第9章 过电压及接地

第九章过电压及接地第一节概述第二节雷击的防护(重点/难点）

第三节电气设备接地（重点）第四节

接地电阻及其测量

第一节概述一、过电压保护及接地的意义（一）过电压及其分类电气线路上或电气设备上出现的超过正常工作要求的电压。1.大气（外部或雷电）过电压

由于大气中雷云放电，雷云直接对设备及供配电系统放电或雷电感应而引起的过电压。

直击雷过电压：雷电对建筑物或电器设备直接放电

感应雷过电压：当雷云出现在架空线路上方时，由于静电感应形成

雷电侵入波过电压：由于线路、金属管道等遭受直接雷击或感应雷而产生的高电位雷电波，沿线路、金属管道侵入变电所或建筑物而造成危害。

雷击电磁脉冲：雷电直接击在建筑物防雷装置和建筑物附近引起的效应。是干扰源，被击中后装置的电位升高以及电磁辐射干扰。干扰脉冲是能量脉冲，可以以过电压形式，也可以以过电流或电磁辐射形式出现，称为“电涌（surge)或“浪涌”，对电气设备的绝缘威胁不大，对用电设备中的信息系统设备的正常工作影响甚大。2.内部过电压

由于系统的操作、故障和某些不正常运行状态，使供配电系统电磁能量发生转换而产生的过电压。

操作过电压：由于操作（分合闸）而引起的

谐振过电压：产生于系统中电感与电容组合构成的振荡回路。

工频电压升高：指因为系统发生故障、不正常运行状态或参数失配造成的异常电压上升。

内部过电压的幅值与电网的额定电压呈正比，为2.5~4倍，在高压和超高压系统中严重。（二）接地和接地装置1.接地的概念

接地：电气设备的某部分用金属与大地作良好的电气连接。

接地装置：接地体和接地线。接地体（极）：埋入地中并直接与大地接触的金属导体。自然接地体－－兼作接地用的直接与大地接触的各种金属构件、金属井管、钢筋混凝土建筑物的基础、金属管道和设备等；利用自然接地体时，一定要保证良好的电气连接，在建构筑物的结合处，除已焊接者外，凡用螺栓连接或其它连接的，都应采用跨接焊接，而且跨接线不得小于规定值。人工接地体－－为了接地埋入地中的圆钢、角钢等接地体。人工接地体的埋设，应注意不要埋设在垃圾、炉渣和有强烈腐蚀性土壤处，遇有这些情况应进行换土。

接地线：连接设备接地部分与接地体的金属导线

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2.接地装置的散流场接地电流

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。

在距单根接地体或接地故障点20m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”

对地电压电气设备接地部分与零电位的“大气”之间的电位差。

接地电阻

电气设备的接地装置的对地电压与接地电流之比。接地电阻与接地体的尺寸、形状、埋深以及土壤的性质有关。离接地体越远，土壤导电面积越大，电阻就越小，流过人体的电流越小，使人体避免触电的危险。1.雷云放电过程二、大气过电压

不同电荷云团之间，或云与大地之间产生强烈的放电现象，并伴随强烈的闪光和轰鸣，这就是雷电现象。由雷电产生的雷电压幅值可高达上亿伏，雷电流幅值可高达几十万安培。2.雷电的危害雷电的机械效应雷电的热效应雷电的电磁效应雷电的闪络放电3.我国雷电活动情况(1)雷暴日

指每年中有雷电活动的天数，在一天内只要听到雷声就算一个雷电日。取其统计的平均值。年平均雷暴日数(Td)则是由当地气象台（站）根据多年的气象资料统计出的雷暴日数的年平均值。(2)

雷击大地年平均密度

指每年、每平方公里的地面遭受雷击的次数雷暴日并没有区分雷云之间的放电和雷云与地的放电。实际上雷云间放电几率更大。对防雷保护的设计研究更有实际意义的，是雷云对单位面积的年平均放电次数。Td－年平均雷暴日(d/a)(3)年预计雷击次数

进行建筑防雷设计时通常采用年预计雷击次数1)建筑物年预计雷击次数N－建筑物预计雷击次数(次/a)k－校正系数，在一般情况下取1；在下列情况下取相应数值：位于旷野孤立的建筑物取2；金属屋面的砖木结构建筑物取1.7；位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物以及特别潮湿的建筑物取1.5Ng－建筑物所处地区雷击大地的年平均密度[次/(km2·a)]Ae－与建筑物截收相同雷击次数的等效面积(km2)b.当建筑物的高H≥100m时，其每边的扩大宽度应等于建筑物的高Hc.当建筑物各部位的高不同时，应沿建筑物周边逐点算出最大扩大宽度，其等效面积按每点最大扩大宽度外墙的连线所包围的面积计算。2)建筑物等效面积为其实际面积向外扩大后的面积a.当建筑物的高H小于100m时，其每边的扩大宽度和等效面积第二节雷击的防护一、防雷装置（一）防直击雷装置

由接闪器、引下线、接地体三部分组成避雷装置。

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，金属带状或网状的避雷带、避雷网等。

接闪器避雷针避雷针避雷线避雷网（带）1、避雷针避雷针的功能实质是引雷作用。

避雷针是防止直击雷的有效措施。一定高度的避雷针（线）下面，有一个安全区域，此区域内的物体基本上不受雷击。我们把这个安全区域叫做避雷针的保护范围。

避雷针的保护范围用“滚球法”来确定。当避雷针高度为h时，如h≤hr，地面上的保护半径r0为高度为hx的平面xx’上的保护半径rx为

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30≤5×5或≤6×4第二类防雷建筑物45≤10×10或≤12×8第三类防雷建筑物60≤20×20或≤24×16

避雷针一般采用针长为1～2m、直径不小于20mm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。2、避雷线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。它由悬挂在空中的接地导线、接地引下线和接地体等组成，因而也称“架空地线”。它的作用和避雷针一样，将雷电引向自身，并安全导入大地，使其保护范围内的导线或设备免遭直击雷。采用截面不小于35mm2的镀锌钢绞线。3、避雷带、避雷网

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。对建筑物进行保护。

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。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。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30≤5×5或≤6×4第二类防雷建筑物45≤10×10或≤12×8第三类防雷建筑物60≤20×20或≤24×16避雷带采用圆钢做成栏杆，美观、实用，避雷效果好。（二）防感应雷和入侵雷防护措施

避雷器

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，装在被保护设备的电源侧，与被保护设备并联。避雷器管形避雷器阀形避雷器金属氧化物避雷器

1.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。

2.管型避雷器

管型避雷器主要用于变配电所的进线保护和线路绝缘弱点的保护，保护性能较好的管型避雷器可用于保护配电变压器。1—产气管；2—胶木管；3—棒形电极；4—环形电极；5—动作指示器；s1—内间隙；s2—外间隙3.保护间隙(角式避雷器)又称角型避雷器，是一个较简单的防雷设备，它由两个金属电极构成的，其中一个电极固定在绝缘子上，而另一个电极则经绝缘子与第一个电极隔开，并使这一对空气间隙保持适当的距离。工作原理：在正常运行的情况下，间隙对地是绝缘的，而当架空电力线路遭受雷击时，间隙的空气被击穿，将雷电流泄入大地，使线路绝缘子或其它电气设备的绝缘上不致发生闪络，起到了保护作用。于室外且负荷不重要的线路上。4.

压敏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，能很好地泄放雷电流。

（一）架空线路的防雷措施二、防雷保护措施

架设避雷线，这是防雷的有效措施，造价高，只在66kV及以上的架空线线路上才全线装设。35kV的架空线路上，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。线路发生雷击闪络之所以跳闸，是因为闪络造成了稳定的电弧而形成短路。当线路断开后，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。这是用来保护线路上个别绝缘薄弱地点，包括个别特别高的杆塔，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。对于低压（380/220V）架空线路的保护一般可采取以下措施：①在多类雷地区，当变压器采用Y,y0接线时，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。②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。③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。（二）变配电所的防雷措施1、防直击雷①独立避雷针与被保护物之间应保持一定的空间距离S0，如图。②独立避雷针应装设独立的接地装置，其接地体与被保护物的接地体之间也应保持一定的地中距离SE，如图。③独立避雷针及其接地装置不应设在人员经常出入的地方。

2、进线防雷保护

35kV电力线路在变电所进线1~2km段内装设避雷线防止直接雷击。

避雷线两端处装设管形避雷器。

F1、F2－管型避雷器

F3－阀型避雷器

3~10kV配电线路可在进线终端装设FZ或FS型阀形避雷器，以保护线路断路器和隔离开关。

F1、F2－管型避雷器

F3－阀型避雷器3、配电装置防雷保护装设避雷器用来保护主变压器，以免雷电冲击波沿高压线路侵入变电所，损坏变电所的这一关键的设备。T－电力变压器F－阀型避雷器（三）建筑物的防雷措施1、建筑物的防雷等级《建筑物防雷设计规范》GB50057-1994(2000版)分三类，见教材293～294页《民用建筑电气设计规范》(JGJ/T16-92)分三类（1）第一类防雷民用建筑物

具有特别重要用途的建筑物。如国家级的会堂、办公建筑、档案馆、大型博展建筑；特大型、大型铁路旅客站；国际性的航空港、通讯枢纽；国宾馆、大型旅游建筑、国际港口客运站等。国家级文物保护的建筑物及构筑物。超高层建筑物，如40层及以上的住宅建筑、高度超过100m的其它建筑。（2）第二类防雷民用建筑物重要的或人员密集的大型建筑。如省部级办公楼；省级会堂、博展、体育、通讯、广播等建筑；以及大型商店、影剧院等。省级文物保护的建筑物及构筑物。

19层及以上的住宅建筑和高度超过50m的其它建筑。省级及以上的大型计算中心和装有重要电子设备的建筑物。（3）第三类防雷民用建筑物当年计算雷击次数大于或等于0.05时，或通过调查确认需要防雷的建筑物。建筑群中最高或位于建筑群边缘高度超过20m的建筑物。高度为15m及以上的烟囱、水塔等孤立的建筑物或构筑物。在雷电活动较弱地区（年平均雷暴日不超过15）其高度可为20m及以上。历史上雷害事故严重地区或雷害事故较多地区的较重要建筑物。2、建筑物的防雷措施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、防感应雷和防雷电波侵入的措施。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电波侵入的措施。建筑物容易遭受雷击的部位与屋顶的坡度有关①第一类民用建筑物－防直接雷和雷电波侵入的保护措施。接闪器：避雷带或避雷网10m×10m；高出屋面物体，顶部装避雷针或避雷带；突出的风管和烟囱等和屋面防雷装置连接。引下线：不应少于两根，间距不大于24m。为防止引下线上高电位对附近金属物体的反击，引下线和附近金属物之间距离Sk＞0.5Px，Px是引下线计算点到地面的长度。如果距离不够，金属物与引下线相连。建筑物为钢筋混凝土结构，利用屋面板、梁、柱、基础内的钢筋作引下线。接地装置：围绕建筑物敷设，接地电阻不大于10Ω，要求各种接地以及埋地金属管道相互连接。

②第二类民用建筑物－防直接雷与第一类不同之处：接闪器：平行避雷带的间距不大于20m引下线：间距稍大一些，24～30m。

③第三类民用建筑物当雷击次数N＞0.01时，设防直接雷措施。

与第二不同之处：引下线：间距稍大一些，30～40m。接地电阻：不大于30Ω

3、高层建筑防雷击措施在防直接雷的基础上增设防侧击雷措施1.接闪器多用避雷带和避雷网，较少用避雷针。用Φ16的圆钢作避雷带沿女儿墙、电梯机房或水池四周敷设，电视天线防雷处理

防侧击雷措施

一类防雷建筑物：

二类防雷建筑物：等电位保护三类防雷建筑物：等电位保护

2.引下线利用柱或剪力墙中的钢筋作为防雷引下线

引下线施工圆钢、扁钢或镀锌钢绞线。可用钢筋作引下线，每隔1.5m左右固定

引下线与圈梁或大梁连接。铝门窗接地问题玻璃幕墙接地3.接地装置以大厦的深基础最为接地极，基础作接地极。

共用接地电阻不大于1Ω4.防止雷电反击“雷电反击”－雷击直击雷防护装置时，雷电流经接闪器，沿引下线流入接地装置过程中，由于各部分阻抗的作用，接闪器、引下线和接地装置上将产生不同的较高对地电位，若被保护物与其间距不够时，会产生直击雷防护装置对被保护物的放电现象，称为“反击”。将建筑物内部的配电金属管道及其他一切金属管道和构件及支架均与防雷装置作等电位连接。由于等电位原理使电位均匀。

作用于全建筑物，在每一电源进线处，利用联结干线将保护线、接地线的总接线端子与建筑物内电气装置外的可导电部分连接成一体。

指在局部范围内设置的等电位联结。指在伸臂范围内的某些外露可导电部分与装置外可导电部分之间所作的等电位联结。总等电位联结（MEB）局部等电位联结（LEB）辅助等电位联结（SEB）总等电位联结示意图5.防止高电位引入

雷电波侵入造成室内高电位引入

尽量采用全电缆进线进入建筑物的架空金属管道应在入户处与接地装置相连低压直埋电缆线路或进入建筑物的金属管道，应在入口处将电缆金属外皮、电缆金属进户管等与接地装置相连接。6.基础接地极设计与施工

基础桩基－混凝土柱达几十米深的岩层大厦承台－与基础桩基连接，1m厚剪力墙及柱子第三节电气设备接地一、接地概述1、接地体；2、接地干线；3、接地支线；4、设备二、工作接地能够保证电气设备在正常和事故情况下可靠地工作而进行的接地。

电力系统中性点的接地：变压器和发电机的中性点直接接地，能起维持相线对地电压不变的作用；变压器和发电机的中性点经消弧线圈接地，能在单相碰地时消灭接地短路点的电弧，避免系统出现过电压。在380/220V低压系统多采用中性点接地系统

防雷系统的接地：可以对地泄放雷电流。三、保护接地为了保障人身安全，将电力设备正常情况不带电的金属外壳与接地体之间作良好的金属连接，称为保护接地。

保护接地可分为三种不同类型，即TN系统、IT系统和TT系统。

当某处绝缘损坏，用电设备的金属外壳带电。

IM和IE

RE：4~10Ω

RM：1000Ω左右，流经人体的电流极小，保护人身安全。

保证RE<<RM国际电工委员会（IEC）对系统接地的文字代号规定第一个字母表示低压系统的对地关系

T—中性点直接接地；

I—所有带电部分与地绝缘，或经人为中性点接地。第二个字母表示装置的外露可导电的部分对地关系

T—外露可导电部分对地直接电气连接，与低压系统的任何接地点无关；

N—外露可导电部分与低压系统的接地点直接电气连接。（交流低压系统的接地点通常是中性点）横线后面的字母(S、C或C-S)表示保护线与中性线的组合。

S—中性线与保护线分开；C—中性线与保护线合一1.

TN系统

TN系统的电源中性点直接接地，并引出有中性线（N线）、保护线（PE线）或保护中性线（PEN线），属于三相四线制或五线制系统。

(1)TN-C系统中性线（N）和保护线（PE）是合一的，称为保护中性线（PEN）线。优点：节省一条导线缺点：在三相不平衡或只有单相负荷或保护中性线断开时会使所有用电设备的金属外壳带电。应用：适用于三相平衡，单相负荷很小的企业。(2)

TN-S系统（三相五线制）

N线和PE线是严格分开的，优点：PE线在正常情况下没有电流流过，不会对接在PE线的其他设备产生电磁干扰。缺点：耗用的导电材料较多，投资较大。应用：用于对安全可靠性要求较高、设备对电磁干扰要求较严或环境条件较差的场所使用。如民用建筑、住宅小区等。(3)

TN-C-S系统一部分N线与PE线合一，一部分分开，兼有TN-C和TN-S系统的特点。应用：用于配电系统末端环境较差或对电磁抗干扰要求较严的场所。优点：所有外露可导电部分经各自的PE线分别直接接地，各自PE线间无电磁联系；属三相四线制。应用：城镇、农村、居民区。对于接地要求较高的数据处理设备和电子设备，应优先考虑。2.

TT系统

TT系统的电源中性点直接接地，电气设备外露可导电部分通过与系统接地点无关的接地体直接接地。工作原理：若设备外壳没有接地，发生单相碰壳故障时，设备外壳带电，如此时有人触摸外壳，就会有危险电流流经人体与电网和大地之间的分布电容构成的回路，而设备金属外壳保护接地后，由于人体电阻远比接地装置的接地电阻大，发生单相碰壳时，大部分接地电流被接地装置分流，流经人体的电流很小，对人体安全起到保护作用。应用：环境条件不良、易发生单相接地故障场所，易燃易爆场所3.

IT系统

IT系统的电源中性点是对地绝缘的或经高阻抗接地，而不带电外露可导电部分单独接地。四、重复接地在TN系统中，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。重复接地虽可使零线断线，并发生单相接地故障时对人的危险程度大大降低，但对人还是有危险，所以，零线一定要可靠牢固，避免零线折断的故障，不允许装设开关或熔断器。

四、重复接地在TN系统中，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。重复接地虽可使零线断线，并发生单相接地故障时对人的危险程度大大降低，但对人还是有危险，所以，零线一定要可靠牢固，避免零线折断的故障，不允许装设开关或熔断器。

五、漏电保护器及应用

装在电源变压器低压侧，对线路和电气设备进行保护；装在分支电路上，保护人体间接接触及防止漏电引起火灾；在线路末端装设额定漏电电流30mA及以下的漏电开关，对直接触碰带电导体的人进行保护。多用在家用电器的线路上。

原理漏电保护是利用漏电保护装置来防止电气事故的一种安全技术措施。漏电保护装置是一种低压安全保护电器，是对低压电网中的直接和间接触电的一种有效保护，断路器和熔断器主要是切断线路的相间故障，保护动作电流是按线路上的正常工作最大负荷电流来整定的，电流较大，而漏电保护开关是反应系统的剩余电流，正常运行时系统的剩余电流几乎为零，在发生漏电和触电时，电路产生剩余电流，这个电流对断路器和熔断器来说，根本不动作，而漏电保护开关可以可靠地动作。漏电保护开关根据动作原理，可分为电压型和电流型两大类，电流型的漏电保护开关比电压型的性能优越，目前大多数漏电保护开关都是电流型的，根据结构和动作原理分电磁式和电子式。

漏电保护器主要包括检测元件(零序电流互感器)、中间环节(包括放大器、比较器、脱扣器等)、执行元件(一般是自动开关)以及试验元件等几个部分。正常情况下，主电路各相电流的相量和为零，零序电流互感器的次级线圈没有信号输出。当有漏电或触电时，三相电流相量和不等于零，零序电流互感器的次级线圈有信号输出，使漏电保护器的脱扣线圈动作，断开主开关，切断电源。

单相回路的漏电保护与三相三线制的漏电保护器的工作原理基本相同,不同的是单相漏电保护开关穿过零序电流互感器的导线是相线和中线。电磁式漏电保护开关的特性不受电源电压影响，环境温度对特性影响也很小，耐压冲击能力强，外界磁场干扰小，并具有结构简单、进出线可倒接等优点；但耐机械冲击振动能力较差。电子式漏电保护开关作用时，检测元件零序电流互感器输出端有电流信号，在电子线路中经放大、比较，漏电流达到动作值时，可触发晶闸管导通，使脱扣器动作，开关跳闸切断电源。电子式漏电保护开关虽存在电源电压、环境温度对特性有影响，耐雷电冲击能力差，抗外磁场干扰弱，结构复杂，进出线不可倒接的缺点，但制造简单，灵敏度高，价格便宜。特别是电子技术高速发展，集成电路、集成块的广泛应用，因而得到广泛应用。漏电保护器额定漏电动作电流的选择

为了保证人身安全,额定漏电动作电流应不大于人体安全电流值,30mA

为人体安全电流值，动作时间小于0.1s。为了保证电网可靠运行,额定漏电动作电流应躲过低电压电网正常漏电电流；漏电保护开关的额定电流必须大于线路的最大工作电流；为了保证多级保护的选择性,下一级额定漏电动作电流应小于上一级额定漏电动作电流。六、电涌保护器（SPD）及选用

由雷电侵入波或雷击电磁脉冲导致各种线路上出现的过电流和过电压称为电涌。

1.电涌保护器及其特性电涌保护器是设置在建筑物的不同防雷区界面和所需的特定位置，以及电源和信号进线上用于限制瞬态雷电过电压和分流电涌电流的一种器件。电涌保护器的主要参数有最大持续运行电压、通流容量、电压保护水平（即残压）、漏电流、使用寿命及响应时间。

2.信息系统的电涌保护分电源保护、信号数据端口保护。由于雷电冲击能量巨大，因此对信息系统的电源保护，从外部总配电室到内部对计算机系统供电，要分多级进行，才能将雷电的能量降到设备所能承受的水平（220/380V电源系统各种设备绝缘耐冲击过电压额定值可分为4类，分别为6kV、4kV、2.5kV和1.5kV）。第四节接地电阻及其测量一、接地装置的装设1、接地体；2、接地干线；3、接地支线；4、设备（一）对地电压、接触电压、跨步电压1.接地电流和对地电压UE

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－IE。

试验