主编：李家坤朱华杰主审：陈光会

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普通高等教育“十二五”规划教材普通高等教育“十二五”规划教材高等职业教育电气类专业系列教材高等职业教育电气类专业系列教材

主编：李家坤朱华杰主审：陈光会

10 防雷与接地

发电厂及变电站电气设备发电厂及变电站电气设备FADIANCHANG JI BIANDIANZHAN DIANQISHEBEI

2 www.techbook.com.cn

10.1 10.1 雷电的基本概念雷电的基本概念 11

10.2 10.2 发电厂的防雷保护装置发电厂的防雷保护装置 22

10.3 10.3 接地技术与接地装置接地技术与接地装置 33

10.4 10.4 接地装置的要求及敷设接地装置的要求及敷设 44

10 防雷与接地

目录


【知识目标】1 ．了解雷电的形成过程及雷电参数；2 ．了解避雷针、避雷线的原理；3 ．掌握管型避雷器、阀型避雷器、氧化锌避雷

器的工作原理；4 ．了解人体触电的概念，掌握保护接地、保护

接零的工作原理及实际应用；5 ．掌握接地装置敷设的要求、接地工程的分类

和特点；6 ．掌握水电站和变电所接地网的敷设方法。

10 防雷与接地


【能力目标】1 ．能够解释雷电的产生过程；2 ．能够说明阀型避雷器、管型避雷器、氧化锌

避雷器的结构特点；3 ．能够解释保护接地、保护接零的工作原理；4 ．能够测量接地电阻。

10 防雷与接地


10.1 雷电的基本概念



雷电是大自然中最宏伟和恐怖的气体放电现象。雷雨季节经常发生的打雷和闪电，实际上是带电荷的雷云在空气中的放电过程。两块带异性电荷的雷云或雷云与大地间空气击穿，即形成雷电。在防雷工程中，主要关心的是雷云对大地的放电。

10.1.1 雷电的产生及放电过程



当雷云临近大地时，由于雷云电荷所形成的强大电磁场的作用，使云块下的大地感应出与雷云电荷不同极性的电荷，雷云与大地组成一个以空气为绝缘体的电容器，如果雷云与大地间的电场强度高到使其空间气体被击穿而形成雷击通道，雷云即向大地放电。这种雷云向大地放电的过程叫做雷击，其所形成的放电电流叫雷电流。



雷云对大地的放电通常分为先导放电和主放电两个阶段。云 - 地之间的线状雷电在开始时往往从雷云的边缘向地面发展，并逐级推进向下发展，这种放电称之为先导放电。当先导接近地面时，地面上的一些高耸的物体（如塔尖或山顶）因周围电场强度达到了能使空气电离的程度，会发出迎面向上的先导。当它与下行先导相遇时，就出现了强烈的电荷中和现象，出现极大的电流（数十到数百千安），伴随着雷鸣和闪光，这就是雷电的主放电阶段。主放电的过程极短，只有几十微秒，它是沿着负的下行先导通道，由下而上发展，故又称“回击”。



在雷云带电的过程中，在云中形成若干个密度较高的电荷中心，因而大多数云对地的放电是重复的，即在第一次雷击形成的放电通道中，会有多次放电尾随。在第一次放电完成之后，主放电通道暂时还保持高于周围大气的电导率，其他电荷中心将沿已有的主放电通道对地放电，从而形成多重雷击。通常第一次冲击放电的电流最大，以后的电流幅值都比较小。



雷电放电涉及气象、地貌等自然条件，随机性很大，关于雷电特性的诸参数因此具有统计性的性质，需要通过大量的实测才能确定，防雷保护设计的依据来源于这些实测数据。在防雷设计中，最关心的是雷电流幅值、雷电流波形及地面落雷密度等参数。

10.1.2 雷电参数



（ 1 ）雷电流幅值雷电流具有冲击特性，即在几微秒内上升到幅值，再经过几微秒又由幅值降到很小的数值。雷电流的幅值与气象条件有关，根据我国的实测结果，年平均雷暴日大于 20 的一般地区，雷电流幅值超过 I 的概率可按下式计算：

式中 I—— 雷电流幅值， kA ； P—— 雷电流幅值大于 I 的概率。

108lg

IP （ 10.1 ）



（ 2 ）雷电流波形虽然雷电流的幅值随各地区的气象条件相差很大，但所测的雷电流波形却基本相同。其主放电时的电流波前部分接近半余弦波，如图10.1所示。根据实测统计，雷电流的波头时间 τ1 大多为 1~5μs ，平均为 2~2.5μs 。我国的防雷规程建议雷电流的波头时间取 2.6μs ，即认为雷电流的平均上升陡度为 kA/μs 。

6.2

I



图 10.1 雷电流波形



（ 3 ）地面落雷密度常用平均雷暴日作为计量单位来表征不同地区的雷电活动频繁程度。雷暴日是一年中有雷电的天数，在一天内只要听到雷声就算一个雷暴日。雷暴日包含了雷云之间的放电，而防雷实际中关心的是云地之间的放电。地面落雷密度表征了雷云对地放电频繁程度，其定义为每平方千米每雷暴日的对地落雷次数，用 λ表示。根据各国的具体情况， λ 的取值不同。我国标准规定，对雷暴日 T=40 的地区， λ=0.07 次 /平方公里 · 雷暴日。



雷电对发电厂及变电站的危害主要来自以下三种情况：（ 1 ）直击雷直击雷即雷云向发电厂和变电站的电气设备或建筑物直接放电。雷云层中的大量电荷在极短时间通过被击物，产生很大的雷电流。

10.1.3 雷电的危害



因为被击物和它接触的土壤有一定的电阻，所以当雷电流通过被击物而流入大地时，必然在被击物上产生极大的电压降，其值可达几百万伏，这种电压称之为直击雷过电压。由于此电压超过一般电气设备的正常运行电压许多倍，将使电气设备的绝缘被击穿。同时，巨大的雷电流会造成建筑物的劈裂、倒塌及引发火灾。



（ 2 ）感应雷感应雷是由静电感应所致。在雷云临近发电厂及变电站上空时，发电厂建筑物和附近地面上将感应产生大量的电荷，如图10.2所示。这种与雷云电荷相互吸引、极性不同的感应电荷，叫做束缚电荷。与雷云电荷同极性的电荷，则被排斥到地表深处。当此雷云对另一雷云或地面放电后，地面感应电荷或由于失去了雷电荷电场的束缚力而迅速流散，或由于与雷电流中和而立即消失。如果此时建筑物接地不良，则积聚在它上面的感应电荷不能立即流散，将与大地间形成电位差，这个电位差称之为感应雷过电压。



图 10.2 感应雷的形成过程



（ 3 ）雷电侵入波当输电线路遭受到直击雷、感应雷或避雷线的反击，泄泻到输电线上的雷电荷或失去了束缚的感应电荷，都会沿着输电线路向发电厂或变电站方向流动，形成巨大的前沿很陡的电流，叫做雷电侵入波，如图10.3所示。其所感应的高电压叫侵入波过电压，会造成电气设备绝缘的损坏，形成故障。



图 10.3 雷电侵入波的产生



此外，电气设备本身还带有工频交流电，如果雷电过电压使设备的绝缘击穿，则当短暂的雷电流过去之后，工频交流电亦将通过其击穿通道成为工频续流，从而造成短路事故，持续而且数值相当大的工频短路电流将会使事故扩大，使设备严重损坏。



10.2 发电厂的防雷保护装置



雷电过电压的幅值可高达数十万伏甚至数百万伏，如不采取防护措施，电力设备的绝缘一般是难以承受的。雷云在通常情况下总是通过地面上的高耸的物体，特别是金属放电，因此在适当的位置装设适当高度的避雷针（线），就可以造成雷电向避雷针（线）放电，并通过接地装置将雷电荷泄入大地，从而使电气设备或建筑物不致遭受直击雷的危害。

10.2.1 避雷针和避雷线



避雷针（线）是接地的导电物，它的作用是将雷吸引到自己身上并安全地导入地中。因此，避雷针（线）的名称其实叫做“引雷针（线）”更为合适。为了使雷电流顺利下泄，必须有良好的导电通道。避雷针（线）的基本组成部分是接闪器（引发雷击的部位）、引下线和接地体。



避雷针（线）的保护范围是指被保护物体在此空间内不致遭受雷击的范围。由于雷电的路径受很多偶然因素的影响，要保证被保护物体绝对不受直击雷击是不现实的，因此保护范围是按照 99.9% 的概率定的。保护范围是根据在实验室中进行雷电冲击电压放电的模拟实验结果而求出的，并经多年实际运行经验的校核。



（ 1 ）避雷针避雷针是发电厂和变电站中用来保护电气设备和建筑物避免遭受直击雷的主要防雷装置。避雷针的接闪器（针尖）一般用直径 10~20mm 、长 1~2m 的钢棒制成。引下线一般使用不小于 25mm2 的圆钢、扁钢或镀锌钢绞线。如果支撑物为钢筋混泥土或钢支架时，也可用支架内的钢筋或支架本身作为引下线。单支避雷针的保护范围如图10.4 所示，它是一个旋转的圆锥体。设避雷针的高度为 h （ m ），被保护物体高度为 hx （ m ），在 hx 高度上避雷针保护范围的半径 rx 由下述公式决定：



式中 p——考虑避雷针的高度影响的校正系数，称为高度影响系数。

phhrh

h

phhrh

h

xxx

xxx

)25.1(2

)(2

时，当

时，当

计算。时，按当时；当时， m120120;5.5

,120301p30 mhh

pmhmmh

（ 10.2 ）



（ 2 ）避雷线在发电厂和变电站中，避雷线主要用来保护主变压器高压引出线（当主变压器与户外配电装置相距较远时）和架空输电线免受直击雷的危害。对于某些特殊地形条件（如处于峡谷地区）的水电站，当在山头上埋桩架设避雷线很方便时，也可以采用避雷线作为建筑物或配电装置的直击雷保护装置。避雷线的接闪器为悬挂在被保护物上方的接地导线（架空地线），一般采用截面不小于 35mm2

的镀锌钢绞线，接地引下线一般采用截面不小于25mm2 的镀锌钢绞线。



（ 3 ）避雷针（线）的设置在发电厂中，户外配电装置、户外布置的电力变压器、主变压器的高压引出线和户外布置的发电机电压引出线，以及油处理室、露天油罐、主变压器修理间、易燃易爆材料仓库等处均应装设直击雷保护装置。主厂房（无钢筋的砖木结构厂房除外）主控制室和 35kV 及以下的户内配电装置室一般不需设置直击雷保护装置，仅将其屋顶金属结构接地即可。



避雷针按其结构，可分为独立避雷针和构架避雷针两种。① 独立避雷针。独立避雷针与电气设备的带电部分、电气设备的外壳、构架和建筑物的接地部分之间的空间距离不小于 5m ，其接地装置与被保护物的接地体之间的地中距离不小于 3m ，以防止避雷针落雷时造成对被保护物放电或被保护物接地装置放电而引起反击。



独立避雷针的接地装置一般是独立的（即不与被保护物的接地体相连），其工频接地电阻不应大于 10Ω 。当不能满足要求时，其接地装置可与主接地网相连接，但应保证其与主接地网的连接点和 35kV 及以下设备的接地线入地点之间的沿接地体的长度不小于 15m ，以避免避雷针上落雷时引起主接地网电位升高太多而造成反击。独立避雷针不应设在人经常通行的地方，应距道路不小于 3m 。



② 构架避雷针。对于土壤电阻率小于 1000Ω·m 地区的 110kV 及以上的配电装置，为降低造价并简化布置，亦可将避雷针装设在配电装置的构架上，成为构架避雷针，其接地除了利用主接地网外，还应在其附近装设集中接地装置。在变压器的门型构架上不得装设避雷针（线），而且任何避雷针（线）的接地引下线入地点到变压器接地线入地点沿接地体的长度不应小于 15m ，以防止变压器低压绕组的绝缘遭到反击而损坏。



电力系统中电气设备的绝缘会受到两种过电压的危害：一种是外部过电压，即由雷击所产生的过电压；一种是内部过电压，即由于操作所产生的过电压（如切除空载变压器和电抗器、切除或投入空载线路）。如果外部或内部过电压的幅值超过了电气设备的绝缘强度允许值，绝缘将遭到损坏，并造成事故。

10.2.2 避雷器



为此必须采取保护措施，即在电气设备上并联保护装置（如装设保护间隙、管型避雷器或阀型避雷器），且令保护装置的放电电压低于电气设备的绝缘强度允许值，一旦出现过电压时，保护装置将先被击穿，从而保护了电气设备。这些保护装置在结构上的共同特点是都有一个间隙元件（又叫火花间隙），空气作为绝缘体的放电间隙。它们的放电电压，由间隙元件的结构决定。



电气设备绝缘的耐压水平和保护装置的放电电压，通常用伏秒特性曲线（电气设备或保护装置的击穿电压与时间的关系曲线）来表示。因为绝缘的击穿具有随机性，所以伏秒特性曲线具有上包线和下包线。保护装置要能可靠地起到保护作用，其伏秒特性必须与被保护设备的伏秒特性相配合，即保护装置的伏秒特性的上限必须全部处于被保护设备伏秒特性的下限之下。



图 10.5 所示为伏秒特性配合的几种情况，图中曲线 1表示被保护设备的伏秒特性，曲线 2表示保护设备（变压器）的伏秒特性。图10.5（a）中被保护设备的冲击放电电压未能完全低于变压器的绝缘冲击耐压值，表明在某些冲击电压作用下，变压器的绝缘将遭到损坏，保护装置不能可靠地起到保护作用。图10.5（b）中将保护装置的伏秒特性下移（即缩小保护装置间隙的距离），这样虽然能在冲击电压作用下保护变压器，但保护装置的工频放电电压（在长时间工频电压作用下的放电电压）也大大降低，容易在工频电压作用下发生误动作，故一般不采用。



图 10.5 伏秒特性的配合1— 被保护电气设备的伏秒特性； 2— 避雷器的伏秒特性；



图10.5（c）抬高了变压器的伏秒特性（即提高变压器的绝缘水平），这样会增加设备的造价。由于被保护设备的伏秒特性比较平稳，为了与之相配合，最理想的办法是使保护设备的伏秒特性尽量平缓。图10.5（d），采用理想伏秒特性的保护装置时，被保护设备（变压器）在不提高绝缘水平的情况下即可得到可靠的保护，而在正常工频电压下，保护装置也不致发生误动作。



图 10.5 伏秒特性的配合1— 被保护电气设备的伏秒特性； 2— 避雷器的伏秒特性；

3— 理想避雷器伏秒特性



电力系统中用得最多的保护装置是避雷器。常用的避雷器有保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器和金属氧化锌避雷器。（ 1 ）保护间隙保护间隙是最简单的一种避雷器。它由两个间隙组成，如图 10.6 所示为 3kV 、 6kV 及 10kV 电网常用的角形保护间隙。



图 10.6 角形保护间隙（ a ）结构图；（ b ）接线图

1— 主间隙； 2— 辅助间隙； 3— 瓷瓶； 4— 设备； 5— 间隙



为了使被保护设备得到可靠保护，间隙的伏秒特性上限低于被保护设备的绝缘的冲击放电伏秒特性的下限，并有一定的安全裕度。当雷电波侵入时，间隙先击穿，工作母线接地，限制了被保护设备上电压的升高。过电压消失后，间隙中仍有工频续流。保护间隙中的电极做成角形，是为了使工频电弧在自身电动力和热气流作用下易于上升并被拉长而自行熄灭。保护间隙的缺点是熄弧能力差；间隙间电场分布不均匀，并且裸露在大气环境中，受气象条件的影响大；同时保护间隙击穿后将直接接地，动作后将产生截波。



（ 2 ）管型避雷器管型避雷器的结构如图 10.7 所示。它由装在产气管 1 的内部间隙 S1 和外部间隙 S2 构成。其保护过程是在大气过电压的作用下，间隙 S1 和 S2

同时击穿，冲击波被截断。间隙击穿后，在电力系统工频电压的作用下，流过避雷器的短路电流为工频续流。在工频续流电弧的高温作用下，使产气管分解出大量的气体，其中大部分均储存于储气室中，使管中压力升高。高压的气体急速地由其开口端 5喷出，产生纵吹作用使电弧在工频续流第一次过流时熄灭，系统恢复至正常状态。



图 10.7 管型避雷器1— 产气管； 2— 棒形电极； 3— 环形电极；4— 工作母线； S1— 内间隙； S2— 外间隙



（ 3 ）阀型避雷器阀型避雷器分为普通阀型和磁吹阀型避雷器两种，下面分别介绍两种类型的阀型避雷器。① 普通阀型避雷器阀型避雷器的主要元件是火花间隙和非线性电阻两大部分，两者串联叠装在封闭的瓷套中。阀型避雷器的火花间隙由多个平板电极的单间隙相串联，单个间隙的结构如图 10.8 所示。图中上、下两个圆形平板电极由黄铜制成，中间用 0.5~1mm厚的云母垫隔开，形成火花间隙，单个间隙的工频放电电压为 2.7~3.0kV （有效值）。



图 10.8 单个火花间隙1— 黄铜电极； 2— 云母垫片； 3— 间隙放电区



这种间隙的放电伏秒特性平缓，分散性小，冲击系数可以降低到 1.1左右，与被保护的绝缘配合较容易。多间隙串联后的间隙形成一个等值电容链，由于各电极对地和对高压端存在寄生电容，导致恢复电压在各间隙间的电压分布不均，影响了熄弧能力的充分发挥，故均在火花间隙上并联一组均压电阻，称为分路电阻。若干个火花间隙串联组成一个标准组合件，如图 10.9 所示。



图 10.9 普通阀型避雷器火花间隙1— 单元火花间隙； 2— 黄铜盖板； 3— 分路电阻； 4— 次套筒



阀型避雷器的限流电阻是由多个非线性电阻盘串联叠加而成的，这种非线性电阻盘又称阀片。阀片的作用是：当雷电流通过时，阀片呈低阻抗，在阀片上的电压（称为残压）受到限制。当工频续流通过时，由于电压较低，阀片呈高阻抗，因而限制了工频续流，使工频续流在第一次过零时熄灭。



阀型避雷器的工作原理为：在电力系统正常运行时，间隙将阀片电阻与工作母线分开，以免母线上的工作电压在电阻阀片上产生的电流烧坏阀片。当母线上出现过电压且其幅值超过间隙放电电压时，间隙击穿，冲击电流通过阀片流入大地。由于阀片的非线性特性，故在阀片上的压降将得到限制，使其低于被保护设备的冲击耐压，设备得到了保护。当冲击电压消失时，间隙中由于工作电压产生工频电弧电流并仍将流过避雷器，但受到阀片非线性特性作用，此电流较冲击电流小，从而在工频续流第一次过零时就将电弧切断，继电保护来不及动作系统就恢复正常。



② 磁吹阀型避雷器普通阀型避雷器依靠间隙的自然熄弧能力熄弧，故其灭弧性能不是很强，且阀片的通流能力有限。为了改进阀型避雷器的保护性能，人们在普通阀型避雷器的基础上发展了一种新的带磁吹间隙的阀型避雷器，简称磁吹避雷器。它的基本结构和工作原理与普通阀型避雷器相似，主要区别在于采用了灭弧能力较强的磁吹火花间隙和通流能力较大的高温阀片。



磁吹火花间隙是利用磁场对电弧的电动力，迫使间隙中的电弧加快运动、旋转或拉长，使弧柱中去电离作用增强，从而大大提高灭弧能力。磁吹间隙种类很多，目前我国生产的主要是限流式间隙。其单个间隙的基本结构如图 10.10 所示，间隙由一对角状电极组成，由工频续流通过与间隙相串联的线圈时产生的磁场是轴向的。因为磁吹间隙能切断的工频续流很大，所以磁吹避雷器采用通流能力较大的阀片电阻。这种阀片电阻是以SiC 为原料，在高温下（ 1350~1390℃）焙烧而成，所以称高温阀片。



图10.10

限流式磁吹间

隙

1—

角状电阻；

2—

灭弧盒；

3—

并联电阻；4

—

灭弧删



（ 4 ）氧化锌避雷器复合外套氧化锌避雷器是 20世纪 80年代发展起来的新技术、新工艺和新材料的集成产品。氧化锌避雷器（简称 CMOA ）将氧化锌电阻片的优良性能与新型硅橡胶相组合，具有优异的非线性、大的通流容量和持久的耐老化能力。它的关键元件是氧化锌阀片，是以氧化锌为主要原料，掺以各种金属氧化物，经高温烧结而成，其结构由氧化锌晶粒及期间的晶介层所组成。



当所加电压较低时，近于绝缘状态，电压几乎都加在晶界层上，流过避雷器的电流仅为微安级；而当电压增加时，其电阻率骤然下降呈低阻态，使流过避雷器的电流急剧增大，从而使被保护设备得到可靠保护。氧化锌避雷器的伏安特性如图 10.11 所示。



图 10.11 氧化锌电阻片的伏安特性



10.3 接地技术与接地装置



人体的不同部位，如手脚之间、两手之间或两脚之间受到电压的作用，在人体内产生电流，造成伤害，甚至危及生命安全，叫做触电。电流对人体有两种类型的伤害：电伤和电击。电伤是指由于电流的热效应等对人体外部造成伤害，如电弧灼伤和电烙印等。电击是指触电时电流通过人体，对人体内部器官造成伤害。严重的电伤和电击，都有致命的危险，其中电击的危险性最大，一般死亡事故都是由电击造成的。

10.3.1 人体触电



人触电时对人体的伤害程度，与通过人体的电流大小、电流的持续时间、电流通过的路径、电流的频率及人体的状况等多种因素有关。在各种因素中，电流的大小与电流的持续时间是主要因素。电流愈大，通过的时间愈长，对人的伤害程度愈严重。



根据相关研究数据，对于频率为 50Hz 的交流电流，其电流在 10~16mA 以上时，开始对人有危害，人触电后便不能自主摆脱电源；当超过 50mA 时，对人就有致命危险。但决定电流大小的人体电阻有很大的变动范围，可从 1500Ω 到几万欧不等，且与人的皮肤表面状况、接触面积、人的体质等因素有关。在最恶劣的情况下人体电阻的最小值可达 800~1000Ω ，人体所接触的电压只要达到 0.05× （ 800~1000 ） =40~50(V) ，就有致命危险。



通常是人站在天然的导电地面上，手接触带电体而发生触电。统计表明，多数触电事故是由于直接接触或接近电路的裸带电部分而造成的；另外，约 20% 的事故是由于电气设备的绝缘损坏，致使金属外壳、基础构架等发生非正常带电而引发的。前一类称之为直接触电，防止这类触电的办法是采用电气隔离，并且正确地执行电气设备安全运行的组织措施和技术措施；后一类称为间接触电，除了加强绝缘的定期监测和维修，另一种办法就是采用接地保护。绝缘损坏并不都是由于外部原因引发的偶然现象。任何绝缘的老化都是必然的，而老化的绝缘便随时可出现绝缘故障。



所谓接地，即将电气设备的某些金属部分用导体（接地线）与埋设在土壤中的金属导体（接地体）相连接，并与大地做可靠的电气连接，从而使接地点对地保持尽可能低的电位。按照接地的作用不同，电气装置的接地主要有工作接地、保护接地、防雷接地三种。

10.3.2 接地装置的作用及分类



（ 1 ）工作接地：为了保证电气设备在正常和事故情况排除故障下都能可靠地工作而进行的接地，叫做工作接地。（ 2 ）保护接地：电气设备的带电导体和操作工具的绝缘损坏，有可能使电气设备的金属外壳、钢筋混凝土杆和金属杆塔等带电，为了防止其危及人身安全而进行的接地，称为保护接地。（ 3 ）防雷接地：防雷接地指为雷电保护装置向大地泄放雷电流而设的接地，如避雷针、避雷线和避雷器的接地就是防雷接地。



10.3.3.1 保护接地的作用所谓保护接地，就是在中性点不接地的低压系统中，在正常情况下将电气设备不带电的金属部分与接地体之间作良好的金属连接。当电气设备未作保护接地时，当电气设备某相绝缘损坏，使设备的金属外壳带电，人体一旦接触设备，即与故障相的对地电压接触，这对人体是非常危险的 ,如图 10.12 （ a ）所示；采用保护接地后，当电气设备某相绝缘损坏时，故障电流如图 10.12（ b ）所示。

10.3.3 人工定额的编制



图 10.12 保护接地的作用（ a ）无保护接地；（ b ）有保护接地；（ c ）有保护接地人体碰壳



当金属外壳等有保护接地时 , 设备外壳上的对地电压 UM 为：

式中 I——单相接地电流。 R—— 接地装置的电阻。

当人触及设备外壳时，接地电流将沿着接地体和人体两条通路流过，如图 10.11 （ c ）所示，此时通过人体的电流 Im 为：

式中 Rm—— 人体电阻，一般为 1000Ω左右。

RIUM

)( mm RRRII （ 10.4 ）

（ 10.3 ）



因为 R 一般为 4～ 10Ω ，加之线路对地分布电容的容抗较大，因此，流经人体的电流极小，从而保护了人身安全。为了保证流经人体的电流在安全电流值以下，必须使 R《 Rm 。安全电流的取值一般为：交流电流 33mA ，直流电流 50mA 。显然，在中性点不接地的系统中，不采取保护接地是很危险的。



处于相电压下的金属外壳对人体的安全构成的威胁还与系统中性点的运行方式有关。在中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统中，通过触电者的电流将是单相接地的电容性电流（或过补偿感性电流），其数值以安培计，会对人构成威胁；在中性点直接接地系统中，加在触电者身上的电压是相电压，若在高压系统中将导致人体迅速被烧毁。



此外，故障时带电设备外壳的对地电压等于接地电流与电阻的乘积，接地电阻越小，外壳对地电压就越低，其数值若低于安全电压就可以保证人身的安全。采用保护接地是通过限制带电外壳对地电压或减小通过人体的电流来达到保证人身安全的目的。适当选择接地装置的接地电阻 R ，就可以保证人身的安全。



10.3.3.2 接地电阻、接触电压和跨步电压电工中的 “地” 是指地中不受入地电流的影响而保持着零电位的土地。将电气设备导电部分和非导电部分的某一点通过导体与大地进行人为连接，使设备与大地保持等电位的方法，称为接地。



图 10.13 接地装置原理图UM— 接地点电位； I— 接地电流；

Uj— 接触电压； Uk— 跨步电压



当接地点有电流注入时，该点相当于无穷远处有确切的电压升高。把接地点处的电位 UM 与接地电流 I 的比值定义为该点的接地电阻 R ，即： R=UM /I （ 10.5 ）当接地电流一定时，接地电阻 R越小，则电位 U

M越低，反之越高。此时地面上的接地体也具有了电位 UM ，不利于电气设备的绝缘及人身安全，因此需要降低接地电阻值。接地装置的接地电阻，等于接地线、接地体和电流散流所遇到的全部电阻之和。



在发生接地故障时，位于分布电场内的人体受到的电压有接触电压和跨步电压两种。当人站在设备的附近地面，用手触及到设备的外壳时，加于人手与脚之间的电压，称为接触电压 Uj ，此电压通常是指人站在离设备水平距离 0.8m处，手触到设备外壳离地面垂直距离 1.8m处所受到的电压，即： Uj= UM-U （ 10.6 ）

式中 U —— 触电者站立处的电压。



当人在分布电压区域内行走时，两脚之间所承受的电压，称为跨步电压。人的步距一般按 0.8m计算，则地面水平距离为 0.8m 的两点间的电位差 Uk （即跨步电压）为：

Uk=U1-U2 （ 10.7 ）

式中 U1 、 U2 —— 两脚落点的地面电位。



10.3.4.1 保护接零的作用在中性点直接接地的 380/220V三相四线制电网中，为了保证人身安全，常采用保护接零。所谓保护接零（又称接零保护）就是在中性点接地系统中，将电气设备在正常情况下不带电的金属部分与零线作良好的金属连接，如图 10.14 所示。

10.3.4 保护接零



图 10.14 保护接零



10.3.4.2 零线的重复接地需要指出的是，在接零系统中，没有重复接地是不行的。如图 10.15 （ a ）所示，如果零线没有重复接地，一但出现了零线断线，当断线处后面的电气装置发生了带电部分碰壳事故时，就会使断线处后的其他设备外壳带电，会造成人体触电或其他电气事故。有重复接地时，如图 10.15（ b ）所示，在断线处前电动机外壳上的电压接近于零值，断线处后的电动机其保护方式变成保护接地，其外壳上的电压降低，所以提高了保护接零的安全性。



图 10.15 零线的重复接地（ a ）没有重复接地；（ b ）零线重复接地



10.4

接地装置的要求及敷设

10.4 接地装置的要求及敷设


电气设备需要接地的部分与大地的连接是靠接地装置来实现的，它由接地体和接地引线组成。接地体有人工接地体和自然接地体两大类。人工接地体指专门为接地需要而在地中埋设的接地体，有垂直和水平两种敷设方式。

10.4.1 接地系统的构成



垂直接地体常用圆钢或角钢垂直打入地中冻土层以下，以使接地电阻不致由于冬季土壤表面冻结和夏季水分蒸发而引起很大的变动。水平接地体一般用圆钢或扁钢在地中水平敷设，深度一般为 0.6～ 0.8m 。自然接地体是指利用埋设在水下或地中的各种金属部件构成接地体，如混凝土中埋设的钢管、钢筋混凝土基础、轨道、各种地下金属管道等。电气设备的接地部分与接地体连接用的金属导体称为接地引线。接地引线也有可能是天然的，如建筑物墙壁中的钢筋等。



10.4.2.1 必须接地或接零的部分（ 1 ）电机、变压器、开关电器、耦合电容器、电抗器和照明器具以及工、器具等的底座及外壳。（ 2 ）金属封闭气体绝缘开关设备（ GIS ）的接地端子。（ 3 ）发电机中性点柜外壳、发电机出线柜和大电流封闭母线外壳等。（ 4 ）电气设备的传动装置。

10.4.2 电气装置中必须接地和不接地的部分



（ 5 ）互感器的二次绕组。（ 6 ）配电、控制、保护用的屏（箱、柜）及操作台等的金属柜架。（ 7 ）屋内、外配电装置的金属架构和钢筋混凝土架构及靠近带电部分的金属围栏。（ 8 ）交、直流电力电缆接线盒、终端盒的外壳、电缆的外皮和穿线的钢管等。（ 9 ）装有避雷线的电力线路的杆塔。（ 10 ）在非沥青地面的居民区内，无避雷线的小接地短路电流架空电力线路的金属杆塔和钢筋混凝土杆塔。



（ 11 ）装在配电线路上的开关电器、电容器等电力设备的底座及外壳。（ 12 ）铠装控制电缆的外皮、非铠装或非金属护套电缆的 1～ 2根屏蔽芯线。



10.4.2.2 不需接地或接零的部分（ 1 ）在木质、沥青等不良导体地面的干燥房间内，交流额定电压 380V 及以下、直流额定电压440V 及以下的电力设备外壳，但有爆炸危险的场所除外。（ 2 ）在干燥场所，交流额定电压 127V 及以下、直流额定电压 110V 及以下的电力设备外壳，但有爆炸危险的场所除外。（ 3 ）安装在配电盘、控制台和配电装置间隔墙壁上的电气测量仪表、继电器和其他低压电器的外壳，以及当发生绝缘损坏时，在支持物上会引起危险电压的绝缘子金属底座等。



（ 4 ）安装在已接地的金属架构上的设备（应保证电气接触良好），如套管等，但有爆炸危险的场所除外。（ 5 ）额定电压 220V 及以下的蓄电池室内支架。（ 6 ）与已接地的机床底座之间有可靠电气接触的电动机和电器的外壳，但有爆炸危险的场所除外。（ 7 ）由发电厂、变电站和工业企业区域内引出的铁路轨道，但运送易燃易爆物的铁路轨道除外。



当不同电压等级的电气设备共用一个接地装置时，接地电阻应为其要求的最小值。为保证接地电阻的可靠性，接地电阻值应在流过短路电流时，一年四季都能满足要求。在设计接地装置时应考虑到接地极的发热、腐蚀以及季节变化的影响。防雷装置的接地电阻只需考虑雷雨季节中土壤干燥状态的影响。

10.4.3 对接地电阻的要求



在电力系统中，由于接地性质和接地方式不同，所要求的接地电阻值也不同，一般以允许对地电压值和单相接地短路电流来确定。对接地电阻值的规定如下：（ 1 ）低压电力系统电气装置的接地电阻：① 配电变压器低压侧中性点的工作接地电阻一般不应大于 4Ω ，但当变压器容量不大于 100kV·A 时，工作接地可不大于 10Ω 。非电能计量的电流互感器的工作接地电阻，一般可不大于 10Ω 。



② 保护接地电阻值一般不应大于 4Ω ，但当配电变压器容量不超过 100kV·A 时，保护接地电阻可不大于 10Ω 。在高土壤电阻率地区的接地电阻不大于 30Ω 。③ 中性点直接接地的低压电力网中，采用保护接零时应将零线重复接地，且接地电阻值不应大于 10Ω 。但当变压器容量不大于 100kV·A且重复接地点不少于三处时，允许接地电阻不大于 30Ω 。



（ 2 ）高压电力系统电气装置的接地电阻：① 在小接地短路电流系统中，如果高压与低压设备共用接地装置，则漏电时设备对地电压不应超过 120V ，因此要求接地电阻 R≤120/I ，但不应大于 4Ω ；当变压器容量不超过100kV·A 时，接地电阻不宜大于 10Ω 。② 在小接地短路电流系统中，如果高压设备采用独立的接地装置，则漏电时设备对地电压不应超过 250V ，因此要求接地电阻 R≤250/I ，但不宜大于 10Ω 。其中 R 为考虑到季节变化的最大接地电阻（ Ω ）； I 为计算用的接地电流（ A ）。③ 在大接地短路电流系统中，一般地，当 I≤4000A 时，接地装置的接地电阻应符合 R≤2000/I ；当 I＞ 4000A 时，接地电阻应不大于 0.5Ω 。其中， I 为计算用的接地短路电流。



（ 3 ）独立避雷针的接地电阻，在土壤电阻率不大于 500Ω·m 的地区不应大于 10Ω 。（ 4 ）发电厂和变电站有爆炸危险且爆炸后可能危及主设备或严重影响发、供电的建筑物，防雷电感应的接地电阻不应大于 30Ω 。（ 5 ）发电厂的易燃油和天然气设施防静电接地的接地电阻不应大于 30Ω 。



10.4.4.1 接地装置的布置按接地装置布置方式的不同，接地体分为外引式接地体和环路式接地体两种，接地线分为接地干线和接地支线两种 , 如图 10.16 所示。人工接地装置的布置，应使接地装置附近的电位分布尽可能地均匀，尽量降低接触电压和跨步电压，以保证人身安全。如接触电压和跨步电压超过规定值时，应采取措施保证人员安全。敷设接地体时，可以成排布置，也可以环形或放射形布置。

10.4.4 接地装置的敷设



图 10.16 接地装置示意图1-- 接地体； 2-- 接地干线； 3-- 接地支线； 4-- 电气设备



10.4.4.2 接地装置的敷设（ 1 ）垂直接地体不宜少于两根。为减少相邻接地体的屏蔽作用，每根垂直接地体的长度不宜小于 2.0m ，间距不宜小于其长度的两倍；水平接地线相互间距不宜小于 5.0m ，水平接地体的间距不宜小于 5m 。接地体埋深不应小于 0.6m 。（ 2 ）接地体与建筑物之间的距离不应小于 3m ，与独立避雷针的接地体之间的距离不应小于 5m 。



（ 3 ）环形接地网之间的相互连接干线不应少于两根，接地干线至少应在两点与地网相连接。对大电流接地系统的发电厂和变电站，各主要部分接地网之间宜采用多根连接。为了确保接地的可靠性，自然接地体至少应在两点与接地干线相连接。（ 4 ）接地线沿建筑物墙壁水平敷设时，离地面宜保持250～ 300mm 的距离，接地线与建筑物墙壁间应有 10～ 15mm 的间隙。（ 5 ）接地线应防止发生机械损伤和化学腐蚀。钢制接地装置最好采用镀锌元件，并在焊接处涂沥青防腐。与公路、铁道或化学管道等交叉的地方，以及其他有可能发生机械损伤的地方，接地线应采取保护措施。在接地线引进建筑物的入口处，应设标志。



（ 6 ）接地线的连接需注意以下几点：① 接地装置的地下部分应采用焊接，其搭接长度要求是，扁钢为其宽度的 2倍，圆钢为其直径的 6倍；接地线与电气设备的连接应采用螺栓连接，接地线与接地体之间可采用焊接或螺栓连接，采用螺栓连接时，应加装防松垫片。② 直接接地或经消弧线圈接地的变压器、发电机的中性点与接地体或接地干线连接，应采用单独的接地线，其截面及连接宜适当加强。③ 电力设备各接地部分应以单独的接地线与接地干线相连接。



（ 7 ）接地网中均压带的间距应考虑设备布置的间隔尺寸，尽量减小埋设接地网的土建工程量及节省钢材。发电厂、变电站中重要设备及设备架构等宜有两根与主接地网不同地点连接的接地引下线，且每根接地引下线均应符合热稳定的要求，连接引线应便于定期进行检查测试。



（ 1 ）定期巡视和检查对于接地装置，一般情况下检查周期为每年一次；对于各种防雷装置的接地引下线，每年在雷雨季节前应检查一次。对巡视与检查发现的问题和缺陷应及时处理，以确保运行安全。运行中的接地装置巡视与检查的内容如下：① 检查接地线或接零线与电气设备的金属外壳及接地网的连接是否良好，有无松动脱落等现象。

10.4.5 接地装置的检查与维护



②检查接地线有无损伤、碰断及腐蚀等现象。③对含有重酸、碱、盐或金属矿岩等化学成分的土壤地带的接地装置部分，一般每五年应挖开局部地面进行检查，观察接地体受腐蚀的情况。④对接地线地面下 50cm 以上部位，应挖开地面进行检查，观察其腐蚀程度。⑤对于移动式电气设备的接地线，在每次使用前应检查其接地线情况，观察有无断股等现象。⑥定期检测接地装置的接地电阻值，其数值不应大于规定值。检测接地电阻要在土壤电阻率最大的季节内进行，即夏季土壤最干燥时期和冬季土壤冰冻最深时期。



(2) 日常维护工作① 要经常观察人工接地体周围的环境情况。②对于接地装置与公路、铁道或管道等交叉的地方，应检查保护措施是否完好，接地线有无碰伤损坏。③ 接地装置在接地线引进建筑物的入口处的标志是否完好明显。④电气设备在每次大修后，应着重检查其接地线连接是否牢固。⑤明敷的接地线表面所涂的标志漆应完好。⑥当发现运行中接地装置的接地电阻不符合要求时，应采取措施降低接地电阻。



小结防雷与接地是防止发电厂和变电站中电气设备损坏和防止人体触电的实用技术。本章主要从工程实际出发，介绍了防雷接地技术与接地装置。防雷部分主要介绍了雷电的形成、雷电流对发电厂和变电站的危害及工程中常用的防雷设备。接地技术是防止人体受到电击，保证电力系统正常运行，保护线路和设备免遭损坏，预防电气火灾，防止雷击和防止静电的基本措施，该部分主要介绍了保护接地、保护接零的基本原理。接地装置是将雷电流引入大地，或使绝缘损坏的漏电流顺利引入大地的装置，该部分主要介绍了接地电阻、对接地电阻的要求及接地装置的敷设与维护。

小结

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主编：李家坤朱华杰主审：陈光会

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