接地裝置的運行與發(fā)熱

接地裝置的運行與發(fā)熱第1頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五

第一節(jié)接地網(wǎng)的工頻電位一、穩(wěn)態(tài)電位發(fā)生接短接時，接地網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電位升高等于短路電流和接地網(wǎng)接地電阻的乘積

Uw=IR(5-1)上式中計算用的入地短路電流，是指單相或兩相接地短路電流的周期分量超始有效值。在計算這一分量時，一般不考慮接地短路點存在過渡電阻或接地電阻，按金屬性短路考慮。按式（5-1）計算的接地電位，是沒有考慮瞬間變周期短路電流的衰減的，因而用來驗算接觸電勢和跨步電勢是偏于安全的。二、暫態(tài)電位計入短路電流非周期分量的影響后，接地網(wǎng)的工頻暫態(tài)電位升高為第2頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五三、暫態(tài)電阻接地短路發(fā)生在接地網(wǎng)的最初瞬間，接地網(wǎng)的電位并不決定于流經接地網(wǎng)入地短路電流的大小，而是由電壓波的折、反射過程來決定的。當三相母線中的任何一相母線的電壓剛達到幅值，而恰巧就是這一相母線發(fā)生接地短路時，接地網(wǎng)的瞬間電位升高最為嚴重。這時，相當于一個幅值為工頻相電壓的直角波投射到接地網(wǎng)上，接地網(wǎng)的瞬間電位等于折射波的大小。參照圖5-1，應用彼德遜規(guī)則，我們可以寫出接地網(wǎng)上的瞬間電位為圖5-1計算地網(wǎng)瞬時電位參考圖(5-2)

(5-3)

第3頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五式中U——工頻相電壓幅值， UN——額定線電壓；Z0——接地網(wǎng)波阻抗；Z——接地短路相的等值波阻；Z1——回線路一相導線的波阻；n-——出線回路數(shù)。由式（5-3）可以看出，接地網(wǎng)的波阻愈大，發(fā)電廠或變電所的出線回線回數(shù)愈多，接地網(wǎng)的瞬間電位就愈大。如接地網(wǎng)波阻的平均值為31Ω；一回線路導線波阻的平均值為470Ω；出線回路數(shù)由1增加到6，由式（5-3），接地網(wǎng)的瞬時電位可達對于110-330kV電壓等級的發(fā)電廠和變電所，考慮到電網(wǎng)最大工作電壓，在發(fā)生接地短路最初瞬間，接地網(wǎng)的瞬間時電位為第4頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五110kV，Uch=6.2-29kV；220kV，Uch=12.4-58kV；330kV，Uch=17.8-82.5kV。

由此可見，接地網(wǎng)的瞬時電位比工頻穩(wěn)態(tài)電位大得多。它和雷擊時接地網(wǎng)沖擊電位的作用相似，會使設備受到沖擊反擊過電壓的作用，有可能使電子元件損壞。當然，這一電壓波的折、反射過程十分短暫，很快就轉變?yōu)楣ゎl短過程，接地網(wǎng)的電位變變?yōu)橛嬋攵搪冯娏鞣侵芷诜至康墓ゎl暫態(tài)電位，再迅速衰減到由短路電流周期分量起始有效值決定的工頻穩(wěn)態(tài)電位。由于上述原因，在作工頻接地短路試驗時，在接地短路點串入的電流互感器，除按接地網(wǎng)的暫態(tài)電位選擇電流互感器的電壓等級外，還應驗算接地網(wǎng)的瞬時電位。否則有可能發(fā)生嚴重的閃絡事故，危及人身設備安全。最后，需要指出：由于短路電流非周期分量的大小，與接地短路的電壓相角有關，當瞬間電位為最大時，暫態(tài)電位就是考慮它們最嚴重的情況，而不是指同一個電壓相角的時間前、后出現(xiàn)的兩個電壓最大值。第5頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五

第二節(jié)地網(wǎng)電位升高及其限制措施接地短路發(fā)生在接地網(wǎng)內時，流經接地網(wǎng)的入接短路電流產生的接地電位為UW=(Imax-IZ)(1-Kfl)R(5-4) 式中Imax——接地短路點的最大短路電流，A；IZ——不經接地網(wǎng)入地直接流回變壓器接地中性點的短路電流，A；Kfl——接地網(wǎng)內短路時，“地線一桿塔”接地系統(tǒng)的分流系數(shù)；R-——接地電阻，。分析式（5-2）可以知道，為了使接地電位升高及其地面上的電位分布于不至于達到傷害人體的程度，可以采用下述措施：一、對接地電位升高的限制第6頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五（1）增大系統(tǒng)零序阻抗，減小接地短種路電流，例如斷開系統(tǒng)中部直接接地的變壓器中性點。（2）減小接地電阻，例如加大接地網(wǎng)的面積，采用水下地網(wǎng)、深埋接地體、人工改善土壤電以及有效利用自然接地體等方法。

二、均衡電位接地的采用由于上述兩種措施常常受到客觀條件的限制，通常還不能滿足要求，在這種情況下，可以采用均衡電位接地。一般有以下等方法。1、均壓其目的是減小接地網(wǎng)內的接觸電勢和接地網(wǎng)跨步電勢。在高壓配電裝置的地下，設置水平敷設的人工接地網(wǎng)，接地網(wǎng)的外緣閉合,網(wǎng)內設置均壓帶；盡可能地將建筑物的鋼盤、埋于地下的金屬管道以及其他可資利用的金屬結構物等連成通路，且與接地網(wǎng)可靠連接。采用前一項措施，可以將接地網(wǎng)內的最大接觸電勢降低到（0.1-0.15）Uw；采用后一項第7頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五措施，是為了造一個均衡電位接地系統(tǒng)，避免出現(xiàn)危險的電位差。

2、分流其目的是減小經接地網(wǎng)的入地短路電流，從而減小接地電位。例如：加強開關站到變壓器之間接地網(wǎng)連接帶的敷設，以使短路電流不經過接地網(wǎng)入地，而直接沿接地帶返回變壓器的中性點。當上述兩處是架空線路連接時，為了降低架空避雷線的阻抗，可以改用鋼芯鋁線。在開關站到變壓器或到主、副廠房的電纜溝中，專門敷設一根直流電阻較小的接地連接帶，充分利架空輸電線路“地線一桿塔”接地系統(tǒng)的分流作用。有必要時，尚可沿線路方向連續(xù)敷設幾個檔距的水平接地帶，并與桿塔桿接地裝置連接，或將進線保護的鋼質避雷線改為鋼芯鋁線。采用這些措施，可以將接地電位大降低。

3、限流其目的是減小人體被電擊時通過的電流。第8頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五采用快速繼電保護迅速切除接地短路，使人體受電擊時間限制在1s及以下；敷設碎石、礫石或瀝青混凝土等高電阻率的路面結構層，用以增加人體被子電擊時的串聯(lián)電阻，將通過人體的電流阻制在與電擊時間相對應的安全限制內。采用消弧線圈，或自動跟蹤影消弧線圈把單相接地電流補助掉，使補償后的殘流小到一定的范圍以內。采用接地選線裝置快速的把接地線路選出來，并切除。采用這些措施后可以將人體允許的接觸電勢和跨步電勢大提高。

4、防止地電位升高造成的反擊為了防止接地電位升高對低壓電子元器件裝置的反擊，除獨立的避雷針、線外、還要求全部接地的對象、包括配電裝置構架上的建筑物上裝設的避雷針、避雷線的接地都使用一個總的接地裝置；對可能將接地網(wǎng)的高電壓引向其他場所，或將低電位引進接地網(wǎng)范圍內的設施，采用隔離接地電位等措施；對要求單獨接地的特殊設備，它們的接地裝置可以通過擊穿保險器或放電器與總的接地裝置連接，以便正常時隔離，事故時均衡電位。第9頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五實踐證明：均衡電位接地的效果是十分顯著的。例如將接地網(wǎng)內的最大電勢降低到（0.1-0.15）UW但不采用高電阻率的路面結構層，人體電阻取1500Ω，電擊時間為1s，人體溫表允許的接觸所要求的接地電阻不應大于（R）或取平均值（R）。如果將接地網(wǎng)的最大接觸電勢降低到（0.1-0.15）UW，且采用高電阻率的路面結構層，考慮到路面結構層使用年久，電阻率由5000Ω·m下降到一半，人體允許的接觸電阻勢所要求的接地電阻不應大于（R）或取平均值（R）以上各算式中I為流經接地網(wǎng)入地的短路電流。第三節(jié)反擊過電壓及其保護

一、反擊過電壓第10頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五雷擊或系統(tǒng)發(fā)生短路時，設備的接地點可能具有升高的電位，從而使設備外殼與設備的導電部分之間產生高電壓。如果這個電壓達到一定的值就會導電部分或行人產生反擊放電，給設備和人身造成危害，這個電壓稱為反擊過電壓。反擊過電壓產生的原因在大致有以下幾方面：①接地裝置因散流而電位長高；②雷電流或短路電流在導線（或電纜外皮、接地下引線、建、構筑物鋼筋等）上產生電阻壓降、自感壓降和互感壓降；③高電位通過某些電容傳遞到其他地方時造成過電壓。(a)雷電流從樓頂入地；（b）與防雷地下部共地等效電路；（c）與防雷接地上部共地的等效電路圖5-2雷擊在樓時產生的反擊過電壓第11頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五當雷擊高層建筑物上的避雷或避雷帶時，雷電流經過建筑物的鋼筋流入地中。由于建筑物的鋼筋網(wǎng)還不是一個完全封閉的空心導體，因而在建筑物內仍然存在著強烈的電磁場。例如，有一根電線其一端在一層樓o點接地，而另一端b點在五層樓上（圖5-2），雖然鋼筋和電線都是接地的，但是雷擊時鋼筋柱a點和電線b點之間可能出現(xiàn)較大的電位差Uab,Uab的大小和電線bo的布線路徑有關。我們參照圖5-2（b）,雷電流ich流過鋼筋AB，鋼筋柱ao段的電阻為R1,一根電線在o點與鋼筋柱相連，則電線另一端b和鋼筋住a點之間的電位差Uab為Uab=Uao+Ubo=Uao-Ubo由于

因此（5-5）

第12頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五式中L1——鋼筋ao段的自感；M——鋼筋與電線之間的互感；——穿過回環(huán)I的磁通。由式（5-4）可知

a和b點之間的電位差并不等于a點和b點之間的電位差，而是要比這個電位差小一個互感電勢。因此，a和b之間的電位差，與電線

bo的布線路徑有關。如果電線緊貼著引下線（或鋼筋）布線，由于L1=M（或者說=0），a和b之間的電位差就減小到最小值，即鋼筋柱ao段的電阻壓降。由此可見，o點的低電位不能直接由電線轉移到b點，而是要在o點的低電位增加一個互感電勢后才能看成是轉移到了b點的電位。同理，當電線的b點和鋼筋柱的a點相連，但在o點分開[見圖5-2（c）],b點的高電位也不能直接由電線轉移到o2點，而是要在b點的要高電位上減小一個互感電勢后才能看成是轉移到了o2點的電位。因此，在雷電流電磁場中的電線是不能直接轉移低電位或高電位的。如果要說有軒移電位的話，那么被轉移的電位，己經不是原來的電位，而是疊加了一個互感電勢。第13頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五現(xiàn)在我們把電線換成電纜，電纜外皮的兩端分別與鋼筋柱a和o點相連（圖5-3）。電纜外皮的電阻為R2，電纜外皮的電流為i0,鋼筋ao段的電流為ich-io,我們可寫作式中L1——鋼筋ao段的自感；L2-——電纜外皮的自感；M——鋼筋和電纜之間的互感。整理式（5-6）可得（ich-io）R1+L1=ioR2+L2+M(5-6)（5-7）

第14頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五式中——穿過鋼筋與電纜外皮構成的回環(huán)I′的磁通。前己利用圖5-2（b）說明，當導線緊貼載流線時，導線流線之間的電位差就等于載流線的電流乘以載流線的電阻?，F(xiàn)在我們來求圖5-3中ab間的電位差，就可把電纜與圖5-2（b）相比較，從而得到圖5-3中ab間的電阻差為故電纜外皮兩端接下來建筑物的鋼筋時（或一般情況下電纜兩端接地時），鋼筋柱a點和電纜

圖5-3建筑物雷電流對電纜的影響（5-8）

比較式5-2（b）相比較，從而可以得出第15頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五芯線b點之間的電位差小于具有同樣的布線路徑，但為無屏蔽電線時a點和b點之間的電位差。如果電纜線緊貼著鋼筋柱布線，即=0，a點和b點之間的電位差便等于電纜外皮的電阻和鋼筋柱電阻的并聯(lián)值與雷電流的乘積。如果電纜外皮的電很大或與鋼筋接觸不良（在一般情況下為接地不良），則R2》R1，電纜外皮就失去了屏蔽作用。a和b點之間的電位差無屏蔽時a點和b點之間的電位差一樣。下面我們引進屏蔽系數(shù)的概念。為了簡化計算，仍用正弦電流代替雷電流。鋼筋（引下線）的自感和電纜外皮的自感可以認為是相等的，即L1=L2=L,式（5-6）可改寫為由此可得

(5-9)第16頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五式中K——電纜的屏蔽系數(shù)，其值等于電纜外皮兩端接地時芯線和外皮之間的電位差與電纜外皮兩端不接地時芯線和接地點之間的電位差之比。由式（5-12）可以看出，當R2增大時，屏蔽系數(shù)增大，R2趨于∞時，K=1，電纜外皮無屏蔽作用。R2減小時，屏蔽系數(shù)減小。若R2=0,K=0,電纜外皮起到完全屏蔽的作用。電纜的和（5-10）把式中（5-5）改寫為交流電流的形式，得(5-11)

式（5-10）和式（5-11）之比為（5-12）

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屏蔽系數(shù)和電纜電外皮的材料有關，例如：鉛包纜的屏蔽系數(shù)一般在0.8以上；鋁包纜的屏蔽系數(shù)在0.3-0.5之間（因為鋁的電阻系數(shù)小）；鋁包鋼帶鎧裝電纜的屏蔽系數(shù)在0.1以下，（因為鎧裝的電感大）。電纜外皮的材料相同，屏蔽系數(shù)隨電比纜直徑的增大（因R2減?。┒鴾p小。穿入兩端接地良好的鋼管內的電線，鋼管的屏蔽系數(shù)與鋼管的直徑大小有關。各種直徑鋼管的屏蔽系數(shù)列于表5-1，以供參考。表7-1鋼管的屏蔽系數(shù)（鋼管兩端接地）鋼管直徑（mm）屏蔽系數(shù)K鋼管直徑（mm）屏蔽系數(shù)K2550750.120.070.061001502000.0450.0350.03第18頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五綜上所述，雷擊時有很強變化的電磁場，導線等的自感和互感不能忽略，平時可忽視為等電位的各部分，此時它們之間可能產生較高電位差。即使使用屏蔽線，只要屏蔽線的外皮有線電流通過，屏蔽的芯線和外皮之間也會出現(xiàn)過電壓。

二、反擊過電壓的基本類型反擊過電壓除與地網(wǎng)的構造、沖擊接地阻抗的大小、雷電流的波形和幅值，以及和設備的輸入阻抗等因素有關外，主要決定于設備的引出線路不同，可以把反擊過電壓的分為電纜線路和架空線路兩種基本類型而分別加以研究。1．電纜電路采用外皮兩端接地或多點接地電纜線路，作為進出線的發(fā)電廠和變電所的中央控制室，以及其他高層建筑物安裝的電子設備，在雷擊建筑物時，電纜芯線和外皮之間的電位差，即反擊過電壓可用下述主法進行估算。設流過電纜芯線和外皮的電流分別為i1和i2,電纜外芯線和外皮的電阻分別為R1和R2，電纜首端與設備連接的輸入電阻第19頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五分別為Ze，電纜末端接有負載電阻R0。參見圖5-4，取電纜外皮電流i2的方向為正方向，將基爾霍夫第二定律用于電纜芯線——外皮回路，故設備輸入阻抗上的壓降反擊過電壓為式中i1——電纜芯線的沖擊電流；i2——電纜外皮電流的沖擊電流；——電纜芯線一外皮回路的磁通量；R1——電纜芯線的電阻；R2——電纜外皮的電阻；R0——負載電阻。（5-13）圖5-4計算參考圖第20頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五因為電纜芯線——外皮的磁通量等于電纜芯線電流和芯線以外皮為回路的電感的乘積。即=i1L1(5-14)用式（5-14）代入式（5-13），反擊過電壓為

式中L1——電纜芯線電感（以外皮為回路）。當電纜首端開路時，因i1=0,故由式（5-14）或式（5-15）得到反擊電壓為UF=i2R2(5-16)當電纜外皮是多點接地時，式（5-16）改寫為式中n——電纜外皮接地點的個數(shù)；i2j——第j段電纜外皮的電流；R2j——第j段電纜外皮的電阻。UF=i2R2-i1(R1+R0)-L1（5-15）（5-17）

第21頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五比較式（5-15）和式（5-16）可以看出，電纜首端開路時，反擊過電壓最大。例如：某高層建筑物現(xiàn)場雷擊試驗時，用幅值為483A，波形為5.8/70的沖擊電流，測得與12路載波機音頻間端連接的市話電纜（HQ-50×2×0.5）的反擊過電壓為35V，市話電纜開路時，反擊過電壓為55V。但是，用式（5-15）、式（5-16）和式（5-17）是不能直接計算出反擊過電壓的，因為上述各式中流過電流芯線和外皮的電流，很難用解析的方法計算出來。這種困難在于電纜芯線和外皮實際上就是雷擊建筑物時與接地網(wǎng)并聯(lián)的分流回路，而i1和i2則是流過這些部分流回路的電流，但類似這樣的分流回路，不僅量較多，而且結構十分復雜。困難還在于計算電纜芯線和外皮的電流時，與電纜在電磁場院中的布線路徑有關。由于這些原因，對反擊電壓的電研究，目前還停留在現(xiàn)場試驗和模擬實驗階段，流過電纜外皮的電流目前還只能用試驗方法來得到。第22頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五根據(jù)對埋在地下混凝土管中電纜進行的雷擊試驗，電纜外皮分流的電流實測值為6.6%。電纜全長約1000m，電纜外皮與建筑物二層樓的鋼筋連接，芯線開路。幅值為42A，波形為6/60μs的沖擊電流由建筑物補充敷設一根兩端接地的扁鋼，它起著分流作用，可以減小電纜外皮的電流。如果反擊過電壓超過了設備或電纜的允許沖擊絕緣強度，可將電纜外皮多點接地，或將電纜直接埋在地中，也可以將靠近電纜補充敷設一根兩端接地的扁鋼，它起著分流作用，可以減小電纜外皮的電流。當采用全塑電纜時，宜將1-2根備用芯線兩端接地，以代替外皮的屏蔽作用。但控制電纜只用一根芯線接地時，由于芯線的截面較小，電阻較大，故屏蔽效果不如鉛包或鋁包電纜，只能將反擊過電壓降低1/2左右。例如，用正弦衰減振蕩波，幅直為5050A的沖擊電流對距離保護裝置作的反擊過電壓的試驗表明，該裝置入口處電纜芯線和設備接地處之間的電位差，即反擊過電壓為為1700V，當用一根芯線兩端接地后，反擊過電壓降低到750V，為前者的44%。第23頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五電纜的反擊過電壓除了與電纜的結構（它決定電纜的屏蔽系數(shù)）、電纜外皮的接地情況等因素有關外，還和電纜離雷擊點的距離有關，顯然，距離遠者反擊過電壓低，因為雷擊點的高電位向電纜傳播過程中有衰減。

2．架空線路直接與架空電力線路連接的發(fā)電機，是這類反擊過電壓的典型例子。我們來討論雷擊發(fā)電廠主廠房時，發(fā)電機受到的反擊過電壓。參照圖5-5，圖中Uch,s為發(fā)電機外殼接地處的沖擊電位，其幅直為Uch,s,它等于而Uch為雷擊時的沖擊電壓，為沖擊波在地風上傳播時的衰減系數(shù)。圖中C為發(fā)電機的對地電容，Z為架空線路的波阻抗，二者乘積為時間常數(shù)（T=ZC）。從該圖不難理解有以下幾點：圖5-5分析發(fā)電機反擊過電壓參考圖第24頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五(1)發(fā)電機離雷擊點愈遠，沖擊電位衰減系數(shù)愈小，反擊過電壓愈小。(2)發(fā)電機的反擊過電壓與雷電流的波長有關，波長愈短，反擊過電壓愈小，因為電容C來不及充上較高的電壓。(3)發(fā)電機的對地電容愈大，時間常數(shù)也愈大，反擊過電壓就愈小。大容量的發(fā)電機，由于電容量大，故比小容量的發(fā)電機受到的反擊過電壓小。(4)架空線路的波阻愈大，時間常數(shù)也愈大，反擊過電壓就愈小。故發(fā)電機直接連接有多回架空線時，由于波阻并聯(lián)，數(shù)值減小，反擊過電壓就增大。在計算極短時間內反擊過電壓的瞬間變過程時，發(fā)電機可以用波阻來代替其對地電容，因此發(fā)電機的反擊過電壓的最初瞬變值為（5-18）

第25頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五式中Ze——發(fā)電機三相波阻抗，Ω;Z——架空線路三相波阻抗，Ω;——電位衰減系數(shù)；Uch——雷電流流入點的沖擊電壓幅值，kV。隨后是波過程，波過程結束后，發(fā)電機可視為電容。實際上不僅是發(fā)電機，對于其他設備采用架空線路引出時，它們的反擊過電壓，也可以按照上述方法進行分析。應當指出，上述關于架空線中波阻愈小，反擊過電壓愈大的結論，不適用于電纜線路，因為電纜在首端與發(fā)電機殼連接，完全改變了對架空線討論時的條件。因此，仍應按對電纜線路的分析來計算反擊分析。第四節(jié)沿電纜溝敷設接地線的作用在發(fā)電廠的變電所過程中，常常需要在電纜光臺敷設一根接地線，并與地網(wǎng)可靠連接。這根接地線的作用主要是為了減少控制電纜芯線和外皮（或和接地網(wǎng)）之間的工頻電位差，即第26頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五工頻反擊過電壓，以及為了將流過外皮的電流限制在外皮載流量的允許范圍內?，F(xiàn)在我們來討論它的作用原理。設電纜溝兩端接地網(wǎng)的接地電阻分別為RA和RB，流經接地網(wǎng)入地的短路電流為I，電纜溝中有一根全塑電纜（當然，電纜溝中不止一根電纜，但為了討論的方便，我們只研究一根電纜的情況）和一根兩端與接地網(wǎng)連接的接地線。參照圖5-6，可以寫出I1RA=I2（RB+Z2）（5-19）I=I1+I2（5-20）解上二式，流過接地線的電流為圖7-6電纜溝的接地作用第27頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五接地線上的壓降為全塑電纜芯線的電壓等于芯線電流和芯線自阻抗的乘積與接地線的電流和接地線與芯線互阻抗乘積之和。即U0=I0Z0+Z02（5-23）因芯線開路，故I0=0,上式改寫為U0=I2Z02（5-24）（5-22）（5-25）

由接地線阻的阻抗（5-26）

（5-27）第28頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五式中R2——接地線的電阻，；RA——接地網(wǎng)A 的接地電阻；RB——接地網(wǎng)B的接地電阻，；L2——接地線的自感，H；M02——接地線和電纜芯線間互感，H；I——流經接地網(wǎng)入地的短路電流，A；——電流角頻率，=2。由式（5-28）可看出：接地線的電阻R2愈小，反擊過電壓就愈??；接地線愈靠近電纜，由于（L2-M02）的差值減小，反擊過電壓就愈小。還可以看出：降低接地網(wǎng)的接地電阻RA，反擊過電壓并不按線性比例減小。如果我們將圖5-6中的全塑電纜換為有金屬外皮的電纜，且用兩端接地的電纜外皮來供替接地線，注意用電纜外皮的故U02為

（5-28）

第29頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五電阻R3代R2，外皮的自感L3代L2，由于外皮和芯線之間的互感M03與外皮的自感相等，故式（5-28）改寫為式中R3——電纜外皮的電阻，；L3——電纜外皮的自感，H。比較式（5-28）和式（5-29），當電纜外皮的電阻大小于或等于接地線的電阻時，反擊過電壓會顯著小減小。便電纜外皮允許的載流量，其值為（5-29）

圖5-7電纜溝電纜的反擊過電壓第30頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五如果這個是流超過電纜外皮允許的載流量，可能發(fā)生外皮溶化或穿孔。據(jù)資料介紹，當RA為1.4，RB為0.2,單相接地短路電流為115kV,敷設在電纜溝中一根長度為2.5km的鉛包鎧裝控制電纜，外皮流過的電流可達560A，芯線和外皮之間的電位差可達700V。如果在電纜溝中敷設一根面積為100mm2的銅接地線，電纜外皮電流減小到320A，芯皮電位差減小到400V。當在電纜溝中敷設一根接地線，參照圖7-7，可以寫出下列方程式組I1RA=I2Z2+L3Z23+（I2+I3）RB（5-31）I1RA=I3Z3+L3Z23+（I2+I3）RB（5-32）I=I1+I2+I3（5-33）解上列方程組，流過電纜外皮和接地線的電流分別為

（5-30）

（5-34）

第31頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五由于電纜芯線開路，流過芯線的電流為零，故芯線和外皮這間的電位差，即反擊過電壓為U0=I2ZO2+I3ZO3（5-36）U3=I3Z3+I2Z23 （5-37）將I2、I3代入上列兩式，用U3減U0，則芯線和外皮之間的電位差，即反擊過電壓為U03=U3-U0式中Z2——接地線自阻抗，Z2=R2+jωL2；Z3——電纜外皮自阻抗，Z3=R3+jωL3；Z23——接地線和電纜外皮互阻抗，Z23=jωM23；Z02——接地線和電纜芯線互阻抗，Z02=jωM02；（5-35）

（5-38）

第32頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五Z03——電纜外皮和芯線互阻抗，Z03=jωM03=jωL3；為了簡化計算，我們假定接地線和電纜靠得非常近，即認為L2≈L3式中R2——接地線的電阻，；R3——電纜外皮的電阻，；L2——接地線自感，H；L3——電纜外皮自感，H；M02——接地線和電纜芯線互感，H；M23——接地線和電纜外皮互纜，H；RA——接地網(wǎng)A的接地電阻，；故式中（5-38）改寫為

(5-39)

第33頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五RB——接地網(wǎng)B的接地電阻，；I——流經接地網(wǎng)入地的短電路電流，A；ω——電流角頻率，ω=2πf

。由式（5-39），當電纜無外皮，則因R3趨于無限大，故得式（5-28）；當電纜有外皮，但無接地線，則因R5趨于無限在，故得到式（5-29）。如將全塑電纜一根兩端接地芯線，代替接地線時，由式（5-28）；因L2≈M02，故反擊過電壓為

式中——全塑電纜接地芯線的電阻，；L2′——全塑電纜接地芯線的電阻，；但由于全塑控制電纜的芯線截面較小，電阻較大，故反擊過電壓較高。綜合上述分析，可以得出：（5-40）

第34頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五（1）采用全塑電纜時，宜沿電纜溝敷設1-2根可靠接地的接地線，該接地線應每隔5-8m與接地網(wǎng)均壓帶可靠的連接一次。如果同時還將每根全塑電纜的1-2根芯線兩端接地，對減小反擊過電壓的效果更好。（2）采用有金屬外皮的電纜時，除將外皮和鋼鎧和兩端接地外，為減小流過外皮的電流和反擊過電壓，也宜沿電纜溝敷設接地線，并每隔5-8m將接地線與地網(wǎng)相連。（3）為固定電纜架沿電纜溝預埋40mm×4mm的扁鋼，只要與接地網(wǎng)可靠接連接后，就可以起到上述接地線的作用。（4）電纜溝的接地線因長期運行在潮濕的環(huán)境中容易腐蝕，因此，要在可可靠的防腐措施并定期運行接地線的作用。（5）電纜溝內的接地線，只是作為電纜溝均壓用，不宜作為擴建地網(wǎng)主連接帶。第35頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五第五節(jié)沖擊反擊過電壓

一、雷擊獨立避雷針、線引起的反擊電壓雷電流經過獨立避雷針的支柱或引流線和接地體流入地中時，在支柱和接地體會上產生很高的沖擊電位。因此，要求支柱和接地體與附近的導線、構架以及電力設備的接地網(wǎng)之間保持足夠的距離，以免因反擊過電壓造成擊穿放電，引起事故。取雷電流的平均陡度為0.333IchkA/μs.避雷針計算高h處的高壓（kV）可用下式計算Uch=Ich(Rch+0.33L’h)(5-41)式中L′——支持構筑物單位長度的電感，Μh/m;h——計算高度m;Rch——沖擊接地電阻，kA；Ich——雷電流幅直，kA。式（5-41）中的L′、h,可由表5-2查出。第36頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五由式（5-41），取雷電流幅直為150kA,，避雷針支柱電感為1.3Μh/m,參見圖5-8，A點的沖擊電壓為Uch=150Rch+65h空氣中平均擊穿強度約600Kv/m,故避雷針計算高度h處與被保護物之間的空氣距離Sk(m)為名稱計算高度的電感L′h(μH)10m15m20mπ或π型構架鋼結構或鋼筋混凝土圓形電桿避雷針4.513719.51026表7-2計算高度的電感圖7-8獨立避雷針支柱和接地體被保護物之間距離第37頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五取土壤的平均穿強度為500Kv/m，故獨立避雷針的接地體與發(fā)電廠和變電所的接地網(wǎng)以及地下金屬管道、金屬 結構物之間的距離Sd(m)為采用避雷針保護時，一端絕緣另一端接地的避雷線，由雷擊點與配電裝置帶電部分、發(fā)電廠和變電所設備接地部分之間空氣距離Sk(m)為（取避雷線電線和其支柱的電感相同，約2μH/m）Sk≥0.3Rch+0.16(h+△S)(5-45)式中h——避雷線支柱高度，

m；△S——避雷線上雷擊與接地支柱間距離，m；對于兩端接地的避雷線≈0.3Rh+0.1h

(5-42)

(5-43)第38頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五Sk≥μ［0.3Rch+0.16(h+△S)］式中μ——分流系數(shù)；S——避雷線兩支柱間距離，m；一端接地的避雷線在地中的接地體，與保護物的地中接地體之間的距離，可按（5-43）計算，兩端接地的避雷線距離（m）則為Sd≥0.3μRch(5-46)除上述之外，對于避雷針、線，Sk不宜小于5m,Sd不宜小于3m。在一般情況電阻率地區(qū)，獨立避雷針、線的工頻接地電阻不宜大于10Ω。地電阻率為10-500Ω·m時，集中接地體的沖擊系數(shù)近似在0.667-1之間，故獨立避協(xié)針、線的沖擊接地電阻，可以用工頻接地電阻作為標準，以便于現(xiàn)場測量和檢查。在設計獨立避雷針、線時還應注意：(5-45)

第39頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五（1）嚴禁在裝有避雷針=線的構架上設低壓線、通信線和廣播線。（2）避雷針及其接地體與道路或行人經常出入的地方距離不宜小于3m,否則應采取均壓措施，或鋪設礫石、卵石和瀝青混凝土路面。（3）在高電阻率地區(qū)或在布置上有困難，而地中距離不能滿足至少大于3m的要求時，可以采用瀝青或瀝青混凝土作為絕緣離層。瀝青混凝土的平均穿強度約為土壤的3倍，故隔層的厚度b可由下式決定b=0.15Rch–0.5S(5-47)式中S——接地體之間實際距離，m；絕緣隔離層的深度和厚度還應滿足S1+S2+b≥Dd(5-48)式中S1——隔離層邊緣到主接地網(wǎng)的最小距離，m；S2——隔離層邊緣到避雷針接要體的最小距離，m；b——隔離層厚度，m。第40頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五（4）有非金屬雷針構架裝力設照明燈時，電源線必須采用有金屬外殼或穿在金屬管內的導線，沿構架下后直埋地10m以遠，才允許與35kV及以下配電裝置的接地網(wǎng)及低壓配電裝置相連。機械通風冷卻塔上電動機的電源線，也應照此處理。（5）利用避雷構架裝設有避雷針時，避雷針的接地體應與主接地網(wǎng)及引風機及其電動機的接地裝置分開。如不能分開，引風機的電動機電源線應采用有金屬外皮且接地的導線。裝設在主廠房屋頂?shù)恼彰鳠綦娫淳€，應采用有金屬外皮或穿管接地的導線。設計裝設在配電裝置構架上的避雷針、線時，應注意：

（1）裝設有避雷針、線上的配電裝置構架，除在附近裝設中集中接地體外（埋設3-5根垂直接地體），宜將結構架的橫擔和鄰近支柱與接地網(wǎng)相連，以便加強分流，擴大接地網(wǎng)的利用范圍，降低沖擊接地電阻。裝有避雷針的構架接地部分與帶電部分間的空氣距離，不得小一絕緣子串的等效空氣長度。第41頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五避雷針接地線與接地網(wǎng)的地下連接點至變壓器接地線地下連接點接地體長度不得小于15m。在變壓器的門型構架上不應裝設避雷針。（2）110kV及以上的配電裝置，一般可以將避雷性裝在配置的構架上或房頂上。雷擊避雷針時，絕緣子串不發(fā)生閃絡所要求的沖擊接地電阻可用下式估算式中U50%——絕緣子串50%正極性沖擊放電電壓，kV；Ich——協(xié)電流幅值，kA；L′——構架單位長度電感，Μh/m；h——絕緣子串懸掛高度，m。電壓等級為110kV時，取Ich為150kA,高度為10m

的構架電感為4.5μH，6片X-4.5型絕緣子的U50%為1315kV,允許的沖擊接地電阻為（5-49）第42頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五當雷電流波頭時間為3-6μs,80×80m2的水平接地網(wǎng)，在地電阻率為500-1000Ω·m的時，沖擊接地電阻約3.7-7.2Ω。因此，對于110kV配電裝置，在地電阻率大于500Ω·m的地區(qū)，對于220kV配電裝置，在地電阻率大于1000Ω·m的地區(qū)，宜裝設獨立避雷針。（3）60kV的配電裝置，Ich為150kA，L′ｈ為4.5μH，6片X-4.5的U50%為620KV，絕緣子串不閃絡時允許的沖擊接地電阻為（4）35KV的配電裝置，取Ich為150kA，L′ｈ為4.5μH，4片X-4.5的U50%為450KV，絕緣子串不閃絡時允許的沖擊接地電阻為第43頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五當水平接地網(wǎng)的面積為20×20m2，地電阻率為100Ω.m，沖擊接地電阻約3.2~4.1Ω，可見，即使地電阻率較低，也不宜在35KV配電裝置的構架或房頂上裝設避雷針。（5）從以上計算可以看出，能否在配電裝置的構架或房頂上裝設避雷針，與所取雷電流幅值的大小、供電對象的重要性以及和沖擊接地電阻的大小有關；而沖擊接地電阻的大小，又和接地網(wǎng)的面積、構架的分流情況以及和地電阻率的高低有關。（6）35-60kV配電裝置在地電阻率不大于500Ω.m的地區(qū)，允許將線路的避雷線引接到出線門構架上。地電阻率大于500Ω.m地區(qū)，線路避雷線應在線路終端桿上終止。二、避雷器接地線引起的反擊過電壓在一些發(fā)電廠，由于布置上的原因，避雷器的接地線相當長，避雷器離變壓器相當遠。當避雷器動作時，變壓器處可視為零電位，因此，除了避雷器的殘壓外，還有接地線的電感壓降和接地電阻壓降。如果避雷器到變壓器的電氣距離已經接近允許的臨界值時，變壓器就得不到避雷器的有效保護。第44頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五取通過避雷器的雷電流為5kV，斜角波頭時間5μs，避雷器端子的電壓為式中UBL——避雷器殘壓，kV

l——接地線長度，mL′——接地線單位長度的電感，取1.7ΜH/mRch——地網(wǎng)沖擊接地電阻，Ω這個幅值為Uch，波頭時間為τt（仍近似為避雷器預放電時間）的斜角波傳遞到變壓器后，還要引起震蕩。變壓器最大可能受到的振蕩過電壓為因此，由于避雷器接地線的電感和接地電阻上的壓降使變壓器受到的電壓（kV）為（5-50）（5-51）

第45頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五為了補償上述附加過電壓，避雷器變壓器的電氣距離需要減小，其計算式為式中——波頭陡度，Kv/mK——系數(shù)，Cr——變壓器入口電容，μFC′——導線單位長度對地電容，μF/mS——避雷器到變壓器的導線長度，m。(5-52)

（5-53）第46頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五第六節(jié)接電裝置的發(fā)熱及計算在電力系統(tǒng)中，工作電流或接地短路電流將經過接地線、接地體流向大地，當電流流經接地線和接地體時會引起金屬發(fā)熱。如果金屬導體的截面選擇的較小，在大的接地短路電流流過時，導體就可能因過熱而燒斷。當電流由接地體向周圍的土壤流散時，由于土壤電阻的存在，會引起土壤發(fā)熱，使土壤中的水分蒸發(fā)甚至汽化，引起土壤電阻率上升。而土壤電阻率的上升將進一步加劇土壤的發(fā)熱，如此惡性循環(huán)下去，嚴重時可以造成土壤燒結，使接地極不能正常工件。因此，需對接地裝置的發(fā)熱和熱穩(wěn)定進行認真的分析和計算。

一、電流長期流經半球形電極時土壤的溫升當電流經半球形接地極向土壤流散時，土壤由于接地電阻存在，土壤會發(fā)熱，土壤各點的溫升將達某一穩(wěn)定值。半球型電極土壤的發(fā)熱計算見圖5-9，先寫出在距球心為r的范圍內每秒產生的熱量p，即（5-54）

第47頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五在穩(wěn)定狀態(tài)中，當忽略空氣的傳熱時，這一熱量將經半徑為r的半球面向外傳導出去。從熱力學可知，物質每單位面積每秒所能傳導的熱量與溫升τ在空間的變化，即溫度梯度成正比，也和物質的導熱系數(shù)λ成正比，所以每秒由半徑r的半球面流出的熱量Q1為圖5-9半球形電機土壤的發(fā)熱計算（5-55）令式（5-54）等于式（5-55），可得（5-56）

第48頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五由于在r→∞處的溫升τ為零，而在r=a處溫升為最大，即τ=τm，于是將式（5-56）對r積分后，有（5-57）于是可得（5-58）

或

（5-59）

由于半球形電極的電位

，代入式（5-59）可得

（5-60）（5-61）第49頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五電極附近土壤的溫度在任何情況下都不允許升高到100℃，否則土壤中的水分將完全被蒸發(fā)掉，以致土壤的電阻增大到極大的數(shù)值。取土壤的導熱系數(shù)λ=1W/℃·M，土壤的電阻率ρ=100Ω·m，土壤的最大允許溫升τm=60℃，則由式（5-60）可求出電極的允許電位為又由于半球形電極表面的電流密度為

，由式（5-59）可得（5-62）如果電極的半徑a=1m，仍取土壤的最大允許溫升τm=60℃，則由式（5-62）可求出電極表面的最大允許持續(xù)電流密度（即土壤溫升最大處的電流密度）為第50頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五電極允許通過的最大持續(xù)電流則可由式（5-59）求得為電極允許通過的最大持續(xù)電流則可由式（5-59）求得為當a=2時，則有I=13.8A，J=0.55A/m2，可見通過電極的最大允許持續(xù)電流密度是相當小的。

二、電流短期流經半球形電極流散時土壤的溫升當電流通過接地電極的時間很短（約數(shù)秒鐘）時，可以不考慮熱的傳導而按絕熱過程來計算，即認為流過土壤某處的電流所產生的熱量全部用來提高土壤該處的溫度。以圖7-9中半徑r處的厚度為dr的半球殼為例，假定土壤的比熱（1m3土壤升高1℃所需的熱量）為r，在dt時間內土壤的溫升為dτ，則半球殼dr在dt時間內需吸收的熱量Q2應為而半球殼dr在dt的時間內所產生的熱量P1則為（5-63）

第51頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五也就是說，當時間t確定后，土壤短時發(fā)熱時的溫升將直接取決于流經土壤的電流密度J。由于半球形電極的最大電流密度出現(xiàn)在r=a處，因此短時發(fā)熱時土壤的最大溫升τm也出現(xiàn)在r=a處，即有（5-64）

令Q2=P1可得整理后有（5-65）

（5-66）

積分后可得（5-67）第52頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五取℃，t=2S，τm=60℃，代入式（5-67）即可得電極表面的最大允許短時短路電流密度為即短時發(fā)熱時電極表面的最大允許電流密度要比長期發(fā)熱時大很多。

三、土壤發(fā)熱的過渡過程土壤發(fā)熱的過渡過程是指土壤從通過電流開始到溫度達到穩(wěn)定溫升的全部過程。在過渡過程開始時溫升上升得很快，隨著時間的增加越來越慢，最后逐漸變?yōu)闇厣辉僭黾拥姆€(wěn)定狀態(tài)。圖5-10為土壤發(fā)熱的溫升曲線，寫成表達式為（5-68）（5-69）

第53頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五式中τm——土壤的穩(wěn)定溫升TT——土壤溫升的時間常數(shù)由于長期發(fā)熱和短時發(fā)熱時關球電極的最大溫升τm均出現(xiàn)在r=a處，所以我們可只討論r=a處的溫升變化，這樣利用式（5-61）即可寫出式（5-69）中的τm為又考慮到在t=0+的很短時間內，土壤溫升的變化可按絕熱過程計算，因此，t=0時土壤溫升的上升速度可由式（5-66）圖7-10土壤發(fā)熱的溫升曲線（5-70）第54頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五確定，即有代入式（5-69）可得因此半球形電極周圍土壤溫升的時間常數(shù)將為不難看出，土壤發(fā)熱的時間常數(shù)除與土壤的兩個熱參數(shù)有關外，還和半球的半徑a的平方成正比。對半徑a=1m的半球形電極，其周圍土壤的發(fā)熱時間常數(shù)為當半徑a=2m時，TT將增至34.72d。（5-71）（5-72）（5-73）

第55頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五綜合半球形接地電極發(fā)熱的分析可知：（1）電極附近土壤發(fā)熱的時間常數(shù)將受電極形狀和尺寸的影響。（2）在土壤長期發(fā)熱時，允許經電極流散的最大電流和電極表面的最大允許電流密度，雖然和電極的尺寸有關，但土壤長期發(fā)熱時的溫升卻只和土壤的參數(shù)以及接地極的電位有關，不受電極的形狀和尺寸的影響。（3）在土壤短時發(fā)熱時，允許經電極流散的最大電流與電極的尺寸有關，但電極表面的最大允許電流密度則不受電極尺寸的影響，只和土壤的參數(shù)以及電極該點的電流密度有關。以上推導是按半球形電極導出的，與實際上的電極有很大的出入，對任意形狀的電極，由于電極各點的J不同，其溫升上升速度是不同的，如仍采用式（5-69）的土壤發(fā)熱的溫升方程，并取電極各點的穩(wěn)定溫升，則電極各點附近第56頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五土壤的發(fā)熱的時間常數(shù)將具有不同的數(shù)值，可表示為

即表面電流密度較小的電極附近的土壤具有較大的發(fā)熱時間常數(shù)。第七節(jié)交流地網(wǎng)的熱穩(wěn)定交流輸電系統(tǒng)分中性點不接地（6-35KV）、中性點經消弧線圈接地和中性點直接接地三種運行方式。在中性點不接地系統(tǒng)中，無論在正常工作還是系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時都不會有接地電流流經地網(wǎng)入地。在中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)中，在正常情況下，經地網(wǎng)入地的只是數(shù)值不大的不平衡電流。在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，經消弧線圈入地的電流是消弧線圈的補償電流，數(shù)值從數(shù)十安到數(shù)百安不等，且持續(xù)時間長，按規(guī)程規(guī)定為2h運行，實際上有的電網(wǎng)可達數(shù)小時之久。對中小型接地網(wǎng)，或北方位于土壤干燥區(qū)的接地網(wǎng)，應考慮接地網(wǎng)的熱（5-74）

第57頁，共65頁，2023年，2月20日，星期五穩(wěn)定。在中性點直接接地系統(tǒng)中會有高達數(shù)十千安的短路電流經地網(wǎng)入地，但持續(xù)時間不長，一般在0.5～3s左右。因此，應對其短時發(fā)熱的熱穩(wěn)定進行檢驗。如?。╩3·℃），t=2s，τm=60℃，則交流地網(wǎng)熱穩(wěn)定Jy的校驗即要求電極表面的最大允許電流密度Jy不得大于671A/m2。應該注意到，為了均衡地面的電位分布、減小跨步電勢和接觸電