第八章 防雷、接地和电气安全

第八章防雷、接地和电气安全本章首先介绍过电压和雷电的有关概念，然后讲述工哪电索统常用的防雷设备和防雷措施；接着介绍接地的有关概念，．然后重点讲述接地的装设及接地的设计计算，最后概述电气安全的一般知识。

本章各节内容实质都是安全间题。

∮过电压与防雷一、过电压及雷电的有关概念（一）过电压的形式过电压（over voltage）是指在电气设备上或线路上出现的超过正常工作要求的电压。

在电力系统中，按过电压产生的原因不同，可分为内部过电压（internal over voltage)和雷电过电压（lightning over voltage）两大类。

1.内部过电压内部过甩压是由子电力系统中的开关操作、出现故障或其它原因，使电力系统的工作状态突然改变，从而在其过渡过程中出现因电磁能在系统内部发生振荡而引起的过电压。

内部过电压又分操作过电压和谐振过电压等形式。

操作过电压是申于系统中的开关操作、负荷骤变或由于故障出现断续性电弧而引起的过电压。

谐振过电压是由于系统中的电路参数(R、L、C）在不利组合时发生谐振而引起的过电压，包括电力变压器铁芯饱和而引起的铁磁谐振过电压。

运行经验证明，内部过电压一般不会超过系统正常运行时相对地（单相）额定电压3～4倍，因此对电气设备或线路的绝缘威胁不是很大。

2．雷电过电压雷电过电压又称为大气过电压或外部过电压，它是由子电力系统内的设备或构筑物遭受来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压。

雷电过电压产生的雷电冲击波，其电压幅值可高达1亿伏，其电流幅值可高达几十万安培，因此供电系统危害极大、必须采用有效措施加以防护。

雷电过电压又有两种基本形式：一种是雷电直接击中电气设备、线路或构筑物，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，相伴的还有电磁效应和闪络放电，这称为直接雷击或直击雷。

另一种是雷电对设备、线路或其它物体的静电感应或电磁感应所引起的过电压，称为雷电感应或感应雷。

图8-l表示架空线路上产生静电感应过电压的情形。

当雷云出现在架空线路上方时，线路上由于静电感应而积聚大量异性的束缚电荷，如图8-la所示。

在雷云的电荷向其它地方放电后，线路上的束缚电荷被释放形成自由电荷，向线路两端行进，形成很高的过电压波（行波），如图8-lb所示。

高压线路上的感应过电压，可高达几十万伏，低压线路上的感应过电压也可达几万伏，这对供电系统的危害是很大的。

雷电过电压的形式除了上述直击雷和感应雷两种基本形式外，还有沿着线路侵入变配电所或用户的过电压波，称为雷电波侵入或高电位侵入，这种雷电波侵入可由线路上遭受直击雷或发生感应雷所引起。

据我国几个城市的调查统计，供电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50～70% ，因此对雷电波侵入的防护应予足够的重视。

（二）雷电的有关名词概念（1）雷电汉的幅值和陡度一雷电流是一个幅值很大、陡度很高的冲击波电流，如图8-2所示。

雷电流的幅值m I ，与雷云中的电荷量及雷电放电通道的阻抗的有关。

雷电流一般在1～4s μ内增长到幅度值m I 。

雷电流在幅值以前的一段波形，称为波头；而从幅值起到雷电流衰减到m I /2的一段波形，称为波尾。

雷电流的陡度α按雷电流波头曾分增长的速率来表法示，即dt di /=α。

雷电流陡度据测定可达s kA μ/50以上。

对电气设备绝缘来说，雷电流的陡度越大，由dt di L L /⋅=μ可知，产生的过电压越高，对绝缘的破坏性也越严重，因此研究如何降低雷电流的幅值和陡度是防雷保护的一个重要课题。

（2）年平均雷暴日数一凡有雷电活动的日子，包括看到雷闪和听到雷声，都称为雷暴日。

由当地气象台、站统计的多年雷暴日的年平均日数不超过15天的地区，称为少雷区；年平均雷暴日数超过40天的地区，称为多雷区。

年平均雷暴日数越多，说明该地区雷电活动越频繁，因此防雷要求就越高，防雷措施需要加强。

（3）年预计雷击次数 这是表征建筑物可能遭受雷击的一个频率参数，按《建筑物防雷设计规范》GBJ57修订本规定，用下列经验公式不计算：e a A KT N ⋅=3.1024.0 （8-1）式中N —建筑物的年预计雷击次数（次/年）；a T —年平均雷暴日数，按当地气象台、站资料确定；e A —与建筑物截收雷击次数相同的等效面积（单位为km 2），按GBJ57修订本附录所规定的方法来计算（此略）；K—校正系数，在一般情况下取1；在下列情况下取相应数值；①位于旷野弧立的建筑物取2；②金属屋面的砖木结构建筑物取1.7；③位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物以及特别潮湿的建筑物取1.5。

二、防雷设备二、防雷设备（一）接闪器接闪器（receive lightning device）就是专门用来接受直接雷击（雷闪）的金属物体。

接闪的金属杆，称为避雷针（lightning wire）或架空地线。

接闪的金属带、金属网，称为避雷带（lightning tape）、避雷网（lightning net-work)。

所有接闪器都必须经过接地引下线与接地装置相联。

1.避雷针一般用镀锌圆钢（针长1～2m时，直径不小于16mm）或镀锌焊接钢管（针长1～2m时，内径不小于25mm）制成。

它通常安装在电（支柱）或构架、建筑物上。

它的下端要经引下线与接地装置焊接。

避雷针的功能实质上是引雷作用，它能对雷电场产生一个附加电场（这附加电场是由于雷云对避雷针产生静电感应引起的），使雷电场畸变，从而将雷云放电的通路，由原来可能向被保护物体发展的方向，吸引到避雷针本身，然后经与避雷针相连的引下线和搂地装置将二雷电流泄放到大地中去，使被保护物体免受直接雷击。

所以，避雷针实质上是引雷针，它把雷电波引入地下，从而保护了线路、设备及建筑物等。

避雷针的保护范围，以它能防护直击雷的空间来表示。

我国过去的防雷设计规范或过电压保护规程，对避雷针（或避雷线）的保护范围是按“折线法”来确定的，如本书1979年版和1984年版所述，而新制订的国家标准《建筑物防雷设计规范》GBJ57修订本则参照国际电工委员会IEC标淮规定采用“滚球法”来确定。

h（滚球半径）的球体，沿需要防护直击雷的部所谓“滚球法”，就是选择一个半径为r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。

单支避雷针的保护范围，按GBJ57修订本规定，应按下列方法确定（图8-3）(l ）当避雷针高度h ≤r h 时：l ）距地面r h 处作一平行于地面的平行线；2）以避雷针的针尖为圆心：r h 为半径，作弧线交于平行线的A 、B 两点；3）以A 、B 为圆心，r h 为半径作弧线，该弧线与针尖相交，并与地面相切，由此弧线起到地面止的整个锥形空间就是避雷针的保护范围；4）避雷针在被保护物高度x h 的x x '平面上的保护径，按下式计算：)2()2(x r x r x h h h h h h r ---= （8-2）式中r h ——滚球半径，按表8-1确定。

8-1 按建筑物理的防雷类别布置接闪器及其滚球半径注：建筑物防雷别的划分将在后面介绍（2）当避雷针高度h ≤r h 时：在避雷针上取高度r h 的一点来代替避雷针的针尖作为圆心，其余的作法如h ≤r h 的作法。

关于两支及多支避雷针的保护范围，可参看GBJ57修订本或有关设计手册，此略。

例8-1 某厂一座30m 高的水塔旁边，建有一水泵房（属第三类防雷建筑物），尺寸如图8-4所示。

水塔上面装有一支高2m 的避雷针。

试问此针能否保护这一水泵房。

解 查表8-1得滚球半径r h =60m ，而h=30m+2m=32m ，x h =6m ，因此由式（8-2）得保护半径m m m r x 9.26)6602(6)32602(32=-⨯⨯--⨯⨯=现水泵房在x h =60m 高度上最远一角距离避雷针的水平距离为x ＜r m r 7.185)612(22=++=由此可见，水塔上的避雷针完全能保护这一水泵房。

2．避雷线避雷线一般用截成不小于25mm 2的镀锌钢绞线，架设在架空线路的上边，以保护架空线路或其他物体（包括建筑物）免遭直接雷击。

由于避雷线既要架空，又要接地，因此它又称为架空地线。

避雷线的功能和原理与避雷针基本相同。

单根避雷线的保护范围，按GBJ57修订本规定：当避雷线高度r h h ≥时，无保护范围。

当避雷线高度r h h ＜2时，应按下列方法确定保护范围（图8-5）：1）距地面r h 处作一平行于地面的平行线；2）以避雷线为圆心，r h 为半径作弧线，作弧线交于上述平行线的A 、B 两点：3）以A 、B 为圆心，r h 为半径作弧线，这两条弧线相交或相切，并与地面相切，由此弧线起到地面止的整个空间就是避雷结的保护范围；4)当r r ＞h＞h h 2时，保护范围最高点的高度0h 按下式计算：h h h r -=20式中r h ——滚球半径，亦按表8-1确定。

5）避雷线在被保护物高度x h 在x x '平面上的保护宽度x b 可按下式计算：)2()2(x r x r x h h h h h h b ---= （8-4）关于两要平行避雷线的保护范围，可参看GBJ57修订本或有关设计手册，此亦略。

3．避雷带和避雷网避雷带和避雷网普遍用来保护高层建筑物免遭直击雷和感应雷。

避雷带采用进径不小于8mm 的圆钢或截面不小于48mm 2、厚度不小于4mm 的扁钢，沿屋顶周围装设，高出屋面100～150mm ，支持卡间距离1～1.5m 。

避雷网则除沿屋顶周围装设外，屋顶上面还用圆钢或扁钢纵横连接成网。

避雷带、网必须经1～2根引下线与接地装置可靠地连接。

（二）避雷器避雷器（surge arrester ）是用来防护雷电产生的过电压波沿线略侵入变配电所或其它建筑物内，以免危及被保护设备的绝缘。

避雷器应与被保护设备关联，在被保护设备的电源侧，如图8-6所示。

当线路上出现危及设备绝缘的过电压时，避雷器的火花间隙就被击穿，或由高阻变为低阻，使过电压对地放电，从而保护了设备的绝缘。

避雷器型式，主要有阀式和排气式等。

1．阀式避雷器阀式避雷器（valve type surge arrester）又称阀型避雷器，由火花间隙和阀片组成，装在密封的磁套管内。

火花间隙用铜片冲制而成，每对间隙用厚0.5～1mm的云母垫圈隔开，如图8-8a所示。

正常情况下，火花间隙阻止线路工频电流通过，但在雷电过电压作用下，火花间隙被击穿放电。

阀片是用陶料粘固起来的电工用金刚砂（碳化硅）颗粒组成的，如图8-7b所示。

这种阀片具有非线性特性，正常电压时，阀片电阻很大，过电压时，阀片电阻变生很小，如图8-7c所示。