工业企业供电第8章过电压.ppt

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1、防雷、接地与安全用电,东北大学秦皇岛分校自动化工程系2010年8月,供配电技术,过电压与防雷,过电压及其分类 直击雷过电压的防护 感应雷过电压的防护 供配电系统的防雷保护 接地与接零,过电压及其分类,一.大气过电压大气过电压又称雷电过电压，是由于电力系统的设备或建(构)筑物遭受来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压，因其能量来自系统外部，故又称为外部过电压。雷电过电压有三种基本形式：直击雷过电压、感应雷过电压和球形雷引起的过电压,过电压及其分类,1直击雷过电压雷云雷电先导 迎雷先导 主放电阶段 余辉放电 主放电电流很大，高达几百千安，但持续时间极短，一般只有50100s。余辉放电阶段电流较小

2、，约几百安，持续时间约为0.030.15s。,过电压及其分类,雷电流波形 雷电流由零增大到幅值的这段时间的波形称为波头wh(wave head)。雷电流从幅值衰减到幅值的一半的一段波形称为波尾wt(wave tail)。雷电波的陡度用雷电流波头部分的增长速度来表示，即。,过电压及其分类,2感应雷过电压所谓感应雷过电压，是指当架空线附近出现对地雷击时，在输电线路上感应的雷电过电压。,3、球形雷引起的过电压特殊的雷电现象、发光球体、多数沿带电体消失。,过电压及其分类,内部过电压操作过电压：切断空载线路或空载变压器谐振过电压：电路参数组合不当电弧接地过电压：在中性点不接地系统中发生单相电弧接地时,过

3、电压及其分类,限制内部过电压的措施（1）采用灭弧能力强的快速高压断路器，在断路器主触头上并联电阻(约3000)，在并联电阻上串联一个辅助触头，以减少电弧重燃的次数，控制操作过电压的倍数。（2）装设磁吹避雷器或氧化锌避雷器。（3）对于对地电容电流大的网络，中性点经消弧线圈接地，限制电弧接地过电压。（4）增加对地电容或减少系统中电压互感器中性点接地的台数，即增加母线对地的感抗，从而减小固有自振频率，避免因系统扰动而发生母线铁磁谐振过电压。,直击雷过电压的防护,二、建筑物的防雷分类（1）第一类防雷建筑物因电火花而引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡者，包括制造、使用或贮存炸药、火药、起爆药、化工品等大

4、量爆炸物质的建筑物；具有气体爆炸、粉尘爆炸危险环境的建筑物。（2）第二类防雷建筑物包括：国家级重点文物保护的建筑物；具有特别重要用途的建筑物，如国家级的会堂、大型火车站等；对国民经济有重要意义且装有大量电子设备的建筑物，如国家级计算中心、国际通信枢纽等；具有气体爆炸危险的可能，且电火花不易引起爆炸的建筑物；工业企业内有爆炸危险的露天钢质封闭气罐；年预计雷击次数大于0.06次的办公建筑物及其他重要或人员密集的公共建筑物；年预计雷击次数大于0.3次的住宅、办公楼等一般性民用建筑物。,直击雷过电压的防护,建筑物的防雷分类（3）第三类防雷建筑物包括：省级重点文物保护的建筑物及省级档案馆；年预计雷击次数

5、在0.0120.06之间的办公建筑物及其他重要或人员密集的公共建筑物；年预计雷击次数在0.060.3之间的住宅、办公楼等一般性民用建筑物；年预计雷击次数大于等于0.06的一般性工业建筑物；根据雷击后果及具体情况，确定需要防雷的火灾危险环境；在平均雷暴日大于15天/年的地区，高度在15m及以上的烟囱、水塔等孤立的高耸建筑物；在平均雷暴日小于或等于15天/年的地区，高度在20m及以上的烟囱、水塔等孤立的高耸建筑。,直击雷过电压的防护,三、直击雷的防护装置1避雷针及其保护范围避雷针由承受雷击的接闪器、支持构架、接地引下线和接地体四部分构成。,直击雷过电压的防护,1避雷针及其保护范围所谓“滚球法”，就

6、是选择一个半径为hr(滚球半径见表1)的球体，沿需要防护直击雷的部位滚动。如果球体只接触到避雷针(线)与地面，而不触及需要保护的部位，则该部位就在避雷针(线)的保护范围之内。,表1 按建筑物防雷类别确定滚球半径和避雷网格尺寸,直击雷过电压的防护,单支避雷针的保护范围，按下列方法确定（1）当避雷针高度hhr时距地面hr处作一与地面平行的平行线。以避雷针的针尖为圆心，hr为半径作弧线，交上述平行线于A、B两点。分别以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线均与针尖相交并与地面相切。由此弧线起到地面上的整个锥形空间，就是避雷针的保护范围。避雷针在被保护物高度hx水平面上的保护半径，按下式计算：,直击雷

7、过电压的防护,（2）当避雷针高度hhr时在避雷针上取高度hr的一点代替单支避雷针的针尖作圆心，其余保护范围的求法同hhr时。,直击雷过电压的防护,2避雷线及其保护范围对于单根避雷线的保护范围，当避雷线的高度h2hr时，无保护范围；当避雷线的高度h2hr时，应按下列方法确定，参见图。1）距地面hr处画一与地面平行的平行线。2）以避雷线为圆心，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，该两弧线相交或相切，并与地面相切。从该弧线起到地面上的空间就是其保护范围。4）当2hrhhr时，保护范围最高点的高度h0按下式计算：h02hrh 5）避雷线在被保护物高度hx的水平

8、面上的保护宽度，按下式计算：,直击雷过电压的防护,3避雷带和避雷网避雷带和避雷网主要用来保护其所处的整幢高层建筑物免遭雷击。4消雷器及其保护范围（1）抑制和消除上行雷（2）中和雷云电荷（3）抑制下行雷主放电电流,直击雷过电压的防护,四、防护雷电流反击的措施如图所示，当雷击避雷针以后，雷电流沿接地引下线入地，在A、B两点产生高电位。若避雷针与被保护物之间的空中距离Sa或它们的接地体在土壤中的距离Se不能承受A、B两点的高电位，就会造成Sa或Se间隙击穿或闪络，这种现象称为反击。为了防止反击的发生，避雷针必须与被保护物之间保持一定的安全距离。,直击雷过电压的防护,防护雷电流反击的措施式中h被保护物

9、的高度，m；L0避雷针上单位长度的电感，常取1.3H/m；Rsh避雷针的冲击接地电阻，；i雷电流，kA，从安全考虑常取幅值为150kA；雷电流陡度，kA/s，若为斜角波头，且波头长为2.6s，则最大陡度。上式可简化为：,感应雷过电压的防护,雷电冲击波沿导线的传播1冲击波沿导线传播的基本规律雷电冲击波行进的速度只与线路导线的分布电感和导线对地的分布电容有关，电压波和电流波幅值之比的关系为：式中：L0一一-导线的分布电感，H/m；C0导线的对地分布电容，F/m。,感应雷过电压的防护,波阻抗与欧姆定律的区别两者虽然形式上一样，但物理意义不同。欧姆定律反映的是直流稳态下电压和电流的关系，而波阻抗反映的

10、是沿导线传播的冲击波电压和冲击波电流之间的动态关系。它只决定于线路导线本身的分布参数L0、C0，而与导线长度和线路终端负载的性质无关。架空线路波阻抗约为400500，电缆线路波阻抗约为1050。,感应雷过电压的防护,2波的折射与反射如图所示，对结点A而言，根据边界能量守恒原则，任何瞬间在结点上只能呈现一个电压值和电流值，则边界方程为：,感应雷过电压的防护,联立方程求解，也可以用如图所示的一个集中参数等效电路表示（称之为等效集中参数定理或彼得逊规则）,感应雷过电压的防护,下面讨论几种特殊情况：线路末端开路时线路末端断开处可视为结点，结点后面的波阻抗Z2=。则2，1，即Urw2Uin，UewUin

11、，此时线路开路末端会呈现出2Uin的电压，严重威胁绝缘安全，必须设置防雷保护。线路末端短接时线路末端短接处可视为结点，结点后面的波阻抗Z2=0，则0，1，即Urw0，UewUin。此时在进线线路上的合成波电压为零，这说明只要有良好的接地，则侵入线路的冲击波电压能迅速消失，不致造成危害。,感应雷过电压的防护,避雷器 1保护间隙保护间隙又称放电间隙，是最简单的防雷保护装置，它由主间隙S1、辅助间隙S2和支持瓷瓶组成。主间隙按结构型式不同，分为棒型、环型和角型。,感应雷过电压的防护,2管型避雷器管型避雷器由产气管、内部间隙和外部间隙三部分组成。产气管由纤维、有机玻璃或塑料制成。内部间隙装在产气管内部

12、，一个电极为棒形，另一个电极为环形。外部间隙设在避雷器和带电的导体之间，其作用是保证正常时避雷器与电网的隔离，避免纤维管受潮漏电。,感应雷过电压的防护,3阀型避雷器 阀型避雷器由装在密封磁套管中的火花间隙组和具有非线性电阻特性的阀片串联组成。,感应雷过电压的防护,火花间隙组是根据额定电压的不同采用若干个单间隙叠合而成。每个间隙由两个黄铜电极和一个云母垫圈组成。由于两黄铜电极间间距小，面积较大，因而电场较均匀，可得到较平缓的放电伏秒特性。,单个平板型火花间隙1黄铜电极；2云母片,感应雷过电压的防护,阀片是由金刚砂（SiC）和结合剂在一定的高温下烧结而成，具有良好的非线性特性和较高的通流能力。阀片

13、的电阻值随着所加电压变化而变化，当阀片上所加电压增大时，电阻值减小；当阀片上电压减小时，电阻值增大。这样，在通过较大雷电流时，使避雷器上出现的残压不会过高，对较小的工频续流又能加以限制，为火花间隙的切断续流创造了良好的条件。,由于阀型避雷器具有伏秒特性比较平缓，残压较低的特点，因此，常用来保护变电所中的电气设备。,感应雷过电压的防护,4金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器又称压敏避雷器。它在结构上没有火花间隙，由氧化锌或氧化铋等金属氧化物烧结而成的压敏电阻片（阀片）组成。这种避雷器的阀片具有优异的非线性伏安特性，在工频电压下，阀片具有极大的电阻，呈绝缘状态，能迅速有效的阻断工频续流，因此无需火花间

14、隙来熄灭工频电压引起的电弧；当电压超过一定值（称为起动电压）时，阀片“导通”，呈低阻状态，将大电流泄入地中；当危险过电压消失以后，阀片迅速恢复高阻绝缘状态。,金属氧化物避雷器具有无间隙、无续流、通流量大、残压低、体积小、重量轻等优点，因此很有发展前途，世界上许多国家都已用它取代了碳化硅阀式避雷器。,感应雷过电压的防护,避雷器与被保护物绝缘的伏秒特性配合电气设备的冲击绝缘强度是用伏秒特性表示。所谓伏秒特性，即绝缘材料在不同幅值的冲击电压作用下，其冲击放电电压与对应的起始放电时间的关系。,供配电系统的防雷保护,配电变压器的防雷保护 在供配电系统中，常常在变压器的高压侧装设阀型避雷器作为变压器的防雷

15、保护。对于Y/Yn0接线的变压器，一般把外壳、中性点与避雷器共同接地。,供配电系统的防雷保护,架空线路的防雷措施（1）架设避雷线（2）提高线路本身的绝缘水平（3）利用三角形排列的顶线兼作防雷保护线（4）加强绝缘弱点的保护,供配电系统的防雷保护,变配电所的防雷措施 1变配电所的直击雷保护 变电所内如下设备和建筑物应该有直击雷保护装置：（1）屋外的配电装置（包括母线廊道、架空母线桥、软连线等）；（2）遭受雷击后可能引起火灾的建筑物，例如露天的油箱和油设备等建筑物以及易燃材料的仓库；（3）有爆炸危险的建筑物，例如氢气设备和乙炔发生装置等；（4）雷击后可能引起机械性能破坏的高大建筑物，例如烟囱、冷却塔

16、和变压器修理间等。,供配电系统的防雷保护,235110kV变电所的进线保护进线保护的目的在于防止线路上落雷后雷电波侵入变电所，危害变电所的配电装置。,供配电系统的防雷保护,3高压电动机的防雷保护 在运行中电动机绕组的安全冲击耐压值常低于磁吹阀型避雷器的残压，因此单靠避雷器构成的高压电动机保护不够完善，必须与电容器和电缆线段等联合组成保护。,接地与接零,接地与接零的类型 按接地目的和作用不同，可分为工作接地和保护接地两大类。电力系统由于运行和安全的需要，常将发电机和变压器的中性点以及避雷器、避雷针的接地端与大地连接，称为工作接地。为避免触电事故的发生，保障人身安全而将电气设备的金属外壳进行接地，

17、称为保护接地。,接地与接零,根据保护接地的实现方式又可以分为IT系统、TN系统以及TT系统。1IT系统在中性点不接地的三相三线制低压系统中，将电气设备正常情况下不带电的外露可导电部分（金属外壳和构架等）与接地体之间作很好的金属连接，称为IT系统。,接地与接零,接地与接零,2TN系统 TN系统适用于中性点接地的三相四线制的低压系统，该系统将电气设备的金属外壳经公共的保护线（PE线，protective earthing）或保护中性线（PEN线，又称零线）与系统中性点相连接地。,接地与接零,TN系统根据保护线与中线的组合形式分为TNC系统、TNS系统和TNCS系统。,接地与接零,3TT系统 TT系

18、统适用于中性点直接接地的三相四线制系统，电气设备的金属外壳均各自单独接地，该接地点与系统接地点无关。,当发生接地故障时，故障点通过人体的电流将达0.10.2A，显然不能保证人身安全。因此，TT系统中应该装设漏电保护装置。,接地与接零,重复接地在TN系统中，当PE线或PEN线断线且有设备发生单相碰壳时，接在断线处后面的设备外壳上出现接近于相电压的对地电压，存在触电危险。因此，为了进一步提高安全可靠性，除系统中性点进行工作接地外，还必须在以下地点重复接地。(1)架空线路末端及沿线每隔1km处；(2)电缆和架空线引入车间和大型建筑物处。,接地与接零,接地装置 1.接地装置的构成 接地装置由接地体和接

19、地线两部分构成。接地体分为水平接地体和垂直接地体。垂直接地体通常采用直径50mm，长22.5m的钢管或50505mm，长2.5m的角钢，打入地中与大地直接相连。水平接地体一般采用扁钢或角钢，将垂直接地体连接起来。连接于接地体与电气设备金属外壳之间的金属导线，称为接地线。接地线通常采用254mm或404mm的扁钢或直径16mm的圆钢。,接地与接零,2.接地装置的散流效应 当电气设备发生接地故障时，电流经接地装置是以半球面形状向大地散开的，称为散流效应。在距接地体20m左右处，散流电阻趋近于零，该处电位也接近于零，称为电气上的“地”。,接地与接零,3.接触电压与跨步电压 由于接地装置散流效应，当电

20、气设备发生单相碰壳或接地故障时，在接地点周围的地面就会有对地电位分布。电气设备的接地部分与20m外的零电位之间的电位差U1，称为接地部分的“对地电压”。此时，若人站在该设备旁，手接触到设备外壳，则人手与脚之间呈现出的电位差U2称为“接触电压”。跨步电压是指在接地故障点附近行走，两脚之间所出现的电位差。,对地电压、接触电压和跨步电压,接地与接零,4对接地电阻的要求接地电阻是指接地体的散流电阻与接地线和接地体电阻的总和。,接地电阻的允许值,接地与接零,5接地装置的布置 接地网的布置形式有外引式和回路式。外引式将接地体引出户外某处集中埋于地下，该方式安装方便，且较经济，但接地体附近地面电位分布不均，

21、跨步电压较大，厂房内接触电压较大；另外，接地网的连接可靠性也较差。回路式是将接地体围绕设备或建筑物四周打入地中，它使地面电位分布均匀，减小跨步电压，同时抬高了地面电位，减少了接触电压，安全性好，连接可靠。,因此，变电所中常采用回路式接地装置。,接地与接零,安全用电,一、触电 当人体触及带电体承受过高的电压而导致死亡或局部受伤的现象称为触电。触电依伤害程度不同可分为电击和电伤两种。,电击是指电流通过人体，影响呼吸系统、心脏和神经系统，造成人体内部组织的破坏乃至死亡。,电伤是指在电弧作用下或熔断丝熔断时，对人体外部的伤害，如烧伤、金属溅伤等。,调查表明，绝大部分的触电事故都是由电击造成的。电击伤害

22、的程度取决于通过人体电流的大小、持续时间、电流的频率以及电流通过人体的途径等。,1.人体电阻,人体电阻因人而异，通常为 104 105，当角质外层破坏时，则降到8001000。,2.电流强度对人的伤害,人体允许的安全工频电流:30mA工频危险电流:50mA,电流频率在40Hz 60Hz对人体的伤害最大。实践证明，直流电对血液有分解作用，而高频电流不仅没有危害还可以用于医疗保健等。,3.电流频率对人体的伤害,4.电流持续时间与路径对人体的伤害,电流通过人体的时间愈长，则伤害愈大。,电流的路径通过心脏会导致神经失常、心跳停止、血液循环中断，危险性最大。其中电流的流经从右手到左脚的路径是最危险的。,

23、安全电流:人体触电后最大的摆脱电流。我国规定安全电流为30 mAs，即触电时间在 1 s内，通过人体的最大允许电流为 30 mA。,5.电压对人体的伤害,触电电压越高，通过人体的电流越大就越危险。,因此，把 36 V以下的电压定为安全电压。工厂进行设备检修使用的手灯及机床照明都采用安全电压。,二、触电方式,1.接触带电体,(1)电源中性点接地的单相触电,通过人体电流:,式中:UP:电源相电压(220V)Ro:接地电阻 4 Rb:人体电阻 1000,这时人体处于相电压下，危险较大。,(2)电源中性点不接地系统的单相触电,对地绝缘电阻,人体接触某一相时，通过人体的电流取决于人体电阻Rb与输电线对地

24、绝缘电阻R 的大小。若输电线绝缘良好，绝缘电阻R 较大，对人体的危害性就减小。,但导线与地面间的绝缘可能不良（R 较小），甚至有一相接地，这时人体中就有电流通过。,(3)双相触电,触电后果更为严重,通过人体的电流：,2.接触正常不带电的金属体,当电气设备内部绝缘损坏而与外壳接触，将使其外壳带电。当人触及带电设备的外壳时，相当于单相触电。大多数触电事故属于这一种。,这时人体处于线电压下，,Ib,3.跨步电压触电,接地点,跨步电压,在高压输电线断线落地时，有强大的电流流入大地，在接地点周围产生电压降。如图所示。,当人体接近接地点时，两脚之间承受跨步电压而触电。跨步电压的大小与人和接地点距离，两脚之

25、间的跨距，接地电流大小等因素有关。,一般在20m之外，跨步电压就降为零。如果误入接地点附近，应双脚并拢或单脚跳出危险区。,4.接触电压触电 导线接地后，不但会产生跨步电压触电，还会产生另一种形式的触电，即接触电压触电，如图 8-8 所示。由于接地装置布置不合理，接地设备发生碰壳时造成电位分布不均匀而形成一个电位分布区域。在此区域内，人体与带电设备外壳相接触时，便会发生接触电压触电。接触电压等于相电压减去人体站立地面点的电压。人体站立离接地点越近，则接触电压越小,反之就越大。当站立点距离接地点20 m以外时，地面电压趋近于零，接触电压为最大，约为电气设备的对地电压，即220 V。触电事故虽然总是

26、突然发生的，但触电者一般不会立即死亡，往往是“假死”，现场人员应该当机立断，迅速使触电者脱离电源，立即运用正确的救护方法加以抢救。,三、安全用电的意义 但在使用电能的过程中，如果不注意用电安全，可能造成人身触电伤亡事故或电气设备的损坏，甚至影响到电力系统的安全运行，造成大面积的停电事故，使国家财产遭受损失，给生产和生活造成很大的影响。因此，我们在使用电能时，必须注意安全用电，以保证人身、设备、电力系统三方面的安全，防止发生事故。四、安全用电措施 安全用电是指在保证人身及设备安全的条件下，应采取的科学措施和手段。通常从以下两方面着手。,1.建立健全各种操作规程和安全管理制度(1)安全用电，节约用

27、电，自觉遵守供电部门制定的有关安全用电规定，做到安全、经济、不出事故。(2)禁止私拉电网，禁用“一线一地”接照明灯。(3)屋内配线，禁止使用裸导线或绝缘破损、老化的导线，对绝缘破损部分，要及时用绝缘胶皮缠好。发生电气故障和漏电起火事故时，要立即拉断电源开关。在未切断电源以前，不要用水或酸、碱泡沫灭火器灭火。(4)电线断线落地时，不要靠近，对于610 kV的高压线路，应离开落地点10 m远。更不能用手去捡电线，应派人看守，并赶快找电工停电修理。,(4)电线断线落地时，不要靠近，对于610 kV的高压线路，应离开落地点10 m远。更不能用手去捡电线，应派人看守，并赶快找电工停电修理。(5)电气设备

28、的金属外壳要接地；在未判明电气设备是否有电之前，应视为有电；移动和抢修电气设备时，均应停电进行；灯头、插座或其他家用电器破损后，应及时找电工更换，不能“带病”运行。(6)用电要申请，安装、修理找电工。停电要有可靠联系方法和警告标志。2.技术防护措施 为了防止人身触电事故，通常采用的技术防护措施有电气设备的接地和接零、安装低压触电保护器两种方式。,5.漏电保护 漏电保护为近年来推广采用的一种新的防止触电的保护装置。在电气设备中发生漏电或接地故障而人体尚末触及时，漏电保护装置已切断电源；或者在人体已触及带电体时，漏电保护器能在非常短的时间内切断电源，减轻对人体的危害。漏电保护器的种类很多，这里介绍目前应用较多的晶体管放大式漏电保护器。,