防雷保护与间接接触电击防护技术.pdf

第三十一章防雷保护与 间接接触电击防护技术 第一节雷电现象、 种类和性质 一、 雷电现象及雷电的种类 （一） 雷电现象 雷电是雷云之间或雷云对地面放电的一种自然现象。在雷雨季节里， 地面上的水分受热变成水蒸气， 并 随热空气上升， 在空气中与冷空气相遇， 使上升气流中的水蒸气凝成水滴或冰晶， 形成积云。云中的水滴受 强烈气流的摩擦产生电荷， 而且微小的水滴带负电， 小水滴容易被气流带走形成带负电的云； 较大的水滴留 下来形成带正电的云。由于静电感应， 带电的云层在大地表面会感应出与云块异性的电荷， 当电场强度达到 一定值时， 即发生雷云与大地之间的放电； 在两块异性电荷的雷云之间， 当电场强度达到一定值时， 便发生云 层之间放电。放电时伴随着强烈的电光和声音， 这就是雷电现象。 雷云放电时， 也是由于雷云中的电荷逐渐聚集增加使其电场强度达到一定程度时， 周围空气的绝缘性能 就被破坏， 于是正雷云对负雷云之间或者雷云对地之间， 发生强烈的放电现象。其中尤以雷云对地放电 （直 接雷击） 对地表的供电网络和建筑物的破坏性最大。 雷云是产生雷电的基本因素， 而雷云的形成必须具有下列三个条件： !“空气中有足够的水蒸气； #“有使潮湿的空气能够有上升并凝结为水珠的气象或地形条件； $“具有气流强烈持久地上升的条件。 雷电过电压是由雷云放电产生的， 它是一种壮观的自然现象， 包括闪电和雷鸣两种现象， 两者相伴出现， 因而常称之为雷电。最常见的雷云有热雷云和锋面雷云两种。垂直上升的湿热气流升至 # % #)， 故雷电流的平均陡度为 $28$ 5! 5# 28 $ “% ， *+9#) （四） 雷暴日 （或小时） 雷暴日 （小时） 是指一年中有雷电活动的天 （小时） 数， 用它表示雷电活动的强度。 我国地域辽阔， 各地气候特征及雷雨期的长短不同， 所以雷电活动频繁度在不同的地区是不一样的。雷 暴日 （小时） 的多少和纬度有关。北回归线 （北纬 式中* 建筑物每边的扩大宽度 （4） ； $、 ,、 + 分别为建筑物的长、 宽、 高 （4） 。 当建筑物的高 +“1-4 时， 其每边的扩大宽度应按等于建筑物的高 + 计算； 建筑物的等效面积的计算 式为： (3, $, : /+ （$ : ,） :“+/ 1-9 ; 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 (3应按每点最大扩 大宽度外端的连接线所包围的面积计算。 三、 雷电的危害 雷电有时带来严重的危害， 就其破坏因素来说， 雷电有以下三方面的破坏作用。 （一） 电效应 数十万至数百万伏的冲击电压可击毁电气设备的绝缘， 烧断电线或劈裂电杆， 造成大规模的停电； 绝缘 损坏还可能引起短路， 导致火灾或爆炸事故， 巨大的雷电流流经防雷装置时会造成防雷装置的电位升高， 这 2111第四篇电气工程安全技术篇 样的高电位同样可以作用在电气线路、 电气设备或其他金属管道上， 它们之间产生放电。这种接地导体由于 电位升高， 而向带电导体或与地绝缘的其他金属物放电的现象。叫做反击。反击能引起电气设备绝缘破坏， 造成高压窜入低压系统， 可能直接导致接触电压和跨步电压造成事故。可使金属管道烧穿， 甚至造成易燃易 爆物品着火和爆炸。 雷电流的电磁效应， 在它的周围空间里就会产生强大而变化的磁场， 处于这电磁场中间的导体就会感应 出很高的电动势。这种强大的感应电动势可以使闭合回路的金属导体产生很大的感应电流， 引起发热及其 他破坏。 当雷电流入地时， 在地面上就会因雷电流引起跨步电压， 造成人身触电事故。 （二） 热效应 巨大的雷电流 （几十至几百千安） 通过导体， 在极短的时间内转换成大量的热能。雷击点的发热量约为 !“ # $“%， 造成易爆物品燃烧或造成金属熔化、 飞溅而引起火灾或爆炸事故。 （三） 机械效应 被击物遭到严重破坏， 这是由于巨大的雷电流通过被击物时， 使被击物缝隙中的气体剧烈膨胀， 缝隙中 的水分也急剧蒸发为大量气体， 因而在被击物体内部出现强大的机械压力， 致使被击物体遭受严重破坏或发 生爆炸。 第二节配电装置的侵入雷电波保护 一、 保护措施 配电装置对侵入雷电波的过电压保护是采用阀型避雷器及与阀型避雷器相配合的进线保护段等保护措 施。 $7； 当 + $18962 时， “)+ 8:7 等。这些数值 都远远超过安全电压值。 由于地面对地电压曲线分布规律随接地体特征及其施工方式而异， 发生触电的位置又受工艺过程等因 素的影响， 最大接触电压可能难以确定， 也就无法利用。为此， 国家标准以额定电压为依据作了一个比较简 8!“第四篇电气工程安全技术篇 图 !“ # !“$% 系统 （， 负载阻抗分别为 $9 ， $ : ， $ ;， 则运用基尔霍夫定律不难 那样加上重复接地 “$， 则触电危险可以减轻。这时， 短路电流大部分 通过零线成回路， 导致漏电设备对地电压降低， 而中性点对地电压升高， 二者分别为 #8“ “$ “$# “! 9 !:8 !;# !:8 9 # #!“ “$ “$# “! 9 !:8 !;# !:8 9 # 应当注意， 迅速切断电源是保护接零的基本保护方式。如不能实现这一基本保护方式， 即使有重复接 地， 往往也只能减轻危险， 而难以消除危险， 而且危险范围还有所扩大， 见图 0* 4 00 和图 0* 4 05 中下方的电 位分布曲线。 （0） 缩短漏电故障持续时间。因为重复接地和工作接地构成零线的并联分支， 所以当发生短路时能增大 *-*第四篇电气工程安全技术篇 图 !“ # !$重复接地降低设备漏电对地电压 （%） 无重复接地 （考虑， 零线温度按 6(;考虑。 导线电阻可按下式计算： % #! “.9%） 、 硅酸钠凝胶 （含 硅酸钠为 ;8.9%） 、 亚铁氰化铜凝胶等都属于这类减阻材料。将这些材料加水注入地下， 经过不长时间即凝 成胶体， 基本上不再受水的影响而流失。此外， 石墨和水混合形成的糊状物也可作为这种减阻材料使用。 （$） 换土法。这是指给接地坑内换上低电阻土壤以降低接地电阻的方法。这种方法可用于多岩石地区。 %.冻土地区 在冻土地区， 为提高接地质量， 可以采用下列各种措施： （“） 将接地体敷设在融化地带或融化地带的水池、 水坑中； （%） 敷设深钻式接地体， 或充分利用井管或其他深埋在地下的金属构件作接地体； （!） 在房屋融化盘内敷设接地体； 69“新编电气工程师手册 （!） 除深埋式接地体外， 再敷设深度为 “#$% 的延长接地体， 以便在夏季地层表面化冻时起流散作用； （$） 在接地体周围人工处理土壤， 以降低冻结温度和土壤电阻率。 （七） 流散电阻的计算 流散电阻是接地电阻的主要成分。在工频条件下， 如果接地线不长， 可以认为流散电阻就是接地电阻。 因为流散电流是三维空间里的电流， 所以计算比较麻烦。流散电阻主要决定于接地装置的结构和土壤电阻 率。 $)! ,) “ ;/ # 9) ;/ # 9 = 因为 )“为仪器给定的某一固定值， 所以， 可以直接由 $/ # &按比例给出 $“。 如被测接地电阻很小， 且接线很长， 接线电阻可能带来较大的误差时， 应将仪器上的 .， - 端子拆开， 分 别接向被测接地体。 不论用哪种方法测量接地电阻， 均应将被测接地体与其他接地体分开， 以保证测量的正确性。测量接地 电阻应尽可能把测量回路同电力网分开， 以有利于测量的安全， 也有利于消除杂散电流引起的误差， 还能防 止将测量电压反馈到与被测接地体连接的其他导体上而引起的事故。 测量电极间的连线应避免与邻近的高压架空线路平行， 以防止感应电压的危险。测量电极的排列应避 6%“第四篇电气工程安全技术篇 图 !“ # $%接地电阻测量仪内部接线 图 !“ # &测量电极位置 免与地下金属管道平行， 以保证测量结果的真实性 如测量电极位置选择不当， 会产生很大的测量误差， 而且土壤电阻率越高， 测量误差越大。现以直线排 列的半球接地体为例， 分析测量电极位置选择不当所引起的误差和测量电极正确位置的选择。 如图 !“ # & 所示， 测量仪所测得的流散电阻为 !() ! *“ # ! *“+ , ! *“ （“ -# “+） # ! *“- 而理论上半球接地体的流散电阻为 !) ! *“ 测量值的绝对误差和相对误差分别为 !.) !(# !) ! *“ （ # “ “+ , “ “-# “+ # “ “- ） !/) !(# ! ! 0 “1 ) “ （ # “ “+ , “ “2# “+ # “ “2 ） 设 “ ) *3， “) 43， “) $3，!) “! 3， 可求得 !“&5%64!，!.“5!*!， 得!/“75“&1。如 “) *3， 其他条件不变， 则! 不变， 但!/增大为 7“5&1。在后一种情况下， 即使将 “扩大为 “*3， “扩大为 “3， 仍然有!.“567!， !/“$!541。由此可见， 如果测量电极位置选择不当， 可能产生很大的误差， 接地体占地越大时误差越大； 而且， 简单加大测量距离不一定能减小误差。因此， 必须适当选择测量距离。 对于图 !“ # &“ 所示的半球形接地极， 欲消除测量误差， 即欲使!.) ， 必须保证 $&“新编电气工程师手册 ! “ !# $ “ !%! !# ! “ !% & 解此方程得 !#& ()“*!%。如果符合这个条件， 各误差互相抵消， 刚好测量得到真值。 对于平放地面的圆盘形接地极和测量电极， 同样可以证明： 当 !“& #)“*!$时， 测量误差为零。 对于图 +“ ! ,- 所示三角形排列的半球形或平置于地面的圆盘形被测接地体和测量电极， 不难证明 !%# & (.!%& (!#时误差为零。这时， 连线夹角接近 -/0。 图 +“ ! ,“测量电极三角形排列 实际上被测接地体和测量电极既不是半球形的， 也不是圆盘形的， 最佳距离多少有些偏离上述理论关 系。但对占地面积较大的网络接地体， 上述关系是有指导意义的。当取 !%为接地网对角线长度的 - 1 + 倍， 取 ! %& ()“*!%时， 即可得到满意的测量结果； 如果有条件可取 !%为接地网对角线长度的 2 1 . 倍。对于集中 埋设的小型复合接地体， 可取 !%& *3； 对于单管垂直接地体， 可取 !%& 23； 电流极与电压极之间的距离， 一 般应大于 -3， 但当电流极由多根栏地体组成时， 应大于 23。当然， 如果条件允许， 可将电压极位置选择在 不受被测接地体和电流极影响的零电位处。 上述关系都是对均匀土壤而定的， 如果土壤不均匀， 电极位置应作适当调整。 测量接地电阻还应该考虑到由交流电的磁场引起的感抗和交变极化构成的容抗、 地下杂散电流等因素 造成的影响。 -(土壤电阻率的测量 土壤电阻率是接地设计的原始资料， 可用电流表、 电压表法测量或接地电阻测量仪测量。 一种测量办法是在取样地段垂直打入一根钢管， 测量其流散电阻， 再按下式换算即可得到土壤电阻率为 !& -“%& 45 （2% (） 如果 % & -3， ( & ()3， 测量电极长度为 (+3， 电极直线排列， 并取 !#& -3， !%& 23， 则由测量电极位 置引起的误差不超过 “6。 传统电阻率测量采用四极法， 如图 +“ ! ,- 所示。四极法是将 2 个电极等距离排列成条直线， 测量中 间两个电极之间的电压或电阻。如果测得中间两极之间的电阻为 &， 则土壤电阻率可按下式计算： !& “%& 45 - （% $)-$ % ! - （% $ 2)-$ % ! - 如果埋入深度 %“) 7-， 土壤电阻率可按下式计算： !& -“)& 对于不均匀土壤或分层土壤， 取不同的极间距离 )， 将得到不同的!值。 （九） 接地装置的检查和维护 对接地装置进行定期检查的主要内容有： 各部位连接是否牢固， 有无松动， 有无脱焊， 有无严重锈蚀， 接 地线有无机械损伤或化学腐蚀， 涂漆有无脱落， 人工接地体周围有无堆放强烈腐蚀性物质， 地面以下 .%3 以 内接地线的腐蚀和锈蚀情况如何， 接地电阻是否合格。 对接地装置进行定期检查的周期为： 变、 配电站接地装置， 每年检查一次， 并于干燥季节每年测量一次接 地电阻； 对车间电气设备的接地装置， 每两年