供配電工程第9章防雷及過電壓保護與接地

1、第九章 防雷及過電壓保護與接地,第一節(jié) 雷電有關知識第二節(jié) 建筑物防雷第三節(jié) 交流電氣裝置的過電壓保護第四節(jié) 電氣裝置的接地與等電位聯(lián)結本章小結,一、雷電放電過程,第一節(jié) 雷電有關知識,雷電是雷云之間或雷云對地面放電的一種自然現(xiàn)象。在防雷工程中，主要關心的是雷云對大地的放電，稱對地雷閃。,能產生雷電的帶電云層稱為雷云。,雷云的形成主要是含水汽的空氣的熱對流效應。 雷云的形成過程是綜合性的。雷云起電機理：水滴破

2、裂效應，水滴結冰效應、吸收電荷效應等。 帶電云層一經形成，就形成雷云空間電場。,由此可見，雷電的成因源于大氣的運動。,負下行雷通常包括若干次重復的放電過程，而每次放電可以分為下列三個階段： 先導放電－－主放電－－余輝放電,雷云以帶負電荷居多，且有多個負荷中心。,圖9-1 雷云對地放電的發(fā)展過程和雷電流的波形,,二、有關的雷電參數,1.雷暴日 雷暴日是指該地區(qū)平均一年內有雷電放電的平均天數。

3、 雷暴日與該地區(qū)所在緯度、當地氣象條件、地形地貌有關。 Td 40，多雷區(qū)； Td >90，強雷區(qū),2.雷擊大地密度 雷擊大地密度是每年每平方公里雷擊大地的次數。,可根據雷暴日，按下式估算：,根據雷擊大地密度可以計算出地面建筑物或架空線路遭受的年預計雷擊次數，從而采取相應的防雷措施。,Td值越大，則防雷要求也就越高。,3.雷電流波形和參數,雷電流由一個或多個不同的雷擊組成：持續(xù)時間小于2ms的

4、短時間雷擊（包括首次和首次以后的后續(xù)短時間雷擊）持續(xù)時間大于2ms的長時間雷擊,短時間雷擊電流波形,雷電流波形表示：T1 /T2（μs）,波頭陡度定義為雷電流上升期間雷電流的上升率，即,首次短時間雷擊的電流波形取10/350μs；,三、雷電波在線路中的傳播,雷電波具有波的傳播特性，是電流波和電壓波伴隨而行的統(tǒng)一體。,雷電波在傳播過程中到達線路參數發(fā)生突變的節(jié)點處，還會發(fā)生折射和反射現(xiàn)象。,由于雷電波的等效頻率很高，通常采用分布參數電路

5、分析。,分布參數電路： 電流、電壓不僅是時間的函數，還是位置的函數，即： u=u（x，t），i=i（x，t）,集中參數電路： 電流、電壓只是時間的函數，在一個支路范圍內與位置無關。 u=u(t)，i=i(t),均勻無損的單導線,（一）雷電波的傳播速度和波阻抗,雷電波在導線中傳播時，其波頭的行進速度稱為雷電波的傳播速度，即,計算表明，雷電波沿架空線傳播的速度與光速（3×108m/s）相同，而在電

6、纜中傳播的速度約為上值的1/2～1/3。,定義波阻抗,,,,與集中參數電路的歐姆定律不同，波阻抗表征的是沿導線傳播的（對地）電壓波和電流波之間的動態(tài)比例關系，因為雷電波在傳播過程中必須遵循存在單位長度線路周圍媒質中的電場能量和磁場能量一定相等的規(guī)律。,與線路長度和負載性質無關,（二）雷電波的折射和反射,當雷電波沿傳輸線傳播，遇到波阻抗發(fā)生突變的節(jié)點時，都會在該節(jié)點上產生折射和反射。,,原因：由于節(jié)點兩側波阻抗的改變，會使雷電波的電場能量

7、和磁場能量重新分配，經過節(jié)點的雷電波的電壓和電流峰值也必然發(fā)生改變。,a）波通過節(jié)點前,b）波通過節(jié)點后， Z1＞Z2時,c）波通過節(jié)點后， Z1＜Z2時,雷電波的折射和反射特性對防雷設計具有重要影響。,線路末端開路時，波阻抗無窮大，波在節(jié)點處發(fā)生正的全反射。,末端電壓U2=u2f=2E,在反射波所到之處電壓提高1倍！,波經過并聯(lián)電容后，電壓不能突變。,末端開路時波的折反射,波從直角波變?yōu)橹笖?/p>

8、波。因此，只要增加C的值，就能把陡度限制在一定程度。,四、雷電作用的形式,（1）直接雷 直接雷是指雷電直接擊在架空線路、建筑物、其他物體或外部防雷裝置上產生電效應、熱效應和機械力者。,（2）雷電感應（感應雷） 雷電感應是指雷電對大地放電時在附近導體上產生的靜電感應和電磁感應，它可能使建筑物金屬部件之間產生火花放電，也可能導致電力線路的絕緣閃絡或損壞。,A點電壓幅值,由于受直接雷擊，被擊的架空線路、建筑物、

9、其他物體或外部防雷裝置上會產生很高的電位，從而引起過電壓。,,（3）雷電波侵入 雷電侵波入是指由于雷電對架空線路或金屬管道的作用（如直接雷或雷電感應），產生的雷電波可能沿著這些管線侵入變電所內或建筑物內，損壞電氣設備和危及人身安全。,（4）雷擊電磁脈沖（LEMP） 雷擊電磁脈沖是指雷電流的電磁效應，它包含傳導電涌（浪涌）和輻射脈沖電磁場效應。,電涌——指由雷擊電磁脈沖引發(fā)表現(xiàn)為過電壓和（或）過電流的瞬態(tài)

10、波。 電涌可由雷擊入戶電源線路或附近地面產生，并經電源線路本身傳導到電氣和電子系統(tǒng)；電涌也可由雷擊建筑物或附近地面而產生，通過環(huán)路感應或線路耦合的方式傳遞能量。,侵入到建筑物內的雷電波又稱為閃電電涌。,一、概述,第二節(jié) 建筑物防雷,雷擊大地可能對建筑物及服務設施（如供電線路、通信線路及其他服務設施）造成危害。建筑物或與其相連的服務設施遭雷擊會因雷電的機械、熱力、化學和爆炸效應造成建筑物（或其內存物）及服務設施的物理損

11、壞，也會因雷電產生的接觸電壓和跨步電壓導致人身受到傷害。不但建筑物或服務設施遭雷擊會導致建筑物內部電氣和電子系統(tǒng)故障，而且建筑物或與服務設施附近的雷擊也會因雷電流與這些系統(tǒng)間的阻性耦合及感應耦合產生的過電壓造成電氣和電子系統(tǒng)故障。用戶電氣裝置以及供電線路因雷電過電壓發(fā)生故障時也會導致在電氣裝置中出現(xiàn)操作過電壓。,影響建筑物以及服務設施的年平均雷擊次數既取決于所處地區(qū)的雷擊大地密度，又取決于它們的尺寸、性質和所處環(huán)境。,H＜100m時

12、，,H≥100m時，,k——校正系數。一般情況下：1；山頂上或曠野孤立的建筑物：2；金屬屋面沒有接地的磚木結構：1.7；河邊、湖邊、山坡下或山地中土壤電阻率較小處、地下水露頭處、土山頂部、山谷風口等處的建筑物，以及特別潮濕的建筑物：1.5；,建筑物年預計雷擊次數：,當所考慮建筑物的周邊在2倍擴大寬度范圍內有其他建筑物時，其等效面積的計算方法詳見GB50057－2010。,二、建筑物的防雷分類,建筑物應根據其重要性、使用性質、發(fā)生

13、雷電事故的可能性和后果，按防雷要求分為三類。,GB 50057－2010《建筑物防雷設計規(guī)范》,三、建筑物防雷裝置,建筑物防雷裝置是用以減少建筑物因雷擊引起物理損壞的整套系統(tǒng)，由外部防雷裝置和內部防雷裝置組成。,建筑物防雷裝置,外部防雷裝置,組成：接閃器、引下線和接地裝置作用：避免直接雷引起的電效應、 熱效應及機械效應。,內部防雷裝置,,,,組成：防雷等電位聯(lián)結或采用電氣絕緣作用：避免建筑物內因雷電感應

14、和高電 位反擊而出現(xiàn)危險火花,各類防雷建筑物對防雷裝置的具體要求依據GB 50057標準。,（一）接閃器及其保護范圍,接閃器是外部防雷裝置的一部分、用于截收雷擊的金屬構件，如避雷針（接閃桿）、避雷線（接閃線）、避雷帶（接閃帶）或避雷網（接閃網） （包括被利用作為接閃器的建筑物金屬體和結構鋼筋）。,安裝設計適當的接地良好的接閃器，可以積聚雷電感應電荷，在其頂端形成局部強場區(qū)，產生自下而上的迎面先導，將雷擊下行先導放

15、電的發(fā)展方向引向自身，從而大大減少雷電流侵入建筑物的概率。,1.避雷針,避雷針是明顯高出被保護物體的桿狀接閃器，其針頭采用圓鋼或管制成。,GB50057規(guī)定：避雷針的保護范圍采用滾球法確定。,單支避雷針的保護范圍：,雙支等高避雷針的保護范圍：,2.避雷線 避雷線一般采用截面不小于50mm2的鍍鋅鋼絞線，架設在被保護物的上方，以保護其免遭直接雷擊。,避雷線的保護范圍也采用滾球法確定。,當h小于2hr ,但大于hr 時,當h

16、小于或等于hr 時,單根避雷線的保護范圍：,3.避雷帶（網） 避雷帶通常是沿建筑物易受雷擊的部位如屋角、屋脊、屋檐和檐角等處敷設的帶狀導體，通常采用圓鋼或扁鋼。,避雷網是將建筑物屋面上縱橫敷設的避雷帶組成網格，其網格尺寸大小與建筑物的防雷類別有關。,避雷帶或避雷網主要適用于寬大的建筑物。避雷帶或避雷網一般無須計算保護范圍。當避雷帶或避雷網與其它接閃器組合使用，或者為了保護低于建筑物的物體而把避雷帶或避雷網處于建筑物屋頂

17、四周的導體當作避雷線看待時，可采用滾球法確定其保護范圍。,屋面上的所有金屬突出物，如衛(wèi)星和共用天線接受裝置、節(jié)日彩燈、航空障礙燈、金屬設備和管道以及建筑金屬構件等，均應與屋面上的防雷裝置可靠連接。高出屋面避雷帶或避雷網的非金屬突出物體，如煙囪、透氣管、天窗等不在保護范圍內時，應在其上部增加避雷帶或避雷針保護。,當建筑物高度超過其滾球半徑時，側面可能會遭受閃擊，特別是各表面的突出尖物、墻角和邊緣。但對低于60m的建筑物，通?？珊雎詡让骈W擊

18、。,此外，研究數據表明，在高層建筑物內，隨著與地面高差降低，其遭受側面閃擊的概率顯著減少。因而應在高層建筑物的上部（一般在建筑物高度的最上面20%且高于60m的部位）安裝側面接閃器保護。,表 防雷引下線的數量及間距,（二）引下線與防雷接地裝置,引下線是外部防雷裝置的一部分，將接閃器雷電流傳導至接地裝置。 為減少由于雷電流通過外部防雷裝置引起損壞的概率，引下線的布置應滿足下列要求： 1）有幾個并聯(lián)雷電流

19、通道存在； 2）雷電流通道的長度最??； 3）按防雷等電位要求，將建筑物導電部件進行等電位聯(lián)結。,防雷引下線應優(yōu)先利用建筑物四周的鋼筋混凝土柱或剪力墻中的主鋼筋，還宜利用建筑物的鋼柱等作引下線（自然引下線），其所有部件之間均應連成電氣通路。,當利用鋼筋混凝土中的鋼筋、鋼柱作為引下線并同時利用基礎鋼筋作為接地網時，可不設斷接卡。當利用鋼筋作引下線時，應在室內外適當地點設置連接板，供接地測量、接人工接地極和

20、等電位聯(lián)結用。,（三）接地裝置,接地裝置是外部LPS的組成部分，用于把雷電流引導并散入大地。,一般來說，建議采用較小的接地電阻（如有可能，低頻測量時小于10Ω）。從防雷觀點來看，接地裝置最好為單一、整體結構，這種結構可適用于任何場合。,一類防雷建筑物設置的獨立避雷針、架空避雷線或架空避雷網應設置獨立的人工接地裝置。每一引下線的沖擊接地電阻不宜大于10Ω。為了防止雷擊電流流過防雷裝置時所產生的高電位對被保護的建筑物或與其有聯(lián)系的金屬物發(fā)生

21、反擊，應使防雷裝置與這些物體之間保持一定的間隔距離。 二類和三類防雷建筑物防雷接地宜與電氣設備等接地共用同一接地裝置，并優(yōu)先利用鋼筋混凝土中的鋼筋作為接地裝置。,四、防雷擊電磁脈沖,雷擊電磁脈沖（LEMP）釋放出的數百兆焦耳的能量，對建筑物內電氣和電子系統(tǒng)中僅能承受毫焦耳數量級能量的敏感電子設備可產生致命的損害。 雷擊電磁脈沖的干擾主要有三種情況： 1）自然界天空中雷

22、電波電磁輻射對建筑物內部電氣電子設備的電磁干擾。 2）當建筑物的防雷裝置接閃后，流經防雷裝置的雷電流對建筑物內部電氣電子設備的電磁（感應）干擾。 3）有外部的各種架空、電纜線路用來的雷電電磁波（傳導電涌）對建筑物內部電氣電子設備的干擾。,（一）防雷區(qū)的劃分,防雷區(qū)（LPZ）是指雷擊時，在建筑物或裝置的內、外空間形成的閃電電磁環(huán)境需要限定和控制的那些區(qū)域。,防雷區(qū)的劃分,建筑物防雷區(qū)

23、（LPZ）劃分示例,LPZ0A,LPZ0A,LPZ0A,LPZ0A,LPZ0B,LPZ0B,LPZ0B,LPZ1,LPZ2,LPZ3,LPZ1,（二）屏蔽、接地和等電位聯(lián)結,1.屏蔽與布線,磁屏蔽能夠減小電磁場和內部感應電涌的幅值。,各交叉點做連接,金屬門框架,每根鋼筋做連接,金屬窗框架,每根鋼筋做連接,建筑物屏蔽,線路屏蔽,采用金屬屏蔽電纜,或采用密閉的金屬電纜管道、設備采用金屬殼體、鋼筋成格柵形的混凝土電纜管道等。,合理的內部布線可

24、以最大程度減小由線纜自身形成的感應回路的面積，從而減少建筑物內部電涌的產生。,2.接地,良好和恰當的接地不僅是防直擊雷也是防雷擊電磁脈沖的基本措施之一，通過接地裝置，可以將雷電流或電涌電流泄放到大地。,3.等電位聯(lián)結,每幢建筑物的防雷接地、電源系統(tǒng)工作接地、安全保護接地、等電位聯(lián)結接地以及配電線路和信號線路的電涌保護器接地等應采用共用接地系統(tǒng)。當互相鄰近的建筑物之間有電氣和電子信息系統(tǒng)的線路連通時，宜將其接地裝置互相連接。,等電位聯(lián)結可

25、以最大程度地減小防雷區(qū)內各系統(tǒng)設備或金屬體之間出現(xiàn)的電位差。穿過各防雷區(qū)界面的金屬物和系統(tǒng)，以及在一個防雷區(qū)內部的金屬物和系統(tǒng)均應在界面處做等電位聯(lián)結。,（三）電涌保護器的原理及特性,電涌保護器（SPD）有時也稱浪涌保護器，是用于限制瞬態(tài)過電壓和對電涌（浪涌）電流進行分流的器件，它至少包含一個非線性元件。,1.電涌保護器的類型,SPD類型很多，本節(jié)主要介紹電源系統(tǒng)保護用SPD。 按其使用的非線性元件特性分電壓開關型SPD（

26、沒有電涌時具有高阻抗，有電涌電壓時能立即轉變成低阻抗的SPD）電壓限制型SPD（沒有電涌時具有高阻抗，但是隨著電涌電流和電壓的上升，其阻抗將持續(xù)地減小的SPD）復合型SPD（由電壓開關型元件和電壓限制型元件組成的SPD）和多級SPD（具有不止一個限壓元件的SPD）等,2.電涌保護器的主要技術參數,（1）最大持續(xù)工作電壓Uc——允許持久地施加在上的最大交流電壓有效值或直流電壓。其值等于SPD的額定電壓。,（2）通流容量——通流容量為一

27、組參數，是由一系列標準化試驗（Ⅰ級分類試驗、Ⅱ級分類試驗和Ⅲ級分類試驗）確定。,標稱放電電流In——流過SPD具有8/20μs波形的電流峰值。Ⅰ級試驗的沖擊電流Iimp——它由電流峰值Ip和電荷量Q確定。其值代表SPD通過10/350μs波形雷電流的能力。Ⅱ級試驗的最大放電電流Imax ——流過SPD具有8/20μs波形的電流峰值。Imax大于In。,（3）電壓保護水平Up——表征SPD限制接線端子間電壓的性能參數，對電壓開關型SP

28、D指在規(guī)定陡度下最大放電電壓，對電壓限制型SPD指在規(guī)定電流波形下的最大殘壓。,（四）防雷擊電磁脈沖的典型方案,MB—總配電箱；SB—分配電箱；SA—插座a）采用大空間屏蔽和協(xié)調配合好的電涌保護器保護注：設備得到良好的防導入的電涌(U2＜＜U0和I2＜＜I0)和防輻射磁場(H2＜＜H0)的保護,采用LPZ1大空間屏蔽及LPZ2局部空間屏蔽和協(xié)調配合好的兩組SPD的LEMP防護系統(tǒng)，可以將輻射磁場和傳導電涌的威脅降低到較低水平。,b）

29、采用LPZ1的大空間屏蔽和進戶處安裝電涌保護器的保護注：設備得到防導入的電涌(U1＜U0和I1＜I0)和防輻射磁場(H1＜H0)的保護,采用LPZ1大空間屏蔽和LPZ1入口SPD的LEMP防護系統(tǒng)，可以使設備對輻射電磁場和傳導電涌得到一定的保護。,c）采用內部線路屏蔽和在進入LPZ 1處安裝電涌保護器的保護注：設備得到防線路導入的電涌(U2＜U0和I2＜I0)和防輻射磁場(H2＜H0)的保護,采用屏蔽線路和屏蔽外殼設備的LEMP防護

30、系統(tǒng)，可以對輻射電磁場進行防護；LPZ1入口SPD將對傳導電涌進行防護。,僅使用協(xié)調配合的SPD防護體系的LEMP防護系統(tǒng)，由于SPD只能對傳導電涌進行防護，因此僅適用于防護對輻射電磁場不敏感的設備。,d)僅采用協(xié)調配合好的電涌保護器保護注：設備得到防線路導入的電涌(U2＜＜U0和I2＜＜I0)，但不需防輻射磁場(H0)的保護,（五）配電線路電涌保護器的選擇與配合,1.類型選擇,SPD的類型應根據其安裝處的雷電防護區(qū)預期雷電涌流峰值的

31、大小選擇。,在LPZ0A或LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)交界處，在從室外引來的線路上安裝的SPD，因其線路上可能傳導雷電流，應選用符合 I級分類試驗的SPD，以保證雷電流大部分能量在此界面處泄入接地裝置。在LPZ1與LPZ2區(qū)及后續(xù)防雷區(qū)界面處，內部線路上出現(xiàn)的電涌電流主要是上一級SPD動作后的剩余電涌和本區(qū)域內雷電感應引起的電涌，當需要防護時，應選用符合Ⅱ級或Ⅲ級分類試驗的SPD。使用直流電源的信息設備，視其工作電壓要求，宜安裝適配的直

32、流電源線路SPD。,2.電壓保護水平選擇,SPD的電壓保護水平Up加上其兩端引線（至所保護對象前）的感應電壓之和，應小于所在系統(tǒng)和設備的絕緣耐沖擊電壓值，并不宜大于被保護設備耐壓水平的80％。,220/380V三相系統(tǒng)各種設備絕緣耐沖擊過電壓額定值,注：Ⅰ類——需要將瞬態(tài)過電壓限制到特定水平的設備；Ⅱ類——如家用電器、手提工具和類似負荷；Ⅲ類——如配電箱，斷路器，包括電纜、母線、分線盒、開關、插座等布線系統(tǒng)，以及應用于工業(yè)的設備和永

33、久接至固定裝置的固定安裝的電動機等一些其他設備；Ⅳ類——如電源進線處或其附近低壓配電箱前方的電氣計量儀表、一次回路過電流保護設備、紋波控制設備等。,3.通流容量選擇,電源線路SPD的通流容量值應根據其安裝位置遭受雷電威脅的強度和出現(xiàn)的概率來定。,戶外線路進入建筑物處，即LPZ0A或LPZ0B進入LPZ1區(qū)，例如在配電線路的總配電箱MB處安裝第一級SPD，其沖擊電流Iimp應大于其預期雷電沖擊電流值，當無法確定時不應小于10/350μs

34、，12.5kA。,,若第一級SPD的電壓保護水平加上其兩端引線的感應電壓保護不了室內分配電箱SB內的設備時，應在該箱內安裝第二級SPD，其標稱放電電流In不應小于8/20μs，5kA。當按上述要求安裝的SPD 所得到的電壓保護水平加上其兩端引線的感應電壓以及反射波效應不足以保護距其較遠處的被保護設備的情況下，尚應在被保護設備處裝設 SPD，其標稱放電電流In不應小于8/20μs，3kA。當被保護設備沿線路距分配電箱處安裝的SPD不大

35、于10m時，若該SPD 的電壓保護水平加上其兩端引線的感應電壓小于被保護設備耐壓水平的80%，一般情況在被保護設備處可不裝SPD。,4.最大持續(xù)運行電壓選擇,SPD的最大持續(xù)運行電壓Uc應不低于系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的最大持續(xù)運行電壓。,電源線路SPD最大持續(xù)工作電壓,5.其他要求,為了獲得最佳的過電壓保護，SPD的所有連接導線（是相線至SPD以及從SPD至總接地端子或PE母線）應盡可能短。工程應用時，SPD連接導線應平直，其長度不宜大于0.5

36、m。,SPD自身保護,1）工頻過電壓。選用較高Uc的SPD。 2）短路。采用過電流保護電器保護SPD。,SPD應具有劣化指示，便于及時更換。,電壓開關型SPD與限壓型SPD之間的線路長度不宜小于10m，限壓型SPD之間的線路長度不宜小于5m。,6.SPD級間配合,,一、概述,第三節(jié) 交流電氣裝置的過電壓保護,過電壓是指系統(tǒng)中出現(xiàn)的對絕緣有威脅的電壓升高和電位差升高。,電氣裝置過電壓,外部過電壓（雷電過電壓）,暫時

37、過電壓,操作過電壓,,內部過電壓,工頻過電壓,直接雷擊過電壓,,諧振過電壓,感應雷擊過電壓,,瞬態(tài)過電壓,,暫時過電壓——在給定安裝點上持續(xù)時間較長的不衰減或弱衰減的（以工頻或其一定的倍數、分數）振蕩的過電壓。,,瞬態(tài)過電壓——持續(xù)時間數毫秒或更短，通常帶有強阻尼的振蕩或非振蕩的一種過電壓。,工頻過電壓一般由線路空載、接地故障和甩負荷等引起。,因此，對110kV及以下電力網一般不需要采取專門措施限制工頻過電壓。,諧振過電壓包括線性諧振和

38、非線性（鐵磁）諧振過電壓，一般因通斷操作或故障通斷后引起系統(tǒng)電感、電容元件參數出現(xiàn)不利組合而產生諧振時出現(xiàn)的暫時過電壓。,因此，系統(tǒng)中應采取措施避免出現(xiàn)諧振過電壓的條件，或用保護裝置限制其幅值和持續(xù)時間。對于6~35kV不接地系統(tǒng)或消弧線圈接地系統(tǒng)，重點是預防電磁式電壓互感器過飽和產生的鐵磁諧振，如選用勵磁特性飽和點較高的電磁式電壓互感器，必要時裝設消諧器等。,操作過電壓一般由線路切合與重合、故障與切除故障、開斷容性電流和開斷較小或中等

39、的感性電流、負載突變等原因引起。,35kV及以下系統(tǒng)的操作過電壓保護，對于容性元件，主要是選擇性能良好的真空斷路器或SF6斷路器，避免斷開時重擊穿導致電荷疊加的過電壓；對于感性元件，主要是裝設金屬氧化物避雷器，限制快速截流產生的過電壓。,操作過電壓主要和斷路器（或熔斷器）性能、電力系統(tǒng)中性點接地方式密切相關。,操作過電壓通常是單極性的并且峰值時間在20μs和5000μs之間，半峰值時間小于20ms，又稱緩波前過電壓。,作用于輸配電線路的

40、雷電過電壓有：雷直擊于導線、雷擊于塔頂或避雷線后反擊導線而產生的過電壓；雷擊于線路附近的地面由于電磁場的激烈變化產生的感應過電壓。 作用于變電所的雷電過電壓來自：雷電對配電裝置的直接雷擊、反擊；架空進線上出現(xiàn)的雷電侵入波。,與操作過電壓不同，雷電過電壓的幅值與雷電流幅值成正比而與系統(tǒng)最高運行電壓無關。因此，對110kV及以下系統(tǒng)，過電壓保護的重點應是雷電過電壓。,雷電過電壓通常是單極性的、其波前時間在0.1μs和20μs

41、之間，半峰值時間小于300μs，又稱快波前過電壓。,現(xiàn)行電力行業(yè)標準GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護與絕緣配合設計規(guī)范》規(guī)定，用于變電所和電力線路的防雷保護時，避雷針、避雷線的保護范圍應按“折線法”來確定。,二、過電壓保護設備,（一）防雷接閃器,交流電氣裝置的防雷接閃器有避雷針和避雷線。,,,P——高度影響系數，h≤30m，P＝1； 30m＜h≤120m，P＝5.5/√h。,避雷針的高度一般選用20～30m，此時

42、θ＝45°。,1.避雷針的保護范圍,保護范圍的寬度：,高度為h的兩支等高避雷針的保護范圍,三、四支等高避雷針在hx水平面上的保護范圍,2.避雷線的保護范圍,接閃原理與避雷針相同。 輸電線路的避雷線作用：防止雷電直擊導線減少流經桿塔入地的雷電流從而降低桿塔電位避雷線對導線的耦合作用可以降低導線上的感應過電壓。,,保護范圍的寬度：,兩根平行避雷線的保護范圍,對35～110kV架空線路，一般取保護角α＝20°

43、;～30°。,避雷線的保護角,（二）避雷器（過電壓限制器）,避雷器——用于保護電氣設備免受高瞬態(tài)過電壓危害并限制續(xù)流時間也常限制續(xù)流幅值的一種電器，包括運行安裝時對于該電器正常功能所必需的任何外部間隙。,對避雷器一般有以下基本要求：避雷器應具有良好的伏秒特性曲線，并與被保護設備的伏秒特性曲線之間有合理的配合；避雷器應具有較強的快速切斷工頻續(xù)流且自動恢復絕緣強度的能力。,避雷器的常用類型有：保護間隙、排氣式（管型）避雷器、碳

44、化硅閥式避雷器、無間隙金屬氧化物避雷器和有間隙金屬氧化物避雷器等。,保護間隙、排氣式（管型）避雷器只適用于架空線路以降低瞬態(tài)雷電沖擊時絕緣子閃絡危險。,1. 碳化硅閥式避雷器,碳化硅閥式避雷器——由碳化硅非線性電阻片（又稱閥片）與放電間隙串聯(lián)組成的避雷器。 碳化硅閥片的電阻值呈非線性，其伏安特性如圖所示。,碳化硅閥片的伏安特性i1—工頻續(xù)流 u1－工頻電壓 i2－雷電流 u2－避雷器殘壓,碳化硅閥式避雷器,2. 無

45、間隙金屬氧化物避雷器（MOA）,無間隙金屬氧化物避雷器——由非線性金屬氧化物電阻片串聯(lián)和（或）并聯(lián)組成且無并聯(lián)或串聯(lián)間隙的避雷器。,金屬氧化物避雷器也是一種閥式避雷器，其閥片以氧化鋅為主要原料，具有極好的非線性伏安特性，如圖所示。,圖 氧化鋅閥片的伏安特性,與碳化硅閥式避雷器相比，無間隙金屬氧化物避雷器具有下列優(yōu)點：結構簡單；保護性能好，無工頻續(xù)流、無需串聯(lián)間隙，消除了因間隙擊穿特性變化造成的影響，保護特性僅由殘壓決定；吸收能

46、量大，非線性金屬氧化物電阻片單位體積吸收能量較碳化硅非線性電阻片大5～10倍，同時，電阻片或避雷器均可并聯(lián)使用，使吸收能量成倍提高；保護效果好，只要過電壓超過避雷器額定電壓，保護作用就開始，這對頻繁作用在被保護設備上的過電壓，減少異常絕緣擊穿，對延長設備的壽命有積極作用。運行檢測方便，能通過帶電試驗檢測避雷器特性的變化。,MOA的主要技術參數及其選擇：,（1）額定電壓Ur 施加到避雷器端子間的最大允許工頻電壓有效值，按照此電壓所設

47、計的避雷器，能在所規(guī)定的動作負載試驗中確定的暫時過電壓下正確地工作。它是表明避雷器運行特性的一個重要參數，但它不等于系統(tǒng)標稱電壓Un。,（2）持續(xù)運行電壓Uc 允許施加在避雷器兩端的工頻電壓有效值。該電壓決定了避雷器長期工作的熱老化性能。,表 MOA的持續(xù)運行電壓和額定電壓,（3）殘壓Ures 避雷器流過放電電流時兩端的電壓峰值。由陡波沖擊電流下（典型波形1/5μs）的殘壓、雷電沖擊電流下（典型波形8/20μs）的殘壓和操作沖擊

48、電流下（典型波形30/60μs）的殘壓構成。標稱放電電流下的殘壓Ures不應大于被保護電氣設備（旋轉電機除外）標準雷電沖擊全波耐受電壓的71%，以確保被保護設備的絕緣不被雷電過電壓損壞。,表 10kV系統(tǒng)中避雷器的選擇,有間隙金屬氧化物避雷器——由金屬氧化物電阻片與放電間隙串聯(lián)和/或并聯(lián)組成的避雷器。與無間隙金屬氧化物避雷器相比，增加了串聯(lián)間隙，使電阻片與帶電導體隔離，可避免系統(tǒng)單相接地引起的暫時過電壓和弧光接地或諧振過電壓對電阻片的

49、直接作用。但使用串聯(lián)間隙后，也就不再具備無間隙金屬氧化物避雷器的優(yōu)點。 有間隙金屬氧化物避雷器一般用于輸電線路或諧振過電壓多發(fā)的3～66kV中性點非直接接地系統(tǒng)中。,3. 有間隙金屬氧化物避雷器,三、變電所的雷電過電壓保護,變電所內的雷電過電壓來自雷電對配電裝置的直接雷擊及反擊；架空進線上出現(xiàn)的雷電侵入波。,（一）直擊雷過電壓保護,直擊雷保護措施主要是裝設避雷針或避雷線，使被保護設備處于避雷針或避雷線的保護范圍之內，

50、同時還必須防止雷擊避雷針或避雷線時引起對被保護物的反擊事故。,圖 雷擊獨立避雷針1－母線 2－變壓器 3－主接地網 4－防雷接地網,為了防止避雷針與被保護的配電構架或設備之間的空氣間隙Sa被擊穿而造成反擊事故以及為了防止避雷針接地裝置和被保護設備接地裝置之間在土壤中的間隙Se被擊穿Sa和Se應滿足下式要求：,,一般要求：Sa≥5m， Se≥3m,35kV變電所配電裝置的絕緣水平低，為防止反擊，應裝設獨立避雷針保護，不宜裝設

51、在高壓配電裝置架構或房頂上。 110kV及以上變電所配電裝置的絕緣水平較高，一般將避雷針架設在除變壓器門形構架以外的其他配電裝置的構架或屋頂上。裝在構架上的避雷針應與主接地網連接；但避雷針與主接地網的地下連接點處應加裝集中接地裝置（為加強對雷電流的散流作用、降低對地電位而附加敷設3～5根垂直接地極；在土壤電阻率較高的地區(qū)，則敷設3～5根放射形水平接地極）；該接地點至變壓器與主接地網的地下連接點之間，沿接地體的長度不得小于15m

52、。 已在相鄰高建筑物保護范圍內的建筑物或設備，如主控制室、電壓等級低的配電室等，可不裝設直擊雷保護裝置。 設置防雷接地裝置時，應采取措施防止接觸電壓和跨步電壓造成人身傷害。,（二）雷電侵入波過電壓保護,變電所限制雷電侵入波過電壓的主要措施是裝設避雷器，需要正確選擇避雷器的類型、參數、合理確定避雷器的數量和安裝位置。重點保護好變電所的關鍵設備變壓器。,（三）變電所的進線段保護,變電所的進線段保護是保證2km外線路導線上

53、出現(xiàn)雷電侵入波過電壓時，不引起變電所電氣設備絕緣損壞。 當架空線路未沿全線架設避雷線時，應在變電所1～2km進線段架設避雷線；當沿全線架設避雷線時，則應提高這段線路的耐雷水平，以減少這段線路內繞擊和反擊的概率。 進線段保護的作用在于限制流經避雷器的雷電流幅值和波頭陡度。,35～110kV變電所的進線段保護接線,6～10kV配電裝置雷電侵入波的保護接線,（四）配電系統(tǒng)的雷電過電壓保護,10(6)/0.4kV配電變壓器應

54、裝設氧化鋅避雷器保護。氧化鋅避雷器應盡量靠近變壓器裝設，其接地應與變壓器低壓側中性點接地（中性點不接地時則為中性點的擊穿保險器的接地端）以及金屬外殼接地等連在一起，構成防雷等電位聯(lián)結。 35/0.4kV配電變壓器，其高低壓側均應裝設氧化鋅避雷器保護。,四、絕緣配合,為了保證供配電系統(tǒng)電氣設備的安全，對于系統(tǒng)中出現(xiàn)的暫時和瞬態(tài)過電壓應采取相應的保護，使其和設備的絕緣水平相配合。 絕緣配合——指考慮所采用的過

55、電壓保護措施后，根據可能作用的過電壓、設備的絕緣特性及可能影響絕緣特性的因素，合理地確定設備絕緣水平的過程。,（一）絕緣配合原則,1.工頻運行電壓和暫時過電壓下的絕緣配合,工頻運行電壓下電氣裝置電瓷外絕緣的爬電距離應符合相應環(huán)境污穢分級條件下的爬電比距要求。變電所電氣設備應能承受一定幅值和時間的工頻過電壓和諧振過電壓，以電氣設備的短時(1min)工頻耐受電壓來表征。,2.操作過電壓下的絕緣配合,110kV及以下電氣裝置一般應能承受操作過

56、電壓的作用。當需用金屬氧化物避雷器限制某些操作過電壓的場合，則以避雷器的相應保護水平為基礎進行絕緣配合（對操作沖擊的配合系數一般取不小于1.15）。110kV及以下架空線路和變電所絕緣子串、空氣間隙的操作過電壓要求的絕緣水平，以計算用最大操作過電壓為基礎進行絕緣配合。,3.雷電過電壓下的絕緣配合,變電所中電氣設備、絕緣子串和空氣間隙的雷電沖擊強度，以避雷器雷電保護水平為基礎進行配合。根據我國情況，對雷電過電壓的配合系數取不小于1.4，以

57、電氣設備的額定雷電沖擊耐受電壓來表征。,（二）絕緣配合要求,依據GB 311.1－2012 《高壓輸變電設備的絕緣配合》。,五、低壓電氣裝置過電壓保護,低壓電氣裝置中可能出現(xiàn)兩種危及設備安全或人身安全的過電壓，一種是20 kV及以下變電所高壓側接地故障在低壓電氣裝置內引起的暫時過電壓，另一種是雷電在低壓電氣裝置中引起的瞬態(tài)過電壓。 雷電在低壓電氣裝置中引起的瞬態(tài)過電壓又有兩種情況： 一是遠處對地雷擊時地面瞬變電磁場在架

58、空電源線路上感應產生的瞬態(tài)過電壓，當其沿電源線路進入建筑物電氣裝置內，可能導致電氣設備絕緣擊穿事故；另一種為建筑物直接被雷擊或建筑物附近落雷時，強大的瞬變電磁場直接在電氣裝置內感應產生的雷擊電磁脈沖，嚴重威脅到建筑物電子信息系統(tǒng)的安全。,高壓側接地故障在TN系統(tǒng)中引起的工頻過電壓,（一）防暫時過電壓,低壓電氣裝置的暫時過電壓包括：高壓系統(tǒng)與地之間故障引起的工頻過電壓TN和TT系統(tǒng)中性導體開路引起的應力電壓相導體與中性導體間短路引

59、起的應力電壓IT系統(tǒng)意外接地引起的應力電壓。 以下僅介紹第一種工頻過電壓。,防護措施：建筑物內采用總等電位聯(lián)結建筑物外的路燈、廣告燈箱等采用局部TT系統(tǒng)。,當變電所在建筑物電氣裝置不在同一建筑物內時，變電所分設兩個接地極。,變電所高低壓設備的保護接地與低壓系統(tǒng)中性點接地分開設置,若不能分設接地極，則對TN系統(tǒng)，故障電壓應在規(guī)定的時間內被切斷（見GB16895.10－2010中圖44.A2曲線）。由于高壓系統(tǒng)繼電保護和開關動

60、作時間較長，這一條件難以實現(xiàn)。,高壓側接地故障在TT系統(tǒng)中引起的工頻過電壓,高壓側采用小電阻接地時，Id很大，因此Uf危及設備絕緣。,防護措施：降低Id和RB，使Uf小于1200V（標準規(guī)定）。,（二）防瞬態(tài)過電壓,低壓電氣裝置的瞬態(tài)過電壓值取決于供配電系統(tǒng)的類型（地下或架空），電氣裝置的電源進線端的來電側裝有低壓保護器件的可能性和供配電系統(tǒng)的耐壓水平。,1.耐沖擊類別,耐沖擊類別是根據對設備預期不間斷供電和能承受的事故后果來區(qū)分設備適

61、用性的不同等級。,表 220/380V三相系統(tǒng)各種設備絕緣耐沖擊過電壓額定值,2.自身抑制（靠系統(tǒng)本身絕緣水平） 當自電網引來的低壓電源線路全部為埋地電纜或架空的屏蔽層接地的電纜時，如果建筑物低壓電氣裝置內的設備已具有規(guī)定的耐沖擊過電壓水平，只要采取等電位聯(lián)結與保護接地措施，一般無需裝設防此類瞬態(tài)過電壓的電涌保護器（SPD）。 3.保護抑制（靠裝設保護電器的過電壓保護） 當低壓電源線路全部或部分為架空線路

62、時，除采取等電位聯(lián)結與保護接地措施，還需在電源進線處裝設Ⅰ級分類試驗（10/350μs波形）的電涌保護器來防范沿電源線路侵入的雷電脈沖過電壓（即雷電波侵入）。 當Yyn0型或Dyn11型接線的配電變壓器設在本建筑物內或附設于外墻處時，應在變壓器高壓側裝設避雷器；在低壓側的配電屏上，當有線路引出本建筑物至其他有獨自敷設接地裝置的配電裝置時，應在母線上裝設Ⅰ級分類試驗的電涌保護器；當無線路引出本建筑物時，應在母線上裝設Ⅱ級分類試驗（

63、8/20μs波形）的電涌保護器。電涌保護器的電壓保護水平值應小于或等于2.5kV。,,一、接地的有關概念,第四節(jié) 電氣裝置的接地與等電位聯(lián)結,（一）接地與接地裝置,埋入土壤或特定的導電介質（例如混凝土或焦炭）中、與大地有電接觸的可導電部分稱為接地極。 大地與接地極有電接觸的部分稱為局部地，其電位不一定等于零。 接地就是指在系統(tǒng)、裝置或設備的給定點與局部地之間進行電連接。,接地極,,人工接地極：為了接地而專門裝設

64、的接地極,自然接地極：兼作接地極用的直接與大地有電 接觸的可導電部分,系統(tǒng)、裝置或設備的接地所包含的所有電氣連接件和器件稱為接地裝置（接地配置），包括接地極或接地網、接地導體、總接地端子或總接地母線等。,C--外界可導電部分C1--水管, 引入的金屬管C2--排水管, 引入的金屬管C3--插入絕緣段的燃氣金屬管C4--空調 C5--供熱系統(tǒng)C6--水管，如浴室里的金屬水管C7--排水管，如浴室

65、里的金屬水管MDB--總配電盤DB--配電盤MET--總接地端子SEBT--輔助等電位聯(lián)結端子T1--埋入混凝土基礎內接地極或埋入土壤基礎內接地極T2--可能安裝的防雷裝置的接地極LPS--可能安裝的防雷裝置PE--配電盤內的PE端子(排)PE/PEN--總配電盤內的PE/PEN端子(排)M--外露可導電部分1--保護接地導體（PE）1a--如適用, 來自供電網絡的保護接地導體或PEN導體2--連接到總接地端子

66、的保護聯(lián)結導體3--輔助聯(lián)結的保護聯(lián)結導體4--如適用, 防雷裝置引下線5--接地導體,接地配置和保護導體的示例,（二）接地的分類,1.功能接地 功能接地——出于電氣安全之外的目的，將系統(tǒng)、裝置或設備的一點或多點接地。如電力系統(tǒng)的中性點接地（系統(tǒng)接地）。,2.保護接地 保護接地——為了電氣安全，將系統(tǒng)、裝置或設備的一點或多點接地。如：,防電擊保護接地——為間接接觸防護（故障防護）而將電

67、氣裝置或設備的外露可導電部分進行接地。（類型）防雷保護接地——為防止雷電過電壓而將雷電流、電涌電流泄入大地而設置的接地。防靜電接地——為消除靜電危害將靜電導入大地而設置的接地。,3. 電磁兼容性接地 電磁兼容性接地——為電磁兼容性所做的接地地。如屏蔽接地。,（三）對地電壓、接觸電壓和跨步電壓,電氣設備在發(fā)生接地故障時，入地故障電流，將通過接地極以半球形向大地中散開。,試驗表明，在距單根接地極或接地故障點20

68、m左右的地方，散流電阻值己很小，此處電位接近參考零電位，稱為參考地。,電氣設備接地點和接地極與參考地之間的電壓，稱為電氣設備接地故障時對地電壓。,由于散流球面積越大，其散流電阻越小。因此，在接地故障點附近，地面對地電壓分布不均勻。,圖 接觸電壓與跨步電壓 Ut—接觸電壓 Us—跨步電壓,預期接觸電壓——指人尚未觸及但可能被同時觸及的可導電部分之間的電壓。,跨步電壓——指大地表面相距1m（約為人的步距）的兩點之間的電壓。,二、接地