供配电技术 课件 第10章 供配电系统的安全技术

第10章

供配电系统的安全技术供配电系统要进行正常运行，首先必须保证其安全性。防雷和接地是电气安全的主要措施。主要内容电气安全的基本知识过电压与防雷建筑物的防雷信息系统的防雷供配电系统的接地低压配电系统的等电位联结与漏电保护一、电流对人体的作用1.人体对电流的生理反应人体对电流的生理反应与通过人体电流的大小、频率高低、时间长短及电流在人体中的通过路径等多方面因素有关。50Hz交流电流通过人体时人体生理反应的时间与电流关系区段图

10.1电气安全的基本知识2.触电对人体的危害当人体不同部位接触不同电位时，就有电流流过人体，这就是触电。雷击和高压触电低压触电较大的安培数量级的电流通过人体所产生的热效应、化学效应和机械效应，将使人的机体遭受严重的电灼伤、组织炭化坏死及其它难以恢复的永久性伤害在数十至数百毫安电流作用下，使人的肌体产生病理生理性反应，针刺痛感、痉挛、血压升高、心律不齐以致昏迷等暂时性的功能失常，重的可引起呼吸停止、心跳骤停、心室纤维性颤动等危及生命的伤害2.安全电流和安全电压安全电流是指在特定时间内，通过人体而不致引起心室纤维性颤动和人体器质性损伤的电流值。。安全电压是指人体与电接触时，对人体各部位组织（如皮肤、心脏、呼吸器官和神经系统）不会造成任何损害的电压。我国规定为30mA(50Hz交流)，但是触电时间按不超过1s计，因此安全电流值也称为30mA·s我国目前使用的特低电压系统的工频交流标称电压值（有效值）不超过50V续上页二、直接电击防护直接电击防护是指为避免人体与正常工作时的裸露导体带电部分直接接触而遭受电击所进行的防护。直接电击防护的主要措施为对裸露导体的带电部分设置隔离遮栏、阻挡物或防护罩等外护物以防止人体与之接触，或对其施行适合的绝缘。三、间接电击防护

1.间接电击防护的概念与一般措施间接电击防护是指为防止人体与正常工作时不带电而在绝缘损坏故障时可带危险电压的电气装置外露可导电部分接触而进行的防护。间接电击防护应结合电气设备绝缘等级而设置防护措施。一般措施有：（1）合理选要自动切断电源保护（包括采用漏电保护）并作辅助等电位联结；（2）使工作人员不致同时触及两个不同的电位点；（3）使用双重绝缘或加强绝缘；（4）通过不接地的局部等电位联结；（5）采用隔离变压器安全电压供电。续上页2.漏电保护器的选用在低压220/380V中性点直接接地（TN，TT）系统中的配电线路末端，一般采用漏电保护器来防止因电气设备漏电而造成对人体的间接电击。使用注意事项：1）对于TN－C系统，使用漏电保护器的地点，应将TN-C系统改成TN-S，使整个三相四线制系统成为TN-C-S系统。2）在TN系统中，装设漏电保护器后，为防止其误动，中性线N不能重复接地。3）在TT系统中，装设漏电保护器的设备与不装漏电保护器的电气设备不能共用一个接地装置，否则，漏电保护器会拒动。4）在一个供电装置中可以设置两级漏电保护器。末端回路上电气设备的防护间接电击应选择动作电流为30mA的高灵敏度瞬动漏电保护器。10.2过电压与防雷

过电压内部过电压

外部过电压（雷电过电压）直击雷击感应雷击雷电波侵入一、过电压与雷电的有关概念（一）过电压的形式

操作过电压谐振过电压等

（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。

续上页雷电流是一个陡度很高、幅值很大的冲击波电流。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上产生的过电压也越大，对绝缘的破坏性也就越严重。雷云对地或架空线路的放电就会造成雷电流。

续上页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象。

传播速度

雷电波沿架空线传播的速度与光速（3×108m/s）相同，而在电缆中传播的速度约为上值的1/2～1/3。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，与线路长度无关。（三）雷电冲击波的基本特性

续上页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。变电所常采用一段100～200m的进线电缆，以达到降低行波陡度的效果。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。

避雷针的作用是引雷。1.避雷针

续上页避雷针的保护范围，以其能防护直击雷的空间来表示，按新颁国家标准采用“滚球法”来确定。续上页单支避雷针的保护范围按下列方法确定。（1）当避雷针高度h≤hr时①距地面hr处作一平行于地面的平行线。②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;③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—滚球半径，查表（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。其余的作法如同上述h≤hr时。续上页［例10-1］某厂一座高30m的水塔边，建有一个水泵房（属第三类防雷建筑物），尺寸如图10-2所示，水塔上安装一支高2m的避雷针。试问此避雷针能否保护水泵房。解查表10-1得，滚球半径hr=60m，而避雷针的高度h=30+2=32m,hx=6m，根据式10－1得避雷针的保护半径为

现水泵房在hx=6m高度上最远屋角距离避雷针的水平距离为由此可见，水塔上的避雷针能保护水泵房。例10-1避雷针的保护范围续上页2.避雷线避雷线架设在架空线路的上边，以保护架空线路或其他物体（包括建筑物）免遭直接雷击。由于避雷线既架空又接地，因此它又称为架空地线，避雷线的原理和功能与避雷针基本相同。3.避雷带和避雷网

避雷带和避雷网普遍用来保护较高的建筑物免受雷击。避雷带一般沿屋顶周围装设，高出屋面100～150mm，支持卡间距离1～1.5m。阀电阻特性续上页4.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，危害电气设备的绝缘。阀式避雷器管型避雷器和保护间隙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；而当雷电过电压的作用下，其电阻变为很小，能较好地泄放雷电流。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，并且避雷器的残压必须小于变压器绝缘耐压所能允许的程度。续上页

35kV变电所常见防雷保护

10kV变电所常见防雷保护续上页110变电所的防雷保护10.3建筑物防雷一、建筑物的防雷分类雷暴日（d）——指凡是有雷电活动的日子，包括看到雷闪或听到雷声，都称为雷暴日。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。建筑物年预计雷击次数（N）是建筑物可能遭受雷击的预计频率参数。按下式确定：根据GB50057-94的规定，建筑物按其重要性、使用性质、发生雷击事故的可能性和后果，按防雷要求分成三类：第一类防雷建筑物、第二类防雷建筑物和第三类防雷建筑物。

二、建筑物的综合防雷措施建筑物防雷工程是一个系统工程，必须将外部防雷措施和内部防雷措施作为整体综合考虑。续上页三、建筑物防雷装置及布置

GB50057-94《建筑物防雷设计规范》规定保护建筑物的避雷针的保护范围用“滚球法”来确定。“滚球法”

（一）接闪器及布置1．避雷针

2.避雷带与避雷网

一般在屋顶四周的女儿墙或屋脊、屋檐上安装金属避雷带防雷。续上页（二）引下线及布置

防雷引下线应优先利用自然引下线，还宜利用建筑物的钢柱、消防梯、金属烟囱等作为自然引下线，但其各部分之间均应连成电气通路。引下线的数量及间距应按规范要求设置。采用多根引下线时，宜在各引下线距地面0.3m至1.8m之间设置断接卡。当利用混凝土柱或剪力墙中的主钢筋作为自然引下线并同时采用基础接地体时，可不设断接卡，但应在适当地点设置若干连接板，以便于接地电阻的测量，以及补打人工接地体和作等电位体联结用。（三）接地装置接地装置应优先利用建筑物钢筋混凝土基础内的钢筋。当采用共用接地装置时，其接地电阻应按各系统中最小值要求设置。若接地电阻达不到要求，应加接人工接地体。10.4信息系统的防雷一、基本概念雷击电磁脉冲（代号LEMP）是一种电磁干扰源，它是在建筑物防雷装置和附近遭受直击雷击的情况下，由雷电的强大闪电流引起的静电场、电磁场和电磁辐射等所产生的效应。二、防雷区的划分及防雷总体要求为了保障信息系统的防雷安全，必须对雷击电磁脉冲采取必要的防护措施，以便在建筑物内实现良好的电磁兼容性（代号EMC）。按规定，防雷区（LPZ）的划分以其交界处的电磁环境有明显改变作为特征。建筑物中由外及内按雷电能量大小的不同分布可分为LPZ0，1，2，…，n区。其中LPZ0区又分这A、B两区。通常，防雷区的数值越高，其雷击电磁场强度越小。续上页建筑物防雷区（LPZ）的划分LPZ0ALPZ0ALPZ0ALPZ0ALPZ0BLPZ0BLPZ0BLPZ1LPZ2LPZ3LPZ1LEMPLEMPLEMPLEMPLEMP续上页对于建筑物内的信息系统来说，屏蔽、接地和等电位连接可以控制不同防雷区雷击电磁环境，达到人为控制雷击电磁脉冲干扰程度的作用。三、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（LPZ）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。续上页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）。续上页续上页10.5供配电系统的接地

（一）接地与接地装置

接地是指电气设备为达到安全和功能需要为目的，将其某一部分与大地之间作良好的电气连接。埋入地中并与土壤作良好接触的金属导体称为接地体或称接地极。人工接地体接地体自然接地体典型的接地装置如图所示。

一、接地的有关概念续上页（二）接地电流与对地电压

电气设备在发生接地故障时，电流将通过接地体以半球形向大地中散开。在距离接地体越远的地方，半球的球面积越大，其散流电阻越小，相对于接地点处的电位就越低。电气设备的接地部分，如：接地的外露可导电部分和接地体等，与零电位的“大地”之间的电位差，称为接地部分的对地电压。续上页（三）接触电压与跨步电压人站在发生接地故障的设备旁边，手触及设备的外露可导电部分，则人所接触的两点〔如手与脚〕之间所呈现的电位差，则称为接触电压Utou；人在接地故障点周围行走，两脚之间所呈现的电位差，称为跨步电压Ustep续上页（四）接地类型

1.工作接地

为保证电力系统和电气设备达到正常工作要求而进行的接地。

2.保护性接地为了保证电网故障时人身和设备的安全而进行的接地。安全保护接地过电压保护接地防静电接地为防止人体受到间接电击，而将电气设备的外露可导电部分进行的接地。

为防止过电压对电气设备和人身安全的危害而进行的接地，如防雷接地。为了消除静电对电气设备和人身安全的危害而进行的接地。

3.重复接地

为确保公共PE线或PEN线安全可靠，除在中性点进行工作接地外，还应在PE线或PEN线的某些地方进行重复接地。二、接地电阻及其要求

接地电阻是指接地体的流散电阻与接地线、接地体电阻的总和。接地电阻主要是接地体的流散电阻，接地电阻与土壤的电阻率有关。

工频接地电阻和冲击接地电阻。电力系统的不同接地装置对接地电阻的要求是不同的。（1）电压为1000V以上的中性点接地系统中，电气设备实行保护接地，此时接地电阻RE≤0.5Ω。（2）电压为1000V以上的中性点不接地系统中，应满足设备本身对接地电阻的要求，即当这个接地装置与1000V以下的电气设备公用时，取（3）电压为1000V以下的中性点不接地系统中，考虑到其对地电容通常都很小，因此，规定RE≤4Ω，即可保证安全。（4）电压为1000V以下的中性点接地系统中，规定RE≤4Ω。同样对总容量不超过100kVA的小系统可采用RE≤10Ω。三、接地电阻的装设1．自然接地体2．人工接地体凡是与大地有可靠而良好接触的设备或构件，大都可用作自然接地体。建筑物的钢结构、混凝土基础中的钢筋、电缆金属外皮、金属管道及热力管道人工接地体大多采用钢管、角钢、圆钢和扁钢制作。四、接地装置的设计计算单根垂直式人工接地体多根垂直式人工接地体为接地体的利用系数，考虑了接地体之间存在电场屏蔽效应。步骤如下：工频接地电阻的简化计算：

①按设计规范要求，确定允许的接地电阻值RE。②实测或估算可以利用的自然接地体的接地电阻RE（nat）。③计算需要补充的人工接地体的接地电阻④根据设计经验，初步安排接地体的布置、确定接地体和连接导线的尺寸。⑤计算单根接地体的接地电阻RE(1)。⑥用逐步渐近法计算接地体的数量

⑦校验短路热稳定度例9－1例9-1某10/0.4kV车间变电所，主变压器容量为800kVA，采用Dyn11联结。已知接于10kV侧的架空线路长100km，电缆线路长10km。当地土质为砂质粘土。经现场测定，可利用的自然接地体电阻为60Ω。已知流过接地线的低压侧单相接地短路电流为10kA，短路存在时间0.4s。试确定该变电所的共用人工接地装置。解：1）确定该变电所的接地电阻允许值：

2）已知可利用的自然接地体电阻。

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4）人工接地体的初步敷设方案：

拟选用直径50mm，长2.5m的钢管接地体，沿变电所四周，距墙脚2.5~3m，每隔5m打入一根钢管，各钢管接地体之间用40×4mm2的扁钢连接构成一个接地网。3）人工接地体所需总电阻：

5）单根人工接地体钢管的接地电阻：

续上页选用10或12根直径50mm，长2.5m的钢管作接地体，并用40×4

mm2

的扁钢连接，呈环形布置。

7）校验接地线的短路热稳定：实际接地线截面为40×4＝160mm2大于90.4mm2，短路热稳定条件合格。

6）人工接地装置需用的钢管数量和最终的接地方案：

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变电所接地平面布置示例图五、信息系统的接地以计算机为核心的信息系统的接地的设计有特殊的要求。一般，信息系统的接地电阻要求不大于4Ω，对于与防雷装置的共用接地，则一般要求不大于1Ω。为使系统在工作时有一个基准电位，不致因浮动而引起信号量的误差，并防止电磁场的干扰，使信息系统稳定可靠地工作。

为防止发生接地故障后出现超过限值的危险接触电压，而将计算机设备外露可导电部分与保护线或大地所进行的保护性连接。信号接地

安全接地

接地种类信息系统的接地形式：（1）一点接地（2）悬浮接地10.6低压配电系统的等电位联结（一）等电位联结概念等电位联结是使建筑物电气装置的各外露可导电部分与电气装置外的其它金属可导电部分进行电位基本相等的电气连接。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续上页续上页（二）等电位联结的作用

1.显著降低人体接触电压电气装置绝缘损坏所引起的接地故障能使其外露导电部分带危险电压，等电位联接可以显著降低人体接触电压从而避免人体触电事故的发生。

2．有效消除来自外部的危险电压MEBUf（三）低压配电系统的漏电保护1．漏电保护器的功能

漏电保护器又称“剩余电流保护器”，简称"RCD”(英文为Residualcurrentprotectivedevice)。它是在规定条件下，当漏电电流(剩余电流)达到或超过规定值时能自动断开电路的一种开关电器。它用来对低压配电系统中的漏电和接地故障进行安全防护，防止发生人身触电事故及接地电弧引发的火灾。漏电保护器电流动作的电子脱扣型漏电保护器原理接线图TAN－零序电流互感器AV－电子放大器QF－断路器YR－自由脱扣机构图10-20

各种RCD在低压线路中的接线示意图RCD1－单极2线RCD2－2极2线RCD3－3极3线RCD4－3极4线RCD5－4极4线QF－断路器YR－漏电脱扣器2．漏电保护器的分类（1）漏电保护开关（2）漏电断路器（3）漏电继电器（4）漏电保护插座本章小结本章介绍了供电系统接地与防雷的基本概念、设计方法等问题。

本章首先着重分析接地的类