供配电系统自动化防雷接地和电气安全56实用杨.pptx
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1、9.1 9.1 过电压、防雷及其设计过电压、防雷及其设计 9.1.1 9.1.1 过电压及雷电的有关概念过电压及雷电的有关概念1 1雷电与过电压雷电与过电压防防雷雷就就是是防防御御过过电电压压,过过电电压压是是指指电电气气设设备备或或线线路路上上出出现现超超过过正正常常工工作作要要求求的的电电压压升升高高。在在电电力力系系统统中中,按按照照过过电电压压产产生生的的原原因因不不同同,可可分分为为内内部部过过电电压和雷电过电压两大类。压和雷电过电压两大类。(1 1)内部过电压内部过电压内内部部过过电电压压(又又称称操操作作过过电电压压),指指供供配配电电系系统统内内部部由由于于开开关关操操作作、参
2、参数数不不利利组组合合、单单相相接接地地等等原原因因,使使电电力力系系统统的的工工作作状状态态突突然然改改变变,从从而而在在其其过过渡渡过程中引起的过电压。过程中引起的过电压。内内部部过过电电压压又又可可分分为为操操作作过过电电压压和和谐谐振振过过电电压压。操操作作过过电电压压是是由由于于系系统统内内部部开开关关操操作作导导致致的的负负荷荷骤骤变变,或或由由于于短短路路等等原原因因出出现现断断续续性性电电弧弧而而引引起起的的过过电电压。谐振过电压是由于系统中参数不利组合导致谐振而引起的过电压。压。谐振过电压是由于系统中参数不利组合导致谐振而引起的过电压。9.1 9.1 过电压、防雷及其设计过电
3、压、防雷及其设计 (2 2)雷电过电压雷电过电压雷电过电压又称大气过电压或外部过电压,是指雷云放电现象在电力网中引雷电过电压又称大气过电压或外部过电压,是指雷云放电现象在电力网中引起的过电压。雷电过电压一般分为直击雷、间接雷击和雷电侵入波三种类型。起的过电压。雷电过电压一般分为直击雷、间接雷击和雷电侵入波三种类型。1 1)直击雷直击雷 是遭受直击雷击时产生的过电压。经验表明,直击雷击时雷是遭受直击雷击时产生的过电压。经验表明,直击雷击时雷电流可高达几百千安,雷电电压可达几百万伏。遭受直击雷击时均难免灾电流可高达几百千安,雷电电压可达几百万伏。遭受直击雷击时均难免灾难性结果。因此必须采取防御措施
4、。难性结果。因此必须采取防御措施。2 2)间间接接雷雷击击,又又简简称称感感应应雷雷,是是雷雷电电对对设设备备、线线路路或或其其它它物物体体的的静静电电感感应应或或电电磁磁感感应应所所引引起起的的过过电电压压。图图9-19-1所所示示为为架架空空线线路路上上由由于于静静电电感感应应而而积积聚聚大大量量异异性性的的束束缚缚电电荷荷,在在雷雷云云的的电电荷荷向向其其它它地地方方放放电电后后,线线路路上上的的束束缚缚电电荷荷被被释释放放形形成成自自由由电电荷荷,向向线线路路两两端端运运行行,形形成成很很高高的的过过电电压压。经经验验表表明明,高高压压线线路路上上感感应应雷雷可可高高达达几几十十万万伏
5、伏,低低压压线线路路上上感感应应雷雷也也可可达达几几万万伏伏,对对供供电电系统的危害很大。系统的危害很大。9.1 9.1 过电压、防雷及其设计过电压、防雷及其设计 图图 9-1 9-1 架空线路上的感应过电压架空线路上的感应过电压 a)a)雷云在线路上方时雷云在线路上方时b)b)雷云对地或其他放电时雷云对地或其他放电时c)c)雷云对架空线路放电时雷云对架空线路放电时9.1 9.1 过电压、防雷及其设计过电压、防雷及其设计 3 3)雷电侵入波)雷电侵入波 是是感感应应雷雷的的另另一一种种表表现现,是是由由于于直直击击雷雷或或感感应应雷雷在在电电力力线线路路的的附附近近、地地面面或或杆杆塔塔顶顶点
6、点,从从而而在在导导线线上上感感应应产产生生的的冲冲击击电电压压波波,它它沿沿着着导导线线以以光光速速向向两两侧侧流流动动,故故又又称称为为过过电电压压行行波波。行行波波沿沿着着电电力力线线路路侵侵入入变变配配电电所所或或其其他他建建筑筑物物,并并在在变变压压器器内内部部引引起起行行波波反反射射,产产生生很很高高的的过过电电压压。据据统统计计,雷雷电电侵侵入入波波造造成的雷害事故,要占所有雷害事故的成的雷害事故,要占所有雷害事故的50%50%70%70%。2 2 雷电形成及有关概念雷电形成及有关概念(1)雷电形成雷电形成雷雷电电是是带带有有电电荷荷的的“雷雷云云”之之间间、“雷雷云云”对对大大
7、地地或或物物体体之之间间产产生生急急剧剧放放电电的的一一种种自自然然现现象象。关关于于雷雷云云普普遍遍的的看看法法是是:在在闷闷热热的的天天气气里里,地地面面的的水水汽汽蒸蒸发发上上升升,在在高高空空低低温温影影响响下下,水水蒸蒸汽汽凝凝成成冰冰晶晶。冰冰晶晶受受到到上上升升气气流流的的冲冲击击而而破破碎碎分分裂裂,气气流流挟挟带带一一部部分分带带正正电电的的小小冰冰晶晶上上升升,形形成成“正正雷雷云云”,而而另另一一部部分分较较大大的的带带负负电电的的冰冰晶晶则则下下降降,形形成成“负负雷雷云云”。由由于于高高空空气气流流的的流流动动,正正雷雷云云和和负负雷雷云云均均在在空空中中飘飘浮浮不不
8、定定。据据观观测测,在在地地面面上上产产生生雷雷击击的的雷雷云云多多为为负雷云。负雷云。9.1 9.1 过电压、防雷及其设计过电压、防雷及其设计 当空中的雷云靠近大地时,雷云与大地之间形成一个很大的雷电场。由于静当空中的雷云靠近大地时,雷云与大地之间形成一个很大的雷电场。由于静电感应作用,使地面出现与雷云的电荷极性相反的电荷。当雷云与大地之间在电感应作用,使地面出现与雷云的电荷极性相反的电荷。当雷云与大地之间在某一方位的电场强度达到某一方位的电场强度达到252530kV/cm30kV/cm时,雷云就开始向这一方位放电,形成时,雷云就开始向这一方位放电,形成一个导电的空气通道,称为雷电先导。一个
9、导电的空气通道,称为雷电先导。当其下行到离地面当其下行到离地面100100300m300m时,就引起一个上行的迎雷先导。当上下行时,就引起一个上行的迎雷先导。当上下行先导相互接近时,正、负电荷强烈吸引、中和而产生强大的雷电流,并伴有先导相互接近时,正、负电荷强烈吸引、中和而产生强大的雷电流,并伴有雷鸣电闪。这就是直击雷的主放电阶段,这阶段的时间极短。主放电阶段结雷鸣电闪。这就是直击雷的主放电阶段,这阶段的时间极短。主放电阶段结束后,雷云中的剩余电荷会继续沿主放电通道向大地放电,形成断续的隆隆束后,雷云中的剩余电荷会继续沿主放电通道向大地放电,形成断续的隆隆雷声。雷声。这这就就是是直直击击雷雷的
10、的余余辉辉放放电电阶阶段段,时时间间一一般般为为0.030.030.15s0.15s,电电流流较较小小,约约为为几几百百安安。雷雷电电先先导导在在主主放放电电阶阶段段与与地地面面上上雷雷击击对对象象之之间间的的最最小小空空间间距距离离,称称为为闪闪击击距距离离。雷雷电电的的闪闪击击距距离离与与雷雷电电流流的的幅幅值值和和陡陡度度有有关关。确确定定直直击击雷雷防护范围的防护范围的“滚球半径滚球半径”大小,就与闪击距离有关。大小,就与闪击距离有关。9.1 9.1 过电压、防雷及其设计过电压、防雷及其设计 (2)(2)雷电的有关概念雷电的有关概念1 1)雷电流幅值和陡度)雷电流幅值和陡度 雷电流是一
11、个幅值很大、陡度很高的冲击波电流,如图雷电流是一个幅值很大、陡度很高的冲击波电流,如图9-29-2所示。成半所示。成半余弦波形的雷电波可分为波头和波尾两部分,一般在主放电阶段余弦波形的雷电波可分为波头和波尾两部分,一般在主放电阶段1 14s4s内内即可达到雷电流幅值。雷电流从即可达到雷电流幅值。雷电流从0 0上升到幅值的波形部分,称为波头;雷电上升到幅值的波形部分,称为波头;雷电流从下降到流从下降到1/21/2的波形部分,称为波尾。的波形部分,称为波尾。图 9-2 雷电流波形示意图 9.1 9.1 过电压、防雷及其设计过电压、防雷及其设计 雷雷电电流流的的陡陡度度即即雷雷电电流流波波升升高高的
12、的速速度度,用用表表示示。因因雷雷电电流流开开始始时时数数值值很很快快地地增加,陡度也很快达到极大值,当雷电流陡度达到最大值时,陡度降为零。增加,陡度也很快达到极大值,当雷电流陡度达到最大值时,陡度降为零。雷雷电电流流幅幅值值大大小小的的变变化化范范围围很很大大,需需要要积积累累大大量量的的资资料料。图图9-39-3给给出出了了我我国国的的雷雷电电流流幅幅值值概概率率曲曲线线。从从图图9-39-3可可知知:20kA20kA出出现现的的概概率率是是65%65%,120kA120kA出出现现的的概概率率只只有有7%7%。一一般般变变配配电电所所防防雷雷设设计计中中的的耐耐雷雷水水平平是是取取雷雷电
13、电流流最最大大幅幅值为值为=100kA=100kA。图图 9-3 9-3 雷电流幅雷电流幅 值概率曲线值概率曲线9.1 9.1 过电压、防雷及其设计过电压、防雷及其设计 2 2)年年平平均均雷雷暴暴日日数数 凡凡有有雷雷电电活活动动的的日日子子,包包括括见见到到闪闪电电和和听听到到雷雷声声,由由当当地地气气象象台台统统计计的的,多多年年雷雷暴暴日日的的年年平平均均值值称称为为年年平平均均雷雷暴暴日日数数。年年平平均均雷雷暴日数不超过暴日数不超过1515天的地区称为少雷区,多于天的地区称为少雷区,多于4040天的地区称为多雷区。天的地区称为多雷区。3 3)年预计雷击次数)年预计雷击次数 这是表征
14、建筑物可能遭受雷击的一个频率参数。根这是表征建筑物可能遭受雷击的一个频率参数。根据国标据国标GB50057-1994GB50057-1994建筑物防雷设计规范建筑物防雷设计规范规定,应按下式计算:规定,应按下式计算:(9-1)式式中中,为为建建筑筑物物年年预预计计雷雷击击次次数数;为为与与建建筑筑物物接接受受雷雷击击次次数数相相同同的的等等效效面面积积(kmkm2 2),按按GB50057-1994GB50057-1994之之附附录录一一规规定定的的方方法法确确定定;为为年年平平均均雷雷暴暴日日数数;为校正系数,一般取为校正系数,一般取1 1,位于旷野孤立的建筑物取,位于旷野孤立的建筑物取2
15、2。9.1 9.1 过电压、防雷及其设计过电压、防雷及其设计 9.1.2 9.1.2 防雷设计防雷设计1 1 防雷装置防雷装置防防雷雷装装置置是是接接闪闪器器、避避雷雷器器、引引下下线线和和接接地地装装置置等等的的总总和和。如如图图9-49-4和和图图9-59-5所示为不同的防雷装置的设置组合。所示为不同的防雷装置的设置组合。要保护建筑物等不受雷击损害,应有防御直击雷、感应雷和雷电侵入波要保护建筑物等不受雷击损害,应有防御直击雷、感应雷和雷电侵入波的不同措施和防雷设备。的不同措施和防雷设备。直直击击雷雷的的防防御御主主要要须须设设法法把把直直击击雷雷迅迅速速流流散散到到大大地地中中去去。一一般
16、般采采用用避避雷雷针针、避雷线、避雷网等避雷装置。避雷线、避雷网等避雷装置。感感应应雷雷的的防防御御是是对对建建筑筑物物最最有有效效的的防防护护措措施施,其其防防御御方方法法是是把把建建筑筑物物内内的的所所有有金金属属物物,如如设设备备外外壳壳、管管道道、构构架架等等均均进进行行可可靠靠接接地地,混混凝凝土土内内的的钢钢筋应绑扎或焊成闭合回路。筋应绑扎或焊成闭合回路。雷雷电电侵侵入入波波的的防防御御一一般般采采用用避避雷雷器器。避避雷雷器器装装设设在在输输电电线线路路进进线线处处或或10kV10kV母母线线上上,如如有有条条件件可可采采用用303050m50m的的电电缆缆段段埋埋地地引引入入,
17、在在架架空空线线终终端端杆杆上上也也可可装装设设避避雷雷器器。避避雷雷器器的的接接地地线线应应与与电电缆缆金金属属外外壳壳相相连连后后直直接接接接地地,并并连连入入公公共地网。共地网。9.1 9.1 过电压、防雷及其设计过电压、防雷及其设计 9-49-4避雷针结构示意图避雷针结构示意图1-避雷针避雷针2-引下线引下线3-接地装置接地装置图图9-5避雷器装置示意图避雷器装置示意图1-架空线路架空线路2-避雷器避雷器3-接地体接地体4-电力变压器电力变压器9.1 9.1 过电压、防雷及其设计过电压、防雷及其设计 (1 1)接闪器接闪器接闪器是专门用来接受直击雷的金属物体。接闪的金属杆称为避雷针;接
18、闪的接闪器是专门用来接受直击雷的金属物体。接闪的金属杆称为避雷针;接闪的金属线称为避雷线,或称为架空地线;接闪的金属带、网称为避雷带、避雷网。金属线称为避雷线,或称为架空地线;接闪的金属带、网称为避雷带、避雷网。1 1)避雷针)避雷针避雷针一般采用镀锌圆钢(针长避雷针一般采用镀锌圆钢(针长1m1m以下时,直径不小于以下时,直径不小于12mm12mm;针长;针长1 12m2m时,直径不小于时,直径不小于16mm16mm),或镀锌钢管(针长),或镀锌钢管(针长1m1m以下时,直径不小于以下时,直径不小于20mm20mm,针长针长1 12m2m时,直径不小于时,直径不小于25mm25mm)制成。它通
19、常安装在电杆、构架或建筑)制成。它通常安装在电杆、构架或建筑物上。它的下端通过引下线与接地装置可靠连接,如图物上。它的下端通过引下线与接地装置可靠连接,如图9-49-4所示。所示。避避雷雷针针的的功功能能实实质质是是引引雷雷作作用用。它它能能对对雷雷电电场场产产生生一一个个附附加加电电场场(该该附附加加电电场场是是由由于于雷雷云云对对避避雷雷针针产产生生静静电电感感应应引引起起的的),使使雷雷电电场场畸畸变变,从从而而改改变变雷雷云云放放电电的的通通道道。雷雷云云经经避避雷雷针针、引引下下线线和和接接地地装装置置,泄泄放放到到大大地地中中去去,使被保护物免受直击雷击使被保护物免受直击雷击9.1
20、 9.1 过电压、防雷及其设计过电压、防雷及其设计 2 2)避雷线)避雷线避雷线一般用截面不小于避雷线一般用截面不小于35mm35mm2 2的镀锌钢铰线,架设在架空线或建筑物的的镀锌钢铰线,架设在架空线或建筑物的上面,以保护架空线或建筑物免遭直击雷击。由于避雷线既是架空的又上面,以保护架空线或建筑物免遭直击雷击。由于避雷线既是架空的又是接地的,也称为架空地线。是接地的,也称为架空地线。3 3)避雷网和避雷带)避雷网和避雷带避雷网和避雷带主要用来保护高层建筑物免遭直击雷击和感应雷击。避雷网和避雷带主要用来保护高层建筑物免遭直击雷击和感应雷击。避雷网和避雷带宜采用圆钢和扁钢,优先采用圆钢。圆钢直径
21、不小于避雷网和避雷带宜采用圆钢和扁钢,优先采用圆钢。圆钢直径不小于9mm9mm,扁钢截面不小于,扁钢截面不小于49mm49mm2 2,其厚度不小于,其厚度不小于4mm4mm。当烟囱上采用避雷环时,。当烟囱上采用避雷环时,其圆钢直径不小于其圆钢直径不小于12mm12mm,扁钢截面不小于,扁钢截面不小于100mm100mm2 2,其厚度不小于,其厚度不小于4mm4mm。避。避雷网的网络尺寸要求应符合表雷网的网络尺寸要求应符合表9-19-1的规定。的规定。9.1 9.1 过电压、防雷及其设计过电压、防雷及其设计 表表9-19-1按建筑物防雷类别确定滚球半径和避雷网格尺寸按建筑物防雷类别确定滚球半径和
22、避雷网格尺寸建筑物防雷类建筑物防雷类别别滚球半径()滚球半径()避雷网格尺寸避雷网格尺寸()(不大于)()(不大于)第一类防雷建第一类防雷建筑物筑物30305555或或6464第二类防雷建第二类防雷建筑物筑物454510101010或或128128第三类防雷建第三类防雷建筑物筑物606020202020或或241624169.1 9.1 过电压、防雷及其设计过电压、防雷及其设计 (2 2)避雷器避雷器 避雷器是用来防止雷电产生的过电压波沿线路侵入变配电所或其它建避雷器是用来防止雷电产生的过电压波沿线路侵入变配电所或其它建筑物内,以免危及被保护设备的绝缘,如图筑物内,以免危及被保护设备的绝缘,如
23、图9-59-5所示。所示。避雷器主要有阀式避雷器、排气式避雷器、角型避雷器和金属氧化物避雷器主要有阀式避雷器、排气式避雷器、角型避雷器和金属氧化物避雷器等几种。避雷器等几种。2 2 避雷针的保护范围避雷针的保护范围(1 1)单支避雷针的保护范围单支避雷针的保护范围 避雷针的保护范围,一般采用避雷针的保护范围,一般采用IECIEC推荐的推荐的“滚球法滚球法”来确定。所谓来确定。所谓“滚球法滚球法”就是选择一个半径为的就是选择一个半径为的“滚球半径滚球半径”球体,沿需要防护的部位球体,沿需要防护的部位滚动,如果球体只接触到避雷针(线)或避雷针与地面而不触及需要保滚动,如果球体只接触到避雷针(线)或
24、避雷针与地面而不触及需要保护的部位,则该部位就在避雷针的保护范围之内护的部位,则该部位就在避雷针的保护范围之内9.1 9.1 过电压、防雷及其设计过电压、防雷及其设计 图图9-6 9-6 按按“滚球法滚球法”确定单支避雷针保护范围确定单支避雷针保护范围9.1 9.1 过电压、防雷及其设计过电压、防雷及其设计 单支避雷针的保护范围可按以下方法计算:单支避雷针的保护范围可按以下方法计算:当避雷针高度当避雷针高度hhrhhr时时1 1)在距地面高度处做一条平行于地面的平行线。)在距地面高度处做一条平行于地面的平行线。2 2)以避雷针的顶尖为圆心,)以避雷针的顶尖为圆心,hrhr为半径,做弧线交于平行
25、线于为半径,做弧线交于平行线于A A,B B两点。两点。3 3)以以A A,B B为为圆圆心心,hrhr为为半半径径,该该弧弧线线与与地地面面相相切切,与与针针尖尖相相交交。此此弧弧线线与与地面构成的整个锥形空间就是避雷针的保护区域。地面构成的整个锥形空间就是避雷针的保护区域。4 4)避雷针在距地面高度的平面上的保护半径,按下式计算)避雷针在距地面高度的平面上的保护半径,按下式计算(9-2)式中,式中,hrhr为滚球半径;为滚球半径;hxhx为离地高度;为离地高度;h h为避雷针高度;为避雷针高度;rxrx为离地高度为离地高度为为hxhx时所能保护的半径。时所能保护的半径。5 5)避雷针在地面
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