一節(jié)供電系統(tǒng)的愛護接地一、接地和接地裝置

1．接地的根本概念電氣設(shè)備的某局部與大地之間做良好的電氣連接，稱為接地。接地裝置是由接地體和接地線兩局部組成的。埋入地中并直接與大地接觸的金屬導(dǎo)體，稱為接地體或接地極。接地體與電氣設(shè)備的金屬外殼之間的連接線，稱為接地線。由假設(shè)干接地體在大地中相互用接地線連接起來的一個整體，稱為接地網(wǎng)。

接地電流、對地電壓及接地電流電位分布曲線

當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生接地故障時，電流就通過接地體向大地作半球形散開，這一電流稱為接地電流－IE。試驗說明，在距單根接地體或接地故障點20m左右的地方，實際上散流電阻已趨近于零，電位為零的地方，稱為電氣上的“地”或“大地”。電氣設(shè)備的接地局部與零電位的“地”〔大地〕之間的電位差，就稱為接地局部的對地電壓，如圖中的UE。2．接地裝置的散流效應(yīng)

跨步電壓和接觸電壓示意圖

接觸電壓是指設(shè)備的絕緣損壞時，在身體可同時觸及的兩局部之間消失的電位差?？绮诫妷菏侵冈诠收宵c四周行走，兩腳之間消失的電位差二、接地的種類接地可分為正常接地和非人為的故障接地兩類，正常接地又有工作接地和安全接地之分，電力系統(tǒng)的接地網(wǎng)具有工作接地、愛護接地和防雷接地三項功能。工作接地是指系統(tǒng)運行中需要的接地，它是系統(tǒng)供電回路的必要組成局部。工作接地有兩種狀況：①利用大地作導(dǎo)線的接地，在正常狀況下有電流通過，如直流工作接地、弱電工作接地等；②為了維持系統(tǒng)安全運行而設(shè)的接地，在正常狀況下只有很小的不平衡電流甚至沒有電流通過，如變壓器、發(fā)電機、電壓互感器的中性點接地等，都屬于該類接地。工作接地依據(jù)供電系統(tǒng)的中性點及電氣設(shè)備的接地方式，愛護接地可分為三種不同類型，即：IT型、TN型及TT型?！?〕安全接地安全接地也稱愛護接地，主要包括防止觸電或還擊的愛護接地、防雷接地〔或稱過電壓愛護接地〕、防靜電接地和屏蔽接地四種。愛護接地并非電網(wǎng)系統(tǒng)供電回路的一局部，而是一種技術(shù)上的安全措施，它是把在故障狀況下可能呈現(xiàn)危急對地電壓的金屬局部同大地嚴密地連接起來。例如，電力設(shè)備的金屬外殼、金屬桿塔，由于絕緣損壞等緣由有可能帶電，為了防止這種電壓危及人身安全而設(shè)的接地稱為愛護接地。過電壓愛護接地是指為了限制過電壓危急而設(shè)的接地，如避雷針、避雷器和避雷線等防雷設(shè)備的接地。在電力網(wǎng)中，有時也把避雷器等的接地叫做工作接地。

1、

IT系統(tǒng)

電源小電流接地系統(tǒng)的愛護接地方式，電氣設(shè)備的不帶電金屬局部直接經(jīng)接地體接地電氣設(shè)備的愛護接地〔IT系統(tǒng)〕當(dāng)電氣設(shè)備外殼帶電時,接地電容電流分別經(jīng)接地體和人體兩條支路通過。只要接地裝置的接地電阻在肯定范圍內(nèi)，就會使流經(jīng)人體的電流被限制在安全范圍內(nèi)。

2、

TT系統(tǒng)

配電系統(tǒng)的中性線N引出，但電氣設(shè)備的不帶電金屬局部經(jīng)各自的接地裝置直接接地TT系統(tǒng)

3、

TN系統(tǒng)

TN系統(tǒng)

當(dāng)供電系統(tǒng)是大電流接地系統(tǒng)時，接在系統(tǒng)中的設(shè)備進展愛護接地，稱為TN系統(tǒng)。TN系統(tǒng)TN－C系統(tǒng)TN－S系統(tǒng)TN－C－S系統(tǒng)整個系統(tǒng)的中性線N與保護線PE是合在一起的，電氣設(shè)備不帶電金屬部分與之相連。配電線路中性線N與保護線PE分開，電氣設(shè)備的金屬外殼接在保護線PE上。TN-C和TN-S系統(tǒng)的綜合，電氣設(shè)備大部分采用TN-C系統(tǒng)接線，在設(shè)備有特殊要求場合局部采用專設(shè)保護線接成TN-S形式依據(jù)電氣設(shè)備不同的接地方法，TN系統(tǒng)又分為以下三種形式：四、共同接地與重復(fù)接地

1、共同接地要想用簡潔牢靠的方法保證安全，就應(yīng)當(dāng)實行共同接地的方式(見圖5-9)。這樣就可以將兩相分別接地短路變成相間短路，快速使愛護裝置動作。圖5-9共同接地2、重復(fù)接地同一低壓系統(tǒng)中，不能有的實行愛護接地，有的又實行愛護接零，否則當(dāng)實行愛護接地的設(shè)備發(fā)生單相接地故障時，實行愛護接零的設(shè)備外露可導(dǎo)電局部將帶上危急的電壓。中性點不接地系統(tǒng)中的設(shè)備不允許承受愛護接零。由于任一設(shè)備發(fā)生碰殼時都將使全部設(shè)備外殼上消失近于相電壓的對地電壓，這是特別危急的。在中性線上不允許安裝熔斷器和開關(guān)，以防中性線斷線，失去愛護接零的作用，為安全起見，中性線還必需實行重復(fù)接地，以保證接零愛護的牢靠性。在中性點直接接地的低壓電力網(wǎng)中承受接零時，將零線上的一點或多點再次與大地作金屬性連接，稱為重復(fù)接地。重復(fù)接地可在系統(tǒng)中發(fā)生碰殼短路時降低零線的對地電壓，減輕觸電的危急。當(dāng)承受愛護接零而零線斷裂時，假設(shè)在斷線后的電力設(shè)備有一相碰殼，則后面的零線會帶上相電壓，造成危急。承受了重復(fù)接地后，接在斷裂處后面的全部電氣設(shè)備外殼上的對地電壓UE＜＜U，危急程度大大降低，其次節(jié)供電系統(tǒng)的防雷愛護雷電是一種自然現(xiàn)象，雷電現(xiàn)象比較簡單，產(chǎn)生緣由的學(xué)說很多，它與當(dāng)?shù)氐牡厍蚓暥?、地質(zhì)構(gòu)造、地物地貌、大氣氣流等都有關(guān)系。雷電是伴有閃電和雷鳴的一種宏偉壯麗而又有點令人生畏的放電現(xiàn)象。產(chǎn)生雷電的條件是雷雨云中有積存并形成極性。雷電分直擊雷、電磁脈沖、球形雷、云閃四種帶電雷云的上部以正電荷為主，下部以負電荷為主。因此，云的上、下部之間形成一個電位差。當(dāng)電位差到達肯定程度后，就會產(chǎn)生放電，這就是我們常見的閃電現(xiàn)象。放電過程中，由于閃電通道中溫度驟增，使空氣體積急劇膨脹，從而產(chǎn)生沖擊波，導(dǎo)致猛烈的雷鳴。過電壓內(nèi)部過電壓

外部過電壓〔雷電過電壓〕直擊雷擊感應(yīng)雷擊雷電波侵入操作過電壓諧振過電壓等

防雷就是防止由直擊雷形成的雷電流或雷電的電磁脈沖形成的過電壓對供電系統(tǒng)及設(shè)備造成的損害?！捕忱纂娏鞯漠a(chǎn)生和過電壓的形式閃電的的平均電流是3萬安培，最大電流可達30萬安培。閃電的電壓很高，約為1億至10億伏特。一個中等強度雷暴的功率可達一千萬瓦，相當(dāng)于一座小型核電站的輸出功率。帶有電荷的雷云與地面的突起物接近時，它們之間就發(fā)生劇烈的放電，形成雷電流。雷云大地直擊雷示意圖大地雷云雷電先導(dǎo)迎電先導(dǎo)放電一、直擊雷及防直擊雷裝置

雷電流是一個陡度很高、幅值很大的沖擊波電流。對電力系統(tǒng)的電氣設(shè)備來說，雷電流的陡度越大，在負載電感L上產(chǎn)生的過電壓也越大，對絕緣的破壞性也就越嚴峻。一、直擊雷及防直擊雷裝置

直擊雷：又稱直接雷擊，它是指雷電直接擊打在地面建筑物、供配電網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備上。

雷云對地或架空線路的放電就會造成雷電流。強大的雷電流通過輸配電線路傳輸至系統(tǒng)，產(chǎn)生的熱效應(yīng)和力效應(yīng)不僅會危害線路本身，而且危及與之相連的變配電所及設(shè)備的安全。

防雷設(shè)備由接閃器、引下線、接地裝置等組成。接閃器是特地用來承受直接雷擊的金屬物體。接閃器包括金屬桿狀的避雷針，金屬線狀的避雷線，金屬帶狀或網(wǎng)狀的避雷帶、避雷網(wǎng)等。避雷針的作用是引雷。1.避雷針

避雷針是防止直擊雷的有效措施。肯定高度的避雷針〔線〕下面，有一個安全區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)的物體根本上不受雷擊。我們把這個安全區(qū)域叫做避雷針的愛護范圍。避雷針的愛護范圍用“滾球法”來確定。當(dāng)避雷針高度為h時，如h≤hr，地面上的愛護半徑r0為單支避雷針的愛護范圍高度為hx的平面xx’上的愛護半徑rx為避雷針接地必需良好，接地電阻不宜超過10；35kV及以下變配電所的避雷針應(yīng)單獨裝設(shè)支架，避雷針與被愛護設(shè)備之間的空氣距離不小于5m；獨立避雷針應(yīng)有自己專用的接地裝置，接地裝置與變配電所接地網(wǎng)間的地中距離不應(yīng)小于3m；避雷針及接地裝置與道路入口等的距離不小于3m。Ω“折線法”現(xiàn)行電力行業(yè)標準DL/T620－1997規(guī)定，用于變配電所和電力線路的防雷愛護時，避雷針、線的愛護范圍按“折線法”來確定。2.避雷線

避雷線的接閃原理與避雷針類似。感應(yīng)雷：指雷電對設(shè)備、線路或其它物體的靜電感應(yīng)所引起的過電壓現(xiàn)象。如在戶外輸電線路上空假設(shè)存在雷云，帶電荷的雷云將對導(dǎo)線產(chǎn)生靜電感應(yīng)，相當(dāng)于在導(dǎo)線上充以大量與雷云相異的電荷并建立起相應(yīng)的雷電感應(yīng)過電壓。當(dāng)雷云對四周地面或另一雷云放電后，導(dǎo)線上感應(yīng)電荷將失去束縛而成為自由電荷，它在雷電感應(yīng)過電壓的推動下，以電磁波的速度向?qū)Ь€兩側(cè)沖擊流淌。從而形成感應(yīng)過電壓沖擊波，該感應(yīng)過電壓可以到達300～500KV會給110KV以下設(shè)備造成危害三、感應(yīng)雷及防雷裝置

雷云雷云放電線路線路架空線上的感應(yīng)過電壓雷電入射波到達線路末端結(jié)點處會發(fā)生全反射，線路的開路末端電壓將增大至雷電行波電壓的2倍，嚴峻威逼線路的絕緣安全，必需設(shè)置避雷器等防雷愛護措施。變電所常承受一段100～200m的進線電纜，以到達降低行波陡度的效果。閥電阻特性避雷器避雷器的作用是防止雷電過電壓沿輸電線路侵入變電所或其它建筑物，危害電氣設(shè)備的絕緣。閥式避雷器管型避雷器和保護間隙金屬氧化物避雷器在工頻電壓下，金屬氧化物避雷器呈現(xiàn)極高電阻，能快速有效地阻斷工頻續(xù)流，無需火花間隙來熄滅由工頻續(xù)流引起的電??；而當(dāng)雷電過電壓的作用下，其電阻變?yōu)楹苄?，能較好地泄放雷電流。避雷器是用來防止線路的感應(yīng)雷及沿線路侵入的過電壓波對變電所內(nèi)的電氣設(shè)備造成的損害。它一般接于各段母線與架空線的進出口處，裝在被愛護設(shè)備的電源側(cè)，與被愛護設(shè)備并聯(lián)避雷器的連接

避雷器管形避雷器閥形避雷器金屬氧化物避雷器

①管型避雷器管型避雷器主要用于變配電所的進線愛護和線路絕緣弱點的愛護，愛護性能較好的管型避雷器可用于愛護配電變壓器。管型避雷器構(gòu)造示意圖1—產(chǎn)氣管；2—膠木管；3—棒形電極；4—環(huán)形電極；5—動作指示器；s1—內(nèi)間隙；s2—外間隙②

閥型避雷器

由火花間隙和閥片組成，裝在密封的磁套管內(nèi)。閥型避雷器的火花間隙組是由多個單間隙串聯(lián)組成的。正常運行時，間隙介質(zhì)處于絕緣狀態(tài)，僅有微小的泄漏電流通過閥片。當(dāng)系統(tǒng)消失雷電過電壓時，火花間隙很快被擊穿，使雷電沖擊電流很簡潔通過閥性電阻而引入大地，釋放過電壓負荷，閥片在大的沖擊電流下電阻由高變低，所以沖擊電流在其上產(chǎn)生的壓降〔殘壓〕較低，此時，作用在被愛護設(shè)備上的電壓只是避雷器的殘壓，從而使電氣設(shè)備得到了愛護。③

金屬氧化物避雷器

金屬氧化物避雷器又稱壓敏避雷器。它是一種沒有火花間隙只有壓敏電阻片的閥型避雷器。壓敏電阻片是氧化鋅等金屬氧化物燒結(jié)而成的多晶半導(dǎo)體陶瓷元件，具有抱負的伏安特性。在工頻電壓下，它具有極大的電阻，能快速有效地阻斷工頻電流，因此不需要火花間隙來熄滅由工頻續(xù)流引起的電??；在雷電過電壓作用下，其電阻變得很小，能很好地泄放雷電流。四、供電系統(tǒng)的防雷措施戶外變配電所中，一般承受避雷針作為直擊雷的防護裝置，并要求全部被愛護的電氣設(shè)備和建筑物均應(yīng)處于避雷針的愛護范圍之內(nèi)。變配電所中一般需要通過裝設(shè)閥式避雷器或氧化鋅避雷器對變壓器進展雷電侵入波的防護。避雷器應(yīng)盡可能靠近變壓器安裝。避雷器接地線應(yīng)與變壓器低壓側(cè)接地中性線及金屬外殼連在一起接地。

避雷器的選擇，必需使其伏秒特性與變壓器伏秒特性合理協(xié)作，并且避雷器的殘壓必需小于變壓器絕緣耐壓所能允許的程度?！?〕架空線的防雷措施用戶供電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的負荷末端，具有以下特點：1)一般架空線路都在35kV以下，是中性點不接地系統(tǒng)，當(dāng)雷擊桿頂對一相導(dǎo)線放電時，工頻接地電流很小，不會引起線路的跳閘。2)配電網(wǎng)路一般不長，同時架空線路多受建筑物和樹木的屏蔽，患病雷擊的時機比較少。3)對于有重要負荷的供電系統(tǒng)，承受雙電源供電或自動重合閘裝置，可以減輕雷害事故的影響。用戶供電系統(tǒng)35kV架空線路的防雷一般可承受以下措施：1)增加架空線絕緣子個數(shù)，承受較高等級的絕緣子，或頂相用針式而下面兩相改用懸式絕緣子，提高還擊電壓水平。2)局部架空線裝設(shè)避雷線。3)改進桿塔構(gòu)造，譬如當(dāng)應(yīng)力允許時，可以承受瓷橫擔(dān)等。4)減小接地電阻以及承受拉線削減桿塔電感。5)承受電纜供電。對于6~10kV架空線，一般比35kV線路高度低，不需裝設(shè)避雷線，防雷方式可利用鋼筋混凝土桿的自然接地，必要時也可承受雙電源供電和自動重合閘?！?〕變電所的防雷用戶變電所主要是利用裝設(shè)避雷針和避雷器對直擊雷和線路侵入沖擊波進展防護圖5-27獨立避雷針與四周設(shè)施的最小距離避雷器