第8章电气安全、防雷与接地

第八章 电气安全、防雷与接地 8-1 电气安全 8-2 大气过电压与防雷 8-3 电气设备接地 8-1 电气安全 一、触电及有关概念1.电流对人体的伤害 所谓触电是指电流流过人体时对人体产生的生理和病理伤害。这种伤害是多方面的，主要分为电击和电灼伤两种类型。(1)电击 电击是由于较小的电流通过人体体内而造成的内部器官在生理上的反应和病变。如针痛感、灼痛感、痉挛，严重时可以出现昏迷、心室颤动或停跳、呼吸困难或停止等现象。(2)电灼伤 电灼伤是较大的电流对人体造成的外伤，这种触电多数发生在人体尚为接触到带电体时肌体受到高温电弧的灼伤。如人体组织烧焦、炭化、坏死等现象。这种情况一般是由于高压触电造成的。2.影响人体触电后果的因素(1)电流强度 通过人体的电流越大，人体的生理反应越强烈，对人体的伤害也越严重。按照人体对电流的反应的程度和电流对人体的伤害程度，可分为：感知电流、摆脱电流和三级。一般对健康成年人来说，感知电流为1mA，摆脱电流为10mA，致命电流为50mA（电流持续时间在1s以上）。我国一般取30 mA（工频交流）为安全电流。(2)触电时间 触电致死在生理险象是心室颤动。电流通过人体的时间越长，越容易引起心室颤动，触电的后果也越严重。(3)电流性质 人体对不同频率电流在生理上的敏感性是不同的，具体说，直流、工频交流和高频交流电流通过人体时其对人体的危害程度是不同的。直流电流对人体的伤害较轻；工频交流对人体的伤害最为严重。(4)电流路径 电流对人体的伤害，随着路径的不同，程度也不同。电流流经心脏、中枢神经（脑部和脊髓）和呼吸系统是最危险的。所以电流从手到脚，特别是从一手到另一手是最危险的。(5)人体状况 经试验研究表明，触电危险性与人体的状况有关。健康人的心脏和衰弱病人的心脏对电流损害的抵抗能力是差别很大的；触电者的年龄、精神状态和人体电阻等都会使电流对人体的危害程度有所差异。一般情况下，人体触电的主要原因是：1）工作时没有遵守有关安全规程，直接或过分靠近带电体；2）人体触及到了因绝缘损坏而带电的电气设备外壳和与之相连的金属体。3）电气设备安装不符合有关规程要求，带电体对地距离不够；4）不懂电气知识，随便乱拉电线、电灯等造成触电。3.安全电压和人体电阻（1）安全电压 所谓安全电压，是指人体触电后，不能使人致死或致残的电压。作用人体的电压越高，人体电阻越小，则通过人体的电流就越大，触电的危害程度就越严重。因此，我国根据不同的环境条件，规定安全电压为：在无高度危险的环境为65V，有高度危险的环境为36V，特别危险的环境为12V。（2）人体电阻 人体电阻是由体内电阻和肌肤电阻两部分组成。体内电阻较小（约500），而且基本不变；人体电阻主要由肌肤电阻决定，且与多种因素有关，正常时可高达数万欧以上。而在恶劣的条件（如出汗且有导电粉尘）下，则可下降为1200左右。安全工程计算时，从安全角度考虑，人体电阻一般取1700。安全电流安全电流：我国一般取30 mA（工频交流）为安全电流。安全电压安全电压：在无高度危险的环境为65V，有高度危险的环境为36V，特别危险的环境为12V。人体电阻人体电阻：一般取1700。4.触电防护（1）直接触电防护 为了保证人身安全，对人能直接接触正常带电部分的防护，例如对带电体加隔离栅栏或加保护罩等的防护。（2）间接触电防护 为了保证人身安全，对正常时不带电，而故障时可带危险电压的外露可导电部分的防护，例如将正常不带电的可导电部分接地等的防护。二、电气安全措施及触电急救1.常用的技术措施（1）停电 停电时，必须把来自各途径的电源断开，且保证至少有一处明显断开点。检修时，工作人员应与带电部分保持有效的安全距离。（2）验电 停电后，通过验电设备可以明显地验证停电设备是否带电，从而防止触电事故的发生。（3）装设临时接地线 这是为了防止在维修过程中突然来电，以保证工作人员安全的可靠措施。在装设临时接地线时，必须先接接地端，再接设备端；拆除时顺序应相反。（4）悬挂标志牌和装设临时遮拦 标志牌是用来对所有人员提出安全警告和应注意事项的，如“禁止合闸，有人工作”、“高压危险”等；临时遮拦是为了防止工作人员误碰或靠近带电体。2.常用的组织措施（1）工作票制度 工作票是准许在电气设备或线路上工作的书面命令，也是执行保证安全技术措施的书面依据。（2）操作票制度 操作票制度是在全部停电或部分停电时，在电气设备或线路上工作人员必须执行的操作制度。也是人身安全和正确操作的重要保证（3）工作许可制度 该制度是为了进一步加强工作人员的工作责任感。工作许可人员负责审查工作票所列安全措施是否正确完备，是否符合现场条件。（4）工作监护制度 该制度是为了保护人身安全和操作正确的措施。监护人的主要职责是监护操作人员是否按规定的要求操作。3.触电急救（1）脱离电源 触电急救，首先要使触电者迅速脱离电源。提示：一旦发生触电事故，一定要沉着冷静的应对。（2）急救处理 触电者脱离电源后，应立即将其移至干燥通风的场所，根据具体情况迅速对症救治，同时赶快通知医务人员并做好送往医院的准备工作。返回 8-2 大气过电压与防雷 一、大气过电压1雷电的形成 气过电压产生的根本原因，是雷云放电引起的。在雷雨季节里，太阳把地面一部分水分蒸发为蒸汽，并向上升起，由于太阳不能直接使空气变热，所以上部空气为冷空气。上升的蒸汽一旦遇到冷空气，立即凝结成水滴，随着水滴的增多逐渐形成积云。它们受到强烈气流的吹袭，产生摩擦和碰撞，形成带正、负不同电荷的雷云。过电压保护过电压保护雷电的危害：雷电的危害：（1）雷云对地放电时，在雷电附近的导线上将产生感应过电压，会使电气设备绝缘发生闪络或击穿，甚至引起火灾和爆炸，造成人身伤亡等；（2）强大的雷电流流过导体时，会产生很大的热量而使导体严重变形或熔断；（3）雷云对地放电时，强大的雷电流会产生机械效应而使杆塔、横担和建筑物等损坏；（4）雷云对地放电时，有时也能击中人，对人造成严重伤害。2直击雷过电压 雷云直接对输电线路或电气设备放电，强大的雷电流通过线路或电气设备时引起过电压。从而产生破坏性很大的热效应和机械效应，这就是直击雷过电压。有一高度为h的避雷针，当雷云对避雷针放电时，避雷针顶端的电位为：dtdihLRiULdochLdhiLd为雷电流幅值，kA；Rch为接地装置的冲击电阻，；L0为避雷针单位长度的电感，H/m；h为避雷针高度，m。当雷云对避雷针放电时，其顶端的电位大小，就是直击雷过电压的数值，即雷电流通过线路或电气设备（被击中物）的阻抗和接地电阻时所造成的电压降。3感应雷过电压 当雷云不是直接击于输电线路或电气设备上，而是由雷云对输电线路或电气设备的静电感应或电磁感应所产生的过电压。感应雷过电压的形成a)雷云在线路上方时，线路上感生束缚电荷 b)雷云放电后，自由电荷在线路上形成过电压波1-雷云 2-放电通道 3-架空线路4雷电波侵入 由于直击雷或感应雷而产生的高电位雷电波，沿架空线或金属管道侵入变配电站或用户造成危害。据统计表明，工厂变配系统中，由于雷电波侵入而造成的雷害事故，在整个雷害事故中占50%以上。二、防雷设备1避雷针和避雷线（1）避雷针和避雷线的引雷避雷针引雷示意图避雷针引雷示意图 a）雷先导离针很远时 b）雷先导离针很近时（2）避雷针与避雷线的结构 一个完整的避雷针由接闪器、引下线及接地体三部分组成。接闪器是专门用来接受雷云放电的金属物体。接闪器的不同，可组成不同的防雷设备：接闪器是金属杆的，则称为避雷针；接闪器是金属线的，称为避雷针或架空地线；接闪器是金属带的、金属网的则称为避雷带、避雷网等。引下线是接闪器与接地体之间的连接线，将由接闪器引来的雷电流安全的通过其自身并由接地体导入大地，所以应保证雷电流通过时不致熔化。引下线一般采用直径为8mm的圆钢或截面不小于25mm2的镀锌钢绞线。如果避雷针的本体是采用钢管或铁塔形式，则可以利用其本体做引下线，还可以利用非预应力钢筋混凝土杆的钢筋作引下线。接地体是避雷针的地下部分，其作用是将雷电流顺利地泄入大地。接地体常用长2.5m，50mm50mm5mm的角钢多根或直径为50mm的镀锌钢管多根打入地下，并用镀锌扁钢连接起来。接地体的效果和作用可用冲击接地电阻的大小表达，其值越小越好。各种防雷设备的冲击接地电阻值均有规定，如独立避雷针或避雷线的冲击接地电阻应不大于10。（3）单支避雷针与避雷线的保护范围1）单支避雷针的保护范围 单支避雷针的保护范围是以避雷针为轴的折线构成的上、下两个圆锥形空间。针顶A向下作与针成45角的斜折线，与高0.5h的水平面相交于B点，连接B到地面的保护半径1.5h处的C点，通过交点B把锥形保护范围分为上、下两个空间。hx为被保护物高度，m；ha（ha=h-hx）为避雷针的有效高度，m；p为高度影响系数，当h30m时，p=1；当30mh120m时，hp5.52）避雷线的保护范围 由避雷线向下作与其垂直面成25角的两个斜面，在高度h/2处转折与地面上离避雷线水平距离为h的直线相连的平面，合起来构成屋脊式的保护范围。保护宽度rx可按下式计算 两根避雷线外侧的保护范围按单根避雷线方法确定。两避雷线内侧保护范围的截面，由通过两避雷线及保护范围上部边缘最低点O的圆弧确定，O点的高度可按下式计算pDhh4o用用“滚球法滚球法”确定避雷针（线）的保护范围：确定避雷针（线）的保护范围：所谓“滚球法”，就是选择一个半径为hr的球体，沿需要防护直击雷的部位滚动，如果球体只接触到避雷针（线）或避雷针（线）与地面，而不触及需要保护的部位，则该部位就在避雷针（线）的保护范围之内，计算公式略。2避雷器（1）阀型避雷器1）阀型避雷器的结构 阀型避雷器是由装在密封瓷套管中的火花间隙和阀片（非线性电阻）串联组成。上端有与导线相连接下端与接地体相连 阀型避雷器的结构a）FS-0.38型：1-上接线端 2-火花间隙 3-云母片 4-瓷套管 5-阀片 6-下接线端b）FZ-10型：1-火花间隙 2-阀片 3-瓷套管 4-云母片 5-分路电阻 火花间隙按网路额定电压的高低，采用若干个单间隙叠合而成，每个单间隙如图所示。单个平板型火花间隙 阀片的电阻特性曲线 2）阀型避雷器的工作原理3）阀型避雷器的分类及应用 阀型避雷器主要分为普通型和磁吹型两大类。普通型有FS和FZ两种系列。磁吹型则有FCD和FCZ两种系列。阀型避雷器的型号中的符号含义如下：F为阀型；S为线路用；Z为电站用；D为保护电机用；C为磁吹。（2）管型避雷器 管型避雷器由产气管、内部间隙和外部间隙三部分组成。而产气管由纤维、有机玻璃或塑料组成。它是一种灭弧能力很强的保护间隙。管型避雷器结构示意图1-产气管 2-棒形电极 3-环形电极 4-接地支座 5-管口 6-线路 s1-外部间隙 s2-内部间隙 当沿线侵入的雷电波幅值超过管型避雷器的击穿电压时，内外火花间隙同时放电，内部火花间隙的放电电弧使管内温度迅速升高，管子内壁的纤维质分解出大量高压气体，由环形电极端面的管口5喷出，形成强烈纵吹，使电弧在电流第一次过零时就熄灭。这时外部间隙的空气迅速恢复了正常绝缘，使管型避雷器与供电系统隔离。熄弧过程仅为0.01s。（3）保护间隙角形保护间隙（羊角避雷器）角形保护间隙（羊角避雷器）a)双支持绝缘子单间隙 b)单支持绝缘子单间隙 c)双支持绝缘子双间隙s-保护间隙 s1-主间隙 s2-辅助间隙 这种角形保护间隙又称羊角避雷器。其中一个电极接于线路，另一个电极接地。当线路侵入雷电波引起过电压时，间隙击穿放电，将雷电流泄入大地。为了防止间隙被外物（如鸟、兽、树枝等）短接而造成短路故障，通常在其接地引下线中还串接一个辅助间隙S2，如图8-12c)所示。这样即使主间隙被物短接，也不致造成接地短路。（4）金属氧化物避雷器 金属氧化物避雷器又称压敏避雷器，是一种新型避雷器 金属氧化物避雷器1-金属氧化锌接触层 2-填充剂 3-氧化锌晶粒 4-环氧树脂绝缘表层 5-引线 氧化锌阀片上的电压超过某一值（此值称为动作电压）时，阀片将发生“导通”，而后在阀片的残压与流过其本身的电流基本无关。在工频电压下，阀片呈现极大电阻，能迅速抑制工频续流，因此不需串联火花间隙来熄灭工频续流引起的电弧。几种常见的金属氧化物避雷器外形图 三、防雷措施1架空线路的防雷保护（1）装设避雷线 最有效的保护是在电杆（或铁塔）的顶部装设避雷线，用接地线将避雷线与接地装置连在一起，使雷电流经接地装置流入大地，以达到防雷的目的。线路电压越高，采用避雷线的效果越好，而且避雷线在线路造价中所占比重也越低。（2）装设管型避雷器或保护间隙 当线路遭受雷击时，外部和内部间隙都被击穿，把雷电流引入大地，此时就等于导线对地短路。选用管型避雷时，应注意除了其额定电压要与线路的电压相符外，还要核算安装处的短路电流是否在额定断流范围之内。（3）加强线路绝缘 在310kV的线路中采用瓷横担绝缘子。它比铁横担线路的绝缘耐雷水平高得多。当线路受雷击时，就可以减少发展成相间闪络的可能性，由于加强了线路绝缘，使得雷击闪络后建立稳定工频电弧的可能性也大为降低。木质的电杆和横担，使线路的相间绝缘和对地的绝缘提高，因此不易发生闪络。运行经验证明，电压较低的线路，木质电杆对减少雷害事故有显著的作用。2变配电站的防雷保护（1）装设避雷针防止直击雷 避雷针分为独立避雷针和构架避雷针两种。独立避雷针和接地装置一般是独立的。构架避雷针是装设在构架上或厂房上的，其接地装置与构架或厂房的地相连，因而与电气设备的外壳也连在一起。变电站对直击雷的防护，一般装设独立避雷针，使电气设备全部处于避雷针的保护范围之内。注意事项：从避雷针的引下线的入地点到主变压器接地线的入地点，沿接地网的接地体的距离不应小于15m，以防避雷针放电时，反击击穿变压器的低压绕组。为防止雷击避雷针时，雷电波沿电线传入室内，危及人身安全，照明线或电话线不要架设在独立避雷针上。独立避雷针及其接地装置，不应装设在工作人员经常通行的地方，并应距离人行道路不小于3m，否则采取均压措施，或铺设厚度为5080mm的沥青加碎石层。（2）对沿线侵入雷电波的保护1）容量在5600 kVA以上的变电站，进线保护应架设12km左右长的架空避雷线，如果是木杆线路进线保护的首段，应装设三相一组管型避雷器。2）容量为32005600kVA的变电站，以避雷线保护的进线长度为0.50.6km。避雷器至变压器及互感器的最大允许距离一般不超过20m。3）容量在3200kVA以下的变电站，不要求在进线段架设避雷线，只要求在首端装设管型避雷器，并在0.50.6km范围内每一电杆都要接地，如下图所示。但当变电站有一级负荷时，则应按下图进行保护。4）变电站310 kV 侧的保护，是在每条出线和母线上装设阀型避雷器，如下图所示。3配电设备的保护 35kV 配电变压器一般采用阀型避雷器保护。避雷器应装在高压熔断器的后面。在缺少阀型避雷器时，可用保护间隙进行保护，这时应尽可能采用自动重合熔断器。为了提高保护的效果，防雷保护设备应尽可能地靠近变压器安装。避雷器或保护间隙的接地线应与变压器的外壳及变压器低压侧中性点连在一起共同接地。其接地电阻值为：对100kVA及以上的变压器，应不大于4；对小于100kVA的变压器，应不大于10。（1）配电变压器及柱上油开关的保护 为了防止避雷器流过冲击电流时，在接地电阻上产生的电压降沿低压零线侵入用户，应在变压器两侧相邻电杆上将低压零线进行重复接地。柱上油开关可用阀型避雷器或管型避雷器来保护。对经常闭路运行的柱上油开关，可只在电源侧安装避雷器。对经常开路运行的柱上油开关，则应在其两侧都安装避雷器。其接地线应和开关的外壳连在一起共同接地，其接地电阻一般不应大于10。低压线路的保护，是将靠近建筑物的一根电杆上的绝缘子铁脚接地。这样当雷击低压线路时，就可向绝缘子铁脚放电，把雷电流泄入大地，起到保护作用。其接地电阻一般不应大于30。（2）低压线路的保护返回 8-3 电气设备接地 一、接地的目的1防止触电 为了防止人员遭到电击，一个有效的办法，就是当人体接触或接近带电体时，让人体与带电体处在同一电位。而要保持相同的电位，做简便的做法就是使电气设备的某部分与大地连接起来。2防止电气设备的机械性损坏 在供配电系统遭受雷击、受到冲击电流的冲击、遭受静电或出现共振等影响的情况下，以及在与其他高压系统发生挂碰事故的情况下，供配电系统中会出现过电压，可能导致电气设备的绝缘材料的损坏或性能变坏等。采取接地措施，可以有效的抑制过电压的出现。3防止火灾及爆炸 因用电而导致火灾或爆炸的点火源，是来自雷电袭击、静电放电、电火花、电弧以及电气设备的加热和漏电等。采取接地措施，在系统正常运行和发生事故的情况下可以有效的抑制点火源的出现。4电气设备正常工作提示：提示：为了电气设备的正常工作以及保障人身安全，需要接地的场合必须接地！很多电气设备在正常工作时是必须接地的，如变压器的中性点、防雷设备的接地等。二、接地装置的构成 接地装置是由接地体和接地线两部分构成的。其中与土壤直接接触的金属物体，称为接地体或接地极。而由若干接地体在大地中相互连接而构成的总体，称为接地网。连接于接地体和设备接地部分之间的金属导线，称为接地线。接地装置示意图1-接地体 2-接地干线 3-接地支线 4-电气设备 接地体通常采用直径50 mm，长22.5m的钢管或50 mm50 mm5 mm，长2.5m的角钢，端部削尖，打入地中。接地体按其布置方式又可分为外引式和环路式两种。外引式是将接地体引出户外某处集中埋于地下，如图所示。环路式则是将接地体围绕电气设备或建筑物四周打入地中。接地体上端应露出沟底100200mm，以便与接地线可靠焊接。二、接地装置的散流效应1接地电流与对地电压 当电气设备发生接地时，电流通过接地体向大地作半球形散开，这一电流称为接地电流，用IE表示。半球形的散流面在距接地体越远处其表面积越大，散流的电流密度越小，地表电位也就越低，电位和距离成双曲线函数关系，这一曲线称为对地电位分布曲线，2接触电压和跨步电压 电气设备的外壳一般都与接地体相连，在正常情况下和大地同为零电位。但当设备发生接地故障时，则有接地电流入地，并在接地体周围地表形成对地电位分布，此时如果有人触及设备外壳，则人所接触的两点（如手和脚）之间的电位差，称为接触电压，用Utou表示如果人在接地体20m范围内走动，由于两脚之间有0.8m左右距离，从而承受了电位差，称为跨步电压，用Ustep表示。三、电气设备的接地1工作接地 为了保证电气设备的可靠运行，在电气回路中某一点必须进行的接地，称为工作接地。如避雷器、避雷针及变压器中性的接地都属于工作接地 2保护接地 将电气设备上与带电部分绝缘的金属处壳与接地体相连接，这样可以防止因绝缘损坏而遭受触电的危险，这种保护工作人员的接地措施，称为保护接地，代号为PE。保护接地总的类型有两种：一种是设备的金属外壳经各自的PE线分别直接接地，即IT系统的接地，多适用于工厂高压系统或中性点不接地的低压三相三线制系统；另一种是设备的金属外壳经公共的PE线或PEN线接地，即过去所谓的保护接零，它多用于中性点接地的低压三相四线制系统，又可分为TN系统和TT系统两种。（1）IT系统 在中性点不接地的三相三线制供电系统中，将电气设备在正常情况下不带电的金属外壳及其构架等，与接地体经各自的PE线分别直接相连。当电气设备某相的绝缘损坏时外壳就带电，同时由于线路与大地存在绝缘电阻r和对地电容（图中未画出），若人体此时触及设备外壳，则电流就全部通过人体而构成通路，（2）TN系统 在中性点直接接地的低压三相四线制系统中，将电气设备正常不带电的金属外壳与中性线（N线）相连接。当设备发生单相碰壳接地故障时，短路电流流经外壳和PE（或PEN）线形成回路，由于回路中的相线，PE（或PEN）线及设备外壳的合成电阻很小，所以短路电流很大，一般都能使设备的过电流保护装置（如熔断器）动作，迅速将故障设备从电源断开，从而减小触电危险，保护人身和设备的安全。（3）TT系统 在中性点直接接地的低压三相四线制系统中，将电气设备正常情况下不带电的金属外壳经各自的PE线分别直接接地。当设备发生单相碰壳接地故障时，由于接触不良而导致故障电流较小，不足以使过电流保护装置动作，此时如果有人触及设备外壳，则故障电流就要全部通过人体，造成触电事故，如下图所示。当采用TT系统后，设备与大地接触良好，发生故障时的单相短路电流较大，足以使过电流保护装置动作，迅速切除故障设备，大大地减少触电危险。即使在故障未切除时人体触及设备外壳，由于人体电阻远大于接地电阻，因此，通过人体的电流较小，触电的危险性也不大，如下图所示。漏电保护：漏电保护：防止人身触电的保护技术漏电保护。漏电保护的作用：漏电保护的作用：一是电气设备（或线路）发生漏电或接地故障时，能在人尚未触及之前就把电源切断；二是当人体触及带电体时，能在0.1s内切断电源，从而减轻电流对人体的伤害程度。此外，还可以防止因漏电引起的火灾事故。3重复接地 在电源中性点直接接地的TN系统中，为了减轻PE线或PEN线断线时的危险程度，除在电源中性点进行接地外，还在PE线或PEN线上的一处或多处再次接地，称为重复接地。重复接地一般在以下地方进行：（1）架空线路的干线和支线终端及沿线每1km处；（2）电缆和架空线在引入车间或建筑物之前。在中性点直接接地的TN系统中，当PE线或PEN线断线而且断线处之后有设备因碰壳而漏电时，在断线处之前设备外壳对地电压接近于零；而在断线处之后设备的外壳上，都存在着接近于相电压的对地电压，即UEU，如图所示。这是相当危险的。进行重复接地后，在发生同样故障时，断线处的设备外壳对地电压等于PE线或PEN线上的对地电压，为 。而在断线处之前的设备外壳对地电压 ，如图所示。当 ，断线前后设备外壳对地电压均为 ，危险成度大大降低。EEERIUEERIU EERR2/U但是实际上由于 ，所以断线处后设备外壳 ，对人仍构成危险，因此PE线或PEN线断线故障应尽量避免。EERR 2/EUU 演讲完毕，谢谢观看！