第8章 电气设备的防雷及接地

第8章电气设备的防雷与接地内容提要

供配电系统进行正常运行，首先必须要保证其安全性，防雷和接地是电气安全的主要措施。故掌握电气安全、防雷和接地的设计方法非常重要。

电气安全

电气设备的防雷电气设备的接地8.1电气安全一、电气安全的含义和重要性电气安全包括人身安全和设备安全两个方面。

电气设备设计不合理、安装不妥当、使用不正确、维修不及时，尤其是电气人员缺乏必要的安全知识与安全技能，麻痹大意，就可能引发各类事故，如触电伤亡、设备损坏、停电、甚至引起火灾或爆炸等严重后果。

“安全第一，预防为主”的方针二、电气安全措施⒈建立完整的安全管理机构⒉健全各项安全规程，并严格执行⒊严格遵循设计、安装规范⒋加强运行维护和检修试验工作⒌按规定正确使用电气安全用具⒍采用安全电压和符合安全要求的电器⒎普及安全用电知识三、电气防火和防爆⒈防火防爆的措施⑴选择适当的电气设备及保护装置，应根据具体环境、危险场所的区域等级选用相应的防爆电气设备和配线方式，所选用的防爆电气设备的级别应不低于该爆炸场所内爆炸性混合物的级别。⑵保持必要的防火间距及良好的通风。⒉电气火灾的特点⑴着火的电气设备可能是带电的，如不注意可能引起触电事故。⑵有些电气设备（如油浸式变压器、油断路器）本身充有大量的油，可能发生喷油甚至爆炸事故，扩大火灾范围。⒊电气失火的处理⑴选择适当的灭火器。⑵小范围带电灭火，可使用干砂覆盖。⑶专业灭火人员用水枪灭火时，宜采用喷雾水枪。四、触电及防护⒈触电的概念及其危害人体不同部位接触不同电位则有电流流过为触电。分为“电击”与“电伤”两类。“电击”:电流流过人体内部破坏心脏、呼吸与神经系统，重则危及生命。“电伤”：电流的热效应、化学效应或机械效应对人体造成的伤害，可伤内部及骨骼，在人体体表留下电流印、电纹等触电伤痕。

四、触电及防护⒈触电的概念及其危害影响电流对人体的触电危害程度的因素：（1）触电时间：（2）电流的大小：工频50HZ下的感知电流(1.1/0.7mA)，摆脱电流(9/6mA)和致命电流(50mA)（3）电流性质：25HZ～300HZ交流电＞直流电＞1千HZ以上高频电流（4）通电途径：左手－胸＞手－手手－脚＞脚－脚（5）人体情况：体重，敏感性四、触电及防护⒉安全电流与安全电压⑴安全电流即人体允许电流：我国按照50HZ交流电，触电时间不超过1秒时的人体允许电流，一般为30mA·S

⑵安全电压：干燥无粉尘的环境：65V潮湿有粉尘的环境：36V有蒸汽、游离物等极危险环境：12V

8.2电气设备的防雷电力系统中，雷击是主要的自然灾害。雷电可能损坏设备或设施造成大规模停电，也可能引起火灾或爆炸事故危及人生安全，因此必须对电力设备、建筑物等采取一定的防雷措施。

在供电系统中，过电压有两种：内部过电压和大气过电压。内部过电压是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，运行经验证明，内部过电压对电力线路和电气设备绝缘的威胁不是很大。雷电引起的过电压，叫做大气过电压。这种过电压危害相当大，应特别加以防护。

雷电的形成（直击雷）

雷电是带电荷的雷云间或雷云对大地（或物体）之间产生急剧放电的一种自然现象。大气过电压的根本原因，是雷云放电引起的。大气中的饱和水蒸汽在上、下气流的强烈摩擦和碰撞下，形成带正、负不同电荷的雷云。当带电的云块临近大地时，雷云与大地间形成一个大电场。由于静电感应，大地感应出与雷云极性相反的电荷。当电场强度达到25～30kV/cm时，周围空气绝缘击穿，云层对大地发生先导放电。当先导放电的通路到达大地时，大地电荷与雷云电荷中和，出现极大电流，即主放电阶段，其时间极短，电流极大，是全部雷电流的主要部分。之后，雷云中的剩余电荷继续沿着主放电通道向大地放电，形成断续的隆隆雷声，这是余辉放电阶段（俄国辛普逊理论）图

雷云对大地放电（直击雷）示意图a)负雷云出现在大地建筑物上方时b)负雷云对建筑物顶部尖端放电时雷电的形成（感应雷/感应过电压）架空线路在其附近出现对地雷击时，极易产生感应过电压。当雷云出现在架空线路上方时，线路上由于静电感应而积聚大量异性的束缚电荷，如下图a所示。当雷云对地放电或与其他异性雷云中和放电后，线路上的束缚电荷被释放而形成自由电荷，向线路两端泄放，形成很高的感应过电压，如下图b所示，这就是“感应雷”。高压线路上的感应过电压，可高达几十万伏，低压线路上的感应过电压也可达几万伏，对供电系统的危害都很大。图

架空线路上的感应过电压

a)雷云在线路上方时b)雷云对地或对其他雷云放电后雷电的形成（感应雷/感应过电压）当强大的雷电流沿着导体如接地引下线泄放入地时，由于雷电流具有很大的幅值和陡度，因此在它周围产生强大的电磁场。如果附近有一开口的金属环，如图8-3所示，则其电磁场将在该金属环的开口（间隙）处感生相当大的电动势而产生火花放电。这对存放有易燃易爆物品的建筑物是十分危险的。为了防止雷电的电磁感应引起的危险过电压，应该用跨接导体或用焊接将开口金属环（包括包装箱上的铁皮箍）连成闭合回路后接地。图

开口金属环上的电磁感应过电压

雷点流分布与活动强度雷电流是一种雷电流，有波头和波尾组成。用雷电日(雷暴日)来表征雷电活动强度：少雷区、多雷区

雷电选择性的原因：（1）地理条件如：山岳地区（2）地质结构如：土壤电阻率低

（3）边界效应如：山坡与稻田接壤处（4）地面设施如：大树下建筑物雷击区大气过电压的基本形式直接雷击或直击雷：雷电直接对建筑物或其它物体放电，其过电压引起强大的雷电流通过物体，产生破坏性很大的热效应和机械效应。它还会产生高电位反击和雷击点的电位梯度造成人畜跨步电压和接触电压危害，还会造成击毁杆塔和建筑物，烧断导线，烧毁设备，引起火灾。感应过电压或感应雷（雷电的二次作用）：雷电的静电感应或电磁感应所引起的过电压。会造成击穿电气绝缘，甚至引起火灾，对弱电设备如电脑等的危害最大。大气过电压的基本形式雷电过电压的种类(1)直击雷过电压(2)感应雷过电压(3)雷电侵入波(4)球雷防护（1）直击雷的防护：避雷装置如避雷针，避雷线等。（2）感应雷的防护：采用屏蔽措施和金属体良好接地。（3）雷电波的防护：架空线进线处采用电缆线；线路末端采用电容器吸收雷电波；采用避雷器泄流。（4）球雷：不遵循尖端放电原理，雷电走线无规则，无直接防护措施，可采用在烟囱门窗上加设金属铁丝网。防雷装置（1）避雷装置：（避雷针、避雷线、避雷带或网）*避雷针的作用实质上是引雷作用，是将雷电引到自己身上来，避免了在它所保护范围其它物体遭受雷击。*避雷线主要用来保护架空线路。*避雷带和避雷网主要用来保护高层建筑物免遭直击雷和感应雷。（2）避雷器避雷器(总称：防雷器，同类设备如浪涌保护器SPD)用来防止雷电产生过电压波沿线路侵入变电所或其它设备内，从而使被保护设备的绝缘免受过电压的破坏。

避雷针一般采用针长为1～2m、直径不小于16mm的镀锌圆钢或采用针长为1～2m、内径不小于25mm的镀锌钢管制成。它通常安装在电杆或构架、建筑物上。

避雷线一般采用截面不小于35mm2的镀锌钢绞线，架设在架空线的上面，以保护架空线或其它物体免遭直击雷。

防雷装置

避雷带和避雷网宜采用圆钢和扁钢，优先采用圆钢。圆钢直径应不小于8mm，扁钢截面应不小于48mm2，其厚度应不小于4mm。

避雷器一般接于导线与地之间，与被保护设备并联，装在被保护设备的电源侧。避雷针由接闪器、引下线、接地体三部分组成：

接闪器：避雷针的最高部分，专用来接受雷云放电，称为“受雷尖端”。接地引下线：它是接闪器与接地体之间的连接线，它将接闪器上的雷电流安全地引入接地体，使之尽快地泄入大地。引下线一般采用镀锌圆钢或镀锌钢绞线。接地体：是避雷针的地下部分，其作用是将雷电流直接泄入大地。接地体埋设深度不应小于0.6m，垂直接地体的长度不应小于2.5m，垂直接地体之间的距离一般不小于5m。接地体一般采用镀锌圆钢。

避雷针保护范围避雷针保护范围的大小与其高度有关，采用“滚球法”来确定保护范围。以单支避雷针的保护范围计算为例。单支避雷针的保护范围按下列方法确定（见下图）：（1）当避雷针高度h≤hr（滚球半径）时距地面hr处作一平行于地面的平行线；b.以避雷针的针尖为圆心、hr为半径，作弧线交平行线于A、B两点；c.以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交，并与地面相切。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围。避雷针在被保护物高度hx的xx′平面上的保护半径rx按下式计算：

式中，hr为滚球半径，由表9-2各类防雷建筑物的滚球半径确定（书P255）。

（2）当避雷针高度h>hr时：在避雷针上取高度hr的一点代替避雷针的针尖作为圆心。余下作法与避雷针高度h≤hr相同，则半径rx公式计算中h取为hr。例9-1某厂锅炉房烟囱高40m，烟囱上安装一支高2m的避雷针，锅炉房（属第三类防雷建筑物）尺寸如图，试问此避雷针能否保护锅炉房。解查表9-2得滚球半径hr=60m，而避雷针顶端高度h=40+2=42m，hx=8m，根据公式得避雷针保护半径为：现锅炉房在hx=8m高度上最远屋角距离避雷针的水平距离为：由此可见，烟囱上的避雷针能保护锅炉房。架空线的防雷措施

架设避雷线是防雷的有效措施，但造价高，只在66kV及以上架空线上才装设。35kV架空线一般只在进出变电所的一段线路上装设。而10kV及以下线路上一般不装设避雷线。提高线路本身的绝缘水平。可以采用高一级电压的绝缘子，以提高线路的防雷水平。尽量装设自动重合闸装置。线路发生雷击闪络造成了稳定的电弧，形成短路跳闸。当线路断开后，电弧熄灭，把线路再接通时，一般电弧不会重燃，因此重合闸后，线路恢复正常状态，能缩短停电时间。装设避雷器和保护间隙。用于保护线路上个别绝缘薄弱地点，包括特别高的杆塔，带拉线的杆塔、跨越杆塔、分支杆塔、转角杆塔以及木杆线路中的金属杆塔等处。

架空线的防雷措施利用三角形排列的顶线兼作防雷保护线中性点不接地系统的3～10kV架空线路，可在其三角形排列的顶线绝缘子上装设保护间隙，如图所示。出现雷电过电压时，顶线绝缘子上的保护间隙被击穿，通过接地引下线对地泄放雷电流，从而保护了下边两根导线。由于线路为中性点不接地系统，一般不会引起线路断路器跳闸。

图

顶线绝缘子附加保护间隙1-绝缘子2-架空导线3-保护间隙4-接地引下线5-电杆架空线的防雷措施对于低压（380/220V）架空线路的保护：在多类雷地区，当变压器采用Y，yn0或Y：yn0(中性点接地)，宜在低压侧装设阀式避雷器或保护间隙。当变压器低压侧中性点不接地时，应在其中性点装设击穿保险器。对于重要用户，宜在低压线路进入室内前50m处安装低压避雷器，进入室内后再装低压避雷器。对于一般用户，可在低压进线第一支持物处装设低压避雷器或击穿保险器。

变配电所的防雷措施装设避雷针：装设避雷针来防止直接雷。装设避雷线：峡谷地区变配电所用避雷线防护直击雷。35kV及以上变配电所架空进线上，架设1～2km的避雷线，以消除一段进线上的雷击闪络，避免雷电波侵入危害。装设避雷器：主要用来保护主变压器，以免雷电冲击波沿高压线路侵入变电所。

3~10kV变压器的防雷保护

3~10kV配电装置防止雷电波侵入的保护接线

高压电动机的防雷措施

高压电动机的定子绕组采用固体介质绝缘，冲击只有相同电压等级的油浸式电力变压器的1/3；长期运行时介质受潮、腐蚀和老化，进一步降低耐压水平。因此其对雷电波侵入的防护，不能采用普通阀式避雷器而应采用FCD型磁吹阀式避雷器（专用于保护旋转电机）（F1）或氧化锌避雷器（F2）。

建筑物的防雷措施根据发生雷电事故的可能性和后果，建筑物分成三类：

第一、二类建筑物是制造、使用或储存爆炸物质，因电火花而会（或不宜）引起爆炸，造成（或不致造成）巨大破坏和人身伤亡；以及在正常情况下（或在不正常情况下）能（或才能）形成爆炸性混合物，因火花而引起爆炸的建筑物。第三类建筑物是除第一、二类建筑物以外的爆炸、火灾危险的场所，按雷击的可能性及其对国民经济的影响，确定需要防雷的建筑物。如年预计雷击次数N≥0.06的一般工业建筑物，或年预计雷击次数0.3≥N≥0.06的一般性民用建筑物，并结合当地的雷击情况，确定需要防雷的建筑物。历史上雷害事故较多地区的较重要的建筑物。15～20m以上的孤立的高耸的建筑物(如烟囱、水塔)。

建筑物的防雷措施

对第一类防雷建筑物和第二类防雷建筑物中有爆炸危险的场所，应有防直击雷、防雷电感应和防雷电波侵入的措施，指定专人看护，发现问题及时处理，并定期检查防雷装置。第二类防雷建筑物除有爆炸危险者外及第三类防雷建筑物，应有防直击雷和防雷波侵入的措施。对建筑物屋顶的易受雷击的部位，应装设避雷针或避雷带（网）进行直击雷防护。屋顶上装设的避雷带、网，一般应经2根引下线与接地装置相连。为防直击雷或感应雷沿低压架空线侵入建筑物，使人和设备免遭损失，一般应将入户处或进户线电杆的绝缘子铁脚接地，其接地电阻应不大于30欧姆，入户处的接地应和电气设备保护接地装置相连。8.3保护接地和保护接零1.接地和接地装置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。接地装置是由接地体和接地线两部分组成：（1）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。专门为接地而人为装设的接地体，称为人工接地体。兼作接地体用的直接与大地接触的各种金属构件、建筑物的基础等，称为自然接地体。（2）接地体与电气设备的金属外壳之间的连接线，称为接地线。接地线在设备正常运行时是不载流的，但在故障情况下通过接地故障电流。接地线又分为接地干线和接地支线。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。1、接地体；2、接地干线；3、接地支线；4、设备接地的基本概念2.接地电流和对地电压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，这一电流，称为接地电流。试验表明，在距单根接地体或接地故障点20米左右的地方，实际上散流电阻已趋近于零，这电位为零的地方，称为电气上的“地”或“大地”。电气设备的接地部分与零电位的“地”（大地）之间的电位差，就称为接地部分的对地电压。接地的基本概念3.接触电压和跨步电压(见下图)

接触电压是指设备绝缘损坏时，在身体同时触及的两部分间出现的电位差。如人站在发生接地故障的设备旁，手触及设备金属外壳，则人手与脚之间的电位差，即为接触电压。

跨步电压是指在故障点附近行走，两脚间出现的电位差。在带电的断线落地点附近及防雷装置泄放雷电流的接地体附近行走时，同样也有跨步电压。

跨步电压的大小与距接地点的远近有关，距离短路接地点愈远，跨步电压愈小，距离20米以外时，则跨步电压近似等于零。因此在敷设变配电所的接地装置时，应尽量使接地网做到电位分布均匀，以降低接触电压和跨步电压。跨步电压和接触电压示意图接地的种类：工作接地，安全接地，故障接地1）工作接地工作接地是为保证电力系统和电气设备达到正常工作要求而进行的一种接地，例如电源中性点的接地等。各种工作接地有各自的功能。例如电源中性点直接接地，能在运行中维持三相系统中相线对地电压不变，而电源中性点经消弧线圈接地，能在单相接地时消除接地点的断续电弧，防止系统出现过电压。

接地的种类安全接地：包括保护接地、重复接地和防雷接地2）保护接地由于绝缘的损坏，在正常情况下不带电的电力设备外壳有可能带电，为了保障人身安全，将电力设备正常情况不带电的外壳与接地体之间作良好的金属连接，称为保护接地保护接地一般应用在高压系统中，在中性点直接接地的低压系统中有时也有应用。保护接地可分为三种不同类型：IT系统和TT系统（保护接地）TN系统（保护接零）IT系统（保护接地方式）

小电流接地系统的保护接地方式，电气设备的不带电金属部分直接经接地体接地。当电气设备因故障金属外壳带电时，接地电容电流分别经接地体和人体两条支路通过，只要接地装置的接地电阻在一定范围内，就会使流经人体的电流被限制在安全范围。

TN系统（保护接零方式）TN-C系统：中性线N与保护线PE合一，电气设备不带电金属部分与之相连，适用于三相负荷比较平衡且单相负荷不大的场所，在工厂低压设备接地保护中使用相当普遍。TN-S系统：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，适用于环境条件较差、安全可靠要求较高以及设备对电磁干扰要求较严的场所。TN-C-S系统：两者综合，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TT系统

大电流接地系统的保护接地。配电系统的中性线N引出，但电气设备的不带电金属部分经各自的接地装置直接接地，与系统接线不发生关系。发生绝缘损坏故障时，故障电流较大，对小容量设备，可使其熔丝熔断或自动开关跳闸切断电源；但对大容量设备无法确保切断电源，无法保障人身安全，可通过加装漏电保护开关弥补。3）重复接地

在中性点直接接地的低压电力网中采用接零时，将零线上的一点或多点再次与大地作金属性连接，称为重复接地。

作用：系统发生碰壳短路时，可降低零线对地电压，当零线断裂或零线与相线交叉连接时，可减轻触电危险。在中性点直接接地的低压电力网中采用接零时，必须实行重复接地。对实行重复接地的要求如下：在低压架空线末端及沿线每1km处；当高低压线路共杆架设时，在共杆架设段的两端终端杆上，低压线路的零线要接地；没有专用线芯作零线，或利用电缆金属外皮作零线的低压电缆线路；电缆和架空线在引入车间或大型建筑物处。

接地的种类零线断裂时重复接地作用保护接地和保护接零中注意的问题（1）同一中性点接地系统中，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分将带上危险的电压。（2）中性点不接地系统中，凡有电联系的设备的保护接地装置应连为一体。因为设备发生双碰壳时，将使所有设备外壳上出现危险的对地电压。（3）在零线上不允许安装熔断器和开关，以防零线断线，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，以保证接零保护的可靠性。（4）不能把保护接地装置引下线作为单相设备的中性线。（5）不能把中性线又作为保护零线，安全性差。接地装置的装设1）自然接地体的利用

装设接地装置时，首先利用自然接地体，以节约投资。可作为自然接地体的有：与大地有可靠连接的建筑物的刚结构