关于防雷接地和电气安全的研究论文.docx

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关于防雷接地和电气安全的研究论文

关于防雷、接地和电气安全的研究论文

网络高等教育

本科生毕业论文（设计）

题目：

关于防雷、接地和电气安全的研究

学习中心：

奥鹏学习中心

层次：

专科起点本科

专业：

电气工程及其自动化

年级：

年春/秋季

学号：

151********3

学生：

赵斌

指导教师：

完成日期：

年月日

内容摘要

雷电现象是我们日常生活中较为常见的一种自然现象，但是雷电现象极具破坏性，对人民生命财产造成了严重的威胁。

近几年，随着社会经济的发展，高层建筑物数量、建筑电气设备明显增多。

此外，越来越多的用户对网络和室内电气设备过度依赖，这些原因导致建筑物雷电灾害发生机率逐渐上升。

因此，加强对行电气设备的防雷、接地的研究尤为必要。

关键词：

防雷；接地；电气安全

1绪论

1.1课题的背景及意义

变电站是电力系统的重要组成部分，变电站发生雷击事故，将造成大面积停电，会对电网造成较大的危害。

近年来，随着我国电力变电站实现综合自动化，不仅为变电站实现无人值守和配电网实现自动化奠定了基础，而且也为供电部门提供更安全、经济、可靠和高质量的电能创造了条件，这就更加要求防雷接地措施必须十分可靠。

在变电站的设计过程中，保护变电站的设备安全，提高其供电可靠性，优化防雷接地设计方案，加强变电站的防雷接地安全措施，最大程度的减少雷击事故发生，有着极其重要的意义。

1.2防雷接地保护的重要性

遭受雷击的途径:

一是雷直击于变电站的设备上;二是各类架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入到变电站。

根据入侵的途径，防雷措施对策一般可分为:

（1）阻止雷电波的进入;

（2）利用保护装置把雷电波导入到接地网中。

防雷保护措施要根据现场常见的雷击形式、频率、强度以及被保护设施的重要性、特点等，选择安装适宜的保护装置。

现代防雷工程的防雷对象扩大了，防雷措施增加了，防雷设计的方法也在不断发展。

变电站实现综合自动化是传统变电站二次系统的重大变革，其装置形式、功能配置以及操作方法都发生了根本性变化。

利用多台微机和大规模集成电路装置组成的自动化系统，可用于控制、监测、保护、通信等等。

但是，由于这类装置使用了超大规模集成电路，运行电压只有数伏、信号电流仅为微安级的微机装置，

相比于传统的电磁式的各类保护装置，设备的耐热性能要差，对尖峰脉冲的耐受

能力比较脆弱，特别是雷击过电压的暂态冲击会通过变电站的电源线引入，从而引起瞬态过电压，如果不经处理，就会引起二次设备的损坏。

同时，接地是避雷技术很重要的环节，变电站接地系统的合理与否，是直接采用关系到人身和设备安全的重要问题。

不管是直击雷、感应雷或其它形式的雷，采用何种类型的防雷设备，都要求将雷电流尽快通过接地装置导入大地。

因此，没有合理而良好的接地装置，就不能有效地防雷。

随着电力系统规模的不断扩大，接地系统的设计越来越复杂。

变电站接地网安全除了对接地阻抗有要求外，还对地网的结构、使用寿命等提出了较高的要求。

1.3防雷接地保护的研究现状

当雷电直接击中电力系统的导线部分时，会产生极高的雷电过电压，任何电压等级的设备绝缘都会难以耐受。

变电站对于直击雷的保护一般采取装设避雷针或采用沿变电站进线段一定距离内架设避雷线，吸引雷电击向自身，减低雷击点的过电压，通过良好接地的装置，将雷电流迅速泄入大地。

避雷针大大增加雷击概率，这使得依附于一次设备的，目前正在大量更新的保护、监控、通信等二次设备遭受雷击的概率大大增加，损坏方式也多种多样，从而给电力生产带来很大的损失。

这些二次设备防感应雷基本上靠机壳和内部元件本身，可靠性较低。

当雷击使高压线路引入雷电波时，往往影响到变电站的整个低压电源系统、通信系统，导致低压电源系统中绝缘薄弱设备的某些元件损坏，如设备的电源模块，计算机监控系统等，一旦被波及往往造成接口元件击穿或烧坏。

接地起着维持正常运行、保护、防雷、防干扰等作用。

当接地不规范时，雷电电磁脉冲容易引起接地点之间电位差，产生的电磁场干扰二次设备的运行，严重时会损坏设备内部的电子回路。

接地电阻不合格，雷电引起的地电位升高，也会通过设备的接地线引入二次设备中，损坏设备的插件。

所以，各接地网间必须通过合理布置接地线，等电位连接、屏蔽及装置本身的电磁兼容防护来解决设备的安全问题。

1.3.1关于防雷接地和电器安全的国内外技术

近来年，国内进行了另一种人工影响雷电的实验。

其做法是：

在雷雨云到达成熟阶段之前，用高射炮、火箭等运载工具把大量的金属针粉或裹着铝箔的尼龙纤维（每条纤维长10厘米）投掷到云中去。

这些导电性能良好的粉剂投入云中后，可以大大地改善云的导电性能，从而起到分散云中电荷的作用。

云中不能形成电荷中心，也就减少了产生雷电的可能性。

此外，人工影响对流云的方法也被用来抑制雷电的发生。

如果能在雷雨云形成之初就往云中播撒大量的人工冰核（碘化银），使的云中的过冷水滴提前冻结成冰晶，并从云中掉下来，从而减少雷电的发生。

大量的对比实验表明，播撒了碘化银的云，'云－地'闪电的次数比不播撒的云减少了66%。

利用激光改变雷电走向，是日本专家们最近的又一新成果。

它使引雷技术向实用化迈进了一大步。

这种技术是通过反射镜将激光射向雷雨云，在空气中形成电流容易通过的高温等离子体通道，将雷电引向避雷塔。

美国科学家发明的'雷电消除器'则非常适用于多雷地区，现已获得专利。

这种'雷电消除器'制作十分简单：

几百根钢筋竖立在插进土壤中的空心大口径金属管上面的切口中。

它看上去很像避雷针，只是分散在一定的面积上，但它的作用机理与避雷针完全不同。

它防止的不是雷电本身，而是不可见的雷电驱波，即所谓使大气击穿的静电放电。

俄罗斯专家则研制出一种能及时预报雷电的警报仪。

这种仪器能自收集在半径25公里范围内大气层的电学数据，进而判断雷电发生的地点和强度。

3-5公里的范围内及时发出警报。

这对于正在高处施工的建筑工人和高压输电线的修理工人来说，不失为理想的'空中保护神'。

1.4本文的主要内容

作为一个研究领域，有关防雷、接地和电气安全有很多需要研究的问题。

全文共分为三章，各章内容简介如下：

第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；

第二章变电站高压电力装置防雷技术；

第三章接地与屏蔽；

在电力系统中大气过电压严重影响电力系统的正常运行，而大气过电压产生的根本原因，是雷云放电引起的。

因此要注意电气设备的防雷。

在日常生活中为了防止人体触电，电气设备必须有良好的接地装置，用以保护电气设备及防止人体触电事故的发生。

化工厂生产的原料和产品大多数是易燃物的物质，如氢气、一氧化碳、氨气、甲烷和乙炔等，其生产过程一般是高温、高压操作，这些都是形成着火和爆炸的条件。

因此防爆在化工企业具有特别重要的意义。

必须采取措施，防止由化工厂共配电电气设备和线路引起爆炸或火灾事故或火灾事故。

因此，供电系统的注意防雷接地及电气安全。

2变电站高压电力装置防雷技术

2.1引言

建筑物的防雷设计要因地制宜地采取防雷措施，目标是要防止或减少雷击建筑物所发生的人身伤亡和财产损失，同时做到安全可靠、技术先进、经济合理。

要在认真调查被保护物周围的地理、地质、土壤、气象、环境等条件，了解雷电活动规律及其特点的基础上，仔细研究防雷装置的形式及其布置。

建筑物根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为三类。

各类防雷建筑物都必须采取防直击雷和防雷电波侵入的措施，对于第一类防雷建筑物和部分第二类防雷建筑物还要采取防雷电感应的措施。

变电站一般为第二类防雷建筑，本文以第二类防雷建筑要求，进行防雷设计。

2.2雷电参数特性

雷电是一种自然现象，它释放出的巨大能量，有极强大的破坏能力。

而且雷电发生的随机性很大，关于雷电特性的各个参数需要通过大量实测，数据统计后才能确定，防雷保护设计的依据来源于这些实测数据。

2.2.1雷电流幅值及分布概率

雷电流幅值是指物体遭到直接雷击时，经过接地电阻，被击物体中雷电流的最大值。

它是表示雷电强度的指标，也是产生雷电过电压的根源，是最重要的雷电参数。

2.2.2雷电流波形和极性

雷电流对电气设备绝缘的危险程度同雷电流波头（波前时间）陡度的大小有关。

雷电流的幅值和波前时间决定了它的陡度，雷电流的陡度是指其波前随时间上升的变化率。

根据实测统计，对于中等强度以上的雷电流，其波头（波前时间T。

）大多为1一5拼s，平均为2.6尽s。

雷电流是单极性的脉冲波，75%~90%的雷电流是负极性的。

2.2.3雷暴日

雷暴日是一年中有雷电的天数。

可表征不同地区的雷电活动频繁程度，统计雷暴的严重程度。

地区雷暴日等级可根据年平均雷暴日数来划分。

一般可划分为少雷区、多雷区、高雷区、强雷区。

少雷区是指年平均雷暴日在20天及以下的地区;多雷区是指年平均雷暴日大于20天但不超过40天的地区;高雷区是年平均雷暴日大于40天，不超过60天的地区;强雷区是年平均雷暴日超过60天以上的地区。

2.2.4落雷密度

地面落雷密度是表征雷云对地放电的频繁程度。

线路受雷密度是以线路受雷宽度为避雷线（有避雷线的线路）或导线（无避雷线的线路）的平均悬挂高度的4倍进行计算。

2.3变电站防雷技术措施

当雷电直击在物体上，产生电磁效应、热效应和机械力对物体造成危害的现象，称为直击雷。

直击雷产生的过电压幅值可高达数十万伏，有的达到数百万伏，这是任何电压等级的电力设备绝缘都不能耐受的。

所以需要安装直击雷防护装置，而防护直击雷最常用的措施是装设避雷针或避雷线。

2.3.1直击雷的防护措施

避雷针（线）是接地的导电物，一般高于被保护物体，它们的作用就是将雷电吸引到自己身上，安全并迅速地导入地中。

避雷针通过自身的高度，在其尖端的高突处形成电场的畸变，在雷云电场的作用下，当尖端的电场强度大于空气电离场强时，开始电离空气，形成迎面先导，并与雷云的雷电先驱相遇，完成雷击过程。

为了使雷电流能够顺利下泄，必须有良好的导电通道。

因此，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。

2.3.2防雷电波侵入的措施

避雷器实质上是一种放电器（或称限压器），并联在被保护设备附近。

避雷器的击穿电压要比被保护设备的低。

当线路上传来的过电压超过避雷器的放电电压时，避雷器会先行放电，把入侵波导入大地，限制设备上的过电压，避免电气设备绝缘遭击穿损坏。

当入侵波消失后，避雷器又能够自行恢复绝缘能力，防止工频接地短路事故的发生。

为了使避雷器达到预期的保护效果，必须正确选择和使用避雷器。

避雷器的基本要求:

1、避雷器与被保护设备之间应有合理的伏秒特性的配合，在被保护物可能击穿以前，避雷器就已发生动作，将过电压波截断，从而起到可靠的保护作用。

工程上常用冲击系数。

来反映伏秒特性的形状。

冲击系数a是指冲击放电电压与工频放电电压的比值，其比值越小，伏秒特性越平直，一般希望它接近于1。

因此，应选用冲击系数小的避雷器作为电气设备的保护装置。

2、当瞬间的雷电过电压消失后，避雷器能自行截断工频续流、恢复绝缘强度，保证电力系统能够继续正常运行。

2.3.3电力装置的防雷技术

3、具有一定通流容量，且其残压应低于被保护设备的冲击耐压值。

现行防雷技术特点。

现行过电压保护规范GBJ64－83和电力行标准DL/T620－1997（以下简称规范和标准）对高压电力装置的防雷保护规定，线路上装设保护间隙或管型避雷器，对各类电气设备装设阀型避雷器。

这表明现行防雷技术的特征是“在电力系统中各种防雷器件，不分优劣兼容并用，实际使用以碳化硅避雷器为主”。

其保护模式是系统中保护间隙或管型避雷器、阀型避雷器并用，其技术水平是只注重雷电幅值限压保护，有防雷保护功不完全，保护性能不完善等缺点或隐患，技术水平落后，其技术政策是容许使用原始的落后的防雷器件。

应认识到使用原始的落后的防雷器件就是容许和保护落后技术，必然会制约和阻碍系统的防雷技术发展提高。

改革、发展、进步是新世纪时代科学技术发展趋向，历史时代前进主流。

因此现行防雷技术有必要技术改革，改革其落后的防雷保护模式，提高其防雷技术水平，促进其防雷技术政策现代化。

3接地与屏蔽

接地是给电路或系统提供一个参考的等电位点或面，为电流流入大地提供一条低电阻（或低阻抗）路径。

接地是防雷技术中最重要的环节，不管是直击雷、感应雷，或者是其他形式的雷击，最终都是把雷电流导入大地。

因此没有合理而良好的接地措施是不可能可靠防雷的。

3.1防雷接地

3.1.1防雷接地的基本要求

防雷接地的主要作用是利用各类接地极把雷电流快速、顺利地泄放到大地

中，从而达到保护人身和电气设备安全，设备正常运行的目的。

防雷工程的一个重要的方面是接地以及引下线路的布线工程，整个工程的防雷效果甚至防雷设备是不是起作用，都取决于此，所以必须认真、系统地研究。

3.1.2接地电阻

大地是个导体，当其中没有电流流通时是等电位的，可以认为大地具有零电位。

如果地面上的金属物体与大地牢固连接，在没有电流流通的情况下，金属物体与大地之间也是等电位的，该金属物体就具有了大地的零电位，这就是接地。

当雷电流通过接地极进入大地时，接地极附近土壤中的电流密度J很大，接地体周围的土壤就被击穿。

在这种情况下，接地极附近的土壤导电性能明显增大，此部分的土壤电阻率就大大降低，成为良好的导体，接地电阻减小。

又由于雷电流的等值频率较高，这就使接地体本身的电感影响增大，阻碍电流流向接地体远端，从而使接地体得不到充分利用，接地装置的电阻大于工频接地电阻值。

所以，对于同一接地装置在冲击和工频电流作用下，将具有不同的电阻值。

在工程计算中，通过分析接地电阻，可了解雷击时地电位升高和反击情况，从而采取相应的防雷措施。

3.1.3接地装置

接地线和接地极的总和称为接地装置。

接地装置一般包括自然接地体和人工接地体。

变电站中可利用的自然接地体，可以是与大地可靠连接的建筑物及构筑物的金属结构和钢筋混凝土基础，或是埋设在地下的金属管道，还有穿线的钢管以及电缆金属外皮等。

独立避雷针（线）应设立独立的集中接地装置接地电阻不大于1on。

而且避雷针（线）到被保护设施的空气中距离和地中距离，还要符合防止避雷针（线）

对被保护设备反击的要求。

避雷器引下线的接地装置要设置集中接地体。

其接地线应以最短的距离与接地装置连接。

主控室、开关室的所有屏柜内应设置专用接地铜排，屏柜的门等活动部分应与屏柜体连接良好，屏柜的金属外壳应可靠接地。

屏拒内不同的接地线（保护接地、工作接地、电源PE地、信号地等）分别采用独立的地线，引至主控室、开关室的总汇流排或接地母线，再将主控室、开关室的总汇流排接地引下线与主地网相连。

3.2屏蔽和等电位连接

3.2.1屏蔽

屏蔽是隔离电磁场干扰的措施。

既可以防止外来电磁场的干扰，也可以防止本身电磁场辐射对外界的干扰。

屏蔽通常利用铜或铝等低电阻材料或磁性材料，将需要隔离的部分全部包裹起来，并需要有良好的接地，从而可以防止某个指定的空间内，外部静电感应或电磁感应的影响。

3.2.2防雷等电位连接

避雷器的接闪装置在遭受雷击时，引下线立即升至高电位，会对防雷装置附近的、还处于地电位的导体产生旁路闪络，并使其电位升高，对人员和设备安全构成危害。

为了减少这种闪络危险，最简单的办法是采用均压环，将处于地电位的导体等电位连接起来，一直到接地装置。

等电位连接的目的在于减小需要防雷的空间内各金属物和系统之间的电位差。

穿过各防雷区交界的金属部件和系统，以及在一个防雷区内部的金属部件和系统，都应在防雷区交界处做等电位连接。

3.3.3变电站屏蔽和等电位措施

变电站控制室各楼层及机房最好选择在建筑物底层的中心位置，设备远离外墙的结构柱，并尽量设置在雷电防护区的高级别区域内。

金属导体、电缆屏蔽层及金属线槽（架）等进入机房时，要做好等电位连接。

变电站控制室各楼层及机房应设等电位连接网络。

如果设备对屏蔽要求较高时，设备所在地房间可以采用六面电磁屏蔽，也可采用金属屏蔽机柜。

房间内抗静电地板的金属龙骨架，至少在整个龙骨架的一个对角线两端用不小于4mm，的铜线与环形接地母线良好连接。

其他各面的屏蔽材料各块间电气连接后，每面至少有一处与地网良好连接。

3.3.3接地与屏蔽的措施

 屏蔽就是利用金属网、箔、壳或管子等导体把需要保护的对象包围起来,使雷电电磁脉冲波入侵的通道全部截断.所有的屏蔽套、壳等均需要接地.

接地就是让已经内入防雷系统的闪电电流顺利地流入大地,而不能让雷电能量集中在防雷系统的某处对被保护物体产生破坏作用,良好的接地才能有效地泄放雷电能量,降低引下线上的电压,避免发生反击过去有些规范要求电子设备单独接地,目的是防止电网中杂散电流或暂态电流干扰设备的正常工作.90年代以前,部队的通信导航装备以电子管器件为主,采用模拟通信方式,模拟通信对干扰特别敏感,为了抗干扰,所以都采取电源与通信接地分开的办法.现在,防雷工程领域不提倡单独接地.在iec标准和itu相关标准中都不提倡单独接地,美国标准ieeestd1100-1992更尖锐地指出：

不建议采用任何一种所谓分开的、独立的、计算机的、电子的或其它这类不正确的大地接地体作为设备接地导体的一个连接点.防雷接地是防雷系统中最基础的环节,也是防雷安装验收规范中最基本的安全要求.接地不好,所有防雷措施的防雷效果都不能发挥出来.

4结论

变电站对于直击雷的保护一般采取装设避雷针或采用沿变电站进线段一定距离内架设避雷线的方法解决。

避雷针、避雷线由金属制成，高于被保护的物体，具有良好接地的装置，可以吸引雷电击向自身，减低雷击点的过电压，并将雷电流迅速泄入大地，从而使避雷针、避雷线附近比它们低的物体得到保护。

在雷击发生时，电力系统二次设备的电源线路和通讯线路中会产生感应的电流电涌。

电涌保护器SPD能在最短时间（纳秒级）内将被保护线路连入等电位系统中，使设备各端口等电位，同时释放电路上因雷击而产生的大量脉冲能量短路泄放到大地，降低设备各接口端的电位差，从而保护电路上用户的设备。

防雷接地为防雷保护装置提供泄放雷电荷的途径，做好接地、屏蔽以及等电位连接是实施雷电防护措施的重要保障。

为各种防雷保护装置配备可靠得引下线和良好的接地装置，保证其接地电阻应足够小，才能够有效地发挥其保护作用。

总之，在综合自动化变电站的设计过程中，为保护变电站的设备安全，提高其供电可靠性，优化防雷接地设计方案，加强变电站的防雷接地安全措施，最大程度的减少雷击事故地发生，有着极其重要的意义。

参考文献

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管理工程出版社，2001.18-19.

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