直接接触电击防护课件_5

第二章直接接触电击防护 张水平 本章要点 电阻率、介电常数、介质损耗、耐电强度的 概念，绝缘击穿、绝缘老化、绝缘损坏的机 理及预防对策，绝缘电阻的测试、兆欧表原 理及使用，吸收比测定的概念及目的，常用 设备的绝缘电阻指标。 屏护定义、分类及应用，屏护的安全条件， 线路、设备、检修间距的概念及其规定 绝缘屏护间距 第一节 绝缘 绝缘是指利用绝缘材料对带电体进行封 闭和隔离。 绝缘材料又称为电介质，其导电能力很 小，但并非绝对不导电。工程上应用的 绝缘材的电阻率一般都不低于1107 m 。 绝缘材料品种： 气体绝缘材料； 液体绝缘材料； 固体绝缘材料。 绝缘材料的电气性能 主要表现在电场作用下材料的 导电性能 介电性能 绝缘强度。 它们分别以绝缘电阻率(或电导) 、相对介电常数r 、介质损耗角 tan及击穿强度EB四个参数来表示。 绝缘电阻率和绝缘电阻(1) 任何电介质都不可能是绝 对的绝缘体，总存在一些 带电质点，主要为本征离 子和杂质离子。在电场的 作用下，它们可作有方向 的运动，形成漏导电流， 通常又称为泄漏电流。 Ii：漏导电流 Ia：吸收电流 Ic：充电电流 绝缘电阻率和绝缘电阻(2) 绝缘电阻率和绝缘电阻分别是绝缘结构和绝缘材料的 主要电性参数之一。为了检验绝缘性能的优劣，在绝 缘材料的生产和应用中，经常需要测定其绝缘电阻率 ，包括体积电阻率和表面电阻率，而在绝缘结构的性 能和使用中经常需要测定绝缘电阻。 温度、湿度、杂质含量和电场强度的增加都会降低电 介质的电阻率。 温度升高时，分子热运动加剧，使离子容易迁移，电 阻率按指数规律下降。 湿度升高，一方面水分的浸入使电介质增加了导电离 子，使绝缘电阻下降；另一方面，对亲水物质，表面 的水分还会大大降低其表面电阻率。电气设备特别是 户外设备，在运行过程中，往往因受潮引起绝缘材料 电阻率下降，造成泄漏电流过大而使设备损坏。 绝缘电阻率和绝缘电阻(3) 杂质的含量增加，增加了内部的导电离子， 也使电介质表面污染并吸附水分，从而降低 了体积电阻率和表面电阻率。 在较高的电场强度作用下，固体和液体电介 质的离子迁移能力随电场强度的增强而增 大，使电阻率下降。当电场强度临近电介质 的击穿电场强度时，因出现大量电子迁移， 使绝 缘电阻按指数规律下降。 介电常数(1) 电介质在处于电场作用下时，电介质中分子 、原子中的正电荷和负电荷发生偏移、使得 正、负电荷的中心不再重合，形成电偶极子 。电偶极子的形成及其定向排列称为电介质 的极 化。电介质极化后，在电介质表面上 产生束缚电荷。 介电常数是表明电介质极化特征的性能参数 。介电常数愈大，电介质极化能力愈强，产 生的束缚电荷就愈多。束缚电荷也产生电场 ，且该电场总是削弱外电场的。 介电常数(2) 现用电容器来说明介电常数的物理意义。设电容器 极板间为真空时，其电容量为 Co，而当极板间充 满某种电介质时，其电容量变为C， 则C与Co的比 值即该电介质的相对介电常数，即： 在填充电介质以后，由于电介质的极化，使靠近电 介质表面处出现了束缚电荷，与其对应，在极板上 的自由电荷也相应增加，即填充电介质之后，极板 上容纳了更多的自由电荷，说明电容被增大。因此 ，可以看出，相对介电常数总是大于1的。 介电常数(3) 绝缘材料的介电常数受电源频率、温度、湿度等因 素而产生变化。 频率增加，介电常数减小。 温度增加，介电常数增大；但当温度超过某一限度 后，由于热运动加剧，极化反而困难一些，介电常 数减小。 湿度增加，电介质的介电常数明显增加，因此，通 过测量介电常数，能够判断电介质受潮程度。 大气压力对气体材料的介电常数有明显影响，压力 增大，密度就增大，相对介电增大。 介质损耗 在交流电压作用下，电 介质中的部分电能不可 逆地转变成热能，这部 分能量叫做介质损耗。 单位时间内消耗的能量 叫做介质损耗功率。介 质损耗使介质发热，是 电介质热击穿的根源。 施加交流电压时，电流 、电压的相量关系如图 所示。 介质损耗 总电流与电压的相位差，即电介质的功率因数角 。功率因数角的余角称为介质损耗角。根据相量 图，不难求出单位体积内介质损耗功率为 P= 式中 : 电源角频率 , =2 f; 电介质介电常数 ; E 电介质内电场强度 ; tan 一一介质损耗角正切 。 由于P值与试验电压、试品尺寸等因素有关，难于 用来对介质品质作严密的比较，所以，通常是以 tan 来衡量电介质的介质损耗性能。 介质损耗 介质损耗将使介质发热，是介质热击穿的根源。 电气设备中使用的电介质，要求它的tan值愈 小愈好。而当绝缘受潮或劣化时，因有功电流明显 增加，会使tan值剧烈上升。也就是说，tan能 敏感地反映绝缘质量。因此，在要求高的场合，需 进行介质损耗试验。 影响绝缘材料介质损耗的因素主要有频率、温 度、湿度、电场强度和辐射。影响过程比较复杂， 从总的趋势上来说，随着上述因素的增强，介质损 耗增加。 绝缘的破坏 在电气设备的运行过程中，绝缘材料会由于 电场、热、化学、机械、生物等因素的作用 ，使绝缘性能发生劣化。绝缘破坏包括以下 三种方式： 绝缘击穿 绝缘老化 绝缘损坏 绝缘击穿 绝缘材料所具备的绝缘性能一般是指其承受 的电压在一定范围内所具备的性能。当承受 的电压超出了相应的范围时，就会出现击穿 现象。电介质击穿是指电介质在强电场作用 下遭到急剧破坏，丧失绝缘性能的现象。击 穿电压是指使电介质产生击穿的最小电压。 击穿强度是指使电介质产生击穿的最小电场 强度（也叫耐压强度）。对于电介质通常用 平均击穿强度表示：EB=UB/d (KV/cm) UB:击穿电压 d:击穿处绝缘厚度 气体电介质的击穿 气体击穿是由碰撞电离导致的电击穿。在强 电场中，带电质点(主要是电子)在电场中获 得足够的动能，当它与气体分子发生碰撞时 ，能够使中性分子电离为正离子和电子。新 形成的电子又在电场中积累能量而碰撞其他 分子，使其电离，这就是碰撞电离。碰撞电 离过程是一个连锁反应过程，每一个电子碰 撞产生一系列新电子，因而形成电子崩。电 子崩向阳极发展，最后形成一条具有高电导 的通道，导致气体击穿。 液体电介质的击穿 液体电介质的击穿特性与其纯净度有关，一般认为 纯净液体的击穿与气体的击穿机理相似，是由电子 碰撞电离最后导致击穿。 但液体的密度大，电子自 由行程短，积聚能量小，因此击穿场强比气体高。 工程上液体绝缘材料不可避免地含有气体、液体和 固体杂质。在强电场的作用下定向排列，运动到电 场强度最高处联成小桥，小桥贯穿两电极间引起电 导剧增，局部温度骤升，最后导致击穿。为了保证 绝缘质量，在液体绝缘材料使用之前，必须对其进 行纯化、脱水、脱气处理；在使用过程中应避免这 些杂质的侵入。液体电介质击穿后，绝缘性能在一 定程度上可以得到恢复。 固体电介质的击穿 固体电介质的击穿有电击穿、热击穿、电化 学击穿、放电击穿等形式。绝缘结构发生击 穿，往往是电、热、放电、电化学等多种形 式同时存在，很难截然分开。一般来说，在 采用tan值大、耐热性差的电介质的低压 电气设备，在工作温度高、散热条件差时， 热击穿较为多见。而在高压电气设备中，放 电击穿的概率就大些。脉冲电压下的击穿一 般属于电击穿。当电压作用时间达数十小时 乃至数年时，大多数属于电化学击穿。 固体电介质一旦击穿，将失去其绝缘性能。 固体电介质的击穿：电击穿 这是固体电介质在强电场作用下，其内少量 处于导带的电子剧烈运动，与晶格上的原子 ( 或离子 ) 碰撞而使之游离，并迅速扩展 下去导致的击穿。电击穿的特点是电压作用 时间短，击穿电压高。电击穿的击穿场强与 电场均匀程度密切相关，但与环境温度及电 压作用时间几乎无关。 固体电介质的击穿：热击穿 这是固体电介质在强电场作用下，由于介质 损耗等原因所产生的热量不能够及时散发出 去，会因温度上升，导致电介质局部熔化、 烧焦或烧裂，最后造成击穿。热击穿的特点 是电压作用时间长，击穿电压较低。热击穿 电压随环境温度上升而下降，但与电场均匀 程度关系不大。 固体电介质的击穿：电化学击穿 这是固体电介质在强电场作用下，由 游离、发热和化学反应等因素的综合 效应造成的击穿。 其特点是电压作用时间长，击穿电压 往往很低。它与绝缘材料本身的耐游 离性能、制造工艺、工作条件等因素 有关。 固体电介质的击穿：放电击穿 这是固体电介质在强电场作用下，内 部气泡首先发生碰撞游离而放电，继 而加热其他杂质，使之气化形成气泡 ，由气泡放电进一步发展，导致击穿 。放电击穿的击穿电压与绝缘材料的 质量有关。 绝缘老化 电气设备在运行过程中,其绝缘材料由于受 热、电、光、氧、机械力(包括超声波) 、 辐射线、微生物等因素的长期作用， 产生 一系列不可逆的物理变化和化学变化，导致 绝缘材料的电气性能和机械性能的劣化。 绝缘老化过程十分复杂。主要是热老化和电 老化。 热老化 一般在低压电气设备中，促使绝缘材料老化 的主要因素是热。热老化包括低分子挥发性 成分的逸出，包括材料的解聚和氧化裂解、 热裂解、水解 , 还包括材料分子链继续聚 合等过程。其热源可能是内部的也可能是外 部的。每种绝缘材料都有其极限耐热温度， 当超过这一极限温度时，其老化将加剧，电 气设备的寿命就缩短。 绝缘耐热分级及其极限温度 耐热分级极限温度/ Y90 A105 E120 B130 F155 H180 C180 电老化 它主要是由局部放电引起的。 在高压电气设备中，促使绝缘材料老化的主 要原因是局部放电。局部放电时产生的臭氧 、氮氧化物、高速粒子都会降低绝缘材料的 性能，局部放电还会使材料局部发热，促使 材料性能恶化。 绝缘损坏 绝缘损坏是指由于不正确选用绝缘材料，不 正确地进行电气设备及线路的安装，不合理 地使用电气设备等，导致绝缘材料受到外界 腐蚀性液体、气体、蒸气、潮气、粉尘的污 染和侵蚀，或受到外界热源、机械因素的作 用，在较短或很短的时间内失去其电气性能 或机械性能的现象。 防止绝缘损坏的对策 （1）避开有腐蚀性物质和外界高温的场所 ； （2）正确使用和安装电气设备和线路，保 持过流、过热保护装置的完好； （3）严禁乱拉乱扯，防止机械性损伤绝缘 物； （4）应采取防止小动物损伤绝缘的措施。 绝缘检测和绝缘试验 绝缘检测和绝缘试验的目的是检查电气设备 或线路的绝缘指标是否符合要求。 绝缘检测和绝缘试验主要包括绝缘电阻试验 、耐压试验、泄漏电流试验和介质损耗试验 。其中：绝缘电阻试验是最基本的绝缘试验 ；耐压试验是检验电气设备承受过电压的能 力，主要用于新品种电气设备的型式试验及 投入运行前的电力变压器等设备、电工安全 用具等；泄漏电流试验和介质损耗试验只对 一些要求较高的高压电气设备才有必要进行 。 绝缘电阻的测量 绝缘电阻是衡量绝缘性能优劣的最基本的指 标。在绝缘结构的制造和使用中，经常需要 测定其绝缘电阻。通过绝缘电阻的测定，可 以在一定程度上判定某些电气设备的绝缘好 坏，判断某些电气设备 ( 如电机、变压器 ) 的受潮情况等。以防因绝缘电阻降低或损 坏而造成漏电、短路、电击等电气事故。 绝缘材料的电阻可以用比较法( 属于伏安法 )测量，也可以用泄漏法来进行测量，但通 常用兆欧表( 摇表 )测量。 兆欧表 兆欧表主要由作为电源的手摇发电机 ( 或其他直 流电源 ) 和作为测量机构的磁电式流比计( 双动 线圈流比计 )组成。测量时，实际上是给被测物加 上直流电压，测量其通过的泄漏电流，在表的盘面 上读到的是经过换算的绝缘电阻值。 磁电式流比汁的工作原理 在同一转轴上装有两个交叉的线圈，当两线圈通有电 流时，两个线圈分别产生互为相反方向的转矩。其大 小分别为： M1 = K1f1（）I1 （2.3） M2= K2f2（）I2 （2.4） 式中 : K1 K2 比例常数； I1,I2 通过两个线圈的电流； 线圈带动指针偏转的偏转角。 当 M1M2 时，线圈转动，指针偏转。当 M1=M2 时， 线圈停止转动，指针停止偏转，且两电流之比与偏转 角满足如下的函数关系，即 （2.5） 兆欧表的测量原理 兆欧表的测量原理上图所示。在接入被测电阻 Rx 后，构成了两条相互并联的支路，当摇动手摇发 电机时，两个支路分别通过电流 I1 和 I2 。可以 看出： 考虑到两电流之比与偏转角满足的函数关系，不 难得出 =f(Rx) （2.7） 可见，指针的偏转角仅仅是被测绝缘电阻 Rx 的函数，而与电源电压没有直接关系。 兆欧表的测量原理 在兆欧表上有三个接线端钮，分别标为接地 E 、电路 L 和屏蔽 G 。一般测量仅用 E，L 两端，E 通常接地 或接设备外壳，L 接被测线路，电机、电器的导线或电 机绕组。测量电缆芯线对外皮的绝缘电阻时，为消除芯 线绝缘层表面漏电引起的误差，还应在绝缘上包以锡箔 ，并使之与 G 端连接，如图所示。 这样就使得流经绝缘表面的 电流不再经过流比计的测量线 圈，而是直接流经 G 端构成 回路，所以，测得的绝缘电阻 只是电缆绝缘的体积电阻。 使用兆欧表注意事项（1） 应根据被测物的额定电压正确选用不同电压等级 的兆欧表。所用兆欧表的工作电压应高于绝缘物的额 定工作电压。 与兆欧表端钮接线的导线应用单线，单独连接， 不能用双股绝缘导线，以免测量时因双股线或绞线绝 缘不良而引起误差。 测量前，必须断开被测物的电源，并进行放电； 测量终了也应进行放电。 测量前，应对兆欧表进行检查。首先，使兆欧表 端钮处处于开路状态，转动摇把，观察指针是否在 “” 位；然后，再将 E 和 L 两端短接起来，慢 慢转动摇把，观察指针是否迅速指 向 “ 0 ” 位。 使用兆欧表注意事项（2） 进行测量时，摇把的转速应由慢至快，到 120 r/min 左右时，发电机输出额定电压。摇 把转速应保持均匀、稳定，一般摇动 1min 左 右，待指针稳定后再进行读数。 测量过程中，如指针指向 “0”，表明被测 物绝缘失效，应停止转动摇把，以防表内线圈 发热烧坏。 禁止在雷电时或邻近设备带有高电压时用兆 欧表进行测量工作。 测量应尽可能在设备刚刚停止运转时进行， 这样，由于测量时的温度条件接近运转时的实 际温度，使测量结果符合运转时的实际情况。 吸收比的测定 吸收比是加压测量开始后 60S时读取的绝缘电阻值 与加压测量开始后15S时读取的绝缘电阻值之比。吸 收比测量的目的是判断绝缘材料受潮程度和内部有 无缺陷。因此，高压变压器、电动机和电力电容器 等都应按规定测量吸收比。 绝缘材料加上直流电压时都有一充电过程，在绝缘 材料受潮或内部有缺陷时，泄漏电流增加很多，同 时充电过程加快，吸收比的值小，接近于1；绝缘材 料干燥时，泄漏电流小，充电过程慢，吸收比明显 增大。例如，干燥的发电机定子绕组，在 1030 时的吸收比远大于 1.3 。 吸收比原理 绝缘电阻指标 绝缘电阻随线路和设备的不同，其指标要求也 不一样。就一般而 言，高压较低压要求高； 新设备较老设备要求高；室外设备较室内设备 要求高；移动设备较固定设备要求高等。 几种主要线路和设备应达到的绝缘电阻值。 新装和大修后的低压线路和设备，要求绝 缘电阻不低于 0.5M；运行中的线路和设备 ，要求可降低为每伏工作电压不小于 1000 ；安全电压下工作的设备同 220V 一样，不得 低于 0.22M；在潮湿环境，要求可降低为每 伏工作电压 500。 绝缘电阻指标 携带式电气设备的绝缘电阻不应低于 2M。 配电盘二次线路的绝缘电阻不应低于 1M， 在潮湿环境，允许降低为 0.5M。 1OkV 高压架空线路每个绝缘子的绝缘电阻不 应低于 300M；35kV 及以上的不应低于 500M 。 运行中 61OkV 和 35kV 电力电缆的绝缘电 阻分别不应低于 400100OM 和6001500M 。干燥季节取较大的数值；潮湿季节取较小的数 值。 电力变压器投入运行前，绝缘电阻应不低于出 厂时的 70%，运行中的绝缘电阻可适当降低。 耐压试验 主要是检查电气设备承受过电压的能力。也是保证 电气设备安全运行的有效手段。 工频高压试验装置电路：调压器T1、试验变压器T2 、测量及过电压保护装置(球隙)S、保护电阻R1， R2组成，Rx是被试品。S既可以测量放电电压，又 可限制球隙间电压不超过某一限值，起保护作用。 耐压试验过程 工频耐压试验的试验电压为被试设备额定电 压的一倍多至数倍之间，但不得低于1KV。 进行工频耐压试验时，先以任意速度加压至 试验电压的40%左右，再以每秒3%试验电压 的速度升高到试验电压，并持续规定时间， 然后在5秒内将电压降至试验电压的25%以下 ，再切断电源。 耐压试验的加压时间对瓷质和液体为60秒， 对以有机固体作为主要绝缘的设备为300秒 ，但根据被试设备、线路种类的不同，也有 其他不同的加压时间情况。 第二节 屏护和间距 屏护和间距是最为常用的电气安全措施之一 。从防止电击的角度而言，屏护和间距属于 防止直接接触的安全措施。 屏护和间距还是防止短路、故障接地等电气 事故的安全措施之一。 屏护的概念 屏护是指采用遮栏、护罩、护盖、箱匣等把 危险的带电体同外界隔离开来的安全防护措 施。 屏护的特点是屏护装置不直接与带电体接触 ，对所用材料的电气性能无严格要求，但应 有足够的机械强度和良好的耐火性能。 以防止人体触及或接近带电体所引起的触电 事故。屏护还起到防止电弧伤人，防止弧光 短路或便利检修工作的作用。 屏护的分类 屏护装置按使用要求分为永久性屏护装置和临时性 屏护装置，前者如配电装置的遮栏、开关的罩盖等 ；后者如检修工作中使用的临时屏护装置和临时设 备的屏护装置等。 屏护装置按使用对象分为固定屏护装置和移动屏护 装置，如母线的护网就属于固定屏护装置；而跟随 天车移动的天车滑线屏护装置就属于移动屏护装置 。 屏护可分为屏蔽和障碍 ( 或称阻挡物 ), 两者的 区别在于：后者只能防止人体无意识触及或接近带 电体，而不能防止有意识移开、绕过或翻越该障碍 触及或接近带电体。从这点来说，前者属于一种完 全的防护，而后者是一种不完全的防护。 屏护的应用 屏护装置主要用于电气设备不便于绝缘或绝缘 不足以保证安全的场合。以下场合需要屏护： (1) 开光电器的可动部分：闸刀开关的胶盖、 铁壳开关的铁壳等； (2) 人体可能接近或触及的裸线、行车滑线、 母线等； (3) 高压设备：无论是否有绝缘； (4) 安装在人体可能接近或触及场所的变配电 装置； (5) 在带电体附近作业时，作业人员与带电体 之间、过道、入口等处应装设可移动临时性屏 护装置。 屏护装置的安全条件 尽管屏护装置是简单装置，但为了保证其有效 性，须满足如下的条件： (1) 屏护装置所用材料应有足够的机械强度和 良好的耐火性能，金属屏护装置必须实行可靠 接地或接零； (2) 屏护装置应有足够的尺寸，与带电体之间 应保持必要的距离； (3) 遮栏、栅栏等屏护装置上应有“止步,高压 危险!”等标志。 (4) 必要时应配合采用声光报警信号和联锁装 置。 表 2-2 网眼遮栏与带电体之间的距离 额定电压 /kv 1102035 最小距离 /m 0.150.350.6 间距 间距是指带电体与地面之间，带电体与其他设 备和设施之间，带电体与带电体之间必要的安 全距离。间距的作用是防止人体触及或接近带 电体造成触电事故；避免车辆或其他器具碰撞 或过分接近带电体造成事故；防止火灾、过电 压放电及各种短路事故，以及方便操作。在间 距的设计选择时，既要考虑安全的要求，同时 也要符合人- 机工效学的要求。 不同电压等级、不同设备类型、不同安装方式 、不同的周围环境所要求的间距不同。 线路间距 导线与地面或水面的最小距离 线路经过 地区 线路电压 1KV110KV35KV 居民区66.57 非居民区55.56 不能通航或浮运的河、湖（冬季水 面） 55- 不能通航或浮运的河、湖（50年一 遇的洪水水面） 33- 交通困难地区44.55 步行可以达到的山坡34.55 步行不能达到的山坡、峭壁或岩石11.53 导线与建筑物的最小距离 未经相关部门许可的情况下，架空线路不得 跨越建筑物，架空线路与有爆炸、火灾危险 的厂房之间应保持必要的防火距离，且不应 跨越具有可燃材料层无顶的建筑物。 导线与建筑物的最小距离 线 路 电 压 /kv 1 1 0 3 5 垂 直 距 离 /m 2. 5 3. O 4 水 平 距 离 /m 1 1. 5 3 导线与树木的最小距离 线路电压 /kv 11035 垂直距离/m11.53 水平距离/m12- 用电设备间距 明装的车间低压配电箱底口的高度可取1.2m，暗装的可 取1.4m。明装电能表板底距地面的高度可取1.8m。 常用开关电器的安装高度为1.31.5m，开关手柄与建 筑物之间保留150的距离，以便于操作。墙用平开关 ，离地面高度可取1.4m。明装插座离地面高度可取1.3 1.8m，暗装的可取0.20.3m。 户内灯具高度应大于2.5m，受实际条件约束达不到时， 可减为2.2m，低于2.2m时，应采取适当安全措施。当灯 具位于桌面上方等人碰不到的地方时，高度可减为1.5m 。户外灯具高度应大于3m；安装在墙上时可减为2.5m 。 起重机具至线路导线间的最小距离，1kV及1kV以下者不 应小于1.5m ，10kV 者不应小于2m。 检修间距 低压操作时，人体及其所携带工具与带电体 之间的距离不得小于0.1m 。高压作业时， 各种作业类别所要求的最小距离见下表。 类别 电压 等级 10kV35kV 无遮拦作业，人体及其所携带工具与带电 体之间0.71 无遮拦作业，人体及其所携带工具与带电 体之间 ，用绝缘 杆操作 0.40.6 线路作业，人体及其所携带工具与带电 体之间12.5 带电 水冲洗，小型喷嘴与带电 体之间0.40.6 喷灯或气焊火焰与带电 体之间1.53 巩固练习 一、名词解释 1 绝缘 2 介质损耗 3 绝缘击穿 4 屏护 1 绝缘是指利用绝缘材料对带电体进行封闭和隔离。 2 在交流电压作用下，电介质中的部分电能不可逆地 转变