供电技术供电系统保护接地与防雷

1、西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 内容提要：本章概述供电系统的保护接地与防雷保护。内容提要：本章概述供电系统的保护接地与防雷保护。 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 第一节第一节 供电系统的保护接地供电系统的保护接地 第二节第二节 供电系统的防雷保护供电系统的防雷保护 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 第一节第一节 供电系统的保护接地供电系统的保护接地 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 一、电流对人体的危害一、电流对人体的危害 电流对人体的伤害程度与通过人体电流的强度、持续时间、频率、路径 及人体健康状况等因素有关。电流大

2、小不同，引起人体的生理、病理效应 不同。我国规定触电时间不超过ls的安全电流为安全电流为30mA(50Hz) 。一般情况下 通过人体的工频电流超过50mA时，心脏就会停止跳动，发生昏迷，并出现 致命的电烧伤。工频lOOmA电流通过人体时，很快使人致命。 图图5-1 是人体触电时间是人体触电时间 与通过人体电流对人与通过人体电流对人 身机体反应的曲线身机体反应的曲线 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 二、接地和接地装置二、接地和接地装置 1 1接地的基本概念接地的基本概念 电气设备的某部分与大地之间做良好的电气连接，称为接地。电气设备的某部分与大地之间做良好的电气连接，称为接地

3、。 接地装置是由接地体和接地线两部分组成的。接地装置是由接地体和接地线两部分组成的。 埋入地中并直接与大地接触的金属导体，称为接地体或接地极。埋入地中并直接与大地接触的金属导体，称为接地体或接地极。 接地体与电气设备的金属外壳之间的连接线，称为接地线。接地体与电气设备的金属外壳之间的连接线，称为接地线。 由若干接地体在大地中相互用接地线连接起来的一个整体，称为接地网。由若干接地体在大地中相互用接地线连接起来的一个整体，称为接地网。 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 2 2接地装置的构成接地装置的构成 接地装置是由接地极接地装置是由接地极 ( (埋入地中并与大地接触的金属导体埋

4、入地中并与大地接触的金属导体) )和接地线和接地线 ( (电气装置、电气装置、 设施的接地端子与接地极连接用的金属导电部分设施的接地端子与接地极连接用的金属导电部分) )所组成。由若干接地极在大地中相所组成。由若干接地极在大地中相 互连接而组成的总体，称为接地网。互连接而组成的总体，称为接地网。 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 接地电流、对地电压及接地电流电接地电流、对地电压及接地电流电 位分布曲线位分布曲线 当电气设备发生接地故障时，电当电气设备发生接地故障时，电 流就通过接地体向大地作半球形散开，流就通过接地体向大地作半球形散开， 这一电流称为接地电流这一电流称为接地电

5、流IE。 试验表明，在距单根接地体或接试验表明，在距单根接地体或接 地故障点地故障点20m左右的地方，实际上散左右的地方，实际上散 流电阻已趋近于零，电位为零的地方，流电阻已趋近于零，电位为零的地方， 称为电气上的称为电气上的“地地”或或“大地大地”。电。电 气设备的接地部分与零电位的气设备的接地部分与零电位的“地地” （大地）之间的电位差，就称为接地（大地）之间的电位差，就称为接地 部分的对地电压，如图中的部分的对地电压，如图中的UE。 3 3接地装置的散流效应接地装置的散流效应 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 跨步电压和接触电压示意图跨步电压和接触电压示意图 接触电压接

6、触电压是指设备的绝缘损坏时，是指设备的绝缘损坏时， 在身体可同时触及的两部分之间出现在身体可同时触及的两部分之间出现 的电位差。的电位差。 跨步电压跨步电压是指在故障点附近行走，是指在故障点附近行走， 两脚之间出现的电位差两脚之间出现的电位差 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 4 4接地电阻的组成及电力系统对接地电阻的要求接地电阻的组成及电力系统对接地电阻的要求 a) 土壤电阻土壤电阻:土壤电阻的大小用土壤电阻率表示。土壤电阻率就是 的 正立方体土壤的电阻值。 b) 接地线接地线:自然接地线包括建筑物的金属结构，生产用的金属构架如吊车 轨道、配电装置外壳，布线的钢管，电缆外皮

7、以及非可燃和爆炸危险的工业 管道等。 c) 接地极接地极 :自然接地极主要有：地下水管道，非可燃、非爆炸性液、气 金属管道；建筑物和构筑物的金属结构和电缆外皮。 （2 2）电力系统对）电力系统对接地电阻的要求接地电阻的要求 电力系统在不同情况下对接地电阻的要求是不同的。具体内容见表电力系统在不同情况下对接地电阻的要求是不同的。具体内容见表5-3 3 1cm （1）决定接地电阻的因素）决定接地电阻的因素 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 5 5工频接地电阻的计算工频接地电阻的计算 (1) 人工接地极工频接地电阻的计算人工接地极工频接地电阻的计算 不同类型的单个接地极的接地电阻计

8、算公式，在设计手册中均有 介绍，读者可根据需要参考有关设计手册 。在实际的供电系统设计中， 往往单个接地极的接地电阻不能满足某些系统对接地电阻的要求，因此， 必须将数根接地极进行并联成组。 g Eg Eg n R R Eg R 人工接地极(以钢管为例)单根电阻() n 接地极的根数 g 接地极组的利用系数，根据接地极布置情况，根数及其间距而定；设计时可查阅相关设计手册 Eg R 人工接地极组的总电阻值( ) 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 组合接地极是用扁钢连接的 b Eb Eb R R Eb R Eb R b 长度为z的扁钢考虑利用系数时的电阻值( )。 长度为z的扁钢，

9、未考虑利用系数影响前的电阻值()。 扁钢的利用系数。设计时可查阅相关设计手册。 人工接地网的总接地电阻 EbEg EbEg EM RR RR R 人工接地极组的总电阻为 EMEb EbEM Eg RR RR R gEg Eg R R n 钢管数扁钢 gEg Eg 9 . 0 R R n 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 6 6. 冲击接地电阻的计算冲击接地电阻的计算 冲击接地电阻 Eshsh RR sh R sh E R 冲击接地电阻() 接地体的冲击系数 工频接地电阻( ) 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 三、保护接地三、保护接地 为保证人体触及意外带电

10、的电气设备时的人身安全，而将电气设备的金 属外壳进行接地即为保护接地（又称安全接地） 依据低压配电系统的对地关系、电气设备（或装置）的外露可导电部分 的对地关系以及整个系统的中性线（neutral wire，简写N线）与保护线 （protective wire，简写PE线）的组合情况，低压配电系统接地型式有IT系 统、TT系统和T N系统（包括TN-C、TN-S、TN-C-S系统）共5种。 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 1 1、 IT系统系统 电源小电流接地系电源小电流接地系 统的保护接地方式，统的保护接地方式， 电气设备的不带电金电气设备的不带电金 属部分直接经接地体属

11、部分直接经接地体 接地接地 电气设备的保护接地（电气设备的保护接地（IT系统）系统） 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 2 2、 TT系统系统 配电系统的中性线配电系统的中性线N 引出，但电气设备的不引出，但电气设备的不 带电金属部分经各自的带电金属部分经各自的 接地装置直接接地接地装置直接接地 TT系统系统 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 3 3、 TN系统系统 TN系统系统 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 TN系统系统 TNC系统系统 TNS系统系统 TNCS系统系统 整个系统的中性线N与保护线PE是合在一起的，电气设备不带 电金属

12、部分与之相连 。 配电线路中性线N与保护线PE分开，电气设备的金属外壳接在 保护线PE上。 TN-C和TN-S系统的综合，电气设备大部分采用TN-C系统接线， 在设备有特殊要求场合局部采用专设保护线接成TN-S形式 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 四、共同接地与重复接地四、共同接地与重复接地 1、共同接地、共同接地 要想用简单可靠的方法保证安全，就应当采取共同接地的方式(见图5- 9)。这样就可以将两相分别接地短路变成相间短路，迅速使保护装置动作。 图5-9 共同接地 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 2、重复接地、重复接地 同一低压系统中，不能有的采取保

13、护接地，有的又采取保护接零，否则当同一低压系统中，不能有的采取保护接地，有的又采取保护接零，否则当 采取保护接地的设备发生单相接地故障时，采取保护接零的设备外露可导电部采取保护接地的设备发生单相接地故障时，采取保护接零的设备外露可导电部 分将带上危险的电压。中性点不接地系统中的设备不允许采用保护接零。因为分将带上危险的电压。中性点不接地系统中的设备不允许采用保护接零。因为 任一设备发生碰壳时都将使所有设备外壳上出现近于相电压的对地电压，这是任一设备发生碰壳时都将使所有设备外壳上出现近于相电压的对地电压，这是 十分危险的。在中性线上不允许安装熔断器和开关，以防中性线断线，失去保十分危险的。在中性

14、线上不允许安装熔断器和开关，以防中性线断线，失去保 护接零的作用，为安全起见，中性线还必须实行重复接地，以保证接零保护的护接零的作用，为安全起见，中性线还必须实行重复接地，以保证接零保护的 可靠性。可靠性。 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 在中性点直接接地在中性点直接接地 的低压电力网中采用的低压电力网中采用 接零时，将零线上的接零时，将零线上的 一点或多点再次与大一点或多点再次与大 地作金属性连接，称地作金属性连接，称 为重复接地。为重复接地。 重复接地可在系统中发生碰壳短路时降低零线的对地电压，重复接地可在系统中发生碰壳短路时降低零线的对地电压， 减轻触电的危险。当采用

15、保护接零而零线断裂时，如果在断减轻触电的危险。当采用保护接零而零线断裂时，如果在断 线后的电力设备有一相碰壳，则后面的零线会带上相电压，线后的电力设备有一相碰壳，则后面的零线会带上相电压， 造成危险。采用了重复接地后，接在断裂处后面的所有电气造成危险。采用了重复接地后，接在断裂处后面的所有电气 设备外壳上的对地电压设备外壳上的对地电压U UE E U U ，危险程度大大降低，危险程度大大降低， 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 五、漏电保护器的应用五、漏电保护器的应用 漏电保护漏电保护（又称剩余电流保护）是从泄漏电流，人体触电等非金属性单相 接地故障考虑，用来保护人身及设备安

16、全的一种保护方式。 漏电保护器的类型按其工作原理可分为电压动作型、电流动作型、电压电 流动作型、交流脉冲型和直流动作型等。由于电流动作型的检测特性较好，既 可作全系统的总保护，也可作各干线、支线的分级保护，所以是目前应用较为 普遍的一种。 电流动作型漏电保护器主要由零序电流互感器、脱扣机构及主开关组成。 零序电流互感器是一个检测元件，可以安装在变压器中性点与接地板之间，构 成全网总保护，也可安装在干线或分支线上，构成干线或分支线保护。如图5- 13所示。 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 图5-13 电流动作型漏电保护器工作原理图 a)全网总保护 b)支干线保护 西安理工大学

17、自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 干线或分支线回路的漏电保护工作原理可用图5-14来说明。 图5-14 干线回路漏电保护工作原理 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 (1)漏电保护用于TN系统中，从使用漏电保护装置的地点起，TNC系统应 改用TNS系统，即保护线不再用作中性线，使整体成为TNCS系统。 (2)漏电保护应用于TT系统中，可以降低对设备接地电阻值的要求。但是 装设漏电保护和不装漏电保护的设备不能共用一个接地装置。 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 第二节第二节 供电系统的防雷保护供电系统的防雷保护 过电压过电压 内部过电压内部过电压 外部过电

18、压外部过电压 （雷电过电压（雷电过电压 ） 直击雷击直击雷击 感应雷击感应雷击 雷电波侵入雷电波侵入 一、过电压与雷电的有关概念一、过电压与雷电的有关概念 （一）过电压的形式一）过电压的形式 操作过电压操作过电压 谐振过电压等谐振过电压等 （二）雷电流的产生、幅值与陡度二）雷电流的产生、幅值与陡度 异性带电雷云间的放电就是通常所说的闪电。异性带电雷云间的放电就是通常所说的闪电。 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 0 波尾波头 14s t/ I/kA Im Im/2 s 雷电流是一个陡度很高、幅值很大雷电流是一个陡度很高、幅值很大 的冲击波电流。的冲击波电流。 对电力系统的电气

19、设备来说，雷电流的陡度越大，在负载电感对电力系统的电气设备来说，雷电流的陡度越大，在负载电感L上产生的过电压上产生的过电压 也越大，对绝缘的破坏性也就越严重。也越大，对绝缘的破坏性也就越严重。 L d d i uL t 雷云对地或架空线路的放电就会造雷云对地或架空线路的放电就会造 成雷电流。成雷电流。 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 雷电冲击波具有波的传导特性。输电线路受到雷击后，产生的雷电冲击波会向雷电冲击波具有波的传导特性。输电线路受到雷击后，产生的雷电冲击波会向 输电线路两侧流动传播，雷电波在传导过程中到达结点后，还会发生折射和反射现输电线路两侧流动传播，雷电波在传导

20、过程中到达结点后，还会发生折射和反射现 象。象。 00 d1 d x v tL C 传播速度传播速度 雷电波沿架空线传播的速度与光速雷电波沿架空线传播的速度与光速（3108m/s）相同，而在电缆中传播的速度相同，而在电缆中传播的速度 约为上值的约为上值的1/21/3。 0 0 C L i u Z 波阻抗波阻抗 波阻抗表征的是沿导线传播的电压冲击波和电流冲击波之间的动态关系波阻抗表征的是沿导线传播的电压冲击波和电流冲击波之间的动态关系 ，与线，与线 路长度无关。路长度无关。 （三）雷电冲击波的基本特性（三）雷电冲击波的基本特性 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 反射波 入射波

21、折射波 Z1 Z2 雷电入射波到达线路末端结点处会发生全反射，线路的开路末端电压将增大至雷雷电入射波到达线路末端结点处会发生全反射，线路的开路末端电压将增大至雷 电行波电压的电行波电压的2 2倍，严重威胁线路的绝缘安全，必须设置避雷器等防雷保护措施。倍，严重威胁线路的绝缘安全，必须设置避雷器等防雷保护措施。 变电所常采用一段变电所常采用一段100200m的进线电缆，以达到降低行波陡度的效果。的进线电缆，以达到降低行波陡度的效果。 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 二、防雷装置二、防雷装置 防雷设备由接闪器、引下线、接地装置等组成。接闪器是专门用来接受直接雷击防雷设备由接闪器、

22、引下线、接地装置等组成。接闪器是专门用来接受直接雷击 的金属物体。接闪器包括金属杆状的避雷针，金属线状的避雷线，金属带状或网状的的金属物体。接闪器包括金属杆状的避雷针，金属线状的避雷线，金属带状或网状的 避雷带、避雷网等。避雷带、避雷网等。 避雷针的作用是引雷。避雷针的作用是引雷。 1.1.避雷针避雷针 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 避雷针是防止直击雷的有效措避雷针是防止直击雷的有效措 施。一定高度的避雷针（线）下施。一定高度的避雷针（线）下 面，有一个安全区域，此区域内面，有一个安全区域，此区域内 的物体基本上不受雷击。我们把的物体基本上不受雷击。我们把 这个安全区域叫

23、做避雷针的保护这个安全区域叫做避雷针的保护 范围。范围。 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 避雷针的保护范围用避雷针的保护范围用“滚球法滚球法” 来确定。来确定。 当避雷针高度为当避雷针高度为h h时，如时，如h hh hr r， 地面上的保护半径地面上的保护半径r r0 0为为 单支避雷针的保护范围单支避雷针的保护范围 )2( r0 hhhr 高度为高度为h hx x的平面的平面xxxx上的保护半径上的保护半径 r rx x为为 )2( xrx0 x hhhrr 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 避雷针接地必须良好，接地电阻不宜超过避雷针接地必须良好，接地

24、电阻不宜超过10 10 ； v 35kV35kV及以下变配电所的避雷针应单独装设支架，避雷针与被保护设备之间的空气及以下变配电所的避雷针应单独装设支架，避雷针与被保护设备之间的空气 距离不小于距离不小于5m5m； v 独立避雷针应有自己专用的接地装置，接地装置与变配电所接地网间的地中距离独立避雷针应有自己专用的接地装置，接地装置与变配电所接地网间的地中距离 不应小于不应小于3m3m； v 避雷针及接地装置与道路入口等的距离不小于避雷针及接地装置与道路入口等的距离不小于3m3m。 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 rx h hx 0.5h 0.75h 45 1.5h “折线法折

25、线法” 现行电力行业标现行电力行业标 准准DL/T6201997规定，规定， 用于变配电所和电力用于变配电所和电力 线路的防雷保护时，线路的防雷保护时， 避雷针、线的保护范避雷针、线的保护范 围按围按“折线法折线法”来确来确 定。定。 2.2.避雷线避雷线 避雷线的接闪原理与避雷针类似。避雷线的接闪原理与避雷针类似。 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 0 U R 阀电阻特性阀电阻特性 3.3.避雷器避雷器 避雷器的作用是防止雷电过电压沿输电线路侵入变电所或其它建筑物，危害电避雷器的作用是防止雷电过电压沿输电线路侵入变电所或其它建筑物，危害电 气设备的绝缘。气设备的绝缘。 阀式

26、避雷器阀式避雷器 管型避雷器和保护间隙管型避雷器和保护间隙 金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器 在工频电压下，金属氧化物避雷器呈现极高在工频电压下，金属氧化物避雷器呈现极高 电阻，能迅速有效地阻断工频续流，无需火花间电阻，能迅速有效地阻断工频续流，无需火花间 隙来熄灭由工频续流引起的电弧；而当雷电过电隙来熄灭由工频续流引起的电弧；而当雷电过电 压的作用下，其电阻变为很小，能较好地泄放雷压的作用下，其电阻变为很小，能较好地泄放雷 电流。电流。 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 避雷器是用来防止线路的感应雷及避雷器是用来防止线路的感应雷及 沿线路侵入的过电压波对变电所内的电沿线路侵

27、入的过电压波对变电所内的电 气设备造成的损害。它一般接于各段母气设备造成的损害。它一般接于各段母 线与架空线的进出口处，装在被保护设线与架空线的进出口处，装在被保护设 备的电源侧，与被保护设备并联备的电源侧，与被保护设备并联 避雷器的连接避雷器的连接 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 避雷器避雷器 管形避雷器管形避雷器 阀形避雷器阀形避雷器 金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 管型避雷器管型避雷器 管型避雷器主要用于变配管型避雷器主要用于变配 电所的进线保护和线路绝缘弱电所的进线保护和线路绝缘弱 点的保护，保护性能较好的管点的

28、保护，保护性能较好的管 型避雷器可用于保护配电变压型避雷器可用于保护配电变压 器。器。 管型避雷器结构示意图管型避雷器结构示意图 1产气管；产气管；2胶木管；胶木管；3棒形电极；棒形电极；4环形电极；环形电极；5动作指示器；动作指示器；s1内间隙；内间隙；s2外间隙外间隙 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 阀型避雷器阀型避雷器 由火花间隙和阀片组成，装在密封的磁套管内。阀型避雷器的火花间隙组是由多个由火花间隙和阀片组成，装在密封的磁套管内。阀型避雷器的火花间隙组是由多个 单间隙串联组成的。正常运行时，间隙介质处于绝缘状态，仅有极小的泄漏电流通过阀单间隙串联组成的。正常运行时，

29、间隙介质处于绝缘状态，仅有极小的泄漏电流通过阀 片。当系统出现雷电过电压时，火花间隙很快被击穿，使雷电冲击电流很容易通过阀性片。当系统出现雷电过电压时，火花间隙很快被击穿，使雷电冲击电流很容易通过阀性 电阻而引入大地，释放过电压负荷，阀片在大的冲击电流下电阻由高变低，所以冲击电电阻而引入大地，释放过电压负荷，阀片在大的冲击电流下电阻由高变低，所以冲击电 流在其上产生的压降（残压）较低，此时，作用在被保护设备上的电压只是避雷器的残流在其上产生的压降（残压）较低，此时，作用在被保护设备上的电压只是避雷器的残 压，从而使电气设备得到了保护。压，从而使电气设备得到了保护。 西安理工大学自动化与信息工程

30、学院 供电技术电子课件 金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器 金属氧化物避雷器又称压敏避雷器。它是一种没有火花间隙只有压敏电阻片的阀型金属氧化物避雷器又称压敏避雷器。它是一种没有火花间隙只有压敏电阻片的阀型 避雷器。压敏电阻片是氧化锌等金属氧化物烧结而成的多晶半导体陶瓷元件，具有理想避雷器。压敏电阻片是氧化锌等金属氧化物烧结而成的多晶半导体陶瓷元件，具有理想 的伏安特性。在工频电压下，它具有极大的电阻，能迅速有效地阻断工频电流，因此不的伏安特性。在工频电压下，它具有极大的电阻，能迅速有效地阻断工频电流，因此不 需要火花间隙来熄灭由工频续流引起的电弧；在雷电过电压作用下，其电阻变得很小，需要火花间隙

31、来熄灭由工频续流引起的电弧；在雷电过电压作用下，其电阻变得很小， 能很好地泄放雷电流。能很好地泄放雷电流。 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 三、供电系统的防雷措施三、供电系统的防雷措施 户外变配电所中，一般采用避雷针作为直击雷的防护装置，并要求所有被保护户外变配电所中，一般采用避雷针作为直击雷的防护装置，并要求所有被保护 的电气设备和建筑物均应处于避雷针的保护范围之内。的电气设备和建筑物均应处于避雷针的保护范围之内。 变配电所中一般需要通过装设阀式避雷器或氧化锌避雷器对变压器进行雷电变配电所中一般需要通过装设阀式避雷器或氧化锌避雷器对变压器进行雷电 侵入波的防护。侵入波的防护。 避雷器应尽可能靠近变压器安装。避雷器接地线应与变压器低压侧接地中性线避雷器应尽可能靠近变压器安装。避雷器接地线应与变压器低压侧接地中性线 及金属外壳连在一起接地。及金属外壳连在一起接地。 避雷器的选择，必须使其伏秒特性与变压器伏秒特性合理配合，并且避雷器的避雷器的选择，必须使其伏秒特性与变压器伏秒特性合理配合，并且避雷器的 残压必须小于变压器绝缘耐压所能允许的程度。残压必须小于变压器绝缘耐压所能允许的程度。 西安理工大学自动化与信息工程学院 供电技术电子课件 （1）架空线的防雷措施）架空线的防雷措施 用户供电系统是