主 编：李家坤 朱华杰 主 审：陈光会

1. 主 编：李家坤朱华杰 主 审：陈光会 发电厂及变电站电气设备 FADIANCHANG JI BIANDIANZHAN DIANQISHEBEI 10 防雷与接地

2. 1 10.1 雷电的基本概念 2 10.2 发电厂的防雷保护装置 3 4 10.3 接地技术与接地装置 10.4 接地装置的要求及敷设 目 录 10 防雷与接地

3. 10 防雷与接地 • 【知识目标】 • 1．了解雷电的形成过程及雷电参数； • 2．了解避雷针、避雷线的原理； • 3．掌握管型避雷器、阀型避雷器、氧化锌避雷 器的工作原理； • 4．了解人体触电的概念，掌握保护接地、保护 接零的工作原理及实际应用； • 5．掌握接地装置敷设的要求、接地工程的分类 和特点； • 6．掌握水电站和变电所接地网的敷设方法。

4. 10 防雷与接地 • 【能力目标】 • 1．能够解释雷电的产生过程； • 2．能够说明阀型避雷器、管型避雷器、氧化锌 避雷器的结构特点； • 3．能够解释保护接地、保护接零的工作原理； • 4．能够测量接地电阻。

5. 10.1 雷电的基本概念 10.1 雷电的基本概念

6. 10.1.1 雷电的产生及放电过程 10.1 雷电的基本概念 • 雷电是大自然中最宏伟和恐怖的气体放电现象。雷雨季节经常发生的打雷和闪电，实际上是带电荷的雷云在空气中的放电过程。两块带异性电荷的雷云或雷云与大地间空气击穿，即形成雷电。在防雷工程中，主要关心的是雷云对大地的放电。

7. 10.1 雷电的基本概念 • 当雷云临近大地时，由于雷云电荷所形成的强大电磁场的作用，使云块下的大地感应出与雷云电荷不同极性的电荷，雷云与大地组成一个以空气为绝缘体的电容器，如果雷云与大地间的电场强度高到使其空间气体被击穿而形成雷击通道，雷云即向大地放电。这种雷云向大地放电的过程叫做雷击，其所形成的放电电流叫雷电流。

8. 10.1 雷电的基本概念 • 雷云对大地的放电通常分为先导放电和主放电两个阶段。 • 云-地之间的线状雷电在开始时往往从雷云的边缘向地面发展，并逐级推进向下发展，这种放电称之为先导放电。当先导接近地面时，地面上的一些高耸的物体（如塔尖或山顶）因周围电场强度达到了能使空气电离的程度，会发出迎面向上的先导。当它与下行先导相遇时，就出现了强烈的电荷中和现象，出现极大的电流（数十到数百千安），伴随着雷鸣和闪光，这就是雷电的主放电阶段。主放电的过程极短，只有几十微秒，它是沿着负的下行先导通道，由下而上发展，故又称“回击”。

9. 10.1 雷电的基本概念 • 在雷云带电的过程中，在云中形成若干个密度较高的电荷中心，因而大多数云对地的放电是重复的，即在第一次雷击形成的放电通道中，会有多次放电尾随。在第一次放电完成之后，主放电通道暂时还保持高于周围大气的电导率，其他电荷中心将沿已有的主放电通道对地放电，从而形成多重雷击。通常第一次冲击放电的电流最大，以后的电流幅值都比较小。

10. 10.1.2 雷电参数 10.1 雷电的基本概念 • 雷电放电涉及气象、地貌等自然条件，随机性很大，关于雷电特性的诸参数因此具有统计性的性质，需要通过大量的实测才能确定，防雷保护设计的依据来源于这些实测数据。在防雷设计中，最关心的是雷电流幅值、雷电流波形及地面落雷密度等参数。

11. 10.1 雷电的基本概念 • （1）雷电流幅值 • 雷电流具有冲击特性，即在几微秒内上升到幅值，再经过几微秒又由幅值降到很小的数值。雷电流的幅值与气象条件有关，根据我国的实测结果，年平均雷暴日大于20的一般地区，雷电流幅值超过I的概率可按下式计算： • 式中I——雷电流幅值，kA； P——雷电流幅值大于I的概率。 （10.1）

12. 10.1 雷电的基本概念 • （2）雷电流波形 • 虽然雷电流的幅值随各地区的气象条件相差很大，但所测的雷电流波形却基本相同。其主放电时的电流波前部分接近半余弦波，如图10.1所示。根据实测统计，雷电流的波头时间τ1大多为1~5μs，平均为2~2.5μs。我国的防雷规程建议雷电流的波头时间取2.6μs，即认为雷电流的平均上升陡度为 kA/μs。

13. 10.1 雷电的基本概念 图10.1 雷电流波形

14. 10.1 雷电的基本概念 • （3）地面落雷密度 • 常用平均雷暴日作为计量单位来表征不同地区的雷电活动频繁程度。雷暴日是一年中有雷电的天数，在一天内只要听到雷声就算一个雷暴日。雷暴日包含了雷云之间的放电，而防雷实际中关心的是云地之间的放电。地面落雷密度表征了雷云对地放电频繁程度，其定义为每平方千米每雷暴日的对地落雷次数，用λ表示。根据各国的具体情况，λ的取值不同。我国标准规定，对雷暴日T=40的地区，λ=0.07次/平方公里·雷暴日。

15. 10.1.3 雷电的危害 10.1 雷电的基本概念 • 雷电对发电厂及变电站的危害主要来自以下三种情况： • （1）直击雷 • 直击雷即雷云向发电厂和变电站的电气设备或建筑物直接放电。雷云层中的大量电荷在极短时间通过被击物，产生很大的雷电流。

16. 10.1 雷电的基本概念 • 因为被击物和它接触的土壤有一定的电阻，所以当雷电流通过被击物而流入大地时，必然在被击物上产生极大的电压降，其值可达几百万伏，这种电压称之为直击雷过电压。由于此电压超过一般电气设备的正常运行电压许多倍，将使电气设备的绝缘被击穿。同时，巨大的雷电流会造成建筑物的劈裂、倒塌及引发火灾。

17. 10.1 雷电的基本概念 • （2）感应雷 • 感应雷是由静电感应所致。在雷云临近发电厂及变电站上空时，发电厂建筑物和附近地面上将感应产生大量的电荷，如图10.2所示。这种与雷云电荷相互吸引、极性不同的感应电荷，叫做束缚电荷。与雷云电荷同极性的电荷，则被排斥到地表深处。当此雷云对另一雷云或地面放电后，地面感应电荷或由于失去了雷电荷电场的束缚力而迅速流散，或由于与雷电流中和而立即消失。如果此时建筑物接地不良，则积聚在它上面的感应电荷不能立即流散，将与大地间形成电位差，这个电位差称之为感应雷过电压。

18. 10.1 雷电的基本概念 图10.2 感应雷的形成过程

19. 10.1 雷电的基本概念 • （3）雷电侵入波 • 当输电线路遭受到直击雷、感应雷或避雷线的反击，泄泻到输电线上的雷电荷或失去了束缚的感应电荷，都会沿着输电线路向发电厂或变电站方向流动，形成巨大的前沿很陡的电流，叫做雷电侵入波，如图10.3所示。其所感应的高电压叫侵入波过电压，会造成电气设备绝缘的损坏，形成故障。

20. 10.1 雷电的基本概念 图10.3 雷电侵入波的产生

21. 10.1 雷电的基本概念 • 此外，电气设备本身还带有工频交流电，如果雷电过电压使设备的绝缘击穿，则当短暂的雷电流过去之后，工频交流电亦将通过其击穿通道成为工频续流，从而造成短路事故，持续而且数值相当大的工频短路电流将会使事故扩大，使设备严重损坏。

22. 10.2 发电厂的防雷保护装置 10.2 发电厂的防雷保护装置

23. 10.2.1 避雷针和避雷线 10.2 发电厂的防雷保护装置 • 雷电过电压的幅值可高达数十万伏甚至数百万伏，如不采取防护措施，电力设备的绝缘一般是难以承受的。雷云在通常情况下总是通过地面上的高耸的物体，特别是金属放电，因此在适当的位置装设适当高度的避雷针（线），就可以造成雷电向避雷针（线）放电，并通过接地装置将雷电荷泄入大地，从而使电气设备或建筑物不致遭受直击雷的危害。

24. 10.2 发电厂的防雷保护装置 • 避雷针（线）是接地的导电物，它的作用是将雷吸引到自己身上并安全地导入地中。因此，避雷针（线）的名称其实叫做“引雷针（线）”更为合适。为了使雷电流顺利下泄，必须有良好的导电通道。避雷针（线）的基本组成部分是接闪器（引发雷击的部位）、引下线和接地体。

25. 10.2 发电厂的防雷保护装置 • 避雷针（线）的保护范围是指被保护物体在此空间内不致遭受雷击的范围。由于雷电的路径受很多偶然因素的影响，要保证被保护物体绝对不受直击雷击是不现实的，因此保护范围是按照99.9%的概率定的。保护范围是根据在实验室中进行雷电冲击电压放电的模拟实验结果而求出的，并经多年实际运行经验的校核。

26. 10.2 发电厂的防雷保护装置 • （1）避雷针 • 避雷针是发电厂和变电站中用来保护电气设备和建筑物避免遭受直击雷的主要防雷装置。避雷针的接闪器（针尖）一般用直径10~20mm、长1~2m的钢棒制成。引下线一般使用不小于25mm2的圆钢、扁钢或镀锌钢绞线。如果支撑物为钢筋混泥土或钢支架时，也可用支架内的钢筋或支架本身作为引下线。单支避雷针的保护范围如图10.4所示，它是一个旋转的圆锥体。 • 设避雷针的高度为h（m），被保护物体高度为 hx（m），在hx高度上避雷针保护范围的半径rx由下述公式决定：

27. 10.2 发电厂的防雷保护装置 • 式中p——考虑避雷针的高度影响的校正系数，称为高度影响系数。 （10.2）

28. 10.2 发电厂的防雷保护装置 • （2）避雷线 • 在发电厂和变电站中，避雷线主要用来保护主变压器高压引出线（当主变压器与户外配电装置相距较远时）和架空输电线免受直击雷的危害。对于某些特殊地形条件（如处于峡谷地区）的水电站，当在山头上埋桩架设避雷线很方便时，也可以采用避雷线作为建筑物或配电装置的直击雷保护装置。 • 避雷线的接闪器为悬挂在被保护物上方的接地导线（架空地线），一般采用截面不小于35mm2的镀锌钢绞线，接地引下线一般采用截面不小于25mm2的镀锌钢绞线。

29. 10.2 发电厂的防雷保护装置 • （3）避雷针（线）的设置 • 在发电厂中，户外配电装置、户外布置的电力变压器、主变压器的高压引出线和户外布置的发电机电压引出线，以及油处理室、露天油罐、主变压器修理间、易燃易爆材料仓库等处均应装设直击雷保护装置。主厂房（无钢筋的砖木结构厂房除外）主控制室和35kV及以下的户内配电装置室一般不需设置直击雷保护装置，仅将其屋顶金属结构接地即可。

30. 10.2 发电厂的防雷保护装置 • 避雷针按其结构，可分为独立避雷针和构架避雷针两种。 • ① 独立避雷针。 • 独立避雷针与电气设备的带电部分、电气设备的外壳、构架和建筑物的接地部分之间的空间距离不小于5m，其接地装置与被保护物的接地体之间的地中距离不小于3m，以防止避雷针落雷时造成对被保护物放电或被保护物接地装置放电而引起反击。

31. 10.2 发电厂的防雷保护装置 • 独立避雷针的接地装置一般是独立的（即不与被保护物的接地体相连），其工频接地电阻不应大于10Ω。当不能满足要求时，其接地装置可与主接地网相连接，但应保证其与主接地网的连接点和35kV及以下设备的接地线入地点之间的沿接地体的长度不小于15m，以避免避雷针上落雷时引起主接地网电位升高太多而造成反击。独立避雷针不应设在人经常通行的地方，应距道路不小于3m。

32. 10.2 发电厂的防雷保护装置 • ②构架避雷针。 • 对于土壤电阻率小于1000Ω·m地区的110kV及以上的配电装置，为降低造价并简化布置，亦可将避雷针装设在配电装置的构架上，成为构架避雷针，其接地除了利用主接地网外，还应在其附近装设集中接地装置。 • 在变压器的门型构架上不得装设避雷针（线），而且任何避雷针（线）的接地引下线入地点到变压器接地线入地点沿接地体的长度不应小于15m，以防止变压器低压绕组的绝缘遭到反击而损坏。

33. 10.2.2 避雷器 10.2 发电厂的防雷保护装置 • 电力系统中电气设备的绝缘会受到两种过电压的危害：一种是外部过电压，即由雷击所产生的过电压；一种是内部过电压，即由于操作所产生的过电压（如切除空载变压器和电抗器、切除或投入空载线路）。如果外部或内部过电压的幅值超过了电气设备的绝缘强度允许值，绝缘将遭到损坏，并造成事故。

34. 10.2 发电厂的防雷保护装置 • 为此必须采取保护措施，即在电气设备上并联保护装置（如装设保护间隙、管型避雷器或阀型避雷器），且令保护装置的放电电压低于电气设备的绝缘强度允许值，一旦出现过电压时，保护装置将先被击穿，从而保护了电气设备。 • 这些保护装置在结构上的共同特点是都有一个间隙元件（又叫火花间隙），空气作为绝缘体的放电间隙。它们的放电电压，由间隙元件的结构决定。

35. 10.2 发电厂的防雷保护装置 • 电气设备绝缘的耐压水平和保护装置的放电电压，通常用伏秒特性曲线（电气设备或保护装置的击穿电压与时间的关系曲线）来表示。因为绝缘的击穿具有随机性，所以伏秒特性曲线具有上包线和下包线。保护装置要能可靠地起到保护作用，其伏秒特性必须与被保护设备的伏秒特性相配合，即保护装置的伏秒特性的上限必须全部处于被保护设备伏秒特性的下限之下。

36. 10.2 发电厂的防雷保护装置 • 图10.5所示为伏秒特性配合的几种情况，图中曲线1表示被保护设备的伏秒特性，曲线2表示保护设备（变压器）的伏秒特性。图10.5（a）中被保护设备的冲击放电电压未能完全低于变压器的绝缘冲击耐压值，表明在某些冲击电压作用下，变压器的绝缘将遭到损坏，保护装置不能可靠地起到保护作用。图10.5（b）中将保护装置的伏秒特性下移（即缩小保护装置间隙的距离），这样虽然能在冲击电压作用下保护变压器，但保护装置的工频放电电压（在长时间工频电压作用下的放电电压）也大大降低，容易在工频电压作用下发生误动作，故一般不采用。

37. 10.2 发电厂的防雷保护装置 图10.5 伏秒特性的配合 1—被保护电气设备的伏秒特性；2—避雷器的伏秒特性；

38. 10.2 发电厂的防雷保护装置 • 图10.5（c）抬高了变压器的伏秒特性（即提高变压器的绝缘水平），这样会增加设备的造价。由于被保护设备的伏秒特性比较平稳，为了与之相配合，最理想的办法是使保护设备的伏秒特性尽量平缓。图10.5（d），采用理想伏秒特性的保护装置时，被保护设备（变压器）在不提高绝缘水平的情况下即可得到可靠的保护，而在正常工频电压下，保护装置也不致发生误动作。

39. 10.2 发电厂的防雷保护装置 图10.5 伏秒特性的配合 1—被保护电气设备的伏秒特性；2—避雷器的伏秒特性； 3—理想避雷器伏秒特性

40. 10.2 发电厂的防雷保护装置 • 电力系统中用得最多的保护装置是避雷器。常用的避雷器有保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器和金属氧化锌避雷器。 • （1）保护间隙 • 保护间隙是最简单的一种避雷器。它由两个间隙组成，如图10.6所示为3kV、6kV及10kV电网常用的角形保护间隙。

41. 10.2 发电厂的防雷保护装置 图10.6 角形保护间隙 （a）结构图；（b）接线图 1—主间隙；2—辅助间隙；3—瓷瓶；4—设备； 5—间隙

42. 10.2 发电厂的防雷保护装置 • 为了使被保护设备得到可靠保护，间隙的伏秒特性上限低于被保护设备的绝缘的冲击放电伏秒特性的下限，并有一定的安全裕度。当雷电波侵入时，间隙先击穿，工作母线接地，限制了被保护设备上电压的升高。过电压消失后，间隙中仍有工频续流。保护间隙中的电极做成角形，是为了使工频电弧在自身电动力和热气流作用下易于上升并被拉长而自行熄灭。保护间隙的缺点是熄弧能力差；间隙间电场分布不均匀，并且裸露在大气环境中，受气象条件的影响大；同时保护间隙击穿后将直接接地，动作后将产生截波。

43. 10.2 发电厂的防雷保护装置 • （2）管型避雷器 • 管型避雷器的结构如图10.7所示。它由装在产气管1的内部间隙S1和外部间隙S2构成。其保护过程是在大气过电压的作用下，间隙S1和S2同时击穿，冲击波被截断。间隙击穿后， 在电力系统工频电压的作用下，流过避雷器的短路电流为工频续流。在工频续流电弧的高温作用下，使产气管分解出大量的气体，其中大部分均储存于储气室中，使管中压力升高。高压的气体急速地由其开口端5喷出，产生纵吹作用使电弧在工频续流第一次过流时熄灭，系统恢复至正常状态。

44. 10.2 发电厂的防雷保护装置 图10.7 管型避雷器 1—产气管；2—棒形电极；3—环形电极； 4—工作母线；S1—内间隙；S2—外间隙

45. 10.2 发电厂的防雷保护装置 • （3）阀型避雷器 • 阀型避雷器分为普通阀型和磁吹阀型避雷器两种，下面分别介绍两种类型的阀型避雷器。 • ①普通阀型避雷器 • 阀型避雷器的主要元件是火花间隙和非线性电阻两大部分，两者串联叠装在封闭的瓷套中。阀型避雷器的火花间隙由多个平板电极的单间隙相串联，单个间隙的结构如图10.8所示。图中上、下两个圆形平板电极由黄铜制成，中间用0.5~1mm厚的云母垫隔开，形成火花间隙，单个间隙的工频放电电压为2.7~3.0kV（有效值）。

46. 10.2 发电厂的防雷保护装置 图10.8 单个火花间隙 1—黄铜电极；2—云母垫片；3—间隙放电区

47. 10.2 发电厂的防雷保护装置 • 这种间隙的放电伏秒特性平缓，分散性小，冲击系数可以降低到1.1左右，与被保护的绝缘配合较容易。 • 多间隙串联后的间隙形成一个等值电容链，由于各电极对地和对高压端存在寄生电容，导致恢复电压在各间隙间的电压分布不均，影响了熄弧能力的充分发挥，故均在火花间隙上并联一组均压电阻，称为分路电阻。若干个火花间隙串联组成一个标准组合件，如图10.9所示。

48. 10.2 发电厂的防雷保护装置 图10.9 普通阀型避雷器火花间隙 1—单元火花间隙；2—黄铜盖板；3—分路电阻；4—次套筒

49. 10.2 发电厂的防雷保护装置 • 阀型避雷器的限流电阻是由多个非线性电阻盘串联叠加而成的，这种非线性电阻盘又称阀片。阀片的作用是：当雷电流通过时，阀片呈低阻抗，在阀片上的电压（称为残压）受到限制。当工频续流通过时，由于电压较低，阀片呈高阻抗，因而限制了工频续流，使工频续流在第一次过零时熄灭。

50. 10.2 发电厂的防雷保护装置 • 阀型避雷器的工作原理为：在电力系统正常运行时，间隙将阀片电阻与工作母线分开，以免母线上的工作电压在电阻阀片上产生的电流烧坏阀片。当母线上出现过电压且其幅值超过间隙放电电压时，间隙击穿，冲击电流通过阀片流入大地。由于阀片的非线性特性，故在阀片上的压降将得到限制，使其低于被保护设备的冲击耐压，设备得到了保护。当冲击电压消失时，间隙中由于工作电压产生工频电弧电流并仍将流过避雷器，但受到阀片非线性特性作用，此电流较冲击电流小，从而在工频续流第一次过零时就将电弧切断，继电保护来不及动作系统就恢复正常。