《供配電技術(shù)》課件-X第9章 防雷接地與安全0522

第9章 防雷、接地與電氣安全供配電系統(tǒng)第9章 防雷、接地與電氣安全9.1過電壓與防雷9.2接地與接地裝置9.3電氣安全一道閃電擊中南京最高的建筑物之一——新街口金鷹國際大廈的避雷針。（2006）三層民房被閃電擊15個坑9.1 過電壓與防雷9.1.1過電壓及其分類9.1.2防雷設(shè)備及其保護范圍9.1.3供配電系統(tǒng)的防雷保護9.1.4供配電系統(tǒng)內(nèi)部過電壓及其防護一、外部過電壓（大氣過電壓）大氣過電壓又稱雷電過電壓，是由于電力系統(tǒng)的設(shè)備或建(構(gòu))筑物遭受來自大氣中的雷擊或雷電感應(yīng)而引起的過電壓，因其能量來自系統(tǒng)外部，故又稱為外部過電壓。一億伏，幾十萬安雷電過電壓有兩種基本形式：直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓9.1.1過電壓及其分類

1．直擊雷過電壓雷云——雷電先導(dǎo)——迎雷先導(dǎo)——主放電階段——余輝放電主放電電流很大，高達(dá)幾百千安，但持續(xù)時間極短，一般只有50~100μs。余輝放電階段電流較小，約幾百安，持續(xù)時間約為0.03~0.15s。雷電流波形

雷電流由零增大到幅值的這段時間的波形稱為波頭τwh(wavehead)。雷電流從幅值衰減到幅值的一半的一段波形稱為波尾τwt(wavetail)。雷電波的陡度α用雷電流波頭部分的增長速度來表示，即。2．感應(yīng)雷過電壓所謂感應(yīng)雷過電壓，是指當(dāng)架空線附近出現(xiàn)對地雷擊時，在輸電線路上感應(yīng)的雷電過電壓。

&&內(nèi)部過電壓是由于供配電系統(tǒng)正常操作、事故切換、發(fā)生故障或負(fù)荷驟變等原因，使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時電磁能產(chǎn)生振蕩，積聚而引起的過電壓，其能量來自于電力系統(tǒng)本身。&&分為工頻電壓升高、諧振過電壓和操作過電壓。&&不會超過系統(tǒng)正常運行時額定電壓的3~4倍&&通過加強電氣設(shè)備的絕緣、采用滅弧能力強的斷路器、中性點經(jīng)消弧線圈接地、調(diào)整系統(tǒng)電路參數(shù)等措施預(yù)防和限制內(nèi)部過電壓。操作過電壓諧振過電壓二、內(nèi)部過電壓9.1.2防雷設(shè)備及其保護范圍

建筑物的防雷分類（1）第一類防雷建筑物

因電火花而引起爆炸，會造成巨大破壞和人身傷亡者，包括制造、使用或貯存炸藥、火藥、起爆藥、化工品等大量爆炸物質(zhì)的建筑物；具有氣體爆炸、粉塵爆炸危險環(huán)境的建筑物。（2）第二類防雷建筑物

包括：①國家級重點文物保護的建筑物；②具有特別重要用途的建筑物，如國家級的會堂、大型火車站等；③對國民經(jīng)濟有重要意義且裝有大量電子設(shè)備的建筑物，如國家級計算中心、國際通信樞紐等；④具有氣體爆炸危險的可能，且電火花不易引起爆炸的建筑物；⑤工業(yè)企業(yè)內(nèi)有爆炸危險的露天鋼質(zhì)封閉氣罐；⑥年預(yù)計雷擊次數(shù)大于0.06次的辦公建筑物及其他重要或人員密集的公共建筑物；⑦年預(yù)計雷擊次數(shù)大于0.3次的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物。（3）第三類防雷建筑物

包括：①省級重點文物保護的建筑物及省級檔案館；②年預(yù)計雷擊次數(shù)在0.012～0.06之間的辦公建筑物及其他重要或人員密集的公共建筑物；③年預(yù)計雷擊次數(shù)在0.06～0.3之間的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物；④年預(yù)計雷擊次數(shù)大于等于0.06的一般性工業(yè)建筑物；⑤根據(jù)雷擊后果及具體情況，確定需要防雷的火災(zāi)危險環(huán)境；⑥在平均雷暴日大于15天/年的地區(qū)，高度在15m及以上的煙囪、水塔等孤立的高聳建筑物；在平均雷暴日小于或等于15天/年的地區(qū)，高度在20m及以上的煙囪、水塔等孤立的高聳建筑。一、直擊雷的防護避雷針由承受雷擊的接閃器、支持構(gòu)架、接地引下線和接地體四部分構(gòu)成。1．避雷針的結(jié)構(gòu)1）在h/2高度作一水平線，2）從針的頂點A向下作與針成45角的斜線，與水平線交于點B，3）連接B到地面上距離避雷針1.5h處的點C，保護范圍就是折線ABC繞避雷針為軸旋轉(zhuǎn)構(gòu)成的上下兩個圓錐形空間。在該空間內(nèi)高度hx上的保護半徑，可按下式計算：

式中hx——被保護物高度，m；h——避雷針的高度，m；p——高度影響系數(shù)，當(dāng)h≤30m時，p＝1；

當(dāng)30<h≤120m時，。2．避雷針的保護范圍—折線法所謂“滾球法”，就是選擇一個半徑為hr(滾球半徑見表)的球體，沿需要防護直擊雷的部位滾動。如果球體只接觸到避雷針(線)與地面，而不觸及需要保護的部位，則該部位就在避雷針(線)的保護范圍之內(nèi)。表1按建筑物防雷類別確定滾球半徑和避雷網(wǎng)格尺寸建筑物防雷類別第一類第二類第三類滾球半徑hr/m304560避雷網(wǎng)格尺寸（不大于）/m5×5或6×410×10或12×820×20或24×16&&避雷針的保護范圍-滾球法單支避雷針的保護范圍，按下列方法確定（1）當(dāng)避雷針高度h≤hr時距地面hr處作一與地面平行的平行線。以避雷針的針尖為圓心，hr為半徑作弧線，交上述平行線于A、B兩點。分別以A、B為圓心，hr為半徑作弧線，該弧線均與針尖相交并與地面相切。由此弧線起到地面上的整個錐形空間，就是避雷針的保護范圍。避雷針在被保護物高度hx水平面上的保護半徑，按下式計算：（2）當(dāng)避雷針高度h＞hr時在避雷針上取高度hr的一點代替單支避雷針的針尖作圓心，其余保護范圍的求法同h≤hr時。&&避雷線一般采用截面面積不小于35mm2的鍍鋅鋼絞線，架設(shè)在架空線路上面，以保護架空線路或其他物體（包括建筑物）面受雷擊。

&由于避雷線采用架空敷設(shè)，且又接地，因此又稱為架空地線。&避雷線的功能和原理與避雷針基本相同。3．避雷線&&避雷帶和避雷網(wǎng)用來保護其所處的整幢高層建筑物免遭雷擊。&在建筑物邊緣及凸出部分上加裝避雷帶（帶狀金屬導(dǎo)體)，或者在屋面上鋪設(shè)避雷網(wǎng)（網(wǎng)格狀金屬導(dǎo)體)是一種有效而經(jīng)濟的防雷辦法，可以防止繞擊及降低屋內(nèi)過電壓。&避雷帶、避雷網(wǎng)與避雷針和避雷線一樣必須有良好的接地，并且可以把它與建筑物的鋼筋連接。4．避雷帶和避雷網(wǎng)如圖，當(dāng)雷擊避雷針以后，雷電流沿接地引下線入地，在A、B兩點產(chǎn)生高電位。若避雷針與被保護物之間的空中距離Sa或它們的接地體在土壤中的距離Se不能承受A、B兩點的高電位，就會造成Sa或Se間隙擊穿或閃絡(luò)，這種現(xiàn)象稱為反擊。

為了防止反擊的發(fā)生，避雷針必須與被保護物之間保持一定的安全距離。5、防護雷電流反擊的措施一般情況下，Sa不允許小于5m，Se不應(yīng)小于3m。二、感應(yīng)雷過電壓的防護雷電沖擊波行進的速度只與線路導(dǎo)線的分布電感和導(dǎo)線對地的分布電容有關(guān)，電壓波和電流波幅值之比的關(guān)系為：式中：L0一一-導(dǎo)線的分布電感，H/m；

C0——導(dǎo)線的對地分布電容，F(xiàn)/m。Z稱為波阻抗1．沖擊波沿導(dǎo)線傳播的基本規(guī)律&&兩者雖然形式上一樣，但物理意義不同：歐姆定律反映的是直流穩(wěn)態(tài)下電壓和電流的關(guān)系，而波阻抗反映的是沿導(dǎo)線傳播的沖擊波電壓和沖擊波電流之間的動態(tài)關(guān)系。&&它只決定于線路導(dǎo)線本身的分布參數(shù)L0、C0，而與導(dǎo)線長度和線路終端負(fù)載的性質(zhì)無關(guān)。波阻抗與歐姆定律的區(qū)別**架空線路波阻抗約為400～500Ω，電纜線路波阻抗約為10～50Ω。2．波的折射與反射如圖，對結(jié)點A而言，根據(jù)邊界能量守恒原則，任何瞬間在結(jié)點上只能呈現(xiàn)一個電壓值和電流值，則邊界方程為：

聯(lián)立方程求解，2．波的折射與反射線路末端斷開處可視為結(jié)點，結(jié)點后面的波阻抗Z2=∞。則α＝2，β＝1，即Urw＝2Uin，Uew＝Uin，此時線路開路末端會呈現(xiàn)出2Uin的電壓，嚴(yán)重威脅絕緣安全，必須設(shè)置防雷保護。下面討論幾種特殊情況：(2)線路末端短接時 (1)末端開路時線路末端短接處可視為結(jié)點，結(jié)點后面的波阻抗Z2=0，則α＝0，β＝－1，即Urw＝0，Uew＝－Uin。此時在進線線路上的合成波電壓為零，這說明只要有良好的接地，則侵入線路的沖擊波電壓能迅速消失，不致造成危害。(3)線路末端串聯(lián)電感/并聯(lián)電容 1）保護間隙保護間隙又稱放電間隙，是最簡單的防雷保護裝置，它由主間隙S1、輔助間隙S2和支持瓷瓶組成。主間隙按結(jié)構(gòu)型式不同，分為棒型、環(huán)型和角型。當(dāng)供電系統(tǒng)遭到大氣過電壓時，保護間隙S1作為一個薄弱環(huán)節(jié)首先擊穿，并將雷電流釋放到地中.輔助間隙S2的作用是為了防止主間隙被異物短路引起誤動作。保護間隙構(gòu)造簡單，成本低廉，維護方便，但由于無專門滅孤裝置，滅弧能力很差。規(guī)程規(guī)定，在具有自動重合閘的線路中和管型避雷器或閥型避雷器的參數(shù)不能滿足安裝地點的要求時，可以采用保護間隙。3.避雷器2）管型避雷器管型避雷器由產(chǎn)氣管、內(nèi)部間隙和外部間隙三部分組成。產(chǎn)氣管由纖維、有機玻璃或塑料制成。內(nèi)部間隙裝在產(chǎn)氣管內(nèi)部，一個電極為棒形，另一個電極為環(huán)形。外部間隙設(shè)在避雷器和帶電的導(dǎo)體之間，其作用是保證正常時避雷器與電網(wǎng)的隔離，避免纖維管受潮漏電。由于管型避雷器伏秒特性較陡，不易與變壓器的伏秒特性相配合，且在動作時有氣體噴出，因此，管型避雷器主要用于室外線路上。3）閥型避雷器

閥型避雷器由裝在密封磁套管中的火花間隙組和具有非線性電阻特性的閥片串聯(lián)組成?；鸹ㄩg隙組是根據(jù)額定電壓的不同采用若干個單間隙疊合而成。每個間隙由兩個黃銅電極和一個云母墊圈組成。由于兩黃銅電極間間距小，面積較大，因而電場較均勻，可得到較平緩的放電伏秒特性。圖9.3.5單個平板型火花間隙1－黃銅電極；2－云母片閥片是由金剛砂（SiC）和結(jié)合劑在一定的高溫下燒結(jié)而成，具有良好的非線性特性和較高的通流能力。閥片的電阻值隨著所加電壓變化而變化，當(dāng)閥片上所加電壓增大時，電阻值減??；當(dāng)閥片上電壓減小時，電阻值增大。這樣，在通過較大雷電流時，使避雷器上出現(xiàn)的殘壓不會過高，對較小的工頻續(xù)流又能加以限制，為火花間隙的切斷續(xù)流創(chuàng)造了良好的條件。由于閥型避雷器具有伏秒特性比較平緩，殘壓較低的特點，因此，常用來保護變電所中的電氣設(shè)備。金屬氧化物避雷器又稱壓敏避雷器。它在結(jié)構(gòu)上沒有火花間隙，由氧化鋅或氧化鉍等金屬氧化物燒結(jié)而成的壓敏電阻片（閥片）組成。這種避雷器的閥片具有優(yōu)異的非線性伏安特性，在工頻電壓下，閥片具有極大的電阻，呈絕緣狀態(tài)，能迅速有效的阻斷工頻續(xù)流，因此無需火花間隙來熄滅工頻電壓引起的電??；當(dāng)電壓超過一定值（稱為起動電壓）時，閥片“導(dǎo)通”，呈低阻狀態(tài)，將大電流泄入地中；當(dāng)危險過電壓消失以后，閥片迅速恢復(fù)高阻絕緣狀態(tài)。金屬氧化物避雷器具有無間隙、無續(xù)流、