供配电技术课件：防雷、接地保护与接地电阻的测量

防雷、接地保护与接地电阻的测量任务8-1过电压及雷电的有关概念任务8-2常用防雷装置任务8-3供配电系统的接地任务8-4防雷及接地安装施工工艺任务8-5接地电阻的测量

★项目描述:本项目包含五个任务,主要介绍过电压及雷电的有关概念、常用防雷装置、供配电系统的接地、接地电阻的测量等的电气控制原理、安装、调试与维护的相关专

业知识与职业岗位技能。通过本项目的学习,学生能够掌握雷电的危害、防雷设备的选择、接地保护的重要性,学会接地电阻的测量方法。

★职业岗位:高压设备和线路的避雷装置的装接与调试(见图8－0－1)、变电室接地施工和检测(见图8－0－2)。图8－0－1高压设备和线路的避雷装置的装接与调试图8－0－2变电室接地施工和检测

★教学设备:

教学设备如图8－0－3所示。图8－0－3教学设备

任务8－1过电压及雷电的有关概念

一、过电压的基本概念过电压是指在电力线路或电气设备上出现的超过正常工作电压要求的电压。在供电系统中,过电压使绝缘损坏,是造成系统故障的主要原因之一。按照过电压产生的原因不同,过电压可分为内部过电压和外部过电压。

1.内部过电压

内部过电压是由于电力系统本身的开关操作、发生故障或其他原因,使系统的工作状态突然改变,从而在系统内部出现电磁能量转换、振荡而引起的过电压,因其能量来源于系统内部,所以称之为内部过电压。内部过电压分为以下三种:

(1)操作过电压。操作过电压是由于电力系统本身的开关操作引起的过电压。

(2)谐振过电压。谐振过电压是由于系统中的电路参数(R、L、C)在不同的组合下发生谐振而引起的过电压。

(3)电弧接地过电压。

2.外部过电压

外部过电压是指供电系统的电气设备、线路和地面建(构)筑物,遭受直接雷击或雷电感应而引起的过电压。由于其能量来源于系统外部,所以称之为外部过电压。外部过电压

是由雷击引起的,所以又称为雷击过电压或大气过电压。雷击过电压产生的雷电冲击波,其电压幅值可达数十万伏,甚至数兆伏,其电流幅值可高达几十万安,因此对供电系统的危害极大,必须采取一定的措施加以防护。

二、雷电的基本概念

1.雷电的形成

大气过电压是由雷云放电形成的,雷云又是如何产生的呢?在雷雨季节里,太阳将地面一部分水蒸发成蒸气并向上升起,上升的蒸气遇到冷空气,凝成水滴就形成积云。这些水滴受空中强烈气流的吹袭,分裂为一些较小的水滴和较大的水滴,大、小水滴在气流的吹袭下产生摩擦和碰撞,形成带正、负不同电荷的雷云。当带电的雷云接近地面时,由于静电感应,大地相应地感应出正电荷或负电荷,使大地与雷云之间形成了一个巨大的电容器。

当雷云电荷聚集中心的电场达到足够强时,雷云就击穿周围的空气形成导电通道,电荷沿着这个导电通道向大地发展,称之为雷电先导。地面电荷在雷云的感应下,大量聚集在地面的突出物(如高楼)上形成迎雷先导。一旦雷电先导和迎雷先导相互接近,就会放电,形成导电通道,雷电中的大量密集的电荷迅速地通过这个导电通道与大地中的电荷中和,形成极大的电流,这就是雷电现象。

2.雷电的种类

雷电按照危害方式分为:

(1)直击雷:雷电直接击在建筑物上,产生电效应、热效应和机械力效应。

(2)雷电感应:雷电放电时,在附近导体上产生的静电感应和电磁感应,它可能使金属部件之间产生火花。

(3)雷电波侵入:由于雷电对架空线路或金属管道的作用,雷电波可能沿着这些管线侵入屋内,危及人身安全或损坏设备。由于雷电波侵入而造成的雷害事故占总雷害事故的50%以上,因此对雷电波侵入的防护应予以足够的重视。

雷电按照形状分为线形雷、片形雷和球形雷。

3.雷电的危害

雷电的冲击电压很高,一般为几十千伏到几百万伏;雷电电流幅值很大,一般为几十千安,最大可达几百千安;雷电放电时间很短,一般为十几微秒,最大为500毫秒。

电作用的破坏:雷电的高电压使电气设备或线路的绝缘击穿,造成停电、短路和爆炸;当雷电流通过人体时,人将因雷击而死亡。

热作用的破坏:雷电流产生的高温会引起火灾与爆炸,特别是易燃、易爆物品。

机械作用的破坏:雷击有很强的破坏作用,建筑物、构筑物受雷击后将遭到毁灭性破坏,发生倒塌、崩裂。

雷电的破坏作用主要是雷电流引起的。它的危害基本可以分成两种类型:

一是雷电直接击在建筑物上发生的热效应和电动力作用;

二是雷电的二次作用,即雷电流产生的静电感应和电磁感应作用。

雷电流的热效应主要表现在雷电流通过导体时产生大量的热能,可能烧断导线,烧毁设备,引起火灾或爆炸。雷电流的机械力作用能使被击物破坏,击毁杆塔和建筑物。这是由于被击物缝隙中的气体在雷电流的作用下剧烈膨胀、水分急剧蒸发而引起被击物爆裂。雷电流的电磁感应和静电感应会产生过电压,击穿电气设备的绝缘部分,甚至引起火灾和爆炸,造成人身伤亡事故。雷电的闪络放电还会引起绝缘子烧坏、开关跳闸或引起火灾等。

4.雷击的途径

(1)直接雷击:雷云之间或雷云对地面某一点的迅猛放电现象称之为直接雷击。直接雷击的主要破坏对象是建筑物、野外工作台、森林、架空配电线路、人畜等。

(2)感应雷击:雷云放电时,在附近导体上产生的静电和电磁感应等现象称之为感应雷击。装有避雷针的建筑物,虽然可以避免雷击损坏建筑物,但是雷击通过避雷针的地线从建筑物顶端泻放入大地或者附近发生雷击的时候,会产生很强的电场,建筑物内的所有金属物品均会产生感应电压。感应雷击破坏的主要对象是电子电气设备。

(3)地电位反击:建筑物的外部防雷系统(如避雷针、避雷网等)遭受直接雷击,在接地电阻的两端就会产生危险的过电压,由设备的接地线引入设备,造成设备的损坏。

任务8－2常用防雷装置

一、防雷装置的结构防雷装置包括接闪器、引下线和接地装置等三部分。(1)接闪器:其作用是将雷电引至本身,沿引下线经接地装置流入大地,使被保护物免遭雷击的破坏。(2)引下线:用来连接接闪器和接地装置。(3)接地装置:防雷装置必须按规定正确选用与安装。

二、常见防雷装置的类型及各自的使用范围

常见的防雷装置主要有以下几类:

(1)避雷器是专用防雷设备,常与设备线路连接,用来保护线路、电气设备及其他电气设施。

(2)避雷针主要用来保护高耸孤立的建筑物或构筑物及其周围的设施,也常用来保护室外的变配电装置。

(3)避雷线常与架空线路同杆架设,用来保护架空线路。

(4)避雷网主要用来保护面积较大的建筑物。

(5)避雷带常用来保护高层建筑的侧面。

1.避雷器的分类

(1)保护间隙:其结构和接线如图8－2－1所示,它的结构简单,价格低廉,便于自制,但性能较差,一般常用于电压不高,且不太重要的线路上或农村线路上。图8－2－1保护间隙的结构和接线图

管型避雷器:如图8－2－2所示,其结构复杂,常用于10kV配电线路上,作为变压器、开关、电容器、电缆头等电气设备的防雷保护,适用于工频电网容量小、线路长、短路

电流不存在而雷电活动又很强且频繁的农村或山区。图8－2－2管型避雷器

阀型避雷器:如图8－2－3所示,其结构复杂,常用于3~550kV电气线路、变配电设备、电动机、开关等的防雷,适用于交直流电网,不受容量、线路长短、短路电流的限制,

工业系统中的变配电所设备及线路都能使用。图8－2－3阀型避雷器

氧化锌避雷器:如图8－2－4所示,一种新型避雷器,无放电延时,大气过电压工作后无工频续流,可经受多重雷击,残压低,通流量大,体积小,重量轻,运行维护简单,常用于0.25~550kV电气系统及电气设备的防雷及过电压保护,适用于低压侧的过电压保护。图8－2－4氧化锌避雷器

2.避雷针

避雷针的功能实质上是引雷作用,它能对雷电场产生一个附加电场(由雷云对避雷针产生的静电感应引起),使雷电场畸变,而将雷云的放电通道吸引到避雷针本身,由避雷针及与它相连的引下线和接地体,将雷电流安全导入大地,使附近建筑物和设备免受直接雷击。所以,就其作用原理来说,避雷针应称为“引雷针”比较贴切。避雷针的结构和接线如图8－2－5所示。图8－2－5避雷针的结构和接线图．

避雷针由接闪器、支持构架、引下线和接地体等四部分组成。

(1)接闪器。接闪器是指避雷针顶端的镀锌圆钢或镀锌钢管,是专门用来接受雷云闪络放电的装置。避雷针采用长1~2m、直径大于20mm的圆钢或直径大于25mm的钢管。

(2)支持构架。支持构架是将接闪器装设于一定高度上的支持物。在变电所或易爆的厂房,应采用独立支持构架;对一般厂房、烟囱等,避雷针可直接装设于保护物上。

(3)引下线。引下线是接闪器和接地体之间的连线,用来将接闪器上的雷电流安全引入接地体。引下线一般采用经防腐处理的8mm以上圆钢或截面大于12mm×4mm的扁钢,并应沿最短路径下地,每隔1.5m左右加以固定,以防损坏。

(4)接地体。接地体又称接地装置,是埋入地下土壤中接地极的总称,用来将雷电流泄入大地。接地体常用多根长2.5m、50mm×50mm×5mm的角钢打入地下。

3.避雷线

避雷线的功能和原理与避雷针的相同。避雷线架设在架空线上,以保护架空线和其他物体免遭直接雷击。由于避雷线既是架空,又需接地,因此它又称为架空地线。避雷线一

般采用截面小于35mm2的镀锌钢绞线。

避雷线保护范围的长度与其本身的长度相同,但两端各有一个受到保护的半圆锥体空间,沿线一侧保护宽度要比单避雷针的保护半径小一些,这是因为它的引雷空间要比同样

高度的避雷针小。

当保护范围较宽时,可采用两根平行等高避雷线联合保护,两根避雷线外侧的保护范围按单线法确定。

三、防雷措施

1.架空线路防雷措施

架空线路防雷措施如下:

(1)架设避雷线。电压等级在60kV及以上全线架设,35kV在进出变电所1.5~2km处架设。

(2)提高线路本身绝缘水平。

(3)三角形排列顶相装设保护间隙。

(4)装设ZCH(自动重合闸)减少停电时间。

2.变电站防雷措施

变电站防雷措施如下:

(1)装设避雷针。

(2)进出变电站的线路架设避雷线。

(3)每段(条)母线上装设避雷器。

3.建筑物防雷措施

第一类防雷建筑物是指制造、使用或储存炸药、火药、起爆药等,具有0区或10区爆炸环境的建筑物。所谓0区爆炸环境,是指正常情况下能形成爆炸性混合物的场所;所谓10区爆炸环境,是指粉尘或纤维爆炸性混合物的爆炸危险场所。针对第一类防雷建筑物,防雷措施有:

(1)装设独立避雷针或架空避雷线(网),使被保护建筑物及突出屋面的物体均处于保护范围内。．

(2)排放爆炸性危险气体、蒸气或粉尘的放散管、呼吸管的管口外以下的空间处于保护范围内。

(3)排放爆炸性危险气体、蒸气或粉尘的放散管、呼吸阀等,当其排放物达不到爆炸浓度,但由于长期点火燃烧,或一排放就点火燃烧,以及发生事故时,排放物才达到爆炸浓度的通风管、安全阀,接闪器的保护范围可保护到管帽。

(4)独立避雷针的杆塔、避雷线的端部和避雷网的各支柱处至少设一根引下线。

(5)独立避雷针和架空避雷线(网)的支柱及其接地装置至被保护建筑物以及与其有联系的管道等金属物之间的距离不得小于3m。

(6)避雷线至屋面和突出屋面的风帽、放散管等物体之间的距离不应小于3m。

(7)独立避雷针、避雷线或架空避雷网应有独立的接地装置,接地电阻不宜大于10Ω。

(8)在电源引入的总配电箱处宜装设避雷器。

第二类防雷建筑物是指国家级重点文物保护的建筑物,国家级的会堂、办公处,大型展览建筑物,大型火车站、给水泵房等特别重要的建筑物,国家级计算中心处,国际通信枢纽等对国民经济有重要意义且装有大量电子设备的建筑物,制造、使用或储存爆炸物质的建筑物。

突出屋面的危险气体、蒸气或粉尘的放散管、呼吸阀、排风管等管道其防雷保护要求如下:

(1)金属物体可不装接闪器,但应与屋面避雷装置相连。

(2)在屋面接闪器保护范围之外的非金属物体应装接闪器,并与屋面避雷装置相连。

(3)当低压线路全长采用埋地电缆或敷设在架空金属线槽内的电缆引入时,在入户端应将电缆金属外皮、金属线槽接地等。

第三类防雷建筑物是指不属于第一、二类的防雷建筑物,其防雷措施如下:

(1)宜采用装设在建筑物上的避雷网(带)、避雷针。避雷网(带)应沿屋角、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设。

(2)平屋面的建筑物,当其宽度不大于20m时,可仅沿周边敷设一圈避雷带。每根引下线的接地电阻不宜大于30Ω。接地装置宜与电气设备等接地装置共用。避雷的接地装置宜与埋地金属管道相连。在共用接地装置宜与埋地金属管道相连的情况下,接地装置宜围绕建筑物敷设环形接地体。

4.人身防雷

雷雨时,尽量不在室外、野外逗留。野外遇雷雨时,应寻找有宽大金属构架或有防雷设施的建筑物内躲避,不能站在高大的树下躲雨,应保持8m以外距离。不要站在河边、湖边、水池旁,避免接触靠近高处的金属物体及与之相连的金属体,要离开小山、小丘等高处。不要与许多人拥挤在一起,应分别选择最低处,或立即蹲下,尽可能缩小自己的目标,将手上、身上的金属物放弃。在室内时,应离电线、电话线、天线及金属管道1.5m以下,室内禁止使用室外天线。雷雨时,应关闭门窗,防止球形雷侵入。

在汽车、火车、轮船上遇到雷雨时,因这些交通工具就是一种避雷器,电流会通过它们的金属外壳传到地面,所以最好留在交通工具内,待雷雨过后方可下去。

预防雷电错误的知识:如有人以为脚穿胶鞋、身披雨衣便为自己包裹了一层绝缘体,可万无一失,其实这样毫无防雷作用。另外,通常遭到雷击的人,可能心脏及呼吸骤然停止,若在数分钟内能得到人们的帮助,紧急采取心脏按压、人工呼吸等急救措施,绝大多数遭受雷击者都会起死回生。

任务8－3供配电系统的接地

一、接地和接地装置在供配电系统中,为保证电气设备的正常工作或防止人身触电,而将电气设备的某部分与大地作良好的电气连接,称为接地。

1.接地装置的构成

接地装置由接地体和接地线两部分组成。其中,与土壤直接接触的金属导体称为接地体;连接于接地体和设备接地部分之间的导线,称为接地线。由若干接地体在大地中相互

连接而组成的总体,称为接地网。

接地体通常采用直径50mm、长2~2.5m的钢管或50mm×50mm×5mm、长2.5m的角钢,端部削尖,打入地中。接地线通常采用25mm×4mm或40mm×4mm的扁钢或直径为16mm的圆钢。接地线又可分为接地干线和接地支线。接地干线应采用个数不少于两根的导体在不同地点与接地网连接,如图8－3－1所示。为了减少投资,应在满足要求的条件下尽量采用自然接地体,而不采用上述人工接地体。自然接地体包括上下水的金属管道、与大地有可靠金属性连接的建筑物或构筑物的金属结构、直埋地下的各种金属管道等,但易燃易爆的液体或气体管道不能作接地体。图8－3－1接地网示意图

2.接地装置的散流效应

(1)接地电流和对地电压。当电气设备发生接地时,电流通过接地体流向大地作半球形扩散,这一电流称为接地电流,用IE

表示。由于半球形的散流面,在距离接地体越远处

其表面积越大,散流的电流密度越小,所以距接地体越远的地方散流电阻越小。

实验证明,在离长2.5m单根接地体20m以外的地方,实际上散流电阻已趋近于零,也就是这里的电位已趋近于零。这个电位为零的地方,称为电气上的“地”。接地体(或与接

地体相连的电气设备接地部分)的电位最高,它与零电位的“地”之间的电位差,称为接地部分的对地电压,用UE

表示,如图8－3－2所示。

图8－3－2接地电流对地电压及接地电流电位分布曲线

(2)接触电压和跨步电压。电气设备的外壳一般都和接地体相连,在正常情况下和大地同为零电位。但当电气设备发生接地故障时,有接地电流流入大地,并在接地体周围形

成对地电位分布。此时,如果人触及设备外壳,则人所接触的两点(如手和脚)之间的电位差,称为接触电压Utou

;如果人在接触体20m范围内走动,则由于两脚之间有0.8m左右的距离而引起的电位差,称为跨步电压Ustep,如图8－3－3所示。距接地体越近,跨步电压越大;当距接地体20m以外时,跨步电压为零。对地电位分布越陡,接触电压和跨步电压越大。

图8－3－3接触电压和跨步电压

二、电气设备的接地类型

电力系统和电气设备的接地按其作用的不同可分为工作接地和保护接地。

1.工作接地

为了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,称为工作接地。工作接地可分为电源中性点直接接地、电源中性点经消弧线圈接地及防雷设备的接地等。

2.保护接地

为了保障人身安全,防止触电事故而将电气设备的金属外壳与大地进行良好的电气连接,称为保护接地。保护接地的形式有两种:一种是设备的金属外壳经各自的接地线(PE

线)直接接地,称IT系统,多用于用户高压系统或低压三相三线制系统;另一种是设备的金属外壳经公共的PE或PEN线接地,也称保护接零,用于三相四线制系统,又可分为TN和TT系统,这些内容前面已经介绍,在此不再详细描述。

三、接地电阻及其测量

1.接地电阻的含义

接地电阻是指电气设备接地装置的对地电压与电流之比。接地装置由接地体和接地线组成。由于接地线电阻一般很小,可忽略不计,故接地装置的接地电阻主要是指接地体的散流电阻。

2.接地电阻的组成及供电系统对接地电阻的要求

接地电阻主要由以下几个因素所决定。

(1)土壤电阻。土壤电阻的大小用土壤电阻率表示。

(2)接地线。在设计时,为了节约金属,减小施工费用,应尽量选择自然导体作接地线,当不满足要求时,才考虑采用人工接地线。

(3)接地体。由于土壤的电阻率比较固定,接地线的电阻又往往忽略不计,因而选用接地体作为接地电阻的关键因素。

从原则上讲,接地电阻值越小,接触电压和跨步电压就越低,对人身就越安全。但若要求接地电阻越小,则人工接地装置的投资也就越大,而且在土壤电阻率较高的地区不易做到。为此,应首先充分利用自然接地体。由于人工接地装置与自然接地体是并联关系,因此可使人工接地装置的接地电阻减小,以降低工程投资。

任务8－4防雷及接地安装施工工艺

一、接地及安装工艺接地体材料有镀锌钢材,如扁钢、圆钢、钢管等。使用时,采用冷镀锌,还是采用热镀锌材料,应依据设计规定。1.接地体安装工艺流程接地体安装工艺流程如图8－4－1所示。图8－4－1接地体安装工艺流程图

2.人工接地体的最小尺寸

钢接地体和接地线的最小规格如表8－4－1所示。

(1)接地体的加工。

接地体根据设计要求的数量、材料规格进行加工。材料一般采用钢管和角钢切割,长度不应小于2.5m。如采用钢管打入地下,应根据土质加工成一定的形状,遇松软土壤时,可切成斜面形。为了避免打入时受力不均使管子歪斜,也可加工成扁尖形;遇土质很硬时,可将尖端加工成锥形,如图8－4－2所示。如选用角钢,应采用不小于40mm×40mm×4mm的角钢,切割长度不应小于2.5m,角钢的一端应加工成尖头形状,如图8－4－3所示。图8－4－2接地体形状图(钢管)图8－4－3接地体形状图(角钢)

(2)挖沟。

接地沟示意图如图8－4－4所示。图8－4－4接地沟示意图

(3)安装接地体(极)。

沟挖好后,应立即安装接地体和敷设接地扁钢,防止土方坍塌。通常,先将接地体放在沟的中心线上,并打入地中。一般采用手锤打入,一人扶着接地体,一人用大锤敲打接地体顶部,如图8－4－5所示。使用手锤敲打接地体时要平稳,锤击接地体正中,不得打偏,同时应与地面保持垂直,当接地体顶端距离地600mm时停止打入。图8－4－5安装接地体

(4)接地体间的扁钢敷设。

扁钢敷设前应调直,然后将扁钢放置于沟内,依次将扁钢与接地体用电焊(气焊)焊接。扁钢应侧放而不可放平,侧放时散流电阻较小。扁钢与钢管连接的位置距接地体最高点约100mm。焊接时应将扁钢拉直,焊好后清除药皮,刷沥青做防腐处理,将接地线引出至需要位置,并留有足够的连接长度,以待使用,如图8－4－6所示。图8－4－6接地体间的扁钢敷设

(5)核验接地体(线)。

接地体连接完毕后,应及时请质检部门进行核验。经检验合格后,方可进行回填,分层夯实。最后,将接地电阻摇测数值填写在隐检记录上。

二、避雷针的制作与安装

1.避雷针的制作与安装应符合的规定

避雷针的制作与安装应符合以下规定:

(1)所有金属部件必须镀锌,操作时注意保护镀锌层。

(2)采用镀锌钢管制作针尖,管壁厚度不得小于3mm,针尖刷锡长度不得小于70mm。

(3)多节避雷针,各节尺寸如表8－4－2所示。

(4)避雷针应垂直安装牢固,垂直度允许偏差为3/1000。

(5)避雷针一般采用圆钢或钢管制成,其直径不应小于下列数值:

①独立避雷针一般采用直径为19mm的镀锌圆钢。

②屋面上的避雷针一般宜采用直径为25mm的镀锌钢管。

③水塔顶部的避雷针采用直径为25mm或40mm的镀锌钢管。

④烟囱顶上的避雷针采用直径为25mm的镀锌圆钢或直径为40mm的镀锌钢管。

⑤避雷环用直径为12mm的镀锌圆钢或截面为100mm2的镀锌扁钢,其厚度应为4mm。

2.避雷针的制作

按设计要求的材料所需的长度分上、中、下三节进行下料。如针尖采用钢管制作,可先将上节钢管一端锯成锯齿形,用手锤收尖后,进行焊缝磨尖,刷锡,然后将另一端与中、下两节钢管找直,焊好。

3.避雷针的安装

先将支座钢板的底板固定在预埋的地脚螺栓上,焊上一块肋板,再将避雷针立起,找直、找正后,进行点焊,然后加以校正,焊上其他三块肋板,最后将引下线焊在底板上,清除药皮并刷防锈漆。

任务8－5接地电阻的测量

一、接地电阻测试要求(1)交流工作接地时,接地电阻不应大于4Ω。(2)安全工作接地时,接地电阻不应大于4Ω。(3)直流工作接地时,接地电阻应按计算机系统具体要求确定。(4)防雷保护地的接地电阻不应大于10Ω。(5)对于屏蔽系统,如果采用联合接地,接地电阻不应大于1Ω。

二、接地电阻的测量

接地电阻通常采用接地电阻测量仪,该测量