第九章  电气安全、防雷和接地 供配电系统进行正常运行，首先必须要保证其安全性，防雷和接地是电气安全的主要措施。故掌握电气安全、防雷和接地的设计方法也非常重要。

第一节 电气安全 第二节 过电压和防雷 第三节 电气装置的接地

第一节 电气安全

一、电气安全的含义和重要性

电气安全包括人身安全和设备安全两个方面。

电气设备设计不合理、安装不妥当、使用不正确、维修不及时，尤其是电气人员缺乏必要的安全知识与安全技能，麻痹大意，就可能引发各类事故，如触电伤亡、设备损坏、停电、甚至引起火灾或爆炸等严重后果。 二、电气安全措施

⒈ 建立完整的安全管理机构

⒉ 健全各项安全规程，并严格执行

⒊ 严格遵循设计、安装规范

⒋ 加强运行维护和检修试验工作

⒌ 按规定正确使用电气安全用具

⒍ 采用安全电压和符合安全要求的电器

⒎ 普及安全用电知识三、电气防火和防爆

⒈ 防火防爆的措施

⑴ 选择适当的电气设备及保护装置，应根据具体环境、危险场所的区域等级选用相应的防爆电气设备和配线方式，所选用的防爆电气设备的级别应不低于该爆炸场所内爆炸性混合物的级别。

⑵ 保持必要的防火间距及良好的通风。

⒉ 电气火灾的特点

⑴ 着火的电气设备可能是带电的，如不注意可能引起触电事故。

⑵ 有些电气设备（如油浸式变压器、油断路器）本身充有大量的油，可能发生喷油甚至爆炸事故，扩大火灾范围。⒊ 电气失火的处理

⑴ 选择适当的灭火器。

⑵ 小范围带电灭火，可使用干砂覆盖。

⑶ 专业灭火人员用水枪灭火时，宜采用喷雾水枪。

四、触电及防护

⒈ 触电的概念及其危害

人体不同部位接触不同电位则有电流流过为触电。分为“电击”与“电伤”两类。

“ 电击” : 电流流过人体内部破坏心脏、呼吸与神经系统，重则危及生命。

“ 电伤”：电流的热效应、化学效应或机械效应对人体造成的伤害，可伤内部及骨骼，在人体体表留下电流印、电纹等触电伤痕。电流对人体的危害程度与触电时间、电流的大小和性质以及电流在人体中的路径有关。此外，还与人的体重、健康状况有关。

⒉ 触电的防护

⑴直接触电防护 ⑵间接触电防护　

第二节 过电压和防雷一、过电压及雷电概述

⒈ 过电压的种类

⑴ 内部过电压

分为操作、弧光接地和谐振过电压，对电力线路和电气设备绝缘的威胁不是很大。

⑵ 雷电过电压（亦称外部过电压或大气过电压）

雷击或雷电感应引起的过电压，可能毁坏电气设备和线路的绝缘，烧断线路，造成大面积长时间停电。

2．雷电的形成

3．雷电过电压的种类

(1)直击雷过电压　 (2)感应雷过电压　 (3) 雷电侵入波

二、防雷设备

⒈ 接闪器（避雷针、避雷线、避雷带或网）

（ 1 ）避雷针

避雷针的功能实质是引雷作用。

采用“滚球法”来确定保护范围。

①     单支避雷针的保护范围

单支避雷针的保护范围如图所示按下列方法确定，

当避雷针高度 h≤hr 时

a. 距地面 hr 处作一平行于地面的平行线；

b. 以避雷针的针尖为圆心、 hr 为半径，作弧线交平行线于 A 、 B两点；

c. 以 A 、 B 为圆心， hr 为半径作弧线，该弧线与针尖相交，并与地面相切。由此弧线起到地面为止的整个锥形空间就是避雷针的保护范围。

避雷针在被保护物高度 hx 的 xx′平面上的保护半径 rx 按下式计算：

式中， hr 为滚球半径，由表 9-2 确定。

当避雷针高度 h>hr 时，在避雷针上取高度 hr 的一点代替避雷针的针尖作为圆心。余下作法与避雷针高度h≤hr 相同。 例 9-1　某厂锅炉房烟囱高40m ，烟囱上安装一支高 2m 的避雷针，锅炉房（属第三类防雷建筑物）尺寸如图 9-4 ，试问此避雷针能否保护锅炉房。

解　查表 9-2得滚球半径hr=60m ，而避雷针顶端高度h=40+2=42m ， hx=8m ，根据公式得避雷针保护半径为：

现锅炉房在 hx=8m 高度上最远屋角距离避雷针的水平距离为：

由此可见，烟囱上的避雷针能保护锅炉房。

② 两支避雷针的保护范围

两支等高避雷针的保护范围如图所示。在避雷针高度

的情况下，当两只避雷针每支避雷针的距离

应各按单支避雷针保护范围计算；当

时应按图的方法确定：

a. 每支避雷针保护范围外侧同单支避雷针一样计算。

b. 两支避雷针之间 C 、 E 两点位于两针间的垂直平分线上。在地面每侧的最小保护宽度 b0 为：

)2(2 hhhD r

)2(2 hhhD r

rhh

在 AOB轴线上，距中心线任一距离 x 处，在保护范围上边线上的保护高度 hx 为：

该保护范围上边线是以中心线距地面 hr 的一点 O’

为圆心，以 为半径所作的圆弧 AB 。

c. 两针间 AEBC 内的保护范围。 ACO 、 BCO 、 BEO 、 AEO 部分的保护范围确立方法相同，以 ACO 保护范围为例，在任一保护高度 bx 和 c 点所处的垂直平面

上以 hr 作为假想避雷针，按单支避雷针的方法逐点确定。如图中 1-1剖面图。

图

d. 确立 xx’平面上保护范围。以单支避雷针的保护半径 rx 为半径，以 AB 为圆心作弧线与四边形 AEBC相交。同样以单支避雷针的（ r0-rx ）为半径，以E 、 C 为圆心作弧线与上述弧线相接，如图中的粗虚线。 （ 2 ）避雷线

单根避雷线的保护范围为：

当避雷线高度 h≥2hr 时，无保护范围。

当避雷线的高度 h<2hr 时，保护范围如图 9-7 所示 ,

保护范围应按下法确定：

①距地面 hr 处作一平行于地面的平行线。

②以避雷线为圆心， hr 为半径作弧线交于平行线的A 、 B 两点。

③以 A 、 B 为圆心， hr 为半径作弧线，这两条弧线相交或相切，并与地面相切。这两条弧线与地面围成的空间就是避雷线的保护范围。

当 hr<h<2hr 时，保护范围最高点的高度 h0 按下式计算

h0=2hr-h

避雷线在 hx高度的 xx′平面上的保护宽度 bx 按下式计算

式中， h 为避雷线的高度； hx 为保护物的高度。

注意 确定架空避雷线的高度时，应考虑弧垂。在无法确定弧垂的情况下，等高支柱间的档距小于 120m 时，其避雷线中点的弧垂宜选用 2m；档距为 120～ 150m 时宜选用 3m 。

关于两根等高避雷线的保护范围，可参看有关国标或相关设计手册。

（ 3 ）避雷带和避雷网的保护范围

避雷带和避雷网的保护范围应是其所处的整幢高层建筑，为了达到保护的目的，避雷网的网格尺寸有具体的要求见表 9-2 。

2．避雷器

（ 1 ）阀型避雷器

阀型避雷器由火花间隙和阀片组成

图a和b分别为 FS4-10型和 FS-0.38型阀型避雷器外形结构图。

（ 2 ）氧化锌避雷器

　　图示 三种氧化锌避雷器外形结构（ 3 ）保护间隙

图示角形保护间隙结构与接线

灭弧能力较小，只适用于无重要负荷的线路上。

1 、上接线端 2 、火花间隙 3 、云母片垫圈 4 、瓷套管

5 、阀片 6 、下接线端

三、防雷保护 ⒈ 架空线路的防雷保护

⑴架设避雷线。这是线路防雷的最有效措施，但成本很高，只有 66kV 及以上线路才沿全线装设。

⑵提高线路本身的绝缘水平。

⑶利用三角形排列的顶线兼做防雷保护线。

⑷加强对绝缘薄弱点的保护。

⑸采用自动重合闸装置。

⑹绝缘子铁脚接地。

2. 变配电所的防雷保护

⑴ 防直击雷

①独立避雷针与被保护物之间应保持一定的空间距离So ，如图。

②独立避雷针应装设独立的接地装置，其接地体与被保护物的接地体之间也应保持一定的地中距离 SE ，如图 。

③独立避雷针及其接地装置不应设在人员经常出入的地方。

（ 2 ）进线防雷保护

35KV 电力线路在变电所进线 1~2km段内装设避雷线防止直接雷击。

避雷线两端处装设管形避雷器。

F1 、 F2— 管形避雷器； F3—阀形管形避雷器

3~10KV 配电线路可在进线终端装设 FZ 或 FS型阀形避雷器，以保护线路断路器和隔离开关。

⑶ 配电装置防雷保护

T— 电力变压器 F—阀形避雷器

⒊ 高压电动机的防雷保护

对雷电侵入波的防护， FCD型磁吹阀型避雷器或采用具有串联间隙的金属氧化物避雷器，并尽可能靠近电动机安装。

对于定子绕组中性点能引出的高压电动机，就在中性点装设避雷器。⒋ 建筑物的防雷保护

（ 1 ）建筑物防雷分类及防雷要求

第一类防雷建筑。应有防直接雷、感应雷和雷电侵入波措施。

第二类防雷建筑。应有防直接雷和雷电侵入波措施，有爆炸危险的也应有防感应雷措施。

第三类建筑物。应有防直接雷和雷电侵入波措施。

（ 2）建筑物防雷措施：①防直击雷；②防感应雷；

③防雷电侵入波

第三节 电气装置的接地一、接地概述

⒈ 接地和接地装置

1 、接地体； 2 、接地干线； 3 、接地支线； 4 、设备

2．接地电流和对地电压

接地电流：接地故障时流经接地装置流入大地并作半球形散开的电流。

对地电压：电气设备接地部分与零电位的“大气”之间的电位差。

3．接触电压Utou和跨步电压 Ustep

4．工作接地、保护接地、重复接地

(1) 工作接地　在正常或故障情况下为了保证电气设备可靠地运行，而将电力系统中某一点接地称为工作接地。

(2) 保护接地　将在故障情况下可能呈现危险的对地电压的设备外露可导电部分进行接地称为保护接地。

①TN 系统　 TN 系统的电源中性点直接接地，并引出有中性线（ N 线）、保护线（ PE 线）或保护中性线（ PEN 线），属于三相四线制或五线制系统。

N 线和 PE 线全部和为PEN 线称 TN-C 系统

N 线和 PE 线全部分开称TN-S 系统

前一部分 N 线和 PE 线全部和为 PEN 线；而后一部分 N 线和 PE 线全部或部分地分开称 TN-C-S 系统。

②TT 系统　 TT 系统的电源中性点直接接地，并引出有 N 线，属三相四线制系统，设备的外露可导电部分均经与系统接地点无关的各自的接地装置单独接地。

③ IT 系统　 IT 系统的电源中性点不接地或经 1kΩ阻抗接地，通常不引出 N 线，属于三相三线制系统。

IT 系统及一相接地时的故障电流

(3) 重复接地： 将零线上的一处或多处通过接地装置与大地再次连接，称重复接地。

5. 应该实行接地或接零的设备

⑴ 电动机、变压器、变阻器、电力电容器、开关设备的金属外壳。

⑵ 配电、控制的屏（柜、箱）的金属框架和底座、邻近带电设备的金属遮栏。

⑶ 电线电力电缆的金属保护管和金属包皮，电缆终端头与中间接头的金属包皮以及母线的外罩。

⑷ 照明灯具、电扇及电热设备的金属底座与外壳。

⑸ 避雷针、避雷器、保护间隙和耦合电容器底座，装有避雷线的电力线路金属杆塔。

⑹ 互感器的二次线圈。

6 可以不接地或接零的设备

⑴ 采用安全电压或低于安全电压的电气设备。

⑵ 装在配电屏、控制屏上的电气测量仪表、继电器与低压电器的外壳。

⑶ 在已接地金属构架上的支持绝缘子的金属底座。

⑷ 在常年保持干燥且用木材、沥青等绝缘较好的材料铺成的地面，其室内低压电气设备的外壳。

⑸ 额定电压为 220V 及以下的蓄电池室的金属框架。

⑹ 厂内运输铁轨。

⑺ 电气设备安装在高度超过 2.2m 的不导电建筑材料基座上，须用木梯才能接触到且不会同时触及接地部分。

二、接地装置

⒈ 自然接地体

⑴ 与大地有可靠连接的建筑物的钢结构、混凝土基础中的钢筋。

⑵ 敷设于地下而数量不少于两根的电缆金属外皮。

⑶ 敷设在地下的金属管道及热力管道。输送可燃性气体或液体（如煤气、石油）的金属管道除外。

⒉ 人工接地体

人工接地体大多采用钢管、角钢、圆钢和扁钢制作。

⒊ 变配电所和车间的接地装置

加装均压带的环路式接地网

三、接地电阻

    ⒈ 接地电阻的要求。

⑴ 电压为 1000V以上的中性点接地系统中电气设备实行保护接地。

⑵ 电压为 1000V以上的中性点不接地系统中由于系统中性点不接地，当接地故障时一般不跳闸而直接发接地信号。

⑶ 电压为 1000V以下的中性点不接地系统中考虑到其对地电容通常都很小，因此规定 ，即可保证安全。

对于总容量不超过 100KVA 的变压器或发电机供电的小型供电系统，接地电容电流更小，所以规定

⑷ 电压为 1000V以下的中性点接地系统中电气设备实行保护接零，电气设备发生接地故障由保护装置切除故障部分，但为了防止零线中断时产生危害，仍要求有较小接地电阻，规定 。同样对总容量不超过 100KVA 的小系统可采用 。

⒉ 接地电阻的计算

⑴ 工频接地电阻　工频接地电流流经接地装置所呈现的接地电阻，称工频接地电阻，可按表 9-4中的公式进行计算。

⑵ 冲击接地电阻　雷电流经接地装置泄放入地时所呈现的接地电阻，称冲击接地电阻。

冲击接地电阻 REsh 可按下式计算：

式中， RE 为工频接地电阻； α为换算系数

⑶ 接地装置的设计计算

①按设计规范要求确定允许的接地电阻值 RE 。

②实测或估算可以利用的自然接地体的接地电阻RE(nat) 。

③计算需要补充的人工接地体的接地电阻

若不考虑自然接地体，则 RE(man)=RE 。

④根据设计经验，初步安排接地体的布置、确定接地体和连接导线的尺寸。

⑤计算单根接地体的接地电阻 RE(1) 。

⑥用逐步渐近法计算接地体的数量。

⑦校验短路热稳定度。

式中， 为单相接地短路电流，为计算方便，可取 I″(3)(A) ； tk 为短路电流持续时间（ s ）。

例 9-2某车间变电所变压器容量为 630kVA 。电压为10/0.4kV ，结线组为 Yyno ，与变压器高压侧有电联系的架空线路长 100km ，电缆线路长 10km ，装设地土质为黄土，可利用的自然接地体实测为 20Ω ，试确定此变电所公共接地装置的垂直接地钢管和连接扁钢。

解：（ 1 ）确定接地电阻要求值

接地电流为：按附录表 18-1 可确定此变电所公共接地装置的接地电阻应满足以下两个条件：

RE≤120/IE =120/12.9=9.3Ω                                 

RE≤4Ω                              

比较上两式，总接地电阻应满足 RE≤4Ω 。

（ 2 ）计算需要补充的人工接地体的接地电阻

（ 3 ）接地装置方案初选

采用“环路式”接地网，初步考虑围绕变电所建筑四周，打入一圈钢管接地体，钢管直径 50mm ，长2.5m ，间距为 7.5m ，管间用 40×4mm2 的扁钢连接。

（ 4 ）计算单根钢管接地电阻

查附录表 18-2得黄土的电阻率 ρ=200Ωm

单根钢管接地电阻 RE(1)≈200/2.5=80Ω

5 ）确定接地钢管数和最后接地方案

根据 RE(1)/RE(man)=80/5=16 ，但考虑到管间屏蔽效应，初选 24 根钢管作接地体。以 n=24 和 a/l=3去查附录表 18-3 ，得 ηE≈0.70 。因此

考虑到接地体的均匀对称布置，最后确定用 24 根直径 50mm ，长 2.5m 的钢管作接地体，管间距 7.5m ，用 40×4mm2 的扁钢连接，环形布置，附加均压带。

⒊ 接地电阻的测量

接地电阻测量仪，俗称接地摇表，其自身能产生交变的接地电流，使用简单，携带方便，而且抗干扰性能较好，应用十分广泛。

具体测量步骤如下：

⑴拆开接地干线与接地体的连接点。

⑵将两支测量接地棒分别插入离接地体 20m 与 40m远的地中，深度约 400mm 。

⑶把接地摇表放置于接地体附近平整的地方，然后接线：用最短的一根连接线连接接线柱 E 和被测接地体 E′；用较长的一根连接线连接接线柱 P 和 20米远处的接地棒 P′；用最长的一根连接线连接接线柱 C和 40米远处的接地棒 C′ 。

⑷根据被测接地体的估猜电阻值，调节好粗调旋钮。

⑸以大约 120r/min 的转速摇动手柄，当表计指针偏离中心时，边摇动手柄边调节细调拔盘，直至表针居中稳定后为止。

⑹细调拔盘的读数×粗调旋钮倍数即得被测接地体的接地电阻。

四、低压配电系统的等电位联接

⒈总等电位连接

⒉局部等电位连接

MEB—总等电位连接； LEB—局部等电位连接

⒊ 等电位连接导线的选择

总等电位连接主母线的截面规定不应小于装置中最大PE 线截面的一半，但不小于 6mm2 。采用铜导线，其截面可不超过 25mm2 。

连接两个外露可导电部分的局部等电位线，其截面不应小于接至该两个外露可导电部分的较小 PE 线的截面。

连接装置外露可导电部分与装置外可导电部分的局部等电位连接线，其截面不应小于相应 PE 线截面的一半。