城市轨道交通供变电技术第五章 接地与过电压保护课件.ppt

二、接地的分类 按照供电系统电流制式和频率可划分为交流供电系统的工频接地、直流牵引供电系统的接地和雷电及过电压的冲击接地。按照供电系统电压等级可划分为高压系统的接地、中压系统的接地和低压系统的接地。目前接地的分类多按其作用进行划分。 接地按其作用可分为两类，其一为功能性接地，这是为了系统正常运行的可靠性及异常情况下保障系统的稳定性而设置的，如工作接地、电磁兼容接地等，主变压器、配电变压器的中性点接地就属于工作接地。其二为保护性接地，这是以人身和设备安全为目的的，如保护接地、防雷及过电压接地、防静电接地等。,5.1 接地的基本概念及分类,工作接地是处理系统内电源端带电导体的接地问题，是为了保证供电系统的正常运行，防止系统振荡，保证继电保护的可靠性。如，工作接地采用直接接地方式，可在系统发生接地故障时，产生较大的接地故障电流，使继电保护迅速动作，切除故障回路。 电磁兼容接地是为了保证器件、电路、设备或系统在其电磁环境中能够正常工作，且不对该电磁环境中的任何器件、电路、设备或系统构成不能承受的电磁干扰。 保护接地是为了防止电气设备绝缘损坏，或产生漏电时，使正常运行不带电的电气设备、外露可导电部分或电气装置外露可导电部分带电而导致电击危险。保护接地能够在设备绝缘破坏时，降低电气设备外露可导电部分对地的电压，从而降低人身接触该可导电部分对地的接触电压。保护接地还为接地故障电流提供了返回电源的通路，但只有系统接地为直接接地或小电阻接地时，才会形成较大的故障电流，保护装置快速动作切除故障回路。,5.1 接地的基本概念及分类,防雷接地是为雷电流提供导入大地的通路，防止或减轻建筑物、构筑物、电气设备等遭受雷电流的破坏，防止人身遭受雷击。防雷接地分直击雷接地和雷击感应过电压保护装置的接地。直击雷通过防雷装置进行防护，由接闪器、防雷引下线和接地极组成，直击雷的接地就是将接闪器引导的雷电流经过防雷引下线引至接地极。对雷电感应过电压应设置避雷器保护，避雷器安装在配电装置（如开关柜）内，避雷器一端与相线连接，另一端接地，当雷电感应过电压超过避雷器的放电值，避雷器被击穿，从而保护电气设备绝缘不被损坏。 内部过电压设备的接地也是为系统运行产生的异常电磁能量提供向大地释放的通路，避免设备绝缘破坏。内部过电压保护设备也是避雷器或阻容吸收装置，一端接在相线上，另一端接地，当内部过电压超过避雷器的放电值，避雷器被击穿，从而保护电气设备绝缘不被损坏。,5.1 接地的基本概念及分类,5.2 综合接地和等电位联结,一、综合接地系统 综合接地系统是指供电系统和需要接地的其他设备系统的各种接地采用共同接地极的方式，目前城市轨道交通工程多采用综合接地系统。 供电系统中，同时存在多个用于不同目的、不同用途的接地系统，这一点在接地分类中已进行了说明。在交流系统中任一电压等级都同时存在工作接地和保护接地的问题，如，110/35 kV主变电所中存在110 kV设备的保护接地、35 kV系统的工作接地、35 kV设备的保护接地；车站35/0.4 kV降压变电所中存在35 kV设备的保护接地、0.4 kV系统的工作接地、0.4 kV设备的保护接地。 城市轨道交通工程中的通信等其他设备系统也需要设置用于设备正常工作以及设备和人身安全的工作接地、防雷接地和保护接地，因此，一个车站内要求接地的系统和设备很多。从接地装置的要求上，可以共用接地装置，也可以分设，但分设接地装置时强电和弱电接地装置需要相距20 m以上。在分开设置不同的接地装置时，若距离不能满足要求，将导致由于接地装置电位不同所带来的不安全因素，不同接地导体之间的耦合影响也难以避免，会引起相互干扰，因此，目前城市轨道交通工程多采用综合接地系统。,综合接地系统是指供电系统和需要接地的其他设备系统的系统接地、保护接地、电磁兼容接地和防雷接地等采用共同的接地装置，并实施等电位联结措施。各类接地可以采用单独的接地线，但接地极和“等电位面”是共用的，不存在不同接地系统接地导体之间的耦合问题，也避免了采用不同接地导体时产生的电位不同问题。综合接地装置的接地电阻值按照接入设备的要求和人身安全防护的要求等方面综合确定，综合接地装置的接地电阻值必须不大于接入设备所要求的最小接地电阻值。 综合接地系统一般由共用接地极引出两个接地母排，即一个强电接地母排，一个弱电接地母排，分别用于供电系统和通信信号等弱电系统的各类接地，如图13.1所示。,5.2 综合接地和等电位联结,图5.1 综合接地系统示意图,5.2 综合接地和等电位联结,二、等电位联结 在电气装置间或某一空间内，将金属可导电部分包括电气装置外露可导电部分和电气装置外部可导电部分，以恰当的方式互相联结，使其电位相等或相近，此类连接称为等电位联结。对设备和人身安全造成危害的电气问题，都不是因为电位的高或低引起的，人身遭受电击、电气火灾的发生和电子信息设备的损坏，主要原因是由电位差引起的放电造成的。消除或减少电位差，是消除此类电气灾害的有效措施。采用等电位联结可以有效消除或减小各部分之间的电位差，有效防止人身遭受电击、电气火灾等事故的发生。 等电位联结可分为总等电位联结、辅助等电位联结和局部等电位联结。 总等电位联结是将下列可导电部分包括总保护导体、总接地导体或总接地端子，建筑物内的金属管道（通风、空调、水管等）和可利用的建筑物金属部分进行连接，以降低车站、建筑物内间接接触电压和不同金属部件间的电位差，并消除自建筑物外经电气线路和各种金属管道引入危险故障电压的危害。,5.2 综合接地和等电位联结,图5.2 总等电位联结示意图,5.2 综合接地和等电位联结,辅助等电位联结，是将可同时触及的两个或几个可导电部分，进行电气连通，使他们之间的故障接触电压小于接触电压安全限值。 局部等电位联结，是在某一个局部电气装置范围内，通过局部等电位联结板，将该范围内电气设备外露可导电部分和外部可导电部分等进行电气连通，使该局部范围内，故障接触电压小于接触电压安全限值。 等电位联结是安全接地的重要内容，是间接接触防护的主要措施，它不是强调与地的联结，而是要求人身所能同时接触到的、电气系统正常运行不带电而异常时可能带电的设备外露可导电部分（金属外壳）和设备外部可导电部分相互之间的电气连接，从而避免或减小两者或多者之间的电位差，防止人身发生触电危险。 总等电位和局部等电位联结能够避免从接触的可导电物体外部引入的异常电位造成的接触电压危害，如雷击、中压系统接地故障引起的异常高电位的危害。辅助等电位联结能够避免被接触可导电物本身如低压设备外壳所在系统产生漏电带来异常电位的危害。,5.2 综合接地和等电位联结,5.3 交流供电系统的接地,交流接地系统指包括高压、中压和低压配电系统的工作接地、保护接地、防雷及过电压接地等。 城轨交流供电系统的电压等级一般有110 kV、35 kV、10 kV、0.4 kV等，其接地内容包括工作接地、电磁兼容接地等功能性接地和电气装置的接地、防雷接地、过电压设备接地等保护性接地。 系统的工作接地包括电源中性点、中性线、保护中性线、电流互感器、电压互感器、三工位负荷开关、接地开关等接地。电源中性点、中性线、保护中性线的接地是指主变压器、配电变压器中性点的接地方式是与变电所接地母排直接连接关系。电流互感器、电压互感器、三工位负荷开关、接地开关等设备或电气元件均设在成套开关设备中，这些接地不直接与变电所接地母排单独连接，而先与开关设备中的接地排相连，通过设备的保护接地线与变电所接地母排相连。 电气装置的保护接地为各种电气装置外露可导电部分与变电所接地母排的电气连接；防雷接地指接闪器通过防雷引下线与大地的连接；过电压设备的接地就是为防止过电压击穿设备绝缘而设置的避雷器的接地，避雷器也设在开关设备内，因此避雷器的接地端与开关设备接地排相连接，通过开关设备的保护接地线与变电所接地母排连接，实现接地。,一、工作接地,工作接地方式分为两类： 其一，电源中性点非直接接地方式，包括中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经高电阻接地，由于发生单相对地短路时，接地电流较小，也称为小电流接地方式； 其二，电源中性点直接接地或小电阻接地方式，也称为大电流接地方式。,5.3 交流供电系统的接地,1.电源中性点不接地 中性点不接地方式单相接地时允许带故障运行2小时，供电连续性好，接地相故障电流为线路及设备的电容电流，但同时非接地相的相电压升高为原来的 倍，过电压水平要求高，线路及设备要求有较高的工频绝缘水平。系统标称电压越高，此中接地方式对电气设备投资的影响越大，不宜用于110 kV以上电压等级。 在10 kV66 kV电压等级可以采用中性点不接地方式，但电容电流不能超过允许值，否则接地电弧不易自熄，易产生较高弧光间歇接地过电压。 当35 kV、66 kV系统的接地电容电流不超过10 A时，可以采用中性点不接地方式。10 kV电缆线路构成的系统接地电容电流不超过30A时，可以采用不接地系统，当10 kV为架空线路时，电容电流分别为10 A或20A，前者使用钢筋混凝土、金属杆塔，后者采用非钢筋混凝土、非金属杆塔。,5.3 交流供电系统的接地,2.中性点经消弧线圈或高电阻接地 当接地电容电流超过不接地方式允许值，可采用消弧线圈补偿电容电流，使接地电弧瞬间熄灭，以消除弧光间歇接地过电压。也可采用中性点经高电阻接地，此方式与经消弧线圈的接地方式相比，加速泄放回路中的残余电荷，促使接地电弧自熄，从而降低弧光间歇过电压，同时可提供一定的电流和零序电压，使接地保护动作。高电阻接地一般多用于大型发电机中性点。 采用不接地还是消弧线圈等接地方式，与接地电容电流有关，而接地电容电流的大小与供电线路采用架空还是电缆线路相关。 3.中性点直接接地或小电阻接地 中性点直接接地或小电阻接地方式的单相接地短路电流很大，故障设备或线路须立即切除，降低了供电连续性。但由于过电压较低，设备和线路的绝缘水平可以选择低一些，减少了设备造价，特别是在交流高压系统，经济效益会比较明显。110 kV及以上电压等级多采用直接接地或小电阻接地。,5.3 交流供电系统的接地,低压系统的工作接地，分为中性点直接接地和不接地两种方式。在具体型式上，我国等效采用国际电工委员会(IEC)标准，将工作接地和低压电气设备接地进行组合，形成了TN、TT、IT三种接地型式。 TN、TT、IT中的第一个字母表示电源端与地的关系： T电源端有一点直接接地，即中性点直接接地； I电源端所有带电部分不接地或有一点通过阻抗接地，即中性点不接地。 TN、TT、IT中的第二个字母表示电气装置的外露可导电部分与地的关系： T电气装置的外露可导电部分直接接地，此接地点在电气上独立于电源端的接地点。 N电气装置的外露可导电部分与电源接地点有直接电气连接。 下面对由TN、TT、IT三种接地型式构成的低压配电系统分别进行介绍。,图5.3中性导体与保护导体的标注方法,5.3 交流供电系统的接地,中性导体（代号N） 中性线（N线）的功能，一是用来接用额定电压为相电压的单相用电设备，二是用来传导三相系统中的不平衡电流和单相电流，三是用来减小负荷中性点的电位偏移。 保护线（代号PE） 保护线（PE线）的功能，是为保障人身安全、防止发生触电事故用的接地线。 保护中性线（代号PEN） 保护中性线（PEN线）兼有中性线（N线）和保护线（PE线）的功能。这种保护中性线在我国通称为“零线”，俗称“地线”。,5.3 交流供电系统的接地,(1) TN系统 电源端有一点直接接地，电气装置的外露可导电部分通过中性导体或保护导体连接到此接地点。 根据中性导体和保护导体的组合情况，TN系统有以下三种型式。 TN-S系统：整个系统的中性导体和保护导体是分开的，如图5.4所示。,图5.4 TN-S系统,5.3 交流供电系统的接地,TN-C系统：整个系统的中性导体和保护导体是合一的，如图5.5所示。,图5.5 TN-C系统,5.3 交流供电系统的接地,TN-C-S系统：系统中一部分线路的中性导体和保护导体是合一的，如图5.6所示。,图5.6 TN-C-S系统,5.3 交流供电系统的接地,(2) TT系统 电源端有一点直接接地，电气装置的外露可导电部分直接接地，此接地点在电气上独立于电源端的接地点，如图5.7所示。,图5.7 TT系统,5.3 交流供电系统的接地,(3) IT系统 电源端的带电部分不接地或有一点通过高阻抗接地，电气装置的外露可导电部分直接接地，如图5.8所示。,图5.8 IT系统,5.3 交流供电系统的接地,二、保护接地 交流设备的保护接地就是处理电气装置或电气设备的外露可导电部分，即金属外壳与地的关系。无论系统接地采用什么型式，交流系统电气装置的外露可导电部分均要接地。实施保护接地可以降低预期接触电压，提供接地故障电流回路，为过电压保护装置接地提供条件，实施等电位联结。 对于变电所内的电气设备，接地做法为外露可导电部分直接通过接地线与接地母排进行电气连接。 交流电气设备的接地范围： (1)主变压器、牵引变压器、配电变压器的底座和外壳。 (2)交流高压封闭式组合电器(GIS)和箱式变电所的金属箱体。 (3)中压、低压开关设备的金属外壳。 (4)交直流电源屏的金属外壳。 (5)电气用各类金属构架、支架。 (6)电缆桥架和金属线槽。 (7)电力电缆、控制电缆穿线金属管。 (8)电力电缆、控制电缆的金属护套和外铠装等。,5.3 交流供电系统的接地,直流接地系统是城市轨道交通工程有别于其他工程的接地系统，由直流牵引供电系统的工作接地、保护接地、防雷及过电压接地组成。 城市轨道交通工程的牵引供电制式多采用直流750 V或直流1500 V，直流牵引供电系统的主要设备有牵引整流器、直流开关设备、上网开关设备、钢轨电位限制装置、接触网、回流轨等。,5.4 直流牵引供电系统的接地,一、系统接地方式 城轨直流牵引供电系统的负极相当于交流系统的中性点，直流牵引供电的工作接地就是负极对地关系问题。为减小直流杂散电流对金属结构的腐蚀，直流牵引供电的工作接地采用不接地系统，即正常情况下系统设备的所有正极和负极均与地绝缘。这里的“地”包括大地也包括结构地。 采用走行轨回流，在直流大双边越区供电情况下，走行轨对地电位将高于正常双边供电， 有时会超过允许值。另外在运行过程中，走行轨也可能出现不明原因的电位升高。此时为保护乘客及运行人员的安全，可通过钢轨电位限制装置将走行轨与地进行短时电气连接，以钳制走行轨对地电位。 走行轨对地电位超过允许限值时，为避免乘客上下车受到跨步电压的影响，钢轨电位限制装置本应将走行轨与结构地短时连接，但考虑到杂散电流问题，目前做法是将走行轨与电位同结构地基本相当的外引接地装置短时连接。,5.4 直流牵引供电系统的接地,二、牵引变电所内直流牵引供电设备的接地 牵引整流器、直流开关设备，包括直流进线柜、直流馈线柜、负母线柜、钢轨电位限制装置，都安装于牵引变电所内，其外露可导电部分即金属外壳不与地直接电气连接，而是通过直流框架泄漏保护装置与地形成单点电气连接。 金属外壳与基础槽钢之间设有硬质绝缘板，设备固定采用绝缘安装方法。当系统标称电压为750 V时，绝缘电阻一般不小于50 k；当标称电压为1500 V时，绝缘电阻一般不小于100 k。各设备金属外壳之间采用电缆实现电气连接，一般在负母线柜接地端子单点通过电缆与直流框架泄漏保护装置连接后，接至变电所接地母排，实现变电所内直流牵引供电设备单点接地。,5.4 直流牵引供电系统的接地,三、区间直流上网开关设备的接地 区间直流上网开关包括区间检修线隔离开关设备的接地可以有以下四种方式： 1.当上网开关设备设在站台的独立设备房间或牵引变电所内时，纳入直流开关柜的框架泄漏保护中，在发生设备外壳漏电时框架保护联跳直流馈出断路器。上网开关设备安装要求与牵引变电所内直流牵引供电设备相同，金属外壳与基础槽钢之间设置硬质绝缘板。这种方式需增加接地电缆。 2.采用非金属绝缘外壳，当柜内发生直流漏电时，设备外壳不会带直流异常电位，也没有杂散电流泄漏问题。这种方式设备投资较高。 3.设备外壳与基础槽钢之间设置硬质绝缘板，设备外壳与附近走行轨电气连接，发生直流漏电时会产生系统正负短路，直流馈线保护动作并切除故障，这种方式要求设备操作维护只能在直流停电后进行，应用受限。 4.设备金属外壳直接与附近结构钢筋电气连接，相当于交流低压IT系统的接地方式，这种方式需要保证并保持正极对外壳的绝缘，使正常泄漏的直流电流不能对结构钢筋产生腐蚀，并需要在正极碰壳发生时能迅速切除故障或进行报警。,5.4 直流牵引供电系统的接地,四、车辆段、停车场直流上网开关等设备的接地车辆段、停车场范围大，直流上网开关设备与检修设备的数量多、分布广，内部金属管线较多。直流上网开关等设备的接地问题可通过柜内设置绝缘护板、绝缘电缆支架或采用非金属绝缘外壳等措施解决。,5.4 直流牵引供电系统的接地,接地装置是完成系统、设备接地功能的材料和设备的总称，包括接地母排、接地线和接地极等，表征接地装置的重要参数之一是接地电阻。接地装置的接地电阻值应始终满足各接地系统接地电阻最小值的要求，接地装置的各个组成部分应有足够的截面，满足在接地故障的条件下的动热稳定，接地装置的材质和规格在其所处环境内应具备抗机械损伤、腐蚀和其他有害影响的能力。 接地母排为汇集各系统、设备接地线并与接地极电气连接的金属导体，接地母排多采用铜材，以减少接触电阻。接地极即为埋设在大地中的金属导体，当水平埋设时称为水平接地极，垂直埋设时称为垂直接地极，若接地极为一组水平埋设、相互连接的导体网格称为水平接地网，若接地极为水平接地网和垂直接地极构成称为复合接地网。可以利用车站结构钢筋等作为自然接地极，若接地电阻不能满足要求，还应敷设人工接地极，并能分别测量其接地电阻值。为减少土壤对接地极的腐蚀，延长接地极的使用寿命，接地极多采用铜材，由接地极或接地网引至接地母排的接地线与接地极材质相同。变电所内设备接地线多采用镀锌扁钢。当接地系统中相互连接的接地线等采用不同材质时，需要考虑不同金属间的腐蚀问题。,5.5 接地装置及接地电阻要求,一、 变电所的接地装置 变电所的接地极设置要综合考虑防雷接地、系统接地和保护接地的需要。为了均衡变电所地面的电位分布，降低对人身可能造成伤害的接触电压和跨步电压，变电所应采用以水平接地极为主，外缘闭合的复合接地网，垂直接地体设置在防雷引下线附近，并根据需要可在接地网中敷设若干水平导体作为均压带。 复合接地网的工频接地电阻与接地网的面积的平方根成反比。在土壤电阻率相同的情况下，接地网的尺寸一经确定，其接地电阻就基本确定，在接地网内增加导体对减小接地电阻的作用不大，这是由于内部导体被四周的导体所屏蔽，电流绝大部分都是由地网边缘导体流出的缘故。在接地网内增加水平导体是为了减小跨步电压作用的均压带。当接地网敷设于钢筋混凝土结构底板下方，由于结构钢筋的均衡电位作用，可不再设置水平均压带。 在工频时，接地电阻之所以和接地网的面积的平方根成反比，是因为在工频电流作用下，接地网的电位分布均匀，全部地网导体都起到散流作用。,5.5 接地装置及接地电阻要求,雷电冲击电流的等值频率很高，接地体自身的电感阻碍电流向远处流动，结果使得接地体得不到充分利用。在冲击电流的作用下，由于接地体本身的电感作用，地网导体上的电位分布很不均匀，离冲击电流注入点愈远的地方，接地体上的电位就愈低，甚至电位为零，其变化规律按指数衰减。因此，接地极在冲击电流作用下，只有电流注入附近一小块范围内的导体起散流作用。不论水平接地网有多大，在冲击电流作用下其散流的有效面积却是一定的，有效面积之外部导体上的冲击电压几乎接近于零。 不同电阻率情况下的有效面积见表5.1。,表5.1 不同电阻率情况下的有效面积,5.5 接地装置及接地电阻要求,接地装置包括接地线的各个组成部分将通过接地故障电流，故应有足够的截面，能够满足接地故障电流的热稳定性要求。 1.在直接接地或小电阻接地系统中，接地线的截面应按照流过接地故障电流进行热稳定校验。钢接地线的短时温度不应超过400C，铜接地线不应超过450C。 2.校验不接地、消弧线圈接地和高电阻接地系统中接地线的热稳定性时，明敷接地线的长时间温度不应大于150C，暗敷接地线不应大于100C。 3.接地线的热稳定校验。根据热稳定条件，接地线的最小截面计算公式如下： S ( 5.5-1) 式中 S 接地线的最小截面(mm2)； I 流过接地线的接地故障电流(A)； t 故障的等效持续时间； C 接地线材料的热稳定系数。,5.5 接地装置及接地电阻要求,4.根据热稳定条件，未考虑腐蚀时，接地装置接地极的截面不宜小于该接地装置接地线截面的75%。 5.自然接地体的热稳定。当采用钢筋混凝土中的钢筋作为自然接地体时，钢筋因流过电流而发热，将降低与混凝土的附着力和钢筋预应力，以致降低其强度和刚度。当温度上升到350C400C时，其附着力被完全破坏，因此也需要校验热稳定。 钢筋混凝土中能通过雷电流的钢筋最小截面。 对要求温度值不大于600C，需要验算疲劳的构件为90 mm2；对要求温度值不大于80C的构件为64 mm2；对无温度要求的构件为54 mm2。 对需要短时通过交流接地故障电流的钢筋混凝土中的钢筋。 对要求温度值不大于60C，需要验算疲劳的构件钢筋截面面积计算公式如下： (5.5-2) 对要求温度值不大于800C的构件钢筋截面面积计算公式如下： (5.5-3) 对无温度要求的构件钢筋截面面积计算公式如下： (5.5-4)式中S流过故障工频电流的钢筋最小截面面积( mm2)； I通过钢筋的故障工频电流(A)； t故障工频电流通过的时间(s)。,5.5 接地装置及接地电阻要求,二、接地电阻接地电阻允许值与系统接地方式以及高、中压和低压是否共用接地装置有关。无论主变电所还是其他变电所涉及低压设备的接地问题，各电压等级的接地都是同一个接地装置。1.电源系统中性点非直接接地接地装置的接地电阻计算公式如下： (5.5-5)式中R考虑到季节变化的最大接地电阻()； I计算用的接地故障电流(A)； 接地电阻不应大于4。,5.5 接地装置及接地电阻要求,2.电源中性点直接接地或小电阻接地接地装置的接地电阻计算公式如下： (5.5-6)式中R考虑到季节变化的最大接地电阻()； I计算用的接地故障电流(A)。 由于在电源中性点接地情况下，接地故障电流较大，对地电位有较大的抬升；若低压配电系统采用TN接地型式，低压配电设备外壳将有较高的异常电位，应采取总等电位联结措施，消除对人身的伤害。,5.5 接地装置及接地电阻要求,三、接触电压和跨步电压 供电设备发生接地故障时，接地故障电流流过接地装置，在大地表面形成分布电位，地面上距设备水平距离0.8 m处与沿设备外壳垂直距离1.8 m处两点间的电位差，称为接触电位差；人体接触该两点时所承受的电压，称为接触电压。地面上水平距离0.8 m的两点间的电位差，称为跨步电位差；人体两脚接触该两点时承受的电压，称为跨步电压。 确定变电所接地装置的型式和布置时，考虑保护接地的要求，应降低接触电位差和跨步电位差。 在110 kV及以上有效接地系统和6 kV35 kV低电阻接地系统发生单相接地或同点两相接地时，变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过计算值，计算公式如下： (5.5-7) (5.5-8) 式中 Ut接触电位差(V)； Us跨步电位差(V)； 人脚站立处地表面的土壤电阻率(/m)； t接地短路（故障）电流的持续时间(s)。,5.5 接地装置及接地电阻要求,10 kV66 kV不接地、经消弧线圈接地和高电阻接地系统，发生单相接地故障后，如不迅速切除故障，此时变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过计算值，计算公式如下： Ut = 50+0.05 ( 5.5-9) Us = 50+0.2 ( 5.5-10) 1.接地故障时接地装置的电压计算。 接地故障时接地装置的电压计算公式如下： Ug= IR (5.5-11)式中 Ug 接地装置的电压(V); I 计算用入地短路电流(A)； R 接地装置（包括人工接地网及与其连接的所有其他自然接地极）的接地电阻。,5.5 接地装置及接地电阻要求,2.均压带等间距布置时接地网(见图5.9)地表面的最大接触电位差、跨步电位差的计算。 n=6n=6L2L1长孔接地网方孔接地网图5.9接地网形状 注：n均压带计算根数；L1、L2如一接地网的长度、宽度。,5.5 接地装置及接地电阻要求,接地网地表面的最大接触电位差，即网孔中心对接地网接地极的最大电位差，计算公式如下： (5.5-12)式中 最大接触电位差(V)； 最大接触电位差系数。 当接地极的埋设深度h=0.60.8 m时，的计算公式如下： (5.5-13)式中， 、 、 、 为系数，对3030 m2S500500m2的接地网，其系数计算公式如下： (5.5-14) 方孔接地网 长孔接地网,5.5 接地装置及接地电阻要求,(5.5-15) (5.5-16)式中n均压带计算根数； d均压带等效直径(m)； L1、L2接地网的长度和宽度(m)； S接地网总面积(m2)；接地网外的地表面最大跨步电位差计算公式如下： (5.5-17)式中 最大跨步电位差(V)； 最大跨电位差系数。,5.5 接地装置及接地电阻要求,正方形接地网最大跨步电位差系数的计算公式如下： (5.5-18)而T= 0.8 m，即跨步距离。对于矩形接地网，n值的计算公式如下： (5.5-19)式中 接地网的外缘边线总长度(m)； L水平接地极的总长度(m)；其余符号含义见式(5.5-16)有关部分。,5.5 接地装置及接地电阻要求,一、过电压的分类 过电压（over voltage）是指电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的异常电压的现象。 按照过电压产生的原因不同，可分为外部过电压和内部过电压两大类。1.内部过电压 电力系统内部运行方式发生改变而引起的过电压称为内部过电压，又分为暂态过电压、操作过电压和谐振过电压三种。 暂态过电压是由于断路器操作或发生短路故障而使电力系统经历过渡过程以后重新达到某种暂时稳定的情况下所出现的过电压，又称工频电压升高。常见的有：(1)空载长线电容效应（费兰梯效应）。在工频电源作用下，由于远距离空载线路电容效应的积累，使沿线电压分布不等，末端电压最高。(2)不对称短路接地。三相输电线路a相发生短路接地故障时，b、c相上的电压会升高。(3)甩负荷过电压。输电线路因发生故障而被迫突然甩掉负荷时，由于电源电动势尚未及时自动调节而引起的过电压。 操作过电压是由于进行断路器操作或发生突然短路而引起的衰减较快、持续时间较短的过电压，常见的有空载线路合闸和重合闸过电压、切除空载线路过电压、切断空载变压器过电压和弧光接地过电压。,5.6 过电压保护,谐振过电压是电力系统中电感、电容等储能元件在某些接线方式下与电源频率发生谐振所造成的瞬间高电压。一般按起因分为线性谐振过电压、铁磁谐振过电压和参量谐振过电压。 内部过电压的幅值一般不超过电网额定电压的33.5倍，对供电系统的危害较小。这是因为它比大气过电压小得多，且电气设备和线路在设计时的绝缘强度留有一定的裕量。2.外部过电压 外部过电压又称雷电过电压或大气过电压，是由大气中的雷云对地面放电而引起的，主要有直击雷过电压和感应雷过电压两种。雷电过电压的持续时间约为几十微秒，具有脉冲的特性，故常称为雷电冲击波。,5.6 过电压保护,二、过电压的保护1.雷电过电压保护 设置必要的防雷装置。防雷装置一般由接闪器、接地引下线和接地体三部分组成。(1)避雷针 避雷针属于接闪器，它是用镀锌圆钢或焊接钢管制成，头部呈尖形。避雷针的下端经引下线与接地装置焊接，形成可靠连接。避雷针通常安装在构架、支柱或建筑物上。 由于避雷针安装高度高于被保护物，又与大地相连，因此，当雷电先导临近地面时，避雷针能使雷电场发生畸变，改变雷电先导的通道方向，将之引向避雷针的本体。一旦雷电经避雷针放电，强大的雷电流就经避雷针、引下线泄放至大地而避免了被保护物遭受雷击。从这一意义上说，避雷针实质上是“引雷针”，而不是“避雷针”。 在避雷针下方有一个安全区域，处在这个安全区域内的被保护物遭受直接雷击的概率 非常小，该区域就称为避雷针的保护范围。,5.6 过电压保护,5.6 过电压保护,图5.10 避雷针,5.6 过电压保护,图5.11单根避雷针的防护范围,(2)避雷线 避雷线的原理及作用与避雷针基本相同，它主要用于保护架空线路，因此又称为架空地线。避雷线的材料为35 mm2的镀锌钢线，分单根和双根两种，双根的保护范围大一些。避雷线一般架设在架空线路导线的上方，用引下线与接地装置连接，以保护架空线路免受直接雷击。,5.6 过电压保护,图5.11单根架空避雷线的保护范围(a) 当h小于2hr但大于hr时；（b） 当h小于或等于hr时,(3)避雷网和避雷带 避雷网和避雷带普遍用来保护高层建筑物免遭直击雷和感应雷的侵害。避雷带采用直径不小于8 mm的圆钢或截面不小于48 mm2、厚度不小于4 mm的扁钢，沿屋顶周围装设，高出屋面100159 mm，支持卡间距为11.5 m。避雷网则除了沿屋顶周围装设外，屋顶上面还用圆钢或扁钢纵横连接成网状。避雷带、避雷网必须经12根引下线与接地装置可靠地连接。(4)避雷器 由前所述，当雷电所产生的感应过电压沿架空线路侵入变配电所或其他建筑物内时，将发生闪络，甚至将电气设备的绝缘击穿。因此，假如在电气设备的电源进线端并联一种保护设备，如图5.11所示，令其放电电压低于被保护设备的绝缘耐压值，当过电压来临时，该保护设备立即对地放电，从而使被保护设备免受雷击。常用避雷器的形式有阀式、管式、保护间隙和金属氧化物等。,5.6 过电压保护,5.6 过电压保护,图5.11避雷器的连接,1）阀式避雷器 阀式避雷器主要分为普通阀式避雷器和磁吹阀式避雷器两大类。普通阀式避雷器有FS和FZ两种系列；磁吹阀式避雷器有FCD和FCZ两种系列。阀式避雷器型号中的符号含义如下：F阀式避雷器；S配（变）电作用；Z电站用；Y线路用；D旋转电机用；C具有磁吹放电间隙。 阀式避雷器主要由平板火花间隙与碳化硅电阻片（阀片）串联而成，装在密封的瓷管内，外壳有接线螺栓供安装用。避雷器中的碳化硅电阻具有非线性特性,在正常电压时其阻值很大,过电压时其阻值随之变小。 阀式避雷器在正常的工频电压作用下火花间隙不被击穿，但在雷电波过电压下，避雷器的火花间隙被击穿；碳化硅电阻的阻值随之变得很小，雷电波巨大的雷电流顺利地通过电阻流入大地中，电阻阀片对尾随雷电流而来的工频电压呈现了很大的电阻，从而工频电流被火花间隙阻断，线路恢复正常运行。由此可见，电阻阀片和火花间隙的密切配合使避雷器很像一个阀门，对于雷电流“阀门”打开，对于工频电流“阀门”则关闭，故称之为阀式避雷器 FS系列阀式避雷器的结构如图5.12（a）所示，此系列避雷器阀片直径较小，通流容量较低，一般用于保护变配电设备和线路。FZ系列阀式避雷器的结构如图5.12（b）所示，此系列避雷器阀片直径较大，且火花间隙并联了具有非线性的碳化硅电阻，通流容量较大，一般用于保护35 kV及以上大、中型工厂中总降压变电所的电气设备。,5.6 过电压保护,5.6 过电压保护,图5.12阀式避雷器的结构(a) FS-10 阀式避雷器；(b) FZ-10 阀式避雷器,磁吹阀式避雷器（FCD型）的内部附有磁吹装置来加速火花间隙中电弧的熄灭，专门用来保护重要的或绝缘较为薄弱的设备，如高压电动机等。2）保护间隙和管式避雷器 保护间隙是最简单的防雷设备，其原理结构如图5.13所示。保护间隙一般用镀锌圆钢制成，由主间隙和辅助间隙两部分组成。主间隙做成角形的，水平安装，以便灭弧。为了防止主间隙被外来的物体短路而引起误动作，在主间隙的下方串联有辅助间隙。因为保护间隙灭弧能力弱，一般要求与自动重合闸装置配合使用，以提高供电的可靠性。 管式避雷器的基本元件是安装在产气管内的火花间隙，间隙由棒型和环型电极构成，如图5.14所示。管式避雷器由灭弧管内间隙和外间隙组成。灭弧管一般用纤维胶木等能在高温下产生气体的材料制成。当雷电波过电压来临时，管式避雷器的内、外间隙被击穿，雷电流通过接地线泄入大地。接踵而来的工频电流产生强烈的电弧，电弧燃烧管壁并产生大量气体从管口喷出，很快地吹灭电弧。同时外部间隙恢复绝缘，使灭弧管或避雷器与系统隔开，系统恢复正常运行。,5.6 过电压保护,5.6 过电压保护,(4)引下线 引下线是连接防雷装置与接地装置的一段导线，其作用是将雷电流引入接地装置。一般可用圆钢或扁钢制成。圆钢直径不小于8 mm；扁钢截面积不小于48 mm2，厚度不小于4 mm。 引下线可以明装，也可以暗装。明装时，必须沿建筑物的外墙敷设。引下线应在地面上1.7 m和地面下0.3 m的一段线上用钢管或塑料管加以保护；在1.8 m处设断接卡。暗装时，可以利用建筑物本身的金属结构，如钢筋混凝土柱子的主筋作为引下线，但暗装的引下线应比明装时增大一个规格，每根柱子内要焊接两根主筋，各构件之间必须连成电气通路。屋内接地干线与防感应雷接地装置的连接不应少于2处。(5)接地装置 将雷电流通过引下线引入大地的散流装置称为接地装置。接地装置由接地体和接地线组成。接地线是连接引下线和接地体的导线，一般用直径为10 mm的圆钢组成。接地体包含人工接地体和自然接地体（埋入建筑物的钢结构和钢筋；行车的钢轨；埋地的金属管道、水管，但可燃液体和可燃气体管道除外；敷设于地面下而数量不少于2根的电缆金属外皮等）。在装设接地装置时，首先应充分利用自然接地体，以节约投资。当实地测量所利用的自然接地体电阻不能满足规范要求时才考虑添加装设人工接地体作为补充。,5.6 过电压保护,人工接地体有垂直埋设和水平埋设两种基本结构，如图5.15所示。垂直埋设时，为了减小相邻接地体的屏蔽效应，各接地体之间的距离一般为5 m。,5.6 过电压保护,2.架空线路的防雷保护(1)架设避雷线 运行经验表明，架设避雷线是防雷的有效措施。但是它的造价高，所以只在63 kV以上的架空线路上才沿全线装设，35 kV的架空线路上只在进、出变电所的一段线路上装设，而10 kV及以下线路上一般不装避雷线。(2)提高线路本身的绝缘水平 在架空线路上可采用木横担、瓷横担，或采用高一级的绝缘子，以提高线路的防雷水平，这是10 kV及以下架空线路防雷的基本措施。(3)利用三角形排列的顶线兼作保护线 由于310 kV线路通常是中性点不接地的系统，因此可在三角形排列的顶线绝缘子上装设保护间隙。在雷击时顶线承受雷击，击穿保护间隙，对地泄放雷电流，从而保护了下面两根导线，也不会引起线路断路器跳闸。(4)装设自动重合闸装置 线路上因雷击放电而产生的短路是由电弧引起的。断路器跳闸后，电弧即自动熄灭。如果采用一次自动ARD装置，使开关经0.5 s或更长时间自动重合闸，电弧通常不会复燃，从而能恢复供电，对一般用户不会有什么影响。(5)个别绝缘薄弱点装设避雷器 对架空线路上个别绝缘薄弱点，如跨越杆、转角杆、分支杆、带拉线杆、木杆线路中个别金属杆或个别横担电杆等处，可装设排气式避雷器或保护间隙。,5.6 过电压保护,3.变电所防雷保护 变电所的防雷保护主要有两个重要方面:一是要防止变电所建筑物和户外配电装置遭受直击雷；二是防止过电压雷电波沿进线侵入变电所，危及变电所电气设备的安全。变电所的防雷保护常采用以下措施:(1)防直击雷 一般采用装设避雷针（线）来防直击雷。如果变电所位于附近的高大建（构）筑物上的避雷针保护范围内，或者变电所本身是在室内的，则不必考虑直击雷的防护。(2)雷电波的侵入 对35 kV进线，一般采用在沿进线500600 m的这一段距离安装避雷线并可靠地接地，同时在进线上安装避雷器即可满足要求。对610 kV进线可以不装避雷线，只要在线路上装设FZ型或FS型阀式避雷器即可，如图5.16所示。 图5.16中接在母线上的避雷器主要是保护变压器不受雷电波危害，在安装时应尽量靠近变压器，其接地线应与变压器低压侧接地的中性点及金属外壳一起接地，如图5.17所示。,5.6 过