第十三节 绝缘、接地及防雷技术(一)

绝缘、防雷及接地技术

2/5/2023雷电的危害全球任何时刻大约有2000个地点遇上雷暴，平均每天约发生800万次闪电，每次闪电在微秒级的瞬间释放出约55kW.h的能量。森林火灾有50％以上因雷电引发；人们居住生活的建筑物屡遭雷击破坏；电力、石化等工业设施常因雷击而发生灾难性事故。2/5/2023雷灾的特点

(1)受灾面大大扩展，从电力、建筑这两个传统领域扩到几乎所有行业部门。

(2)从二维空间入侵变为三维人侵。从闪电直击，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，无孔不入地造成灾害。（3）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宜接经济损失并不太大，面由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。（4）微电子技术的应用广泛渗透到各种生产和生活领域促进社会经济的发展，这是大好事。但是微电子器件极端灵敏、它的这一特点又容易受到无孔不入的LEMP的作用，或者造成微电子设备的失控，或者是损坏。2/5/2023牵引供电系统防雷技术研究意义雷电放电在供电系统中引起很高的雷电过电压，它是造成供电系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一产生巨大电流，使被击物体炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损坏。2/5/2023高速铁路防雷技术研究的意义广深铁路自1998年开通以来，发生多起雷击引起设备损坏的事故。广深铁路长139.46km，在2000年1月间共发生雷击接触网跳闸45次，其中广深线平湖牵引变电所雷击跳闸占事故总跳闸的比例达57.7%.南昆线昆明局管内的325.8km接触网，在1999年3月27～8月31日期间，发生雷击接触网跳闸85次。2/5/2023雷电的本质早在18世纪初，富兰克林等物理学家已经揭示了“闪电就是电”的本质，而随着物理学的进一步发展，人们对雷电这一自然现象有了更深刻的认识。雷电放电实质上是一种超长气隙的火花放电，它所产生的雷电流高达数十、甚至数百千安，从而会引起巨大的电磁效应、机械效应和热效应。2/5/2023闪电的分类（形状）枝状闪电带状闪电2/5/2023闪电的分类（形状）叉状闪电片状闪电2/5/2023

闪电的分类（形状）云间闪电2/5/2023闪电的分类（形状）球状闪电联珠状闪电2/5/2023闪电的分类（形状）晴天霹雳2/5/2023闪电的分类按空间位置分类:云闪：云内闪电和云际闪电（两片云之间）。地闪：俗称落地雷，防雷研究主要对象。云闪地闪2/5/2023四种不同类型的地闪四种不同类型的地闪示意图正地闪：将云中正电荷释放到地。负地闪：将云中负电荷释放到地。2/5/2023雷云的形成机理获得比较广泛认同的是水滴分裂起电理论：大水滴分裂成水珠和细微的水沫，出现电荷分离现象，大水珠带正电，小水沫带负电，细微水沫被上升气流带往高空，形成大片带负电的雷云。雷云下部局部正电荷区。雷电的形成2/5/2023雷电的形成国外雷云电荷分布示意图图示为美国肯尼迫航天中心和美国国家航天局于1990年发布的关于雷云电荷分布的研究成果。最上部为正电荷区(P区)、中间为负电荷区(N区)和下部为正电荷区(P区)。2/5/2023雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的火花放电。

第一次主放电箭状先导第三次主放电雷电的放电过程2/5/2023雷击的种类一、直击雷雷云直接对地面建筑物或人放电2/5/2023雷击的种类二、感应雷雷云通过静电感应或电磁感应，在附近的金属体上产生感应电压2/5/2023雷击种类三、雷电电磁脉冲（LEMP）雷电电磁脉冲对信号及通信系统造成干扰。并损坏敏感电子元件2/5/2023(一)雷电放电的计算模型雷电过电压2/5/2023直接雷击过电压典型实例分析雷击于地面接地良好的物体（假设接地电阻Ri=15Ω）根据彼德逊法则，接地点（A）的电流计算可等效为右图，则计算得到电流iA≈2i0（推导计算），A点电压uA=iARi2/5/2023直接雷击过电压典型实例分析雷击于导线或档距中央避雷线根据彼德逊法则，接地点（A）的电流计算可等效为下图，令Z0=300Ω，Z=400Ω，计算A点电压。2/5/2023雷击于线路附近大地的情况

雷击于线路附近大地或接地的线路杆塔顶部等，在绝缘的导线上引起感应过电压。感应过电压典型实例分析2/5/2023(一)雷电活动频度雷暴日（Td）：一年中发生雷电的天数，以听到雷声为准，在一天内只要听到过雷声，无论次数多少，均计为一个雷暴日。雷暴小时（Th）：一年中发生雷电放电的小时数，在一个小时内只要有一次雷电，即计为一个雷电小时。注意点（1）一个雷暴日折合三个雷暴小时。（2）雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关（3）Td<15，少雷区；>40，多雷区；>90，强雷区雷电参数2/5/2023(二)地面落雷密度地面落雷密度g表示每平方公里地面在一个雷暴日受到的平均雷击次数。我国标准对Td=40的地区取g=0.07。运行经验表明：某些地面落雷密度远远大于上述平均值，它们或者是一块土壤电阻率远小于周边地区的场地、或者在山谷边的小河近旁、或者是迎风的山坡等。它们被称为易击区，在为发电厂、变电所、输电线路选址时应尽量避免这些地方。雷电参数2/5/2023(三)雷道波阻抗雷电通道长度数千米，半径仅为数厘米，类似于一条分布参数线路，具有某一等值波阻抗，称为雷道波阻抗。主放电过程可看作是一个电流波沿着波阻抗为Z0的雷道投射到雷击点的波过程。我国有关规程建议取Z0

≈300Ω

(四)雷电波的极性负极性雷击均占75～90%，对设备绝缘危害较大,防雷计算中一般均按负极性考虑。雷电参数2/5/2023(五)雷电流幅值通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻(Ri≤30Ω)的物体时流过雷击点的电流。它近似等于电流入射波I0的两倍，即一般地区，雷电流幅值超过的概率可按下式计算雷电参数2/5/2023波前陡度的最大极限值一般可取50kA/us左右。(六)雷电流的波前时间、陡度及波长雷电流的波前时间T1处于1～4us的范围内，平均为2.6us。波长T2处于20～100us的范围内，多数为40us左右。我国防雷设计采用2.6/40us的波形；在绝缘的冲击高压试验中，标准雷电冲击电压的波形定为1.2/50us雷电流波前的平均陡度(kA/us)雷电参数2/5/2023(七)雷电流的计算波形1、双指数波2、斜角波3、斜角平顶波4、半余弦波雷电参数2/5/2023(八)雷电的多重放电次数及总延续时间有55％的对地雷击包含两次以上的重复冲击；3～5次冲击者有25%；10次以上者有4%。平均重复冲击次数取3次。一次雷电总延续时间，有50%小于0.2s(九)放电能量A=QU=107V×20C＝20×107W.s，放电能量不大，但是在极短时间内放出的，因而功率很大。雷电参数2/5/20231、雷电流的特性雷电放电速度很快，雷电流的幅值很大，陡度很高，且其电流的大小与土壤电阻率、雷击点的散流电阻有关。2、雷电的危害分为三类直击雷——雷直接击在建筑物和设备上而发生的机械效应和热效应。感应雷——雷电流产生的电磁效应和静电效应。高电位的引入——雷电流沿电气线路和管道引入建筑物的内部。雷电防护基础2/5/20233、耐雷水平电气设备或其他设备能承受的最大雷电流冲击而不至于损坏时的电流，单位一般是kA。2/5/2023现代防雷体系高空防雷区低空防雷区地下防雷区2/5/2023高空防雷区2/5/2023低

空

防

雷

区2/5/2023地下防雷区2/5/2023接闪器防护范围的确定接闪器（避雷针、避雷线、避雷带、避雷网）的防护范围一般用滚球法明确定，不同的防雷等级所用球的半径不同2/5/2023输电线路避雷线的防雷效果采用不同半径的滚球所得到到避雷线的防护范围不一样，对应的绕击概率也不相同2/5/2023只要能设法制止上述发展过程中任一环节的实现，就可避免雷击引起长时间停电事故。

线路雷害事故发展过程及防护措施2/5/2023(一)避雷线（架空地线）110kV及以上架空输电线路防雷措施是沿全线架设避雷线；35kV及以下的线路主要依靠架设消弧线圈和自动重合闸来进行防雷保护。（二）降低杆塔接地电阻提高线路耐雷水平和减少反击概率的主要措施。杆塔的工频接地电阻一般为10～30Ω。（三）加强线路绝缘增加绝缘子串中的片数、改用大爬距悬式绝缘子、增大塔头空气间距等等，但有相当大的局限性。一般优先采用降低杆塔接地电阻的办法来提高线路耐雷水平。（四）耦合地线作为一种补救措施，具有一定的分流作用和增大导地线之间的耦合系数，因而能提高线路的耐雷水平和降低雷击跳闸率。输电线路上采用的各种防雷保护措施2/5/2023

(五)消弧线圈能使雷电过电压所引起来的一相对地冲击闪络不转变成稳定的工频电弧，即大大减小建弧率和断路器的跳闸次数。(六)避雷器仅用作线路上雷电过电压特别大或绝缘薄弱点的防雷保护。它能免除线路绝缘的冲击闪络，并使建弧率降为零。(七)不平衡绝缘一回路的三相绝缘子片数少于另一路的三相。(八)自动重合闸线路绝缘不会发生永久性的损坏或劣化。输电线路上采用的各种防雷保护措施2/5/2023接触网无避雷线，不能有效防止直击雷。铁路隧道内接触网对地的空气间隙太小，规范规定困难值为240mm，耐雷水平仅11kA，超过雷电流概率为75％，与绝缘子不匹配。接触网支柱是利用回流线作闪络保护地线的集中接地，支柱基础上的螺栓可起到一定的接地作用，但普遍接地电阻较大。接触网防雷技术可以参考输电线路的防雷措施，但从客观环境看，接触网防雷较为复杂一些。接触网防雷的特点接触网的防雷2/5/2023日本防雷现状

区域划分防雷措施架空避雷线避雷器设置位置A区雷害严重且重要线路，进行全面防雷保护全线架设避雷线牵引变电所出口接触网隔离开关两侧架空线与电缆连接处架空线终端B区雷害比较严重且重要的线路，对雷害场所、重点设备进行必要的防雷保护特别需要的场所沿接触网架设避雷线1、牵引变电所出口2、接触网隔离开关两侧3、架空线与电缆连接处4、架空线终端C区A和B以外的区域牵引变电所出口接触网隔离开关两侧架空线与电缆连接处2/5/2023S状horn每间隔200m加一个带放电horn的绝缘子来分段在架空地线分段区间的中间进行接地。接地阻抗30Ω以下2/5/2023AT供电线接触导线钢轨AT保护线中性线避雷器放电开始电压42kV放电器放电开始电压：5kV接地阻抗

10Ω以下2/5/2023国内接触网防雷现状在TB10009-98《铁路电气牵引供电设计规范》中规定：1、吸流变压器的原边应设避雷装置。2、重雷区及超重雷区，下列重点位置应设避雷装置。1）分相和站场端部的绝缘关节；2）长度2000m及以上隧道的两端；3）供电线或AF线连接到接触网上的连接处。通过规范可以看出，我国电气化铁路接触网防雷工程设计中，除了通过绝缘子自恢复绝缘外，还在接触网系统相关位置设置了避雷器以达到防雷的目的。

2/5/20231－避雷器2－回流线3－承力索4－接触网导线图4接触网示意图加避雷器2/5/2023两种主要的避雷器用于接触网线路的避雷器主要有两种，一种是火花间隙形避雷器，另一种是氧化锌避雷器2/5/2023在接触网上安装避雷器的优点:避雷器的体积小、重量轻，安装在现有接触网上不会明显增加支柱的机械负荷。避雷器的结构紧凑、安装方式简单，便于现场安装和更换。避雷器的保护水平与接触网的绝缘水平配合良好，特别是带间隙避雷器的50％冲击放电电压与接触网绝缘子的放电特性一致，且正、负极性的分散性要小。2/5/2023变电所的防雷保护变电所的直击雷保护避雷器保护变电所的进线段保护变电所防雷的几个具体问题2/5/2023装设避雷针或避雷线注意对绝缘水平不高的35kV以下的配电装置，构架避雷针容易导致绝缘闪络(反击)。变电所的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针的支数、高度、装设位置、验算它们的保护范围、应有的接地电阻、防雷接地装置设计等。对于独立避雷针，则还有一个验算它对相邻配电装置构架及其接地装置的空气间距及地下距离的问题。变电所的直击雷防护2/5/2023装设避雷器是变电所对入侵雷电过电压波进行防护的主要措施，它的保护作用主要是限制过电压波的幅值。但是还需要有“进线段保护”与之配合。阀式避雷器的保护作用基于三个前提：1)它的伏秒特性与被保护绝缘的伏秒特性有良好的配合2)它的伏安特性应保证其残压低于被保护绝缘的冲击电气强度3)被保护绝缘必须处于该避雷器的保护距离之内。避雷器保护2/5/2023保证在靠近变电所的一段不长(一般为l～2km)的线路上不出现绕击或反击。对于那些未沿全线架设避雷线的35kV及以下的线路来说，首先在靠近变电所(l~2km)的线段上加装避雷线，使之成为进线段；对于全线有避雷线的110km及以上的线路，将靠近变电所的一段长2km的线路划为进线段。在进线段上,加强防雷措施、提高耐雷水平。进线段的作用：1）雷电过电压波在流过进线段时因冲击电晕而发生衰减和变形，降低了波前陡度和幅值；2）限制流过避雷器的冲击电流幅值变电所进线段保护2/5/2023(一)变电所防雷接线进线段提高耐雷性能的保护措施：1)在进线保护段内，避雷线的保护角不宜超过20°。2)采取措施以保证进线段的耐雷水平。(二)三相绕组变压器的防雷保护高压侧有雷电过电压波时，通过绕组间的静电耦合和电磁耦合，低压侧出现一定过电压。在任一相低压绕组加装阀式避雷器。变电所防雷的几个具体问题2/5/2023

(三)自耦变压器的防雷保护高压侧进波时，应在中压断路器QF2的内侧装设一组阀式避雷器（图8-14中的FV2）进行保护。中压侧进波时，在高压断路器QF1的内侧也应装设一组避雷器（图8-14中的FV1）进行保护。当中压侧接有出线时，还应在AA′之间再跨接一组避雷器（图8-14中的FV3）。变电所防雷的几个具体问题2/5/2023

(四)变压器中性点的保护110kV及以上的中性点有效接地系统1、中性点为全绝缘时，一般不需采用专门的保护。但在变电所只有一台变压器且为单路进线的情况下，仍需在中性点加装一台与绕组首端同样电压等级的避雷器。2、当中性点为降级绝缘时，则必须选用与中性点绝缘等级相当的避雷器加以保护，同时注意校核避雷器的灭弧电压35kV及以下的中性点非有效接地系统变压器的中性点都采用全绝缘，一般不设保护装置。变电所防雷的几个具体问题2/5/20231)GIS绝缘的伏秒特性很平坦，其绝缘水平主要取决于雷电冲击水平。采用氧化锌避雷器；2)GIS结构紧凑，被保护设备与避雷器相距较近，比常规变电所有利；3)GIS的同轴母线筒的波阻抗小，过电压幅值和陡度都显著变小，对变电所的进行波防护有利；4)GIS内绝缘电场结构不均匀，易击穿，要求防雷保护措施更加可靠、在绝缘配合中留有足够的裕度。

(五)气体绝缘变电所防雷保护的特点全封闭SF6气体绝缘变电所(GIS)的特点：变电所防雷的几个具体问题2/5/2023（一）接地一般概念电工中“地”是指地中不受入地电流的影响而保持着零电位的土地。电气设备导电部分和非导电部分与大地的人为连接称为接地。电力系统的接地分为三类：1）工作接地：正常工作需要而设置的接地。0.5~10Ω2）保护接地：为了保护人身安全金属接地。1~10Ω3）防雷接地：将雷电流顺利泄入地下，减小它所引起的过电压防雷接地2/5/2023冲击接地电阻，工频或直流下的接地电阻，二者之比称为冲击系数。的值一般小于1，但在接地体很长时也有可能大于1。接地电阻Re等于从接地体到地下远处零位面之间的电压Ue与流过的工频或直流电流Ie之比。2/5/2023常见的一些接地体的工频接地电阻计算公式1、单根垂直接地体2、多根垂直接地体3、水平接地体2/5/2023(二)防雷接地及有关计算防雷接地所泄放的电流是冲击大电流。接地体单位长度电感L0，压降L0di/dt很可观，使接地体变成非等电位物体。L0的影响使伸长接地体的冲击接地电阻Ri增大接地体周围会出现一个火花放电区，使冲击接地电阻Ri变小。两者对接地电阻的影响相反。看两个因素的相对强弱而定。2/5/2023接地系统设计中的关键技术影响着接地系统的性能的主要因素：1、土壤参数2、接地网的结构3、接地电流2/5/2023土壤参数对接地系统的影响土壤参数主要是指土壤电阻率，但土壤电阻率并不是一个恒定的值，当土壤类型与土壤结构不同，或者温度与湿度发生变化时，土壤的电阻率会发生较大的改变2/5/2023土壤电阻率对安全的影响土壤电阻率直接影响接地电流的分布，同时也影响着地电位的分布2/5/2023土壤类型土壤类型是可以根据主要矿物成份分类，也可以按土壤固体物质的颗粒大小分类。2/5/2023土壤结构土壤结构主要是指土壤内物质的分布方式，即孔隙度，孔隙结构，毛细管的含量等2/5/2023土壤温度土壤温度发生变化时，其电阻率发生变化，冻土的电阻率远远高于未冻土2/5/2023含水量对土壤电阻率的影响2/5/2023土壤电阻计算优化主要采用的方法是对土壤进行分层处理。分层方法有：水平双层垂直双层水平多层垂直多层2/5/2023土壤水平分层2/5/2023均匀土壤水平双层土壤水平多层土壤2/5/2023土壤垂直分层2/5/2023垂直双层土壤垂直三层土壤2/5/2023接地网设计的优化高土壤电阻率地区，应尽量降低接地装置的接地电阻，以满足规范要求。针对降低接地电阻的问题，常见的方法有：增大地网面积、敷设外引接地网、增设垂直接地体、深埋接地网、使用降阻剂等。2/5/2023增大地网面积

增大地网面积是降低地网接地电阻最为有效的措施。然而，随着面积的增大,电流密度的不均匀也在增加，降阻的效果逐渐趋于饱和。并且,增大面积亦会大大增加投资。2/5/2023敷设外引接地网其原理是在在已建成地网的附近，找一处电阻率较低的地方（如水塘、水田、水洼地等），再建设一个新地网，然后把两地网连接，从而使地网的接地电阻降低。敷设外引接地网示意图2/5/2023增设垂直接地体增设垂直接地体的原理是流过大地的电流呈垂直和水平向外扩散，充分利用电流垂直方向的扩散分量，将较大的电流引入地的深层。垂直接地体一般架设在水平接地体上，从而构成立体地网。除了传统的扁钢，接地模块在这方面应用比较广泛。2/5/2023接地模块是一种以导电非金属材料为主的接地体。其特点是用料少、耗资小、寿命长、稳定性好,特别适合于高阻率土壤地区使用。方形接地模块圆柱形接地模块2/5/2023使用降阻剂通过置换或者使用高压泵将低电阻率材料压入的方法可降低地网附近的土壤电阻率,在一定程度上相当于加大了地网导体的半径从而降低土壤与接地体间的接触电阻。但是随着时间流逝，这种方法的效果会越来越不明显，而且降阻剂具有腐蚀作用，长期使用会对地网产生腐蚀。2/5/2023青藏铁路防雷接地工程2/5/2023青藏线防雷接地工程2/5/2023高速铁路牵引变电所综合接地牵引变电所接地系统的电流特点由于机车在运行中要进行启动、制动以及升降弓等操作，因此通过接地系统的电流不是恒定值。接地系统要起到收集地回流的作用，因此正常情况下接地系统中有电流通过，电流的大小由供电方式决定。2/5/2023图8直供方式图9BT供电方式2/5/2023牵引变电所接地中主要存在的问题地网电流对接地性能的影响牵引电流通过回流网流回主变压器，电流通过接地网时，会造成接地网各个部位电位不相等，地电位差异将对测量以及信号设备造成影响。地网电流变化对综合自动化设备的电磁干扰变电所采用综合自动化系统大量使用了以计算机和微处理机为基础的微电子设备。这些设备比传统的继电保护方式更容易受到电磁场的干扰。地网电流变化时将产生电磁波，这些电磁波有可能干扰上述设备。2/5/2023减少接地网电势差常用的方法有采用环网消除局部电位差。接地环网可以分为四个部分：主控室接地环网、高压室接地环网、主变压器接地环网、各接地环网之间的联络线。各接地环网通过联络线与变电所的主接地网连接以减少各接地环网电位差，避免在各接地环网之间的二次电缆或通讯电缆屏蔽层中产生大电流烧坏这些设备。牵引变电所综合接地2/5/2023当设备与干扰源串联时，各个设备接地电流在引线电阻上产生的电位叠加，A、B、C点间的电位差较大，该接地方式会增大A点干扰源的电压信号，但在简单的接地系统中应用仍然较多。

改变接地方式减少电磁干扰图16设备串联接地方法示意图牵引变电所综合接地2/5/2023干扰源与设备间的地线是并联时，各电路的地电位只与本电路的地电流、地线阻抗有关，B、C点间的电位差较小。通常情况下，A点离接地网越近，抗干扰效果越好。图17设备并联接地方法示意图2/5/2023牵引变电所综合接地系统的组成方案2/5/2023上图为一种牵引变电所综合接地方案，图中根据设备的不同用途以及地点位置设置了三个接地环网；一次设备与二次设备分别接于不同的接地环网中，回流电流单独使用一个环网，强弱电设备分别设置接地母排并采用并联接地方式。这样不但可以减少同一个系统中不同设备接地点的电位差，还可以降低高压设备以及电源对综合自动化装置中通信和信号设备的电磁干扰，有效地解决了原来的接地系统中存在的问题。2/5/2023天府广场综合接地工程2/5/2023遂渝线综合接地工程2/5/2023绝缘、接地与防雷三、防雷接触网工作的额定电压为25kV，但在某种情况下会出现大超过25kV的电压，称为过电压。过电压分为操作过电压和大气过电压。大气过电压是指在接触网附近，发生雷击时使接触产生的过电压。这种峰值很高的过电压会使绝缘子闪络、击穿而发生短路事故，造成接触网设备损坏，当安装了避雷器后，它能及时地将雷电引入大地。2/5/2023绝缘、接地与防雷三、防雷避雷器安装在接触网支柱上，与接触悬挂相连接，作为接触网大气过电压保护之用。目前接触网上采用的避雷器