关于防雷、接地和电气安全的研究

网络高等教育本 科 生 毕 业 论 文题 目：关于防雷、接地和电气安全的研究 学习中心：重庆万州奥鹏学习中心16VIP层 次： 专 升 本 专 业： 电力工程与管理 年 级： 11 年 03 /春 季 学 号： 111511337679 学 生： 吴 松 指导教师： 何 翠 完成日期： 2013 年 3 月 21 日 关于防雷、接地和电气安全的研究1内容摘要在供电系统的的运行过程中,由于雷击、操作、短路等原因,产生危及电气设备绝缘的过电压,严重危害供电系统,需要进行电气设备的防雷、接地、防腐蚀。还需要注意静电的防护及防爆和防腐蚀。在供电系统运行时,人们得知道触电后该怎么样做才安全。必须认识电流对人体的危害,人体触电的形式和触电后脱离电源的方法,同时还得了解电后急救的知识。 关键词：防雷;防爆;防腐蚀;接地保护;用电安全 关于防雷、接地和电气安全的研究2目 录第一章 概述 -41.1 雷电的形成及危害 -41.2 电流对人体的作用 -5第二章 建筑防雷设备和防雷措施 -72.1 接地防雷设 备 -72.2 防雷措施 -82.3 接地的种类 -92.4 防雷的等电位连接 -10第三章 建筑防雷接地 -113.1 防雷接地 -113.2 接地系统 -12第四章 接地和接零等安全用电措施及使用范围 -134.1 接地安全 -134.2 接零安全 -14第五章 防雷接地装置结构 -155.1 雷电流反击电压与引下线间距的关系 -16结束语 -18参考文献 -19关于防雷、接地和电气安全的研究3引 言20 世纪之初，由于电讯业、电力业的发展，以及人们的日常生活和生产过程中，离不开电器、用电设备和电力设施，每年因为电击伤人甚至致人死亡和损毁电气设备所带来的经济损失数额巨大，因此电气安全问题成为关系到人身安全和设备安全的头等大事，雷电对其产生的危害越来越显著，探讨接地与电气安全问题意义重大。关于防雷、接地和电气安全的研究4第一章 概述当人类社会进入电子信息时代后，由于航天技术的发展，半导体集成技术和微电子技术普遍运用，以及大气环境污染，导致雷电的电磁干扰、闪电的脉冲危害越来越严重，因此雷灾出现的特点与以往有很大的不同。首先受灾面大大扩大，从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业，特点是与高新技术关系最密切的领域，如航天航空、国防、邮电通信、计算机、电子工业、石油化工、金融证券等，其次从二维空间入侵变为三维空间入侵。从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场从三维空间入侵到任何角落，无空不入地造成灾害，因而防雷工程已从防直击雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲（LEMP），再次雷灾的经济损失和危害程度大大增加了，它袭击的对象本身的直接经济损失有时并不太大，而由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。1.1 雷电的形成及危害雷电是雷暴天气的产物，而雷暴则是在垂直方向上剧烈发展的积雨云所形成的一种天气现象。雷雨云中电荷分布并非均匀的，而是形成堆积中心。因而不论是在云中或是在云对地之间，电磁强度不是到处一样。当云中电荷密集处的电场达到 2530KV/m 时，就会有云向地开始先导放电。当先导通道的顶端接近地面时，可诱发迎面先导（通常起自地面的突出部分），当先导与迎面先导会合时即形成了从云到地面的强烈电离通道，这是出现极大的电流，这就是雷电的主放电阶段，雷鸣和电闪都伴随出现。主放电存在的时间极短，约 50100 微秒，主放电的过程是逆着先导通道发展，速度约为光速的 1/201/2，主放电的电流可达几十万安，是全部雷电流中最主要部分。主放电到达云端时就借宿了，然后云中的残余电荷经过主放电通道流下来，由于云中电阻较大，余光阶段对应的电流不大，约为几百安，持续时间较长，约为 0.030.15 秒。由于云中可能同时存在几个电荷中心，所以低一个电荷中心的上述放电完成之后，可能引起第二个、第三个中心向第一通道放电，因此雷电往往是多重性的，每次放电相隔约为600800 微秒，放电次数平均为 23 次。随大气电场的进一步加强，进入起始击穿的后期，电子与空气的分子发生碰撞，形成天空中带电的雷雨云的云粒或水成物）向地面延伸，在雷雨云下形成从云层向下的流光，表现为一条暗淡的光柱，即先导注流。注流先导不断地向地面发展过程是一电离过程，在电离过程中生成成对的正、负离子，其正离子被云中向下输送的负电荷不断中和, 从而形成多枝状的充满负电 荷（对负地闪）的通关于防雷、接地和电气安全的研究5道，其中有一枝是充满负电荷（对负地闪）的主通道，称为电离通道或闪电通道，简称为通道。其特征是在雷击放电通道中，雷雨云与大地之间凝聚着大量的电荷，通过在放电先导所开辟的狭小电离通道（雷击放电通道）中发生猛烈的电荷中和，释放出大量的能量，以至在雷击放电通道中产生万度的高温并发出强烈的闪光和震耳欲聋的雷鸣，在雷击中，雷击点有的巨大雷电流流过。雷雨云是否发生闪电，取决于雷雨云的电荷量和对地高度或者云地间的电场强度，对于云与云之间的放电，其破坏作用主要体现在对飞行物和无线通讯的影响，对地面的建筑物和人畜的安全基本没有影响。而云对地放电（包括对地面建筑物）对人类的影响是巨大的其破坏作用主要是雷电流引起的。直击雷破坏作用（热效应、机械效应、电效应），雷电电磁脉冲的破坏作用（雷电反击、雷电波侵入、电磁感应、雷击电磁脉冲等）。雷电以其高电压，大电流对财物、人员造成巨大伤害，其实质是雷击产生瞬态高压浪涌。浪涌通过电网或感应进入电源线，对设备产生破坏。一个强烈的雷击可能会对用户的设备立即造成灾害性后果，除直接的设备破坏、人身伤亡损失外，有些会产生间接的损失，如果银行服务停顿，交通指挥混乱。高压、大电流有时也会因人为的操作而产生，如高压变压器的切换、补偿调整电容系统的调节等，有时候，终端负载过流短路也会对用电系统造成冲击。中强度的雷击可能造成用户设备中的一些零部件被损害或致其性能提前老化，如电子设备的线路板及元件烧毁。轻度过频的雷击亦有可能对用户造成损失，如传输或存储的讯号或数据错乱，丢失服务器，电脑死机等。1.2 电流对人体的作用当电流流过人体时，人身所察觉到的最小电流值被称为感觉阈值。对于15100Hz 交流电流为 0.5mA。人握电极能摆脱的电流最大值被称为摆脱电流，对于 15-100Hz 交流电流为 10mA。心室纤维性颤动是电击致死的主要原因。一个心动周期由产生兴奋期、兴奋扩展期和兴奋复原期所组成。在兴奋复原期内有一个相对较小的部份称为易损期，在易损期内，心肌纤维处于兴奋的不均匀状态，如果受到足够幅度电流的刺激，心室纤维发生颤动和血压降低，如电流足够大将导致死亡。在工业企业和民用建筑中，有不少电气设备的使用频率 超过 100Hz，例如有些电动工具和电焊机，可用到 450Hz；电疗设备大多数使用 40005000Hz；开关方式供电的设备则 为 20kHz-1MHz；微波及无线电设备还有使用更高的频率 的。关于防雷、接地和电气安全的研究6对于这些 100Hz 以上交流电流，人体皮肤的阻抗，在数十伏数量级的接触电压下，大致与频率成反比，例如 500Hz 时皮肤阻抗，仅约为 50Hz 时皮肤阻抗的110，在很多情况下，皮肤的阻抗可以忽略不计。但因为是高频电流，对人体的感觉和对心脏的影响都比 100Hz 以下交流电小。频率在 10kHz 及 100Hz 之间时，阈值大致由 10mA 上升到 100mA，频率在 100kHz 以上及电流强度在数百毫安数量级时，较低频率时有针刺的感觉，频率再高则有温暖的感觉。频率在 100khz 以上及电流在安培数量级时，可能出现烧伤，烧伤的严重程度随电流流通的持续时间而定。电流对人体的效应，例如刺激神经和肌肉，引起心房或心室纤维性颤等，与电流大小的变化有关，特别是在接通或断开电流的时候。电流幅度不变的直流电流要产生同样的效应，要比交流电流大得多。握持直流电器，事故时较易摆脱；当电击持续时间长于心动周期时，心室纤维性颤动阈值比交流的阈值高得多。直流电流感觉阈值取决于接触面积、接触状态(干湿度、压力、温度)、电流流过的持续时间和各自的生理特征等，与交流电不同的是：当电流以感觉阈值强度流过人体时，只是在接通和断开电流时有感觉，其他时间没有感觉。在与测 定交流电流感觉阈值相等条件下，直流电流的感觉阈值约为 2mA。直流的摆脱阈值与交流不同，约 300mA 以下的直流电流没有可以确定的摆脱阈值，只有在接通和断开电流时，才能引起疼痛性和痉挛似的肌肉收缩。当电流大干 300mA 时，可能摆脱不了，或仅在电击持续时间达几秒或几分种后才有可能摆脱不了。通过人体的电流约为 30mA 时，人体四肢有暖热感觉。流经人体的电流为300mA 及以下横向电流持续几分钟时，随着时间和电流增加，可能产生可逆性的心节律障碍。电流伤痕、烧伤、眩晕、有时失去知觉，超过 300mA 时，经常出现失去知觉的情况。关于防雷、接地和电气安全的研究7第二章 建筑防雷设备和防雷措施2.1 接地防雷设备防雷设备从类型上可以分为：电源防雷器、电源保护插座、天馈线保护器、信号防雷器、防雷测试工具、测量和控制系统防雷器、地极保护器。 电源防雷器分为 B、C、D 三级。依据 IEC（国际电工委员会）标准的分区防雷、多级保护的理论，B 级防雷属于第一级防雷器，可应用于建筑物内的主配电柜上；C 级属第二级防雷器，应用于建筑物的分路配电柜中；D 级属第三级防雷器，应用于重要设备的前端，对设备进行精细保护。 测量和控制装置有着广泛的应用，例如生产厂、建筑物管理、报警装置等。由于雷电或其他原因造成的过电压不仅会对控制系统造成危害，而且对昂贵的转换器、传感器也会造成危害。控制系统的故障通常会导致产品损失和对生产的影响。测量和控制单元通常比电源系统对浪涌过电压的反应更加敏感。在测量和控制系统选择和安装防雷器的时候，下面的几个因素必须要考虑：系统的最大工作电压，最大工作电流，最大数据传输频率，是否允许电阻值增大 导线是否从建筑物外部引进，建筑物是否有外部防雷装置等。建筑物安全防雷主要有以下几种：首先宜采用装设在建筑物上的避雷网或避雷针或由其混合组成的接闪器，其次避雷网应按规范的规定沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设，并应在整个屋面组成不大于 10m10m 或者12m8m（网格密度按建筑物类别确定）的网格。再次所有避雷针应采用避雷带相互连接，引下线不应少于两根，并应沿建筑物四周均匀或对称布置，其间距不应大于 18m（引下线间距按建筑物类别确定）。当仅利用建筑物四周的钢柱或柱子钢筋作为引下线时，可按跨度设引下线，但引下线的平均间距不应大于 18m。每根引下线的冲击接地电阻不应大于 10。防直击雷接地宜和防雷电感应、电气设备、信息系统等接地共用同一接地装置，并宜与埋地金属管道相连；当不共用、不相连时，两者间在地中的距离应符合下列表达式的要求，但不应小于 2m。现代防雷产品种类繁多，大致可分为四大类1、接闪器避雷针是最早的接 闪 器 ，也是目前世界上公认的最成熟的防直击雷装置。避雷带、避雷网、避雷线是避雷针的变形，其接闪原理是一致的。对避雷针的接闪关于防雷、接地和电气安全的研究8原理的认识是有一个发展过程的，现在的滚球法理论比较全面地解释了接闪器吸引雷电的各种现象，被国内外标准所采纳。2、消雷器消 雷 器 是 国 内 近 年 来 有 非 常 大 影 响 的 防 雷 产 品 。 它 是 希 望 改 变 接 闪 器 的 材料 和 形 状 来 产 生 电 流 综 合 雷 云 中 的 电 荷 ， 让 雷 云 在 消 雷 器 的 保 护 范 围 内 无 法 建立 起 接 闪 所 需 的 场 强 ， 以 达 到 消 雷 的 目 的 。3、 特 殊 避 雷 针还有一些避雷针承认自己接闪雷电，但其保护范围特别大，而且不会因为加装了避雷针而增大雷击概率。这一类产品在市场上的份额不大，没多少人去深究其技术原理的可行性。但在标准中规定任何接闪器都只能按滚球法校核保护范围。4、引下线一 些 厂 家 不 在 接 闪 器 上 作 文 章 ， 却 在 引 下 线 上 采 取 措 施 ， 他 们 认 为 接 闪 器接 闪 时 大 量 的 雷 电 流 通 过 引 下 线 入 地 ， 会 在 周 围 的 导 体 中 产 生 感 应 雷 ， 因 此 推出 有 屏 蔽 作 用 的 引 下 线 。 必 须 指 出 ： 感 应 雷 主 要 是 由 雷 云 的 静 电 感 应 引 起 的 ，只 屏 蔽 引 下 线 作 用 并 不 大 ， 而 是 要 加 强 所 有 导 线 的 屏 蔽 效 果 ， 才 能 削 弱 感 应 雷 。其 实 ， 在 国 标 建 筑 物 防 雷 设 计 规 范 （ GB5005794） 中 ， 对 金 属 引 下线 的 规 定 就 已 采 取 了 降 低 引 下 线 电 磁 干 扰 的 措 施 ， 如 多 根 引 下 线 的 分 流 作 用 ，均 匀 对 称 的 布 置 在 建 筑 物 四 周 可 相 互 抵 消 内 部 电 磁 场 ， 利 用 建 筑 物 的 钢 筋 框 架这 个 很 好 的 屏 蔽 笼 （ 法 拉 第 笼 ） 接 闪 引 下 雷 电 流 等 。 因 此 ， 普 通 金 属 引 下 线的 方 法 在 技 术 经 济 上 都 是 可 行 的 。2.2 防雷措施1）关于三级防雷：为防止感应雷侧击雷沿电源线进入房内损坏重要设备，本方案在 UPS 输出配电柜加装一套防雷器，作为电源部分的三级保护。另外，因设备间大多为弱电设备，故应进行细保护。 1、选型：第三级 SPD 采用天盾雷电生产的 MB40B3+N 型 SPD 进行细保护。 2、安装位置：设备间配电箱内，保护器件之后。 3、技术要求：接线要牢固。地线应尽可能直布，不弯成直角或锐角。 关于防雷、接地和电气安全的研究94、用材规格：接电源线和接地线应采用4mm2 铜芯线，接地线长度0.5m。总接地线应16mm2，可穿 PVC 管。信号防雷：1、选型：采用天盾雷电生产的信号线 SPD，用于 RS485 工业控制总经防雷，也可用于其它工业现场控制总线的防雷，安装于 LPZOB-1 区或是更高的界面，防止设备受到过电压的干扰。2、安装位置：当金属信号线30m 时，均应串联信号 SPD 安装于设备间设备输出端。 3、技术要求：压线排列正确，接口要相配，安装后应立即进行设备试运行，并保证正常工作。 4、用材规格：接地线采用多股软铜线，线径2.5mm 2。2.3 接地的种类1）工作接地在工作或事故情况下，保证电器设备可靠地运行，降低人体接触电压，迅速切除故障设备或线路 降低电器设备和输电线路的绝缘水平。2）保护接地在中性点不接地系统中，如果电器设备没有保护接地，当该设备某处绝缘损坏时，外壳将带电，同时由于线路与大地间存在电容，人体触及此绝缘损坏的电器设备外壳，则电流流人人体形成通路，人将遭受触电的危险。设有接地装置后，接地电流将同时沿着接地体和人体两条通路流过，接地体电阻愈小，流过人体的电流也愈小，接地电阻极微小时，流经人体的电流可不致于造成危害，人体避免触电的危险。3）静电接地设备移动或物体在管道中移动，因摩擦产生静电，它聚集在管道容器和贮罐或加工设备上，形成很高电位，对人身安全及对设备和建筑物都有危险。作了静电接地，静电一旦产生，就导入地中，以消除其聚集的可能。4）直流工作接地计算机以及一切微电子设备，大部分采用中大规模集成电路，工作于较低的直流电压下，为使同一系统的电脑（计算机）微电子设备的工作电路具有同一电位参考点，将所有设备的“零”电位点接于一接地装置，它可以稳定电路的电位，防止外来干扰，这称为直流工作接地。关于防雷、接地和电气安全的研究105）防雷接地为使雷电浪涌电流泄入大地，使被保护物免遭直击雷或感应雷等浪涌过电压 过电流的危害，所有建筑物电气设备、线路、网络等不带电金属部分，金属护套，避雷器，以及一切水气管道等均应与防雷接地装置作金属性连接。防雷接地装置包括避雷针、带线网接地、引下线接地、引入线接地汇集线接地体等。2.4 防雷的等电位连接等电位连接的目的在于减小需要防雷的空间内各金属部件和各系统之间的电位差。穿过各防雷区交界的金属部件和系统，以及在一个防雷区内部的金属部件和系统，都应在防雷区交界处做等电位连接。应采用等电位连接线和螺栓紧固的线夹在等电位连接带处做等电位连接，而且当需要时，应采用地极保护防雷器（SPD）做等电位连接（见 2-1 图中的接地线也做等电位连接）。其作用为在不同地网之间安装地极保护器用来避免地网之间产生不同电位差的危险。2-1 图 导电物体或电气系统连到等电位连接带的等电位连接关于防雷、接地和电气安全的研究11第三章 对建筑防雷接地的探讨建筑物防雷永远是一个热门话题，它与人们的人身、财产安全息息相关。所以，建筑物在竣工验收时，防雷接地是一项必须的、重要的项目环节。但是，我们常听见有人总把防雷和接地混为一谈，其实不然，防雷一定要接地，而接地，不一定是为了防雷。总的来说，防雷接地是为了使建筑物在雷电打击避免被雷电造成损失，而接地系统则是为了防止用电器金属外壳带电伤人，它们最终需要用导体连接到接地装置，排除安全隐患。3.1 防雷接地防雷就是建筑物通过预先设置的接闪器（突出屋面的金属物，如明装避雷带、避雷针），把雷电引入大地的一个过程，它可以有效地保护建筑物内部不受雷电打击造成损害。大家可能经常会看到，我们的建筑物屋面女儿墙，沿墙压顶有设置一道钢筋（通常是经热镀锌处理过的），这在建筑电气上称为明装避雷带，我们将刚性屋面或者结构层上的钢筋，和明装避雷带进行焊接连接，可以使屋面形成一定规格（一级防雷为 5m5m，二级防雷为 10m10m，三级防雷为20m20m）的避雷网格，再将屋面避雷网与选定作为引线的柱筋进行焊接，再传入基础通过接地装置而引入大地。标高高于 30m 的建筑物，还应设置均压环（非屋面外围框梁或圈梁钢筋通焊一圈），可以有效地防侧击雷。直接设置避雷针的做法基本已经被淘汰，因为避雷针的防雷模型可以看做是伞状防护，它会存在避雷盲区，也不能防侧击雷，但由于其引雷电的功能强大，在一级防雷的地区的建筑物就会采用避雷针、避雷带加设均压环混合安装做法。通过以上安装施工，我们人为把建筑物构成了钢筋避雷笼子，可以全方位的避免建筑物遭雷击时受到损害。3.2 接地系统接地系统是建筑电气的一个难点，可以分大接地和小接地，小接地主要是经阻抗、容抗或感抗接地，而大接地是直接接地。我们这里主要从大接地的三相四线制和三相五线制进行阐述。三相四线制，TN-C 系统，是除必须有的三根相线（电工学称火线）外，将中性线（电工学称零线）和保护中性线（接地线）合二为一，这样的系统，一旦发生漏电事故，漏电不能直接传入大地，可能会造成人身触电事故。三相五线制，TN-S 系统，是除必须有的三根相线外，中性线和保护中性线严格分开，保护中性线是要进行接地连接的，所有的用电器金属外壳有效关于防雷、接地和电气安全的研究12地与保护中性线进行连接，可以有效地防止漏电触电事故。我们常见的三孔插座和插头，其实并非三相 380V 电源，而是单相 220V（两孔的其实也不是两相，是单相，两相是三相火线中选两根接入设备，因为线电压就是 380V，就无需接入零线，如电焊机就是两相设备），插座最上端的孔是连接到保护中性线的，而用电器插头最上端的端头，是与用电器金属外壳进行连接的，这样，我们就可以把金属外壳所带的漏电，有效地传入大地，因为人体的电阻比电线电阻大出很多，电流基本不会从人体通过了。改进型的 TN-C-S 系统，省去了变电房至建筑物这一段的接地电缆，减少了造价。关于防雷、接地和电气安全的研究13第四章 接地和接零等安全用电措施及使用范围4.1 保护接地把电气设备的金属外壳及与外壳相连的金属构架用接地装置与大地可靠地连接起来，以保证人身安全的保护方式，叫保护接地，简称接地。保护接地一般用在 1000V 以下的中性点不接地的电网与 1000V 以上的电网中。在中性点不接地的系统中，假设电动机的 A 相绕组因绝缘损坏而碰金属外壳，外壳带电（参看图 41），在没有保护接地的情况下，当人体接触外壳时，电流经过人体和另外两根火线的对地绝缘电阻 Re、RC（如果导线很长，还要考虑导线与大地间的电容）而形成回路。如果另外两根火线对地绝缘不好，流过人体的电流会超过安全限度而发生危险。在有保护接地的情况下，当人体接触带电的外壳时，电流在 A 相碰壳处分为两路，一路经接地装置的电阻 Rd，一路经人体电阻 Rr，这两路汇合后再经另外两根火线的对地绝缘电阻 Re 和 RC 构成回路。由于Re 1.575m 0.757m.人站在 5 层时，h2=15m 则UL2=26.25kVUR2=375kV 则安全间距 L 安全 2可见，引下线数量增加一倍，安全间距则减小一半。因此设置了防雷设施后，应严格按照规范设置引下线的数量及关于防雷、接地和电气安全的研究16间距。同时建议可缩短规范内规定的引下线间距，多设一定数量的引下线，可减少雷电压反击现象。这样处理，对增加工程造价微乎其微。3.引下线与室内金属管道、金属物体的距离 1 当防雷接地装置未与金属管道的埋地部分连接时，按例一中数据：楼顶的引下线高度 h=Lx=20m，Rq=30 时，据 JCJ/T1692 第 12.5.7 条规定，Lx5Rq=530=150m，则Sal0.2KcRi0.1Lx 式中 Kc分流系数，因多根引下线，取 0.44 Ri防雷接地装置的冲击电阻，因是环路接地体，Ri=Rq=30Sal引下线与金属物体之间的安全距离/m 则 Sal0.20.44300.120=2.816m. 2 当防雷接地体与金属管道的埋地部分连接时，按式12.3.63，Sa20.075KcLx=0.0750.4420=0.66 由以上计算的Sal2.816m，Sa20.66m，在实际施工时，均很难保证以上距离，因为金属管道靠墙 0.1m 左右安装，又由于 Sa2Sal，因此可将防雷接地装置与金属管道的埋地部分连接起来，同时，在楼层内应将引下线与金属管道物体连接起来，防止雷电反击。4.引下线接地装置与地下多种金属管道及其它接地装置的距离 Sed 据JCJ/T1692 第 12.5.7 条及公式12.3.64：Sed0.3KcRi=0.30.430=3.96m，而在实际施工中，地下水暖管道交错纵横，先于防雷及电气接地装置施工，等施工后者时，已经很难保证Sed3.96m 了，也难于保证不应小于 2m 的规定，因此可将防雷接地装置与各种接地装置共用，即实行一栋建筑一个接地体。将接地装置与地下进出建筑物的各种金属管道连接起来，实行总等电位联结。综上所述，在实行一栋建筑一个总带电位联结、一个共用接地体的措施后，在楼顶部应将避雷带针与伸出屋面的金属管道金属物体连接起来，在每层内的