5供电系统的保护接地与防雷详解.ppt

西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X第5章供电系统的保护接地与防雷第一节第一节 供电系统的保护接地供电系统的保护接地第二节第二节 供电系统的防雷保护供电系统的防雷保护西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X第一节第一节 供电系统的保护接地供电系统的保护接地 西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X 一、接地和接地装置一、接地和接地装置 1 1接地的基本概念接地的基本概念 电气设备的某部分与大地之间电气设备的某部分与大地之间做良好的电气连接，称为接地。做良好的电气连接，称为接地。接地装置是由接地体和接地线接地装置是由接地体和接地线两部分组成的。两部分组成的。埋入地中并直接与大地接触的埋入地中并直接与大地接触的金属导体，称为接地体或接地极。金属导体，称为接地体或接地极。接地体与电气设备的金属外壳接地体与电气设备的金属外壳之间的连接线，称为接地线。之间的连接线，称为接地线。由若干接地体在大地中相互用由若干接地体在大地中相互用接地线连接起来的一个整体，称为接接地线连接起来的一个整体，称为接地网。地网。西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X 接地电流、对地电压及接地电流电接地电流、对地电压及接地电流电位分布曲线位分布曲线 当电气设备发生接地故障时，电当电气设备发生接地故障时，电流就通过接地体向大地作半球形散开，流就通过接地体向大地作半球形散开，这一电流称为接地电流这一电流称为接地电流IE。试验表明，在距单根接地体或接试验表明，在距单根接地体或接地故障点地故障点20m左右的地方，实际上散左右的地方，实际上散流电阻已趋近于零，电位为零的地方，流电阻已趋近于零，电位为零的地方，称为电气上的称为电气上的“地地”或或“大地大地”。电。电气设备的接地部分与零电位的气设备的接地部分与零电位的“地地”（大地）之间的电位差，就称为接（大地）之间的电位差，就称为接地部分的对地电压，如图中的地部分的对地电压，如图中的UE。2 2接地装置的散流效应接地装置的散流效应 西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X跨步电压和接触电压示意图跨步电压和接触电压示意图 接触电压接触电压是指设备的绝缘损坏时，是指设备的绝缘损坏时，在身体可同时触及的两部分之间出现在身体可同时触及的两部分之间出现的电位差。的电位差。跨步电压跨步电压是指在故障点附近行走，是指在故障点附近行走，两脚之间出现的电位差两脚之间出现的电位差 西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X二、二、接地的种类接地可分为正常接地和非人为的故障接地两类，正常接地又有工作接地和安全接地之分，电力系统的接地网具有工作接地、保护接地和防雷接地三项功能。工作接地是指系统运行中需要的接地，工作接地是指系统运行中需要的接地，它是系统供电回路的必要组成部分。工作接它是系统供电回路的必要组成部分。工作接地有两种情况：地有两种情况：利用大地作导线的接地，利用大地作导线的接地，在正常情况下有电流通过，如直流工作接地、在正常情况下有电流通过，如直流工作接地、弱电工作接地等；弱电工作接地等；为了维持系统安全运行为了维持系统安全运行而设的接地，在正常情况下只有很小的不平而设的接地，在正常情况下只有很小的不平衡电流甚至没有电流通过，如变压器、发电衡电流甚至没有电流通过，如变压器、发电机、电压互感器的中性点接地等，都属于该机、电压互感器的中性点接地等，都属于该类接地类接地。工作接地西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X 根据供电系统的中性点及电气设备的接地方式，保护接地可分为根据供电系统的中性点及电气设备的接地方式，保护接地可分为三种不同类型，即：三种不同类型，即：ITIT型、型、TNTN型及型及TTTT型。型。（2 2）安全接地）安全接地 安全接地也称保护接地，主要包括防止触电或反击的保护接地、防雷接地（或称过电压保护接地）、防静电接地和屏蔽接地四种。保护接地并非电网系统供电回路的一部分，而是一种技术上的安全措施，它是把在故障情况下可能呈现危险对地电压的金属部分同大地紧密地连接起来。例如，电力设备的金属外壳、金属杆塔，由于绝缘损坏等原因有可能带电，为了防止这种电压危及人身安全而设的接地称为保护接地。过电压保护接地是指为了限制过电压危险而设的接地，如避雷针、避雷器和避雷线等防雷设备的接地。在电力网中，有时也把避雷器等的接地叫做工作接地。西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X1 1、IT系统系统 电电源源小小电电流流接接地地系系统统的的保保护护接接地地方方式式，电电气气设设备备的的不不带带电电金金属属部部分分直直接接经经接接地地体体接地接地 电气设备的保护接地（电气设备的保护接地（IT系统）系统）当电气设备外壳带电时,接地电容电流分别经接地体和人体两条支路通过。只要接地装置的接地电阻在一定范围内，就会使流经人体的电流被限制在安全范围内。西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X2 2、TT系统系统 配配电电系系统统的的中中性性线线N引引出出，但但电电气气设设备备的的不不带带电电金金属属部部分分经经各各自自的的接接地地装装置直接接地置直接接地 TT系统系统 西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X3 3、TN系统系统 TN系统系统 当供电系统是大电流接地系统时，接在系统中的设备进行保护接地，称为TN系统。西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件XTN系统系统TNC系统系统TNS系统系统TNCS系统系统整个系统的中性线N与保护线PE是合在一起的，电气设备不带电金属部分与之相连。配电线路中性线N与保护线PE分开，电气设备的金属外壳接在保护线PE上。TN-C和TN-S系统的综合，电气设备大部分采用TN-C系统接线，在设备有特殊要求场合局部采用专设保护线接成TN-S形式 根据电气设备不同的接地方法，TN系统又分为以下三种形式：西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X 四、共同接地与重复接地四、共同接地与重复接地 1、共同接地、共同接地 要想用简单可靠的方法保证安全，就应当采取共同接地的方式(见图5-9)。这样就可以将两相分别接地短路变成相间短路，迅速使保护装置动作。图5-9 共同接地 西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X 2、重复接地、重复接地 同一低压系统中，不能有的采取保护接地，有的又采取保护接零，否则当同一低压系统中，不能有的采取保护接地，有的又采取保护接零，否则当采取保护接地的设备发生单相接地故障时，采取保护接零的设备外露可导电部采取保护接地的设备发生单相接地故障时，采取保护接零的设备外露可导电部分将带上危险的电压。中性点不接地系统中的设备不允许采用保护接零。因为分将带上危险的电压。中性点不接地系统中的设备不允许采用保护接零。因为任一设备发生碰壳时都将使所有设备外壳上出现近于相电压的对地电压，这是任一设备发生碰壳时都将使所有设备外壳上出现近于相电压的对地电压，这是十分危险的。在中性线上不允许安装熔断器和开关，以防中性线断线，失去保十分危险的。在中性线上不允许安装熔断器和开关，以防中性线断线，失去保护接零的作用，为安全起见，中性线还必须实行重复接地，以保证接零保护的护接零的作用，为安全起见，中性线还必须实行重复接地，以保证接零保护的可靠性。可靠性。西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X在中性点直接接地在中性点直接接地的低压电力网中采用的低压电力网中采用接零时，将零线上的接零时，将零线上的一点或多点再次与大一点或多点再次与大地作金属性连接，称地作金属性连接，称为为重复接地重复接地。重复接地可在系统中发生碰壳短路时降低零线的对地电压，重复接地可在系统中发生碰壳短路时降低零线的对地电压，减轻触电的危险。当采用保护接零而零线断裂时，如果在断减轻触电的危险。当采用保护接零而零线断裂时，如果在断线后的电力设备有一相碰壳，则后面的零线会带上相电压，线后的电力设备有一相碰壳，则后面的零线会带上相电压，造成危险。采用了重复接地后，接在断裂处后面的所有电气造成危险。采用了重复接地后，接在断裂处后面的所有电气设备外壳上的对地电压设备外壳上的对地电压U UE E U U，危险程度大大降低，危险程度大大降低，西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X第二节第二节 供电系统的防雷保护供电系统的防雷保护 雷电是一种自然现象，雷电现象比较复杂，产生原因的学说很多，它与当地的地球纬度、地质结构、地物地貌、大气气流等都有关系。雷电是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的放电现象。产生雷电的条件是雷雨云中有积累并形成极性。雷电分直击雷、电磁脉冲、球形雷、云闪四种 带电雷云的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主。因此，云的上、下部之间形成一个电位差。当电位差达到一定程度后，就会产生放电，这就是我们常见的闪电现象。放电过程中，由于闪电通道中温度骤增，使空气体积急剧膨胀，从而产生冲击波，导致强烈的雷鸣。西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X过电压过电压内部过电压内部过电压 外部过电压外部过电压 （雷电过电压（雷电过电压 ）直击雷击直击雷击感应雷击感应雷击 雷电波侵入雷电波侵入 操作过电压操作过电压谐振过电压等谐振过电压等 防雷就是防止由直击雷防雷就是防止由直击雷形成的雷电流形成的雷电流或雷电的或雷电的电磁脉冲电磁脉冲形成的过电压形成的过电压对供电系统对供电系统及设备造成的损害及设备造成的损害。（二）雷电流的产生和二）雷电流的产生和过电压的形式过电压的形式 闪电的的平均电流是闪电的的平均电流是3 3万安培，最大电流万安培，最大电流可达可达3030万安培。闪电的万安培。闪电的电压电压很高，约为很高，约为1 1亿至亿至1010亿亿伏特伏特。一个中等强度。一个中等强度雷暴雷暴的的功率功率可达一千可达一千万瓦，相当于一座小型万瓦，相当于一座小型核电站核电站的的输出功率输出功率。带。带有电荷的有电荷的雷云雷云与地面的突起物接近时，它们之与地面的突起物接近时，它们之间就发生激烈的放电，形成雷电流。间就发生激烈的放电，形成雷电流。西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X雷云大地直击雷示意图大地雷云雷电先导迎电先导放电一、一、直击雷及直击雷及防直击雷装置防直击雷装置 西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X 雷电流是一个陡度很高、幅值很大雷电流是一个陡度很高、幅值很大的冲击波电流。的冲击波电流。对对电电力力系系统统的的电电气气设设备备来来说说，雷雷电电流流的的陡陡度度越越大大，在在负负载载电电感感L上上产生的过电压也越大，对绝缘的破坏性也就越严重。产生的过电压也越大，对绝缘的破坏性也就越严重。一、一、直击雷及直击雷及防直击雷装置防直击雷装置 直击雷：又称直接雷击，它是指雷电直直击雷：又称直接雷击，它是指雷电直接击打在地面建筑物、供配电网络及设接击打在地面建筑物、供配电网络及设备上。备上。雷云对地或架空线路的放电就会雷云对地或架空线路的放电就会造成雷电流。造成雷电流。强大的雷电流通过输配电强大的雷电流通过输配电线路传输至系统，产生的热效应和力效线路传输至系统，产生的热效应和力效应不仅会危害线路本身，而且危及与之应不仅会危害线路本身，而且危及与之相连的变配电所及设备的安全。相连的变配电所及设备的安全。西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X 防防雷雷设设备备由由接接闪闪器器、引引下下线线、接接地地装装置置等等组组成成。接接闪闪器器是是专专门门用用来来接接受受直直接接雷雷击击的的金金属属物物体体。接接闪闪器器包包括括金金属属杆杆状状的的避避雷雷针针，金金属属线线状状的的避避雷雷线线，金金属属带带状状或或网网状状的的避雷带、避雷网等。避雷带、避雷网等。避雷针的作用是引雷。避雷针的作用是引雷。1.1.避雷针避雷针 西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X 避雷针是防止直击雷的有效措避雷针是防止直击雷的有效措施。一定高度的避雷针（线）下施。一定高度的避雷针（线）下面，有一个安全区域，此区域内面，有一个安全区域，此区域内的物体基本上不受雷击。我们把的物体基本上不受雷击。我们把这个安全区域叫做避雷针的保护这个安全区域叫做避雷针的保护范围。范围。西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X避雷针的保护范围用避雷针的保护范围用“滚球法滚球法”来确定。来确定。当避雷针高度为当避雷针高度为h h时，如时，如h hh hr r，地面上的保护半径地面上的保护半径r r0 0为为 单支避雷针的保护范围单支避雷针的保护范围 高度为高度为h hx x的平面的平面xxxx上的保护半上的保护半径径r rx x为为 西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X 避雷针接地必须良好，接地电阻不宜超过避雷针接地必须良好，接地电阻不宜超过10 10 ；v 35kV35kV及以下变配电所的避雷针应单独装设支架，避雷针与被保护设备之间的空气及以下变配电所的避雷针应单独装设支架，避雷针与被保护设备之间的空气距离不小于距离不小于5m5m；v 独立避雷针应有自己专用的接地装置，接地装置与变配电所接地网间的地中距离独立避雷针应有自己专用的接地装置，接地装置与变配电所接地网间的地中距离不应小于不应小于3m3m；v 避雷针及接地装置与道路入口等的距离不小于避雷针及接地装置与道路入口等的距离不小于3m3m。西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X“折线法折线法”现现行行电电力力行行业业标标准准 DL/T620 1997规规 定定，用用于于变变配配电电所所和和电电力力线线路路的的防防雷雷保保护护时时，避避雷雷针针、线线的的保保护护范范围围按按“折折线线法法”来来确确定。定。2.2.避雷线避雷线 避雷线的接闪原理与避雷针类似。避雷线的接闪原理与避雷针类似。西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X感应雷：指雷电对设备、线路或其它物体的静电感应所引起的过电压现象。如在户外输电线路上空若存在雷云，带电荷的雷云将对导线产生静电感应，相当于在导线上充以大量与雷云相异的电荷并建立起相应的雷电感应过电压。当雷云对附近地面或另一雷云放电后，导线上感应电荷将失去束缚而成为自由电荷，它在雷电感应过电压的推动下，以电磁波的速度向导线两侧冲击流动。从而形成感应过电压冲击波，该感应过电压可以达到300500KV会给110KV以下设备造成危害三、感应雷及防雷装置 西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X雷云雷云放电线路线路架空线上的感应过电压西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X 雷雷电电入入射射波波到到达达线线路路末末端端结结点点处处会会发发生生全全反反射射，线线路路的的开开路路末末端端电电压压将将增增大大至至雷雷电行波电压的电行波电压的2 2倍，严重威胁线路的绝缘安全，必须设置避雷器等防雷保护措施。倍，严重威胁线路的绝缘安全，必须设置避雷器等防雷保护措施。变电所常采用一段变电所常采用一段100200m的进线电缆，以达到降低行波陡度的效果。的进线电缆，以达到降低行波陡度的效果。西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X阀电阻特性阀电阻特性避雷器避雷器 避避雷雷器器的的作作用用是是防防止止雷雷电电过过电电压压沿沿输输电电线线路路侵侵入入变变电电所所或或其其它它建建筑筑物物，危危害害电电气设备的绝缘。气设备的绝缘。阀式避雷器阀式避雷器 管型避雷器和保护间隙管型避雷器和保护间隙 金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器 在在工工频频电电压压下下，金金属属氧氧化化物物避避雷雷器器呈呈现现极极高高电电阻阻，能能迅迅速速有有效效地地阻阻断断工工频频续续流流，无无需需火火花花间间隙隙来来熄熄灭灭由由工工频频续续流流引引起起的的电电弧弧；而而当当雷雷电电过过电电压压的的作作用用下下，其其电电阻阻变变为为很很小小，能能较较好好地地泄泄放放雷雷电流。电流。西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X 避雷器是用来防止线路的感应雷及避雷器是用来防止线路的感应雷及沿线路侵入的过电压波对变电所内的电沿线路侵入的过电压波对变电所内的电气设备造成的损害。它一般接于各段母气设备造成的损害。它一般接于各段母线与架空线的进出口处，装在被保护设线与架空线的进出口处，装在被保护设备的电源侧，与被保护设备并联备的电源侧，与被保护设备并联 避雷器的连接避雷器的连接 避雷器避雷器管形避雷器管形避雷器阀形避雷器阀形避雷器金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X 管型避雷器管型避雷器 管型避雷器主要用于变配管型避雷器主要用于变配电所的进线保护和线路绝缘弱电所的进线保护和线路绝缘弱点的保护，保护性能较好的管点的保护，保护性能较好的管型避雷器可用于保护配电变压型避雷器可用于保护配电变压器。器。管型避雷器结构示意图管型避雷器结构示意图1产气管；产气管；2胶木管；胶木管；3棒形电极；棒形电极；4环形电极；环形电极；5动作指示器；动作指示器；s1内间隙；内间隙；s2外间隙外间隙西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X 阀型避雷器阀型避雷器 由火花间隙和阀片组成，装在密封的磁套管内。阀型避雷器的火花间隙组是由多个由火花间隙和阀片组成，装在密封的磁套管内。阀型避雷器的火花间隙组是由多个单间隙串联组成的。正常运行时，间隙介质处于绝缘状态，仅有极小的泄漏电流通过阀单间隙串联组成的。正常运行时，间隙介质处于绝缘状态，仅有极小的泄漏电流通过阀片。当系统出现雷电过电压时，火花间隙很快被击穿，使雷电冲击电流很容易通过阀性片。当系统出现雷电过电压时，火花间隙很快被击穿，使雷电冲击电流很容易通过阀性电阻而引入大地，释放过电压负荷，阀片在大的冲击电流下电阻由高变低，所以冲击电电阻而引入大地，释放过电压负荷，阀片在大的冲击电流下电阻由高变低，所以冲击电流在其上产生的压降（残压）较低，此时，作用在被保护设备上的电压只是避雷器的残流在其上产生的压降（残压）较低，此时，作用在被保护设备上的电压只是避雷器的残压，从而使电气设备得到了保护。压，从而使电气设备得到了保护。西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X 金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器 金属氧化物避雷器又称压敏避雷器。它是一种没有火花间隙只有压敏电阻片的阀型金属氧化物避雷器又称压敏避雷器。它是一种没有火花间隙只有压敏电阻片的阀型避雷器。压敏电阻片是氧化锌等金属氧化物烧结而成的多晶半导体陶瓷元件，具有理想避雷器。压敏电阻片是氧化锌等金属氧化物烧结而成的多晶半导体陶瓷元件，具有理想的伏安特性。在工频电压下，它具有极大的电阻，能迅速有效地阻断工频电流，因此不的伏安特性。在工频电压下，它具有极大的电阻，能迅速有效地阻断工频电流，因此不需要火花间隙来熄灭由工频续流引起的电弧；在雷电过电压作用下，其电阻变得很小，需要火花间隙来熄灭由工频续流引起的电弧；在雷电过电压作用下，其电阻变得很小，能很好地泄放雷电流。能很好地泄放雷电流。西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X四、供电系统的四、供电系统的防雷措施防雷措施 户户外外变变配配电电所所中中，一一般般采采用用避避雷雷针针作作为为直直击击雷雷的的防防护护装装置置，并并要要求求所所有有被被保保护护的电气设备和建筑物均应处于避雷针的保护范围之内。的电气设备和建筑物均应处于避雷针的保护范围之内。变变配配电电所所中中一一般般需需要要通通过过装装设设阀阀式式避避雷雷器器或或氧氧化化锌锌避避雷雷器器对对变变压压器器进进行行雷雷电电侵入波的防护。侵入波的防护。避避雷雷器器应应尽尽可可能能靠靠近近变变压压器器安安装装。避避雷雷器器接接地地线线应应与与变变压压器器低低压压侧侧接接地地中中性性线线及金属外壳连在一起接地。及金属外壳连在一起接地。避雷器的选择，必须使其伏秒特性与变压器伏秒特性合理配合，并且避雷器的避雷器的选择，必须使其伏秒特性与变压器伏秒特性合理配合，并且避雷器的残压必须小于变压器绝缘耐压所能允许的程度。残压必须小于变压器绝缘耐压所能允许的程度。西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X（1）架空线的防雷措施）架空线的防雷措施 用户供电系统是电力系统的负荷末端，具有以下特点：1)一般架空线路都在35kV以下，是中性点不接地系统，当雷击杆顶对一相导线放电时，工频接地电流很小，不会引起线路的跳闸。2)配电网路一般不长，同时架空线路多受建筑物和树木的屏蔽，遭受雷击的机会比较少。3)对于有重要负荷的供电系统，采用双电源供电或自动重合闸装置，可以减轻雷害事故的影响。用户供电系统35kV架空线路的防雷一般可采用以下措施：1)增加架空线绝缘子个数，采用较高等级的绝缘子，或顶相用针式而下面两相改用悬式绝缘子，提高反击电压水平。2)部分架空线装设避雷线。3)改进杆塔结构，譬如当应力允许时，可以采用瓷横担等。4)减小接地电阻以及采用拉线减少杆塔电感。5)采用电缆供电。对于610kV架空线，一般比35kV线路高度低，不需装设避雷线，防雷方式可利用钢筋混凝土杆的自然接地，必要时也可采用双电源供电和自动重合闸。西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X（2）变电所的防雷）变电所的防雷 用户变电所主要是利用装设避雷针和避雷器对直击雷和线路侵入冲击波进行防护 图5-27 独立避雷针与附近设施的最小距离 西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X避雷器 对线路侵入雷电冲击波的防护 图5-29 避雷器保护变压器的距离与雷电冲击电压波的关系a)示意图 b)电压变化图 西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X(3)变电所防雷的进线段保护 对于全线无避雷线的35kV变电所进线，当雷击于附近的架空线时，冲击波的陡度必然会超过变电所电气设备绝缘所能允许的程度，流过避雷器的电流也会超过5kA，当然这是不能允许的。所以，这种线路靠近变电所的一段进线(12km)上必须装设避雷装置。图5-30 35110kV全线无避雷线线路变电所进线段标准防雷保护方式 西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X 对于容量较小的用户供电系统变电所，还可以根据其重要性和雷曝日数采取简化的进线段保护，例如对容量为31505600kVA的变电所，可以考虑采用避雷线长仅为500600m的进线保护段 图5-31 简化进线段保护（电压35kV，容量31505600kVA）F1阀式避雷器 F2、F3管式避雷器或保护间隙 西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X对负荷不很重要，容量在3150kVA以下的变电所，可采用图5-32a的保护方式，对1000kVA以下的变电所。还可按图5-32b的保护方式，应当注意的是，不论怎样简化，阀式避雷器距变压器和电压互感器的最大电气距离不宜大于10m。图5-32 简化进线保护方式a)35kV，3150kVA以下西安理工大学自动化与信息工程学院供电技术电子课件X图5-32 简化进线保护方式b)35kV，1000kVA以下