《工厂供电》供电系统的保护接地与防雷

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,9/22/2024,45,9/22/2024,45,工厂供电课件_第5章,控制科学与工程学院 2009,内容提要：,本章概述供电系统的保护接地与防雷保护。,第5章 供电系统的保护接地与防雷,第5章供电系统的保护接地与防雷,第一节 供电系统的保护接地,第二节 供电系统的防雷保护,第一节 供电系统的保护接地,一、电流对人体的危害,电流对人体的伤害程度与通过人体电流的强度、持续时间、频率、路径及人体健康状况等因素有关。电流大小不同，引起人体的生理、病理效应不同。,我国规定触电时间不超过ls的,安全电流为30mA(50Hz),。,一般情况下通过人体的工频电流超过50mA时，心脏就会停止跳动，发生昏迷，并出现致命的电烧伤。工频100mA电流通过人体时，很快使人致命。,图5-1 是人体触电时间与通过人体电流对人身机体反应的曲线,接地：电气设备的某部分与大地之间做良好的电气连接。,接地体：埋入地中并直接与大地接触的金属导体。或称接地极,接地线：连接接地体与设备、装置接地部分的金属导体。,接地装置：接地线与接地体合称为接地装置,1. 接地的有关概念,接地电流：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， 这一电流称为接地电流。,对地电压：电气设备的接地部分与零电位的地之间的电位差，,称为接地部分的对地电压。,接地网：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。,二、接地和接地装置,接触电压：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的电位差。,跨步电压：是指在接地故障点附近行走，两脚之间所出现的电位差。,跨步电压和接触电压示意图,工作接地：为保证电力系统和设备达到正常工作要求而进行的一种接地。,保护接地：为保障人身安全、防止间接触电而将设备的外露可导电部分接地。,2接地电阻的组成及电力系统对接地电阻的要求,a) 土壤电阻:,土壤电阻的大小用土壤电阻率表示。土壤电阻率就是 的正立方体土壤的电阻值。,b) 接地线:,自然接地线包括建筑物的金属结构，生产用的金属构架如吊车轨道、配电装置外壳，布线的钢管，电缆外皮以及非可燃和爆炸危险的工业管道等。,c) 接地极 :,自然接地极主要有：地下水管道，非可燃、非爆炸性液、气金属管道；建筑物和构筑物的金属结构和电缆外皮。,（,2,）电力系统对,接地电阻的要求,电力系统在不同情况下对接地电阻的要求是不同的。具体内容见表5-3,（1）决定接地电阻的因素,P131,3工频接地电阻的计算,(1) 人工接地极工频接地电阻的计算,不同类型的单个接地极的接地电阻计算公式，在设计手册中均有介绍，读者可根据需要参考有关设计手册 。在实际的供电系统设计中，往往单个接地极的接地电阻不能满足某些系统对接地电阻的要求，因此，必须将数根接地极进行并联成组。, 人工接地极(以钢管为例)单根电阻(,), 接地极的根数, 接地极组的利用系数，根据接地极布置情况，根数及其间距而定；设计时可查阅相关设计手册, 人工接地极组的总电阻值(,),P132,组合接地极是用扁钢连接的,长度为z的扁钢考虑利用系数时的电阻值(,)。,长度为z的扁钢，未考虑利用系数影响前的电阻值(,)。,扁钢的利用系数。设计时可查阅相关设计手册。,人工接地网的总接地电阻,人工接地极组的总电阻为,钢管数,扁钢,4,.,冲击接地电阻的计算,冲击接地电阻,冲击接地电阻(,),接地体的冲击系数,工频接地电阻(,),P133,三、保护接地,为保证人体触及意外带电的电气设备时的人身安全，而将电气设备的金属外壳进行接地即为保护接地（又称安全接地）,依据低压配电系统的对地关系、电气设备（或装置）的外露可导电部分的对地关系以及整个系统的中性线（neutral wire，简写N线）与保护线（protective wire，简写PE线）的组合情况，低压配电系统接地型式有IT系统、TT系统和T N系统（包括TN-C、TN-S、TN-C-S系统）共5种。,保护接地,IT类（IT系统）,TN类（TN系统）:,TT类（TT系统）,TN-C、TN-S、TN-C-S,P134,1、,IT,系统,电气设备的保护接地（,IT,系统）,IT系统即在中性点不接地系统中将电气设备正常工作情况下不带电的金属部分与接地体之间作良好的金属连接。,2、,TT,系统,配电系统的中性线,N,引出，但电气设备的不带电金属部分经各自的接地装置直接接地,TT,系统,TT系统是在中性点接地系统中，将电气设备外壳通过与系统接地无关的接地体直接接地。,TN系统是指在中性点直接接地系统中电气设备在正常工作情况下不带电的金属部分用保护线通过中性线与系统中性点相连接。,TN系统,TN-C系统,TN-S系统,TN-C-S系统,中性线N与保护线PE合一 PEN线,中性线N与保护线PE是分开的,部分中性线N与保护线PE合一，局部采用专设的保护线,3、,TN,系统,四、共同接地与重复接地,1、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。,2 重复接地：,在TN系统中，为确保公共PE线或PEN线安全可靠，除在中性点进行工作接地,外，还应在PE线或PEN线的下列地方进行重复接地：1）在架空线路终端及沿线,每1km处；2）电缆和架空引入车间或大型建筑物处。,五、漏电保护器的应用,漏电保护,（又称剩余电流保护）是从泄漏电流，人体触电等非金属性单相接地故障考虑，用来保护人身及设备安全的一种保护方式。,漏电保护器的类型按其工作原理可分为电压动作型、电流动作型、电压电流动作型、交流脉冲型和直流动作型等。由于电流动作型的检测特性较好，既可作全系统的总保护，也可作各干线、支线的分级保护，所以是目前应用较为普遍的一种。,电流动作型漏电保护器主要由零序电流互感器、脱扣机构及主开关组成。零序电流互感器是一个检测元件，可以安装在变压器中性点与接地板之间，构成全网总保护，也可安装在干线或分支线上，构成干线或分支线保护。如图5-13所示。,图5-13 电流动作型漏电保护器工作原理图,a)全网总保护 b)支干线保护,干线或分支线回路的漏电保护工作原理可用图5-14来说明。,图5-14 干线回路漏电保护工作原理,(1)漏电保护用于TN系统中，从使用漏电保护装置的地点起，TNC系统应改用TNS系统，即保护线不再用作中性线，使整体成为TNCS系统。,(2)漏电保护应用于TT系统中，可以降低对设备接地电阻值的要求。但是装设漏电保护和不装漏电保护的设备不能共用一个接地装置。,供配电系统的过电压保护,一、过电压及雷电的有关概念,1. 过电压：指电气线路或电气设备上出现的超过正常工作电压要求的电压。,内部过电压,外部过电压,按产生原因,内部过电压：由于电力系统本身的开关操作、发生故障或其它原因，使系统的工作状态,突然改变，从而在系统内部出现电磁谐振而引起的过电压。,外部过电压：由于电力系统内的设备或建筑物遭受来自大气中的雷击或雷电感应而引起,的过电压。,运行经验证明，内部过电压一般不会超过34倍的额定电压，对电力系统威胁不大。,雷电过电压产生的雷电冲击波，电压可达1亿伏，电流可达几十万安，,对电力系统危害极大。,第二节 供电系统的防雷保护,2. 雷电过电压,直接雷击：雷电直接击中电气设备、线路或建筑物，其过电压引起强大的雷电流通,过这些物体放电入地，从而产生破坏性极大的热效应和机械效应。,这种雷电过电压称为直击雷。,间接雷击：雷电未直接击中电力系统中的任何部分而由雷电对电气设备、线路或其,它物体的静电感应或电磁感应所产生的过电压。,这种雷电过电压称为感应雷。,雷电波侵入：由于架空线路遭受直接雷击或间接雷击而引起的过电压波，沿线路侵,入变配电所或其它建筑物。,3.雷电流的基本特性,雷电：是带有电荷的雷云之间或雷云对大地（或物体）之间产生的急剧放电的一,种自然现象。,雷电流,是一个幅值很大、陡度很高的冲击波电流。,由,波头,和,波尾,组成,雷电流由零增长到最大幅值的部分称为,波头,由最大幅值衰减到二分之一幅值的部分称为,波尾,波头部分，电流对时间的变化率称为,陡度,。,对电力系统的电气设备来说，雷电流的陡度越大，在负载电感,L,上产生的过电压也越大，对绝缘的破坏性也就越严重。,雷电冲击波具有波的传导特性。输电线路受到雷击后，产生的雷电冲击波会向输电线路两侧流动传播，雷电波在传导过程中到达结点后，还会发生折射和反射现象。,传播速度,雷电波沿架空线传播的速度与光速,（310,8,m/s）,相同，而在电缆中传播的速度约为上值的,1/21/3,。,波阻抗,波阻抗表征的是沿导线传播的电压冲击波和电流冲击波之间的动态关系 ，与线路长度无关。,4. 雷电波沿电力线路传播的特性,雷电入射波到达线路末端结点处会发生全反射，线路的开路末端电压将增大至雷电行波电压的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。,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。,接闪器,避雷器,专门用来接受直接雷击（雷闪）的金属物体。,避雷针,避雷线,避雷带,避雷网,二、防雷装置,防雷设备由接闪器、引下线、接地装置等组成。,1. 避雷针,作用：引雷作用。,组成：接闪器、引下线、接地体,保护范围：以它能防护直击雷的空间来表示。,安装位置：通常安装在电杆（支柱）或架构、建筑物上。,原理：它能对雷电场产生一个附加电场，使雷电场发生畸变，因而将雷云的放电通路,吸引到避雷针本身，然后经与避雷针相连的引下线和接地体将雷电流泄放到大,地中去，使被保护物免受直接雷击。,一般采用镀锌圆钢或镀锌钢管制成,被保护物高度 ，保护半径为,当 时,当 时,为考虑针太高时，保护半径不成正比增大的系数,避雷针的高度,折线法计算避雷针的保护范围,2. 避雷线,避雷线的功能和原理与避雷针的基本相同。一般采用截面不小于35mm,2,的镀锌钢绞线。,安装位置：假设在架空线路的上面，以保护架空线路或其它物体。又叫架空地线。,保护范围：以它能防护直击雷的空间来表示。,3. 避雷带和避雷网,作用：主要用来保护高层建筑物免遭直击雷和感应雷。,阀电阻特性,4.避雷器,避雷器的作用,是防止雷电过电压沿输电线路侵入变电所或其它建筑物，危害电气设备的绝缘。,阀式避雷器,管型避雷器和保护间隙,金属氧化物避雷器,在工频电压下，金属氧化物避雷器呈现极高电阻，能迅速有效地阻断工频续流，无需火花间隙来熄灭由工频续流引起的电弧；而当雷电过电压的作用下，其电阻变为很小，能较好地泄放雷电流。,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，装在被保护设备的电源侧，与被保护设备并联,避雷器的连接,原理：当线路上出现危及设备绝缘的雷电过电压 时，避雷器的火花间隙被击穿，或,由高阻变为低阻时，使过电压对大地放电，从而保护设备的绝缘。,安装：避雷器与被保护设备并联，装在被保护设备的电源侧。, 管型避雷器,管型避雷器主要用于变配电所的进线保护和线路绝缘弱点的保护，保护性能较好的管型避雷器可用于保护配电变压器。,管型避雷器结构示意图,1,产气管；2,胶木管；3,棒形电极；4,环形电极；5,动作指示器；,s,1,内间隙；,s,2,外间隙,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压，从而使电气设备得到了保护。,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。,三、供电系统的,防雷措施,户外变配电所中，一般采用避雷针作为直击雷的防护装置，并要求所有被保护的电气设备和建筑物均应处于避雷针的保护范围之内。,变配电所中一般需要通过装设阀式避雷器或氧化锌避雷器对变压器进行雷电侵入波的防护。,避雷器应尽可能靠近变压器安装。避雷器接地线应与变压器低压侧接地中性线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，并且避雷器的残压必须小于变压器绝缘耐压所能允许的程度。,（,1,）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。,（,2,）变电所的防雷,对直击雷和线路侵入冲击波的防护,(1) 独立避雷针受雷击时的高电位对附近设施的反击和电磁感应,图5-27 独立避雷针与附近设施的最小距离,(2) 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,要降低,值以减小对变压器的影响，就应减小避雷器和被保护变压器之间的距离 ，所以在工程设计中避雷器应尽量靠近变压器安装。,(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,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,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,图5-32 简化进线保护方式,b)35kV，1000kVA以下,本章作业,第5章习题：9 、 10 、14、16,要求：自己整理,