發(fā)電廠電氣裝置第六講過電壓與接地

杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化章堅(jiān)民

發(fā)電廠電氣安裝第六講(書本第九章)過電壓防護(hù)、接地

及電氣平安知識(shí)過電壓概念正常運(yùn)轉(zhuǎn)的電力系統(tǒng)，由于雷擊、倒閘操作、缺點(diǎn)或電力系統(tǒng)參數(shù)配合不當(dāng)?shù)染売?，?huì)使電力系統(tǒng)中某些部分的電壓忽然升高，成倍超越其額定電壓。這種電壓升高的景象稱為“電力系統(tǒng)過電壓〞。大氣過電壓或稱外過電壓由于直擊雷或雷電感應(yīng)面引起的過電壓稱為大氣過電壓或稱外過電壓。這種過電壓繼續(xù)時(shí)間很短，具有脈沖特性，雷電沖擊電流和沖擊電壓的幅值都很大，所以破壞性大。內(nèi)過電壓由于電力系統(tǒng)內(nèi)部操作或缺點(diǎn)而引起的過電壓稱為內(nèi)過電壓。內(nèi)過電壓繼續(xù)時(shí)間較長，過電壓的幅值和瞬時(shí)功率比外部過電壓來得小，但它同樣具有極大的破壞性。外過電壓和內(nèi)過電壓由于產(chǎn)生的緣由不同，變化的特性不同，因此所采用的防護(hù)方法也不完全一樣。雷云：潮濕熱氣流上升進(jìn)入稀薄大氣層冷凝而構(gòu)成。帶不同電荷雷云之間構(gòu)成強(qiáng)大電場，臨近地面的雷云在大地或建筑物感應(yīng)出電荷而構(gòu)成電場。1〕先導(dǎo)放電。當(dāng)電場強(qiáng)度到達(dá)使空氣絕緣破壞〔約25～30kV/cm〕,空氣游離，導(dǎo)電通道構(gòu)成，由雷云逐漸向地面開展。2〕主放電。到達(dá)異性電荷中心，開場主放電階段，電流可達(dá)幾十萬安，電壓可達(dá)幾百萬伏，溫度可達(dá)二萬攝氏度。3〕余輝放電。雷云中剩余電荷沿著雷電通道繼續(xù)流向大地。雷電放電速度很快，雷電流的幅值很大，陡度很高，且其電流的大小與土壤電阻率、雷擊點(diǎn)的散流電阻有關(guān)。

雷電過電壓的構(gòu)成,及特性6.4過電壓防護(hù)、接地

及電氣平安知識(shí)

〔1〕直擊雷——雷直接擊在建筑物和設(shè)備上而發(fā)生的機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)。變電所采用避雷針和避雷線作為直擊雷維護(hù)?！?〕感應(yīng)過電壓——雷電流產(chǎn)生的電磁效應(yīng)和靜電效應(yīng)。發(fā)生雷擊后，電氣設(shè)備感應(yīng)的電壓。雷電流的分類：直雷電過電壓和感應(yīng)過電壓〔三〕防雷設(shè)備1、避雷針與避雷線避雷針的維護(hù)范圍。常采用“滾球法〞來確定防雷設(shè)備滾球法半徑為45米的滾球在建筑物上的挪動(dòng)軌跡接閃器的維護(hù)范圍滾球半徑確實(shí)定〔表10－1〕單支避雷針雙支避雷針避雷線避雷線1〕110kV及以上的架空輸電線路，普通全線裝設(shè)避雷線；2〕35kV架空線只在進(jìn)變電所的1-2km線路上裝設(shè)避雷線；3〕10kV普通不設(shè)避雷線。線路與避雷線選擇避雷網(wǎng)當(dāng)建筑物較高。屋頂面積較大但坡度不大時(shí)，可采用避雷網(wǎng)作為屋面維護(hù)的接閃安裝。避雷網(wǎng)〔帶〕清楚裝和暗裝兩種。明裝避雷網(wǎng)〔帶〕一般可用直徑8mm的圓鋼或截面12x4mm2的扁鋼做成。為防止接閃部位的振動(dòng)力，宜將網(wǎng)〔帶〕支起10～20cm，支持點(diǎn)間距取1~1.5m，應(yīng)留意美觀和伸縮問題。暗裝時(shí)可利用建筑內(nèi)不小于3mm的鋼筋。2、維護(hù)間隙和避雷器維護(hù)電氣設(shè)備免遭入侵雷電波損壞。1維護(hù)間隙維護(hù)間隙和避雷器：第2道防線2、維護(hù)間隙和避雷器維護(hù)電氣設(shè)備免遭入侵雷電波損壞。2管型避雷器6.4過電壓防護(hù)、接地

及電氣平安知識(shí)管型避雷器技術(shù)管型避雷器技術(shù)是利用一種具有噴氣熄弧功能的間隙安裝，此安裝有內(nèi)外兩個(gè)間隙，外間隙類似維護(hù)間隙，兩極均固定在絕緣件上，內(nèi)間隙置于避雷器管內(nèi)，當(dāng)雷電過電壓內(nèi)外間隙擊穿時(shí)，雷電流和工頻短路電流經(jīng)管內(nèi)壁接地，管壁物質(zhì)受熱氣化，有較大壓力氣體經(jīng)內(nèi)間隙噴出管外，強(qiáng)迫間隙熄弧。管型避雷器技術(shù)也存在很多的缺陷：此裝置的的選用受安裝地點(diǎn)的限制，其次還受線路最大、最小短路電流的制約，最大短路電流大于避雷器的斷流上限時(shí)避雷器會(huì)爆炸；短路電流小于避雷器的斷流下限時(shí)就不能熄弧，避雷器能夠燒壞。另外管型避雷器多次動(dòng)作后，管內(nèi)徑會(huì)逐漸增大，熄弧才干會(huì)下降甚致消逝。3閥型避雷器6.4過電壓防護(hù)、接地

及電氣平安知識(shí)閥型避雷器的任務(wù)原理：當(dāng)系統(tǒng)正常時(shí)，火花間隙將閥片電阻和任務(wù)母線隔離，以免由任務(wù)電壓在閥片電阻中產(chǎn)生的電流使閥片電阻燒壞。一旦任務(wù)母線上的電壓超越其擊穿電壓值時(shí)，火花間隙將被擊穿并引導(dǎo)雷電流經(jīng)過閥片電阻泄入大地，此時(shí)閥片電阻的阻值將自動(dòng)變小以降低在其兩端構(gòu)成的殘壓。雷電流消逝后，作用在閥片電阻上的電壓即為工頻電壓，此時(shí)閥片電阻的阻值將自動(dòng)變大，限制了工頻續(xù)流以促使電弧快速可靠熄滅。〔2〕閥型避雷器由多個(gè)火花間隙和閥片電阻串聯(lián)構(gòu)成。

火花間隙極間間隔小，電場近似與均勻電場，伏秒特性比較平坦，易于實(shí)現(xiàn)絕緣配合。且多個(gè)間隙使工頻續(xù)流時(shí)電弧分段，短弧相對(duì)長弧而言，更易于切斷，提高了間隙絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)才干。閥片電阻的存在防止出現(xiàn)對(duì)絕緣不利的截波。它的非線性使經(jīng)過雷電流時(shí)呈現(xiàn)低電阻，以限制避雷器的殘壓，提高了維護(hù)性能；經(jīng)過工頻續(xù)流時(shí)呈現(xiàn)高電阻，電壓一定，以限制工頻續(xù)流，提高了滅弧性能。氧化鋅避雷器氧化鋅避雷器，其閥片以氧化鋅為主要資料，附以少量精選過的金屬氧化物，在高溫下燒結(jié)而成。氧化鋅具有很理想的非線性伏安特性。如下圖：〔1〕氧化鋅避雷器的任務(wù)原理：

在任務(wù)電壓作用下，流經(jīng)ZnO閥片的電流遠(yuǎn)小于1mA〔主要成分為電容電流〕，相當(dāng)于絕緣體，不會(huì)使閥片燒壞，所以可以不用串聯(lián)間隙來隔離任務(wù)電壓。當(dāng)作用在ZnO閥片上的電壓超越某一值〔起始動(dòng)作電壓U1mA〕時(shí)，將發(fā)生“導(dǎo)通〞，“導(dǎo)通〞后ZnO閥片的電阻很小，殘壓與流過它的電流大小根本無關(guān)。當(dāng)作用電壓降到動(dòng)作電壓以下時(shí)，ZnO閥片“導(dǎo)通〞終止，又相當(dāng)于絕緣體，因此不存在工頻續(xù)流。這就是MOA可以做到無間而又無續(xù)流的緣由?！怖纂娏鬟^去即變?yōu)榻^緣體，故只需雷電流經(jīng)過ZnO閥片〕

與碳化硅SiC閥片相比，ZnO閥片具有很理想的非線性伏安特性。〔2〕與由SiC閥片和串聯(lián)間隙構(gòu)成的傳統(tǒng)避雷器相比，氧化鋅無間隙避雷器具有下述優(yōu)點(diǎn)：

①構(gòu)造簡單，適宜大規(guī)模自動(dòng)化消費(fèi)，尺寸小，分量輕，造價(jià)低廉。

②維護(hù)性能優(yōu)越。由于ZnO閥片具有優(yōu)良的伏安特性，殘壓更低；在整個(gè)過電壓作用期間均能釋放能量，沒有火花，所以不存在放電時(shí)延，具有很好的陡波呼應(yīng)特性，特別適用于GIS氣體絕緣變電站、直流系統(tǒng)的維護(hù)。

③耐反復(fù)動(dòng)作才干強(qiáng)，只吸收過電壓能量，不需吸收續(xù)流能量。

④通流容量大。ZnO閥片單位面積的通流才干為SiC閥片的4~5倍?？勺鳛閮?nèi)部過電壓的后備維護(hù)。

⑤耐污性能好。由于沒有串聯(lián)間隙，因此可防止因瓷套外表不均勻污染使串聯(lián)火花間隙放電電壓不穩(wěn)定的問題，易于制造防污型和帶電清洗型避雷器?！膊皇芡獗砦廴居绊憽辰饘傺趸锉芾灼鳌睲OA〕金屬氧化物避雷器又稱為壓敏電阻避雷器。這是一種沒有火花間隙，只需壓敏電阻片的新型避雷器。輸電線路的防雷1、架設(shè)避雷線2、降低桿塔接地電阻3、架設(shè)耦合地線4、裝設(shè)自動(dòng)重合閘5、采用消弧線圈接地方式6、裝設(shè)管型避雷器7、加強(qiáng)絕緣變電所防雷維護(hù)變電所蒙受雷害能夠來自兩個(gè)方面：(1)雷直擊于變電所；(2)雷擊線路，沿線路向變電所入侵的雷電波。1、對(duì)直擊雷的維護(hù)，普通采用避雷針或避雷線。〔建筑物及電氣、電子設(shè)備等〕2、由于線路落雷頻繁，所以沿線路入侵的雷電波是變電所蒙受雷害的主要緣由。其主要防護(hù)措施是在變電所內(nèi)裝設(shè)閥型避雷器，在線路進(jìn)口及沿線布置，以限制入侵雷電波的幅值。2、變電所的直擊雷維護(hù)為了防止雷直擊于發(fā)電廠、變電所，可以裝設(shè)避雷針，應(yīng)該使一切設(shè)備都處于避雷針維護(hù)范圍之內(nèi)，此外，還應(yīng)采取措施，防止雷擊避雷針時(shí)的還擊事故。3、變電所內(nèi)閥型避雷器的維護(hù)作用變電所內(nèi)必需裝設(shè)閥型避雷器以限制雷電波入侵時(shí)的過電壓，這是變電所防雷維護(hù)的根本措施之一。

4、三相繞組變壓器的防雷維護(hù)當(dāng)變壓器高壓側(cè)有雷電波入侵時(shí)，經(jīng)過繞組間的靜電和電磁耦合，在其低壓側(cè)也將出現(xiàn)過電壓。為了限制這種過電壓，只需在任一相低壓繞組直接出口處對(duì)地加裝一個(gè)避雷器即可，中壓繞組雖也有開路的能夠，但其絕緣程度較高，普通不裝。

內(nèi)部過電壓產(chǎn)生的3大緣由：1.操作過電壓：1〕切斷空載線路或并聯(lián)電容器組時(shí)：能夠出現(xiàn)LC震蕩，從而產(chǎn)生過電壓。2〕切斷空載變壓器時(shí)；能夠出現(xiàn)磁能轉(zhuǎn)化為電能。2.電弧接地過電壓。3.諧振過電壓：LC參數(shù)，出現(xiàn)LC諧振，從而引起過電壓。內(nèi)部過電壓的三大緣由內(nèi)部過電壓與電力網(wǎng)的構(gòu)造、參數(shù)、中性點(diǎn)接地方式、斷路器的性能、操作方式等要素有關(guān)。防護(hù)措施1.閥型避雷器2、壓敏電阻3、調(diào)理電路參數(shù)4、裝設(shè)電容器—破壞諧振。內(nèi)部過電壓的防備一、接地，既將電氣設(shè)備的某些部分用導(dǎo)線〔接地線〕與埋在土壤中或水中的金屬導(dǎo)體〔接地體〕相銜接。按照接地的作用，電氣設(shè)備的接地主要有三種方式：⑴任務(wù)接地。任務(wù)接地是為了使電氣安裝正常任務(wù)而將電氣回路中的某一特定點(diǎn)接地，使之與地根本堅(jiān)持同電位。如三相系統(tǒng)中性點(diǎn)直接接地，或經(jīng)小電阻或消弧線圈接地。⑵維護(hù)接地。維護(hù)接地是將主要電氣設(shè)備能夠帶電的金屬部分進(jìn)展接地，防備由于絕緣損壞使外殼帶危險(xiǎn)電壓，以維護(hù)人身的平安。⑶防雷接地。其作用是將雷電流平安地泄入地中，消除過電壓的危險(xiǎn)影響。二、接零，與系統(tǒng)中性點(diǎn)〔零〕銜接在一同。接地與接零接地電阻和地中電位的分布接地電流流入地下以后，就經(jīng)過接地體向大地作半球形散開，這一接地電流就叫做流散電流。流散電流在土壤中遇到的全部電阻叫叫做流散電阻。接地電阻是接地體的流散電阻與接地線的電阻之和。接地線電阻普通很小，可以忽略不計(jì)。因此，可以以為流散電阻就是接地電阻。▉接觸電壓接地體電壓UE=IE*RE最大其中IE為接地電流，RE為接地體電阻書本上有詳細(xì)的電壓曲線計(jì)算公式電氣設(shè)備外殼是接地的，即與接地體同電位該點(diǎn)為接地體電壓此人手的電位為UE，腳的電位為所在地的電壓U1，故其手腳之間的電壓到達(dá)UC，是很高的此人手的電位為UE，腳的電位為所在地的電壓U1，故其手腳之間的電壓到達(dá)UC，是很高的▉跨步電壓中心區(qū)跨步電壓大非中心區(qū)跨步電壓小書本上有詳細(xì)的電壓曲線計(jì)算公式跨步電壓觸電絕緣損壞或線路一相斷線落地。離導(dǎo)線落地點(diǎn)20m外，地面電位近似為零。人走近導(dǎo)線落地點(diǎn)，在兩腳之間出現(xiàn)電位差，即跨步電壓。離電流入地點(diǎn)越近，跨步電壓越大；在20m外，跨步電壓很小，可看作為零。當(dāng)發(fā)現(xiàn)跨步電壓要挾時(shí)應(yīng)趕快把雙腳并在一同，或趕快用一條腿跳著分開危險(xiǎn)區(qū)。導(dǎo)線落地后，還會(huì)產(chǎn)生接觸電壓觸電；或由于接地安裝布置不合理，接地設(shè)備發(fā)生碰殼時(shí)呵斥電位分布不均勻而構(gòu)成一個(gè)電位分布區(qū)域。在人體與帶電設(shè)備外殼相接觸時(shí)，便會(huì)發(fā)生接觸電壓觸電。接觸電壓觸電▉維護(hù)接地與接地方式(1)所謂任務(wù)接地，在低壓交流電網(wǎng)中就是將三相電源中的中性點(diǎn)直接接地。(2)所謂維護(hù)接地，就是將受電設(shè)備在正常情況下與帶電部分絕緣的金屬外殼部分與接地安裝作良好的電氣銜接。在低壓交流電網(wǎng)中就是將三相電源中的中性點(diǎn)直接接地。目的：(1)降低觸電電壓(2)迅速切斷缺點(diǎn)在中性點(diǎn)接地的系統(tǒng)中，一相接地后的電流較大，維護(hù)安裝迅速動(dòng)作，斷開缺點(diǎn)點(diǎn)。(3)降低電氣設(shè)備對(duì)地的絕緣程度任務(wù)接地維護(hù)接地當(dāng)電氣設(shè)備內(nèi)部絕緣損壞發(fā)生一相碰殼時(shí)：由于外殼帶電,當(dāng)人觸及外殼,接地電流Ie將經(jīng)過人體入地后,再經(jīng)其它兩相對(duì)地絕緣電阻R及分布電容C回到電源。當(dāng)R值較低、C較大時(shí)，Ib將到達(dá)或超越危險(xiǎn)值。電氣設(shè)備外殼未裝維護(hù)接地時(shí)R'C'IbIe對(duì)地絕緣電阻分布電容R'C'對(duì)地絕緣電阻電氣設(shè)備外殼有維護(hù)接地時(shí)經(jīng)過人體的電流：Rb與Ro并聯(lián)，且Rb>>Ro經(jīng)過人體的電流可減小到平安值以內(nèi)。利用接地安裝的分流作用來減少經(jīng)過人體的電流。維護(hù)接地：將電氣設(shè)備的金屬外殼(正常情況下是不帶電的)接地。用于中性點(diǎn)不接地的低壓系統(tǒng)分布電容R0IbIeI0(a)R0維護(hù)接零〔用于380V/220V三相四線制系統(tǒng)〕將電氣設(shè)備的外殼可靠地接到零線上。當(dāng)電氣設(shè)備絕緣損壞呵斥一相碰殼，該相電源短路，其短路電流使維護(hù)設(shè)備動(dòng)作，將缺點(diǎn)設(shè)備從電源切除，防止人身觸電。把電源碰殼，變成單相短路，使維護(hù)設(shè)備能迅速可靠地動(dòng)作，切斷電源。接地任務(wù)接地維護(hù)接地IT系統(tǒng)TT系統(tǒng)TN系統(tǒng)TN-S系統(tǒng)TN-C系統(tǒng)TN-C-S系統(tǒng)維護(hù)接地方式TN系統(tǒng)〔我國過去稱作維護(hù)接零系統(tǒng)〕TT系統(tǒng)〔我國過去稱作維護(hù)接地系統(tǒng)〕IT系統(tǒng)〔僅負(fù)荷那么接地〕第一個(gè)字母表示電源側(cè)中性點(diǎn)接地形狀，即：T——表示直接接地；I——表示不接地(或高電阻接地)。第二個(gè)字母表示負(fù)載側(cè)接地形狀，即：T——表示電氣設(shè)備外露導(dǎo)體的接地與系統(tǒng)接地相互獨(dú)立；N——表示負(fù)載側(cè)接地與系統(tǒng)接地直接作電氣銜接。TN系統(tǒng)的三種型式①TN－C系統(tǒng):它為三相電源中性線直接接地的系統(tǒng)，通常稱為三相四線制電源系統(tǒng)，其中性線與維護(hù)線是合一的。②TN－S系統(tǒng):它為三相五線制配電系統(tǒng)。(這是目前通訊電源交流供電系統(tǒng)中普遍采用的低壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)。)優(yōu)點(diǎn):一旦中性線斷線，不會(huì)像TN－C系統(tǒng)中那樣，使斷點(diǎn)后的受電設(shè)備上露導(dǎo)電部分能夠帶上危險(xiǎn)的相電壓。

③TN－C－S系統(tǒng):它是TN－C和TN－S組合而成,整個(gè)系統(tǒng)中有一部分中性線和維護(hù)線是合一的系統(tǒng)。TT系統(tǒng)：一切設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分均各自經(jīng)PE線單獨(dú)接地，如下圖。低壓配電的TT系統(tǒng)IT系統(tǒng)：一切設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分也都各自經(jīng)PE線單獨(dú)接地，如下圖。低壓配電的IT系統(tǒng)維護(hù)接地和維護(hù)接零同時(shí)運(yùn)用時(shí)當(dāng)A相絕緣損壞碰殼時(shí)，接地電流式中:R0:維護(hù)接地電阻4R0:任務(wù)接地電阻4此電流缺乏以使大容量的維護(hù)安裝動(dòng)作，而使設(shè)備外殼長期帶電,其對(duì)地電壓為110V。IeR0R0(b)圖單相觸電表示圖圖兩相觸電表示圖(a)中性點(diǎn)接地系統(tǒng)的觸電(b)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的觸電電氣平安知識(shí)運(yùn)用電能，假設(shè)不留意用電平安，能夠呵斥人身觸電傷亡事故或電氣設(shè)備的損壞，甚至影響到電力系統(tǒng)的平安運(yùn)轉(zhuǎn)，呵斥大面積的停電事故，使國家財(cái)富蒙受損失，給消費(fèi)和生活呵斥很大的影響。電流對(duì)人體的作用觸電對(duì)人體的損傷有兩種：#電擊：電流經(jīng)過人體使內(nèi)部組織遭到損傷。#電傷：指在電弧作用下或熔斷絲熔斷時(shí)，對(duì)人體外部的損傷。電擊與哪些要素有關(guān)：#人體電阻的大小#電流經(jīng)過時(shí)間的長短#電流的大小1.人體電阻人體電阻因人而異，通常為104~105，當(dāng)角質(zhì)外層破壞時(shí)，那么降到800~1000。2.電流強(qiáng)度對(duì)人的損傷人體允許的平安工頻電流:30mA工頻危險(xiǎn)電流:50mA電流頻率在40Hz~60Hz對(duì)人體的損傷最大。