第5章 供电系统的保护接地与防雷 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1s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

二、接地和接地装置 1．接地的基本概念 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。 接地装置是由接地体和接地线两部分组成的。 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。 接地体与电气设备的金属外壳之间的连接线，称为接地线。 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，称为接地网。

接地电流、对地电压及接地电流电位分布曲线 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－IE。 试验表明，在距单根接地体或接地故障点20m左右的地方，实际上散流电阻已趋近于零，电位为零的地方，称为电气上的“地”或“大地”。电气设备的接地部分与零电位的“地”（大地）之间的电位差，就称为接地部分的对地电压，如图中的UE。 2．接地装置的散流效应 　 接地电流、对地电压及接地电流电位分布曲线

跨步电压是指在故障点附近行走，两脚之间出现的电位差 　　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。 　　跨步电压是指在故障点附近行走，两脚之间出现的电位差 跨步电压和接触电压示意图

3．接地电阻的组成及电力系统对接地电阻的要求 （1）决定接地电阻的因素 　 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 体积为一立方厘米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

4．工频接地电阻的计算 —— 人工接地极(以钢管为例)单根电阻（Ω） —— 接地极的根数 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（Ω） —— 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（Ω）

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（Ω） ——长度为z的扁钢，未考虑利用系数影响前的电阻值（Ω） ——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

5. 冲击接地电阻的计算 冲击接地电阻 ——冲击接地电阻（Ω） ——接地体的冲击系数 ——工频接地电阻（Ω）

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）。 工作接地是为保证电力系统和电气设备达到正常工作要求而进行的一种接地，例如电源中性点的接地等。 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TN系统（包括TN-C、TN-S、TN-C-S系统）共5种。

第1个字母表示系统电源端与地的关系； T－表示电源端有一点直接接地； I－表示电源端所有带电部分不接地或经消弧线圈 (或阻抗)接地。 第2个字母表示系统中的电气设备(或装置)外露可导电部分与地的关系； T－表示电气设备(或装置)外露可导电部分与大地有直接的电气连接； N－表示电气设备(或装置)外露可导电部分与配电系统的中性点有直接的电气连接。 第2个字母后的字母：表示系统的中性线和保护线的组合关系； C－表示整个系统中性线与保护线共用； S－表示整个系统中性线与保护线是分开的； CS－表示系统中有一部分中性线与保护线是共用的。

　1、 IT系统 　电源小电流接地系统的保护接地方式，电气设备的不带电金属部分直接经接地体接地 电气设备的保护接地（IT系统）

　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

3.TN系统

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。 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。 图5-9 共同接地

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，以保证接零保护的可靠性。 2、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。 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，以保证接零保护的可靠性。

　在中性点直接接地的低压电力网中采用接零时，将零线上的一点或多点再次与大地作金属性连接，称为重复接地。 　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，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，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UE ＜ U，危险程度降低。

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极之间，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。

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，TN－C系统应改用TN－S系统，即保护线不再用作中性线，使整体成为TN－C－S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。

第二节 供电系统的防雷保护 一、过电压与雷电的有关概念 （一）过电压的形式 操作过电压 谐振过电压等 内部过电压 外部过电压 过电压 第二节 供电系统的防雷保护 一、过电压与雷电的有关概念 （一）过电压的形式 操作过电压 谐振过电压等 内部过电压 外部过电压 过电压 直接雷击 感应雷击 雷电波侵入 （雷电过电压 ） （二）雷电流的产生、幅值与陡度 异性带电雷云间的放电就是通常所说的闪电。

雷云对地或架空线路的放电就会造成雷电流。 雷电流是一个陡度很高、幅值很大的冲击波电流。 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。

（三）雷电冲击波的基本特性 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（3×108m/s）相同，而在电缆中传播的速度约为上值的1/2～1/3。 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。

Z2＝∞：导线在结点处开路：雷电入射波到达线路末端结点处会发生电压波的全反射，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。

二、防雷装置 防雷设备由接闪器、引下线、接地装置等组成。接闪器是专门用来接受直接雷击的金属物体。常用防雷装置包括避雷针、避雷线、金属带状或网状的避雷带及避雷网等。 1.避雷针 避雷针的作用是引雷。

避雷针是防止直击雷的有效措施。一定高度的避雷针（线）下面，有一个安全区域，此区域内的物体基本上不受雷击。我们把这个安全区域叫做避雷针的保护范围。

当避雷针高度为h时，如h≤hr，地面上的保护半径r0为 避雷针的保护范围用“滚球法”来确定。 当避雷针高度为h时，如h≤hr，地面上的保护半径r0为 高度为hx的平面xx’上的保护半径rx为 单支避雷针的保护范围

35kV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5m； 避雷针接地必须良好，接地电阻不宜超过10 ； 35kV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5m； 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3m； 避雷针及接地装置与道路入口等的距离不小于3m。 Ω

现行电力行业标准DL/T620－1997规定，用于变配电所和电力线路的防雷保护时，避雷针、线的保护范围按“折线法”来确定。 2.避雷线 避雷线的接闪原理与避雷针类似。

3.避雷器 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

避雷器 管形避雷器 阀形避雷器 金属氧化物避雷器

1—产气管；2—胶木管；3—棒形电极；4—环形电极；5—动作指示器；s1—内间隙；s2—外间隙 　① 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；s1—内间隙；s2—外间隙

由火花间隙和阀片组成，装在密封的磁套管内。 　② 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。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。

　③ 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。 具有无间隙、无续流、残压低、体积小等优点而被广泛应用 。

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。

（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。

（1）架空线的防雷措施 　 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6~10kV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。

(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 （2）变电所的防雷 　 对直击雷和线路侵入冲击波的防护应考虑： (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 规程规定sk不小于5m。 图5-27 独立避雷针与附近设施的最小距离

雷击线路导线时，沿导线就有雷电冲击波流动，从而会传到变电所。 (2) 对线路侵入雷电冲击波的防护 雷击线路导线时，沿导线就有雷电冲击波流动，从而会传到变电所。 变电所中最重要、价格最昂贵、绝缘最薄弱的就是变压器，因此需要在变压器附近电源侧设置避雷器。 避雷器应尽量靠近变压器。若避雷器离开变压器有一定距离，当雷电波作用时，侵入波在变压器处可以近似认为开路，即会发生雷电波的全反射，从而使作用在变压器上的过电压超过避雷器的放电电压或残压，连线越长，该电压越高。即避雷器有一定的保护距离，变压器若在这个距离以外，就不能受到有效的保护。 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(1～2km)上必须装设避雷装置。

图5-30 35～110kV全线无避雷线线路变电所进线段标准防雷保护方式

图5-31 简化进线段保护 （电压35kV，容量3150～5600kVA） 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3150~5600kVA的变电所，可以考虑采用避雷线长仅为500~600m的进线保护段 图5-31 简化进线段保护 （电压35kV，容量3150～5600kVA）

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