《工廠供配電技術(shù)（第三版）》 課件 課題八　工廠變配電所的防雷保護

工廠變配電所的防雷保護課題八任務(wù)1防雷設(shè)備及防雷措施任務(wù)2室內(nèi)低壓配電線路的過電壓防護任務(wù)1防雷設(shè)備及防雷措施任務(wù)目標◆

了解雷電的形成及危害?！?/p>

了解各種防雷設(shè)備以及工廠變配電所的防雷措施。任務(wù)引入在電力系統(tǒng)各種事故中，相當一部分是設(shè)備遭受雷擊引起的。設(shè)備遭受嚴重雷擊，將造成工廠停電，威脅用電安全，影響生產(chǎn)，因此工廠變配電所的防雷保護很重要。如圖所示為落雷擊中電力設(shè)施的情景。落雷擊中電力設(shè)施的情景一、雷電的形成及危害1.雷電的形成雷電是雷云與大地間或帶異號電荷的雷云間的放電現(xiàn)象。雷雨季節(jié)里，在太陽的照射下，地面水分部分蒸發(fā)，蒸發(fā)的水汽在高空中遇到冷空氣凝結(jié)成水滴，許多的水滴在空中聚集形成積云。云中的水滴受強烈的氣流吹襲，會分裂成為一些小水滴和較大些的水滴。水滴受上升氣流的摩擦而帶上不同電荷，當這些帶有正電荷和負電荷的雷云聚積到一定程度時，正雷云對負雷云，或雷云對大地產(chǎn)生強烈的放電現(xiàn)象，并伴隨產(chǎn)生強烈的閃光和轟鳴，從而出現(xiàn)雷電現(xiàn)象。如圖所示為不同的雷電現(xiàn)象。相關(guān)知識不同的雷電現(xiàn)象2.雷電的危害雷電的電流幅值可達數(shù)百千安，其電壓幅值可達幾千伏到上萬千伏甚至更高，造成所謂的“過電壓”。雷電的危害主要通過直擊雷和感應雷兩種形式實現(xiàn)。（1）直擊雷。它是指雷電直接對地面建筑物或設(shè)備放電，強大的雷電流將通過這些物體放電入地，一剎那產(chǎn)生大量的熱，使物體燒壞。另外，雷電流通過這些物體產(chǎn)生較高的電壓，同時，由于雷電放電極快，通過這些物體的電流變化劇烈，形成變化率很大的磁場，這些物體與大地間感應出電壓。直擊雷的危害如圖所示。直擊雷的危害（2）感應雷。雷電對設(shè)備附近的物體或大地放電，會在設(shè)備上產(chǎn)生感應雷過電壓，簡稱感應雷。感應雷過電壓可高達幾萬伏至幾十萬伏，它常會使絕緣較低的電氣設(shè)備發(fā)生閃絡(luò)事故。如圖所示為架空線路上的感應雷過電壓。架空線路上的感應雷過電壓a）雷云在線路上方時，線路上感應產(chǎn)生束縛電荷b）雷云放電后，自由電荷在線路上形成過電壓波1—雷云2—放電通道3—架空線路除了上述兩種形式，另外還有一種是雷電波侵入，是指雷電過電壓波沿線路侵入變配電所，導致電氣設(shè)備絕緣擊穿或燒毀。據(jù)統(tǒng)計，城市的雷害事故，有50%~70%為雷電波侵入引起的，因此對其的防護應給予足夠重視。二、防雷設(shè)備1.避雷針裝設(shè)避雷針、避雷線、避雷網(wǎng)和避雷帶是保護電氣設(shè)備防止直擊雷過電壓的有效措施。這些防雷設(shè)備都由接閃器、接地引下線和接地裝置三個部分構(gòu)成，所不同的只是接閃器的形狀，分為針、線、網(wǎng)、帶幾種。避雷針適用于保護集中的物體；避雷線適用于保護狹長的物體；避雷網(wǎng)和避雷帶主要適用于建筑物的防雷，一般沿屋頂周圍裝設(shè)。由于它們的保護原理相同，現(xiàn)以避雷針為例說明其結(jié)構(gòu)及保護原理。（1）避雷針的保護原理及結(jié)構(gòu)避雷針的功能實質(zhì)上就是引雷，其接閃器比被保護對象高出許多，將原來可能向被保護對象的直擊放電引到避雷針自身上，然后經(jīng)接地引下線和接地裝置，將雷電流瀉放到大地中去，使被保護對象免受雷擊，如圖所示。避雷針a）避雷針的保護原理示意圖b）針式避雷針的外形（2）避雷針的保護范圍所謂保護范圍，一般是指在此空間范圍內(nèi)，被保護物遭受雷擊的概率僅為0.1%左右。保護范圍和避雷針的高度有關(guān)，根據(jù)現(xiàn)行的國家標準

《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057—2010），避雷針的保護范圍采用IEC推薦的

“滾球法”來確定。所謂“滾球法”，就是假定有一個半徑為hr的球體，其高端接觸避雷針，其下端接觸大地。如此時球的邊沿沒有觸及需要保護的對象，則該對象就在避雷針的保護范圍內(nèi)。如圖所示為單只避雷針的保護范圍。單只避雷針的保護范圍2.避雷器當架空線路或管道遭到雷擊時，如果雷電荷不能就地導入大地中，高電壓將以波的形式沿線路或管道傳到與之相連的設(shè)備上，危及設(shè)備和人身安全。避雷針（線）等只能對直擊雷起防護作用，而對于雷電波侵入的限制，就要靠安裝避雷器了。避雷器裝設(shè)在被保護設(shè)備的引入端，如圖所示。避雷器的裝設(shè)位置避雷器主要有管型避雷器、閥型避雷器、保護間隙（或稱為角型避雷器）及氧化鋅避雷器等類型。（1）保護間隙保護間隙是一種最簡單的避雷器，保護間隙與被保護設(shè)備并聯(lián)于線路上，其結(jié)構(gòu)如圖所示。電極做成角形是為了使工頻電弧在自身電動力和熱氣流作用下易于上升被拉長而自行熄滅。當雷電波侵入時，間隙先擊穿，線路接地，避免被保護設(shè)備上的電壓升高，從而保護設(shè)備。為了防止主間隙被外物短接，通常在其接地引下線中串聯(lián)一個輔助間隙。保護間隙a）保護間隙的結(jié)構(gòu)b）10kV電力線路保護間隙應用樣例1—角形電極2—主間隙3—輔助間隙保護間隙結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，但是滅孤能力低，易造成斷路器跳閘，這是其主要缺點，因此常與自動重合閘裝置配合，以提高供電的可靠性。如上圖b所示為10kV電力線路保護間隙應用樣例，當雷電過電壓波侵入時，保護間隙擊穿放電，防止線路過電壓。（3）氧化鋅避雷器氧化鋅避雷器是電力系統(tǒng)過電壓保護的新型產(chǎn)物，20世紀70年代末在我國開始應用。由于其優(yōu)越的保護性能，有逐步取代其他類型避雷器的趨勢。其優(yōu)越性能取決于它的無間隙結(jié)構(gòu)和氧化鋅壓敏電阻良好的非線性，在正常工作電壓時流過避雷器的電流極?。ㄎ不蚝涟布墸划斶^電壓作用時，電阻急劇下降，泄放過電壓的能量，起到保護線路和設(shè)備的作用。如圖所示為各種氧化鋅避雷器的外形。各種氧化鋅避雷器的外形（3）氧化鋅避雷器的試驗規(guī)定避雷器要安全有效地完成防范雷電過電壓的侵害，運行前或到周期后必須進行安全試驗，合格后方可運行。氧化鋅避雷器不用每年試驗，一般10kV電壓等級的避雷器，裝之前試驗合格就可以在室外的電線桿上運行五年不用試驗，到周期后重新購置，試驗合格后安裝運行，又可以運行五年。三、變配電所的防雷措施1.裝設(shè)避雷針或避雷線為了防止變配電所的電氣設(shè)備和建筑遭受直接雷擊，需要安裝避雷針或避雷線，并要求被保護物體處于避雷針（線）的保護范圍之內(nèi)。2.裝設(shè)氧化鋅避雷器避雷器應盡量靠近變壓器安裝，其接地線應與變壓器低壓側(cè)接地中性點及金屬外殼連在一起接地。我國60kV及以下電網(wǎng)中的變壓器中性點不直接接地，另外出于繼電保護的要求，中性點直接接地系統(tǒng)中的部分變壓器中性點也是不接地的。對這類變壓器應采用避雷器保護，限制中性點過電壓。如圖所示為10kV變配電所對雷電波侵入的防護。10kV變配電所對雷電波侵入的防護3.進線段保護未沿全線架設(shè)避雷線的35~110kV架空線路，應在距目標變配電所1~2km進線段架設(shè)避雷線，并同氧化鋅避雷器及桿上保護間隙一起構(gòu)成變配電所的進線段保護，如圖所示。35~110kV變配電所的進線段保護四、高壓電動機的防雷措施高壓電動機的耐壓水平較低，因此對雷電波侵入的防護，一般采用磁吹閥式避雷器或金屬氧化物避雷器。對定子繞組中性點能引出的高壓電動機，在中性點處裝設(shè)金屬氧化物避雷器。對定子繞組中性點不能引出的高壓電動機，可以采用如圖所示接線。高壓電動機的防雷保護接線任務(wù)2室內(nèi)低壓配電線路的過電壓防護任務(wù)目標◆

熟悉浪涌保護器的基本性能?！?/p>

掌握室內(nèi)低壓配電線路的過電壓防護。任務(wù)引入由于雷電及其他過電壓可能會造成低壓配電線路的嚴重損壞，威脅到用電安全，所以近年來對一些重要的線路和用戶，如計算機機房、重要的通信樞紐、各類學校的學生公寓等用電地點，應當采用浪涌保護器進行雷電及其他過電壓防護，以保護線路、設(shè)備及人員的安全。一、浪涌保護器的分類1.按工作原理分類按工作原理分類，SPD可以分為電壓開關(guān)型、限壓型及組合型三種。（1）電壓開關(guān)型SPD。其工作原理是當沒有瞬時過電壓時，為高阻抗狀態(tài)，但一旦響應雷電瞬時過電壓，其阻抗就突變?yōu)榈椭?，允許雷電流通過。用作此類裝置的器件有放電間隙、充氣放電管、閘流晶體管等。相關(guān)知識（2）限壓型SPD。其工作原理是當沒有瞬時過電壓時，為高阻抗狀態(tài)，但隨浪涌電流和電壓的增加，其阻抗會不斷減小，其電流、電壓特性為強烈非線性。用作此類裝置的器件有氧化鋅壓敏電阻、抑制二極管、雪崩二極管等。（3）組合型SPD。由電壓開關(guān)型組件和限壓型組件組合而成，可以顯示為電壓開關(guān)型或限壓型或者兩者兼有的特性，這取決于所加電壓的特性。2.按用途分類（1）電源線路SPD的作用是向供配電線路及用電設(shè)備提供安全電源。電源線路SPD適用于配電室、配電柜、開關(guān)柜、交直流配電屏，建筑物內(nèi)有室外輸入的配電箱、建筑物層配電箱，以及低壓（AC220/380V）工業(yè)電網(wǎng)和民用電網(wǎng)等系統(tǒng)的電源保護。（2）信號線路SPD適用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的雷擊和雷電電磁脈沖造成的感應過電壓保護。二、浪涌保護器的基本參數(shù)（1）10/350μs波是模擬直擊雷的波形，波形能量大；8/20μs波是模擬雷電感應和雷電傳導的波形。10/350μs和8/20μs代表了不同的雷電流波形，10μs和8μs指的是波頭時間為10μs和8μs，350μs和20μs指的是半值時間為350μs和20μs。如圖所示為模擬雷電波。模擬雷電波（2）標稱放電電流

In

。標稱放電電流是指流過SPD8/20μs電流波的峰值電流。（3）最大放電電流

Imax

。最大放電電流又稱為最大通流容量，指使用8/20μs電流波沖擊SPD一次能承受的最大放電電流。（4）最大持續(xù)耐壓

Uc

。最大持續(xù)耐壓指可連續(xù)施加在SPD上的最大交流電壓有效值或直流電壓。（5）殘壓

Ur

。殘壓指在標稱放電電流

In

下的殘壓值。（6）保護電壓

Up

。保護電壓是表征SPD限制接線端子間的電壓特性參數(shù)，其值可從優(yōu)選值的列表中選取，應大于限制電壓的最高值。（7） 是10/350μs電流波，限壓型SPD主要泄放的是8/20μs電流波。三、浪涌保護器的基本元器件1.放電間隙（又稱保護間隙）它一般由暴露在空氣中的兩根相隔一定間隙的金屬棒組成，其中一根金屬棒與所需保護設(shè)備的電源相線L或零線N相連，另一根金屬棒與接地線PE相連，當瞬時過電壓襲來時，間隙被擊穿，把一部分過電壓的電荷引入大地，避免被保護設(shè)備上的電壓升高。2.充氣放電管它是由相互離開的一對冷陰板封裝在充有一定的惰性氣體的玻璃管或陶瓷管內(nèi)組成的。為了提高放電管的觸發(fā)概率，在放電管內(nèi)還有助觸發(fā)劑。這種充氣放電管有二極型的，也有三極型的。充氣放電管的技術(shù)參數(shù)主要有直流放電電壓

Udc，一般情況下沖擊放電電壓

Up≈（2~3）Udc，工頻耐受電流

In，沖擊耐受電流

Ip，絕緣電阻

R（>109Ω），極間電容

C（1~5pF）。充氣放電管可在直流和交流條件下使用，其所選用的直流放電電壓

Udc

分別如下。在直流條件下使用：Udc≥1.8U0（U0

為線路正常工作的直流電壓）；在交流條件下使用：Udc≥1.44Un（Un

為線路正常工作的交流電壓有效值）。3.壓敏電阻它是以ZnO為主要成分的金屬氧化物半導體非線性電阻，當作用在其兩端的電壓達到一定數(shù)值后，壓敏電阻對電壓十分敏感。它的工作原理相當于多個半導體P-N的串并聯(lián)。壓敏電阻的特點是非線性特性好，通流容量大，常態(tài)泄漏電流小，殘壓低，對瞬時過電壓響應時間短，無續(xù)流。壓敏電阻的技術(shù)參數(shù)主要有壓敏電壓（即閾值電壓）UN，參考電壓

Ulma，殘壓

Ures，殘壓比

K（K=Ures/UN），最大通流容量

Imax，泄漏電流，響應時間。如圖所示為浪涌保護器應用實物接線。浪涌保護器應用實物接線如圖所示為不同保護方式下浪涌保護器配置。不同保護方式下浪涌保護器配置a）對地保護模式b）N-PE保護模式1

c）N-PE保護模式2四、浪涌保護器的分級防護1.雷電防護區(qū)域的定義（1）直擊雷非防護區(qū)（LPZ0A）。電磁場沒有衰減，各類物體都可能遭到直接雷擊，屬完全暴露的不設(shè)防區(qū)。（2）直擊雷防護區(qū)（LPZ0B）。電磁場沒有衰減，各類物體很少遭受直接雷擊，屬充分暴露的直擊雷防護區(qū)。（3）第一防護區(qū)（LPZ1）。由于建筑物的屏蔽措施，流經(jīng)各類導體的雷電流比直擊雷防護區(qū)（LPZ0B）小，電磁場得到初步衰減，各類物體不可能遭受直接雷擊。（4）第二防護區(qū)（LPZ2）。進一步減小所導引的雷電流或電磁場而引入的后續(xù)防護區(qū)。（5）后續(xù)防護區(qū)（LPZn）。需要進一步減小雷電電磁脈沖，以保護第三度水平高的設(shè)備的后續(xù)防護區(qū)。2.第一級防護目的是防止浪涌電壓直接從LPZ0區(qū)傳導進入LPZ1區(qū)，將數(shù)萬伏至數(shù)十萬伏的浪涌電壓限制到2500~3000V。入戶電力變壓器低壓側(cè)安裝的電源防雷器作為第一級防護時，應為三相電壓開關(guān)型電源防雷器，其雷電通流容量應不低于60kA。該級電源防雷器應是連接在用戶供電系統(tǒng)入口進線各相和大地之間的大容量電源防雷器。3.第二級防護目的是進一步將通過第一級電源防雷器的殘余浪涌電壓限制到1500~2000V，對LPZ1—LPZ2實施等電位連接。分配電柜線路輸出的電源防雷器作為第二級防護時，應為限壓型電源防雷器，其雷電通流容量應不低于20kA，應安裝在向重要或敏感用電設(shè)備供電的分路配電處。這些電源防雷器對通過了用戶供電入口處電源防雷器的剩余浪涌能量進行更完善的吸收，對瞬時過電壓具有極好的抑制作用。某廠區(qū)辦公樓照明總配電箱第二級防護使用SPD樣例如圖所示為某廠區(qū)辦公樓照明總配電箱第二級防護使用SPD樣例，此配電箱進線電源引自廠區(qū)變電所出線，在此處設(shè)置SPD，所選型號為TURT13+N-50-385P，即每相最大沖擊容量達50kA，為其所分配的照明負荷提供沖擊過電壓保護。4.第三級防護直接對設(shè)備進行保護，將殘余浪涌電壓降低到1000V以內(nèi)，使浪涌能量不致?lián)p壞設(shè)備。如在電子信息設(shè)備交流電源進線端安裝電源防雷器作為第三級防護，則應安裝串聯(lián)式限壓型電源防雷器，其雷電通流容量應不低于10kA。最后的防線可在用電設(shè)備內(nèi)部電源部分采用一個內(nèi)置式的電源防雷器，以達到完全消除微小的瞬時過電壓的目的。辦公樓會議室配電箱SPD的使用樣例如圖所示為辦公樓會議室配電箱SPD的使用樣例，其供電關(guān)系屬于總配電箱的二級箱，屬于終端保護，所