电气设备防雷及接地

1、EXIT电气防雷与接地2022-3-281.李李 钊钊 年年EXITp供配电系统进行正常运行，首先必须要保证供配电系统进行正常运行，首先必须要保证其安全性其安全性n防雷防雷和和接地接地是电气安全的主要措施。是电气安全的主要措施。 p因此掌握因此掌握电气安全电气安全、防雷防雷和和接地接地的设计方法的设计方法也非常重要。也非常重要。 2022-3-282EXIT 电气设备的防雷与接地电气设备的防雷与接地 一、电气安全一、电气安全 二、过电压和防雷二、过电压和防雷 三、牵引供电系统设备的防雷三、牵引供电系统设备的防雷 2022-3-283EXIT一、一、 电气安全电气安全v电气安全的含义电气安全的含

2、义 p电气安全包括电气安全包括人身安全人身安全和和设备安全设备安全两个方面。两个方面。n人身安全人身安全是指电气从业人员或其他人员的是指电气从业人员或其他人员的安全；安全；n设备安全设备安全是指包括电气设备及其所拖动的是指包括电气设备及其所拖动的机械设备的安全。机械设备的安全。2022-3-284EXITv过电压及雷电概述过电压及雷电概述p 过电压的种类过电压的种类n过电压过电压是指在电气设备或线路上出现的超过是指在电气设备或线路上出现的超过正常工作要求并对其绝缘构成威胁的电压。正常工作要求并对其绝缘构成威胁的电压。n过电压按产生原因可分为过电压按产生原因可分为内部过电压内部过电压和和雷电雷电

3、过电压过电压。二、二、 过电压与防雷过电压与防雷 2022-3-285EXIT过电压过电压内部过电压内部过电压雷电过电压雷电过电压供电系统中开关操作、负荷骤供电系统中开关操作、负荷骤变或由于故障而引起的过电压变或由于故障而引起的过电压 雷电引起的过电压（大气过电雷电引起的过电压（大气过电压）压） 2022-3-286EXITn内部过电压内部过电压内部过电压是由于电力系统正常操作、事故切换、内部过电压是由于电力系统正常操作、事故切换、发生故障或负荷骤变时引起的过电压。发生故障或负荷骤变时引起的过电压。分为分为操作过电压操作过电压、弧光接地过电压弧光接地过电压及及谐振过电压谐振过电压。内部过电压的

4、能量来自于电力系统本身，经验证内部过电压的能量来自于电力系统本身，经验证明，明，内部过电压一般不超过系统正常运行时额定内部过电压一般不超过系统正常运行时额定相电压的相电压的34倍倍，对电力线路和电气设备绝缘的，对电力线路和电气设备绝缘的威胁不是很大。威胁不是很大。2022-3-287.EXITn雷电过电压雷电过电压（外部过电压外部过电压、大气过电压大气过电压）雷电过电压是由于电力系统中的设备或建筑物遭雷电过电压是由于电力系统中的设备或建筑物遭受来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压。受来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压。雷电冲击波的电压幅值可高达雷电冲击波的电压幅值可高达1亿伏亿伏，其

5、电流幅，其电流幅值可高达几十万安，值可高达几十万安，对电力系统的危害远远超过对电力系统的危害远远超过内部过电压内部过电压。其可能毁坏电气设备和线路的绝缘，。其可能毁坏电气设备和线路的绝缘，烧断线路，造成大面积长时间停电。因此，必须烧断线路，造成大面积长时间停电。因此，必须采取有效措施加以防护。采取有效措施加以防护。2022-3-288.EXITp雷电过电压的种类雷电过电压的种类 n直击雷过电压直击雷过电压当雷电直接击中电气设备、线路或建筑物时，强大的雷电流通过其流入大地，在被击物上产生较高的电位降，称直击直击雷过电压雷过电压。 大气过电压大气过电压直击雷直击雷感应雷感应雷2022-3-289.

6、EXIT雷击的种类雷击的种类1、直击雷、直击雷 雷云直接对地面建雷云直接对地面建筑物或人放电筑物或人放电2022-3-2810.EXITn有时雷云很低，周围又没有带异性电荷的雷云，有时雷云很低，周围又没有带异性电荷的雷云，这样有可能在地面凸出物上感应出异性电荷，这样有可能在地面凸出物上感应出异性电荷，在雷云与大地之间形成很大的雷电场。当雷云在雷云与大地之间形成很大的雷电场。当雷云与大地之间在某一方位的电场强度达到与大地之间在某一方位的电场强度达到2530kV/cm时就开始放电，这就是时就开始放电，这就是直击雷直击雷，据观，据观测，在地面上产生雷击的雷云多为负雷云。见测，在地面上产生雷击的雷云多

7、为负雷云。见图。图。2022-3-2811.EXIT2022-3-2812.EXIT雷击的种类雷击的种类2、感应雷、感应雷 雷云通过静电感雷云通过静电感应或电磁感应，在应或电磁感应，在附近的金属体上产附近的金属体上产生感应电压生感应电压2022-3-2813.EXITn感应雷过电压感应雷过电压当雷云在架空线路上方时，使当雷云在架空线路上方时，使架空线路感应出异性电荷。雷云对其他物体放架空线路感应出异性电荷。雷云对其他物体放电后，架空线路上的电荷被释放，形成自由电电后，架空线路上的电荷被释放，形成自由电荷流向线路两端，产生电位很高的过电压，称荷流向线路两端，产生电位很高的过电压，称感应雷过电压感

8、应雷过电压，如图所示。，如图所示。n架空线路上的感应过电压可达几万甚至几十万架空线路上的感应过电压可达几万甚至几十万伏，对供电系统的危害很大。伏，对供电系统的危害很大。 2022-3-2814.EXIT2022-3-2815.EXITp防雷保护的措施防雷保护的措施 n防直击雷保护防直击雷保护 用用接闪器接闪器、引下线引下线、接地体接地体三部分组成的避雷装三部分组成的避雷装置。置。 接闪器接闪器避雷针避雷针避雷针避雷针避雷线避雷线 避雷网（带）避雷网（带）2022-3-2816.EXITp接闪器接闪器是用来接受直接雷击的金属物体。是用来接受直接雷击的金属物体。n接闪的金属杆称为接闪的金属杆称为避

9、雷针，主要用于保护露天，主要用于保护露天变配电设备及建筑物；变配电设备及建筑物；n接闪的金属线称接闪的金属线称避雷线或架空地线，主要用于或架空地线，主要用于保护输电线路；保护输电线路；n接闪的金属带、金属网称接闪的金属带、金属网称避雷带、避雷网，主、避雷网，主要用于保护建筑物。要用于保护建筑物。2022-3-2817.EXITn接闪器的工作原理接闪器的工作原理利用其高出被保护物的突出地位，把雷电引向自利用其高出被保护物的突出地位，把雷电引向自身，然后通过引下线和接地装置把雷电流泄入大身，然后通过引下线和接地装置把雷电流泄入大地，使被保护的线路、设备、建筑物免受雷击。地，使被保护的线路、设备、建

10、筑物免受雷击。p接闪器的接闪器的实质实质是引雷是引雷 2022-3-2818.EXIT接闪器防护范围的确定接闪器防护范围的确定 接闪器（避雷针、接闪器（避雷针、避雷线、避雷带、避雷避雷线、避雷带、避雷网）的防护范围一般用网）的防护范围一般用滚球法明确定，不同的滚球法明确定，不同的防雷等级所用球的半径防雷等级所用球的半径不同不同2022-3-2819.EXIT 避雷针避雷针 避雷针是防止直击避雷针是防止直击雷的有效措施。一定雷的有效措施。一定高度的避雷针（线）高度的避雷针（线）下面，有一个安全区下面，有一个安全区域，此区域内的物体域，此区域内的物体基本上不受雷击。我基本上不受雷击。我们把这个安全

11、区域叫们把这个安全区域叫做做避雷针的保护范围避雷针的保护范围。 2022-3-2820.EXITp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。n“滚球法滚球法”，就是选择一个半径为，就是选择一个半径为hr（滚球半（滚球半径），沿需要防护直击雷的部分滚动，如果球体径），沿需要防护直击雷的部分滚动，如果球体只触及接闪器或接闪器和地面，而不触及需要保只触及接闪器或接闪器和地面，而不触及需要保护的部位时，则该部位就在这个接闪器的保护范护的部位时，则该部位就在这个接闪器的保护范围之内。围之内。n滚球半径是按建筑物防雷类别确定的，见下表。滚球半径是按建筑物防雷类别确定的，见下表。

12、2022-3-2821.EXIT 表表1-2 各类防雷建筑物的滚球半径和避雷网格尺寸各类防雷建筑物的滚球半径和避雷网格尺寸建筑物防雷类别滚球半径hr（m）避雷网格尺寸（m）第一类防雷建筑物3055或64第二类防雷建筑物451010或128第三类防雷建筑物602020或24162022-3-2822.EXITp单支避雷针的保护范围单支避雷针的保护范围 图图7-3 单支避雷针的保护范围单支避雷针的保护范围 2022-3-2823.EXITp当避雷针高度当避雷针高度hhr时时na. 距地面距地面hr 处作一平行于地面的平行线；处作一平行于地面的平行线；nb. 以避雷针的针尖为圆心、以避雷针的针尖为圆

13、心、 hr为半径，作弧线为半径，作弧线交平行线于交平行线于A、B两点；两点；nc. 以以A、B为圆心，为圆心， hr为半径作弧线，该弧线与为半径作弧线，该弧线与针尖相交，并与地面相切。针尖相交，并与地面相切。由此弧线起到地面由此弧线起到地面为止的整个锥形空间就是避雷针的保护范为止的整个锥形空间就是避雷针的保护范围。围。 2022-3-2824.EXITn避雷针在被保护物高度避雷针在被保护物高度hx的的xx平面上的保护平面上的保护半径半径rx )2()2(xrxrxhhhhhhrp当避雷针高度当避雷针高度hhr时时n在避雷针上取高度在避雷针上取高度hr的一点代替避雷针的的一点代替避雷针的针尖作为

14、圆心。余下作法与避雷针高度针尖作为圆心。余下作法与避雷针高度hhr相同。相同。2022-3-2825.EXITp避雷线避雷线n避雷线是用来保护架空电力线路和露天配电装避雷线是用来保护架空电力线路和露天配电装置免受直击雷的装置。它由悬挂在空中的置免受直击雷的装置。它由悬挂在空中的接地接地导线导线、接地引下线接地引下线和和接地体接地体等组成，因而也称等组成，因而也称“架空地线架空地线”。它的作用和避雷针一样，将雷。它的作用和避雷针一样，将雷电引向自身，并安全导入大地，使其保护范围电引向自身，并安全导入大地，使其保护范围内的导线或设备免遭直击雷。内的导线或设备免遭直击雷。 2022-3-2826.E

15、XIT 避雷带和避雷网避雷带和避雷网 避雷带和避雷网用于在建筑物的边缘及凸出部分避雷带和避雷网用于在建筑物的边缘及凸出部分上加装，通过引下线和接地装置很好地连接。对上加装，通过引下线和接地装置很好地连接。对建筑物进行保护。建筑物进行保护。2022-3-2827.EXIT 避雷针（线）的接地装置避雷针（线）的接地装置 v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，接地电阻不宜超过10 ；v35kV及以下变配电所的避雷针应单独装设支架，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避雷针与被保护设备之间的空气距离不小于5m；v独立避雷针应有自己专用的接地装

16、置，接地装置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与变配电所接地网间的地中距离不应小于3m；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3m。 2022-3-2828.EXIT 避雷器是用来防止避雷器是用来防止线路的感应雷及沿线路线路的感应雷及沿线路侵入的过电压波对变电侵入的过电压波对变电所内的电气设备造成的所内的电气设备造成的损害。它一般接于各段损害。它一般接于各段母线与架空线的进出口母线与架空线的进出口处，装在被保护设备的处，装在被保护设备的电源侧，与被保护设备电源侧，与被保护设备并联。并联。 p感应雷和入侵雷防

17、护感应雷和入侵雷防护 图图 避雷器的连接避雷器的连接 2022-3-2829. 避雷器避雷器EXIT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2022-3-2830.EXIT 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金属氧化物避雷器又称压敏避雷器压敏避雷器。它是一种没有火花。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，能迅速的

18、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，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。 2022-3-2831.EXIT 保护间隙保护间隙p 与被保护物绝缘并联的空气火花间隙叫与被保护物绝缘并联的空气火花间隙叫保护保护间隙间隙（又叫空气间隙）。（又叫空气间隙）。p 按结构形式可分为按结构形式可分为棒形棒形、球形球形和和角形角形三种。三种。n 目前目前335kV线路广泛应用的是角形间隙。线路广

19、泛应用的是角形间隙。n 角形间隙由两根角形间隙由两根1012mm的镀锌圆钢弯的镀锌圆钢弯成羊角形电极并固定在瓷瓶上，见图成羊角形电极并固定在瓷瓶上，见图a。2022-3-2832.EXIT作用？作用？2022-3-2833.EXITp工作原理：工作原理：n 正常情况下，间隙对地是绝缘的。当线路遭到雷正常情况下，间隙对地是绝缘的。当线路遭到雷击时，就会在线路上产生一个正常绝缘所不能承击时，就会在线路上产生一个正常绝缘所不能承受的高电压，使角形间隙被击穿，将大量雷电流受的高电压，使角形间隙被击穿，将大量雷电流泄入大地。角形间隙击穿时会产生电弧，因空气泄入大地。角形间隙击穿时会产生电弧，因空气受热上

20、升，电弧转移到间隙上方，拉长而熄灭，受热上升，电弧转移到间隙上方，拉长而熄灭，使线路绝缘子或其他电气设备的绝缘不致发生闪使线路绝缘子或其他电气设备的绝缘不致发生闪络，从而起到保护作用。络，从而起到保护作用。2022-3-2834.EXITn 因主间隙暴露在空气中，容易被外物（如鸟、鼠、因主间隙暴露在空气中，容易被外物（如鸟、鼠、 虫、树枝）短接，所以对本身没有辅助间隙的保虫、树枝）短接，所以对本身没有辅助间隙的保护间隙，一般在其接地引线中串联一个辅助间隙，护间隙，一般在其接地引线中串联一个辅助间隙，这样，即使主间隙被外物短接，也不致造成接地这样，即使主间隙被外物短接，也不致造成接地或短路，见上

21、图或短路，见上图b。2022-3-2835.EXITp防雷措施防雷措施 （1）架空线的防雷措施）架空线的防雷措施 装设避雷线装设避雷线q在在60kV及以上的架空线路上及以上的架空线路上全线全线装设；装设；q35kV的架空线路上，一般只在的架空线路上，一般只在进出变配电所的进出变配电所的一段线路上一段线路上装设；装设；q而而10kV及以下线路上及以下线路上一般不装设一般不装设避雷线。避雷线。 2022-3-2836.p三、牵引供电系统设备的防雷三、牵引供电系统设备的防雷EXITp接触网无避雷线，不接触网无避雷线，不能有效防止直击雷。能有效防止直击雷。p当雷击发生在接触网当雷击发生在接触网附近时，

22、会在接触网上附近时，会在接触网上产生感应电流。产生感应电流。p直击雷电流和感应雷直击雷电流和感应雷电流沿接触网向两侧传电流沿接触网向两侧传播通过避雷器与接地极播通过避雷器与接地极放电，当雷电流传到变放电，当雷电流传到变电所时就有可能引发跳电所时就有可能引发跳闸闸p接触网防雷的特点接触网防雷的特点:接触网的防雷接触网的防雷2022-3-2837.EXIT接触网防雷的特点接触网防雷的特点: :p铁路隧道内接触网对铁路隧道内接触网对地的空气间隙太小，地的空气间隙太小，规 范 规 定 困 难 值 为规 范 规 定 困 难 值 为240mm，耐雷水平仅，耐雷水平仅11kA，当直击雷电流，当直击雷电流或感

23、应雷电流从接触或感应雷电流从接触网流过时。有可能击网流过时。有可能击穿空气间隙，造成接穿空气间隙，造成接地短路，引发跳闸。地短路，引发跳闸。2022-3-2838.EXITp接触网支柱是利用回流线作闪络保护地线的集中接接触网支柱是利用回流线作闪络保护地线的集中接地，支柱基础上的螺栓可起到一定的接地作用，但地，支柱基础上的螺栓可起到一定的接地作用，但普遍接地电阻较大。普遍接地电阻较大。p接触网防雷技术可以参考输电线路的防雷措施，但接触网防雷技术可以参考输电线路的防雷措施，但从客观环境看，接触网防雷较为复杂一些。从客观环境看，接触网防雷较为复杂一些。2022-3-2839.EXIT日本接触网防雷日

24、本接触网防雷2022-3-2840.EXITpS状hornp每间隔每间隔200200m m加一个带放电角的绝缘子来分加一个带放电角的绝缘子来分段段p在架空地线分段区间的中间进行接地。接地阻抗30以下2022-3-2841.EXITpAT供电线p接触导线p钢轨pAT保护线p中性线p避雷器p放电开始电压42kVp放电器p放电开始电压：5kVp接 地 阻抗10以下2022-3-2842.EXIT国内接触网防雷现状 在在TB10009-98铁路电气牵引供电设计规范铁路电气牵引供电设计规范中规定：中规定：1、吸流变压器的原边应设避雷装置。、吸流变压器的原边应设避雷装置。2、重雷区及超重雷区，下列重点位置

25、应设避雷装置。、重雷区及超重雷区，下列重点位置应设避雷装置。 1）分相和站场端部的绝缘关节；）分相和站场端部的绝缘关节； 2）长度）长度2000m及以上隧道的两端；及以上隧道的两端； 3）供电线或）供电线或AF线连接到接触网上的连接处。线连接到接触网上的连接处。 通过规范可以看出，我国电气化铁路接触网防雷工通过规范可以看出，我国电气化铁路接触网防雷工程设计中，除了通过绝缘子自恢复绝缘外，还在接触网程设计中，除了通过绝缘子自恢复绝缘外，还在接触网系统相关位置设置了避雷器以达到防雷的目的。系统相关位置设置了避雷器以达到防雷的目的。 2022-3-2843.EXITp1 1避雷器避雷器p2 2回流线

26、回流线p3 3承力索承力索p4 4接触网导线接触网导线p接触网示意图接触网安装的避雷器接触网安装的避雷器2022-3-2844.EXIT在接触网上安装避雷器的优点在接触网上安装避雷器的优点 :p 避雷器的体积小、重量轻，安装在现有接触网上不会避雷器的体积小、重量轻，安装在现有接触网上不会明显增加支柱的机械负荷。明显增加支柱的机械负荷。p 避雷器的结构紧凑、安装方式简单，便于现场安装和避雷器的结构紧凑、安装方式简单，便于现场安装和更换。更换。p 避雷器的保护水平与接触网的绝缘水平配合良好，特避雷器的保护水平与接触网的绝缘水平配合良好，特别是带间隙避雷器的别是带间隙避雷器的 50冲击放电电压与接触

27、网绝缘冲击放电电压与接触网绝缘子的放电特性一致，且正、负极性的分散性要小。子的放电特性一致，且正、负极性的分散性要小。2022-3-2845.EXIT两种主要的避雷器两种主要的避雷器用于接触网线路的避雷用于接触网线路的避雷器主要有两种，一种是器主要有两种，一种是火花间隙形避雷器，另火花间隙形避雷器，另一种是氧化锌避雷器一种是氧化锌避雷器2022-3-2846.EXITp曲线曲线1 1为支柱接地，曲线为支柱接地，曲线2 2为支柱不接地为支柱不接地p支柱落雷时电位分布曲线支柱落雷时电位分布曲线支柱接地布置对架空线电位影响支柱接地布置对架空线电位影响2022-3-2847.EXIT接地间距对耐雷水平

28、的影响接地间距对耐雷水平的影响接地电阻对耐雷水平的影响接地电阻对耐雷水平的影响p接地电阻与耐雷水平的关接地电阻与耐雷水平的关系系p接地间距与耐雷水平的接地间距与耐雷水平的关系关系2022-3-2848.EXIT（2）架空线的其它防雷措施）架空线的其它防雷措施 q 提高线路本身的绝缘水平提高线路本身的绝缘水平。可以采用高一级电压的。可以采用高一级电压的绝缘子，以提高线路的防雷水平。绝缘子，以提高线路的防雷水平。q尽量装设自动重合闸装置尽量装设自动重合闸装置。线路发生雷击闪络之所以。线路发生雷击闪络之所以跳闸，是因为闪络造成了稳定的电弧而形成短路。当跳闸，是因为闪络造成了稳定的电弧而形成短路。当线

29、路断开后，电弧即行熄灭，而把线路再接通时，一线路断开后，电弧即行熄灭，而把线路再接通时，一般电弧不会重燃，因此重合闸能缩短停电时间。般电弧不会重燃，因此重合闸能缩短停电时间。q装设避雷器和保护间隙装设避雷器和保护间隙用来保护线路上个别绝缘薄弱用来保护线路上个别绝缘薄弱地点。地点。2022-3-2849.EXIT（3）变配电所的防雷措施）变配电所的防雷措施 装设避雷针来防止直击雷。装设避雷针来防止直击雷。 310kV配电线路的进线防雷保护，可以在每路进线终端，配电线路的进线防雷保护，可以在每路进线终端，装设装设FZ型或型或FS型阀型避雷器，以保护线路断路器及隔离开关。型阀型避雷器，以保护线路断路器及隔离开关。如果进线是电缆引入的架空线路，则在架空线路终端靠近电缆如果进线是电缆引入的架空线路，则在架空线路终端靠近电缆头处装设避雷器，其接地端与电缆头外壳相连后接地。头处装设避雷器，其接地端与电缆头外壳相连后接地。 图图7.8 310kV配电线路的进线防雷保护配电线路的进线防雷保护2022-3-2850.EXIT 为防止雷电冲击波沿高压线路侵入变电所，对所内设备造为防止雷电冲击波沿高压线路侵入变电所，对所内设备造成危害，特别是价值最高但绝缘相对薄弱的电力变压器，成危害，特别是价值最高但绝缘相对薄弱的