电气工程及其自动化概要.docx

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电气工程及其自动化概要

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：

福建漳州奥鹏学习中心

层次：

专科起点本科

专业：

电气工程及其自动化

年级：

2014年秋季

学号：

141013409206

学生：

敖运辉

指导教师：

何翠

完成日期：

2016年05月26日

内容摘要

建筑物防雷永远是一个热门话题，它与人们的人身、财产安全息息相关。

所以，建筑物在竣工验收时，防雷接地是一项必须的、重要的项目环节。

但是，我们常听见有人总把防雷和接地混为一谈，其实不然，防雷一定要接地，而接地，不一定是为了防雷。

总的来说，防雷接地是为了使建筑物在雷电打击避免被雷电造成损失，而接地系统则是为了防止用电器金属外壳带电伤人，它们最终需要用导体连接到接地装置，排除安全隐患。

在供电系统的的运行过程中,由于雷击、操作、短路等原因,产生危及电气设备绝缘的过电压,严重危害供电系统,需要进行电气设备的防雷、接地、防腐蚀。

还需要注意静电的防护及防爆和防腐蚀。

由于电讯业、电力业的发展，以及人们的日常生活和生产过程中，都离不开电器、用电设备和电力设施、建筑防雷设备，所以每年因电击伤人甚至致人死亡和损毁电气设备所带来的经济损失数额巨大，因此电气安全问题成为关系到人身安全和设备安全的头等大事，雷电对其产生的危害越来越显著，探讨接地与电气安全问题意义重大。

必须认识电流对人体的危害,人体触电的形式和触电后脱离电源的方法,同时还得了解电后急救的知识。

关键词：

防雷；防爆；防腐蚀；接地保护；用电安全；

内容摘要……………………………………………………………………………I

目录…………………………………………………………………………………II

引言…………………………………………………………………………………1

1防雷接地装置结构............................................................................................4

1.1雷电流反击电压与引下线间距的关系………………………………4

1.2引下线与人体之间的安全间距………………………………………4

1.3跨步电压与接地装置埋地深度………………………………………5

2供电系统的防雷................................................................................................7

2.1过电压及雷电的有关概念……………………………………………7

2.2供电系统防雷设备……………………………………………………7

2.3供电系统防雷措施……………………………………………………8

2.4变配电所的防雷措施…………………………………………………9

2.5高压电动机的防雷措施………………………………………………9

3建筑防雷设备和防雷措施……………………………………………………10

3.1建筑接地防雷设备……………………………………………………10

3.2建筑防雷措施…………………………………………………………11

3.3建筑接地的种类………………………………………………………12

3.4建筑防雷的等电位连接........................................................................13

4对建筑防雷接地的探讨………………………………………………………14

4.1建筑防雷接地…………………………………………………………14

4.2建筑接地系统…………………………………………………………14

4.3建筑防雷接地技术要求和指标………………………………………15

5接地和接零等安全用电措施及使用范围……………………………………19

5.1电气设备保护接地……………………………………………………19

5.2电气设备保护接零……………………………………………………20

5.3设置漏电保护器………………………………………………………21

5.4安全电压………………………………………………………………21

5.5电气设备的安装………………………………………………………22

5.6．电气设备的防护………………………………………………………23

5.7电气设备的操作与维修人员必须符合以下要求...............................24

5.8电气设备的使用与维护……………………………………………...24

5.9．施工现场的配电线路...………………………………………………24

5.10施工现场的电缆线路.………………………………………………25

5.11安全用电组织措施……………………………………………………25

总结…………………………………………………………………………...........27

内容摘要..………………………………………………………………………….28

引言

1.1雷电的形成及危害

雷电是雷暴天气的产物，而雷暴则是在垂直方向上剧烈发展的积雨云所形成的一种天气现象。

雷雨云中电荷分布并非均匀的，而是形成堆积中心。

因而不论是在云中或是在云对地之间，电磁强度不是到处一样。

当云中电荷密集处的电场达到25～30KV/m时，就会有云向地开始先导放电。

当先导通道的顶端接近地面时，可诱发迎面先导（通常起自地面的突出部分），当先导与迎面先导会合时即形成了从云到地面的强烈电离通道，这是出现极大的电流，这就是雷电的主放电阶段，雷鸣和电闪都伴随出现。

主放电存在的时间极短，约50～100微秒，主放电的过程是逆着先导通道发展，速度约为光速的1/20～1/2，主放电的电流可达几十万安，是全部雷电流中最主要部分。

主放电到达云端时就借宿了，然后云中的残余电荷经过主放电通道流下来，由于云中电阻较大，余光阶段对应的电流不大，约为几百安，持续时间较长，约为0.03～0.15秒。

由于云中可能同时存在几个电荷中心，所以低一个电荷中心的上述放电完成之后，可能引起第二个、第三个中心向第一通道放电，因此雷电往往是多重性的，每次放电相隔约为600～800微秒，放电次数平均为2～3次。

随大气电场的进一步加强，进入起始击穿的后期，电子与空气的分子发生碰撞，形成天空中带电的雷雨云的云粒或水成物）向地面延伸，在雷雨云下形成从云层向下的流光，表现为一条暗淡的光柱，即先导注流。

注流先导不断地向地面发展过程是一电离过程，在电离过程中生成成对的正、负离子，其正离子被云中向下输送的负电荷不断中和,从而形成多枝状的充满负电荷（对负地闪）的通道，其中有一枝是充满负电荷（对负地闪）的主通道，称为电离通道或闪电通道，简称为通道。

其特征是在雷击放电通道中，雷雨云与大地之间凝聚着大量的电荷，通过在放电先导所开辟的狭小电离通道（雷击放电通道）中发生猛烈的电荷中和，释放出大量的能量，以至在雷击放电通道中产生万度的高温并发出强烈的闪光和震耳欲聋的雷鸣，在雷击中，雷击点有的巨大雷电流流过。

雷雨云是否发生闪电，取决于雷雨云的电荷量和对地高度或者云地间的电场强度，对于云与云之间的放电，其破坏作用主要体现在对飞行物和无线通讯的影响，对地面的建筑物和人畜的安全基本没有影响。

而云对地放电（包括对地面建筑物）对人类的影响是巨大的其破坏作用主要是雷电流引起的。

直击雷破坏作用（热效应、机械效应、电效应），雷电电磁脉冲的破坏作用（雷电反击、雷电波

侵入、电磁感应、雷击电磁脉冲等）。

雷电以其高电压，大电流对财物、人员造成巨大伤害，其实质是雷击产生瞬态高压浪涌。

浪涌通过电网或感应进入电源线，对设备产生破坏。

一个强烈的雷击可能会对用户的设备立即造成灾害性后果，除直接的设备破坏、人身伤亡损失外，有些会产生间接的损失，如果银行服务停顿，交通指挥混乱。

高压、大电流有时也会因人为的操作而产生，如高压变压器的切换、补偿调整电容系统的调节等，有时候，终端负载过流短路也会对用电系统造成冲击。

中强度的雷击可能造成用户设备中的一些零部件被损害或致其性能提前老化，如电子设备的线路板及元件烧毁。

轻度过频的雷击亦有可能对用户造成损失，如传输或存储的讯号或数据错乱，丢失服务器，电脑死机等。

1.2电流对人体的作用

当电流流过人体时，人身所察觉到的最小电流值被称为感觉阈值。

对于15～100Hz交流电流为0.5mA。

人握电极能摆脱的电流最大值被称为摆脱电流，对于15-100Hz交流电流为10mA。

心室纤维性颤动是电击致死的主要原因。

一个心动周期由产生兴奋期、兴奋扩展期和兴奋复原期所组成。

在兴奋复原期内有一个相对较小的部份称为易损期，在易损期内，心肌纤维处于兴奋的不均匀状态，如果受到足够幅度电流的刺激，心室纤维发生颤动和血压降低，如电流足够大将导致死亡。

在工业企业和民用建筑中，有不少电气设备的使用频率超过100Hz，例如有些电动工具和电焊机，可用到450Hz；电疗设备大多数使用4000—5000Hz；开关方式供电的设备则为20kHz-1MHz；微波及无线电设备还有使用更高的频率的。

对于这些100Hz以上交流电流，人体皮肤的阻抗，在数十伏数量级的接触电压下，大致与频率成反比，例如500Hz时皮肤阻抗，仅约为50Hz时皮肤阻抗的1／10，在很多情况下，皮肤的阻抗可以忽略不计。

但因为是高频电流，对人体的感觉和对心脏的影响都比100Hz以下交流电小。

频率在10kHz及100Hz之间时，阈值大致由10mA上升到100mA，频率在100kHz以上及电流强度在数百毫安数量级时，较低频率时有针刺的感觉，频率再高则有温暖的感觉。

频率在100khz以上及电流在安培数量级时，可能出现烧伤，烧伤的严重程度随电流流通的持续时间而定。

电流对人体的效应，例如刺激神经和肌肉，引起心房或心室纤维性颤等，与电流大小的变化有关，特别是在接通或断开电流的时候。

电流幅度不变的直流电流要产生同样的效应，要比交流电流大得多。

握持直流电器，事故时较易摆脱；当电击持续时间长于心动周期时，心室纤维性颤动阈值比交流的阈值高得多。

直流电流感觉阈值取决于接触面积、接触状态（干湿度、压力、温度）、电流流过的持续时间和各自的生理特征等，与交流电不同的是：

当电流以感觉阈值强度流过人体时，只是在接通和断开电流时有感觉，其他时间没有感觉。

在与测定交流电流感觉阈值相等条件下，直流电流的感觉阈值约为2mA。

直流的摆脱阈值与交流不同，约300mA以下的直流电流没有可以确定的摆脱阈值，只有在接通和断开电流时，才能引起疼痛性和痉挛似的肌肉收缩。

当电流大干300mA时，可能摆脱不了，或仅在电击持续时间达几秒或几分种后才有可能摆脱不了。

通过人体的电流约为30mA时，人体四肢有暖热感觉。

流经人体的电流为300mA及以下横向电流持续几分钟时，随着时间和电流增加，可能产生可逆性的心节律障碍。

电流伤痕、烧伤、眩晕、有时失去知觉，超过300mA时，经常出现失去知觉的情况。

1防雷接地装置结构

1.1雷电流反击电压与引下线间距的关系

当建筑物遭受雷击时，雷击电流通过敷设在楼顶的避雷网，经接地引下线至接地装置流入地下，在接地装置上升高的电位等于电流与电阻的乘积，在接地引下线上某点离地面的高度为h的对地电位[1]

则为：

Uo=UR＋UL=IkRq＋L

式中Ik—雷电流幅值kA

Rq—防雷装置的接地电阻Ω

L—避雷引下线上某点离地面的高度的为h到接地装置的电感μH雷电流的波头陡度kA/μH

式中右边第一项UR即IkRq为电位的电阻分量，第二项UL即为电位的电感分量，据GB50057－94有关规定，三类级防雷建筑物中，可取雷电流Ik=100kA，波头形状为斜角形，波头长度为10μs，则雷电流波头陡度==10kA/μs，取引下线单位长度电感Lo=1.4μH/m，

则由式可得出Uo=100Rq＋1.4×h×10=100Rq+14hkV

在不同的接地电阻Rq及高度h时，可求出相应的Uo值，但引下线数量不同，则Uo的数值有较大差异。

下面以例1中引下线分别为4、8根假定每根引下线均流过相同幅度的雷击电流，且忽略雷电流在水平避雷上的电阻及电感压降，由计算出的UR/UL值可知，接地电阻Rq即使为零，在不同高度的接地引下线由于电感产生的电位电感分量也是相当高的，同样会产生反击网络。

1.2引下线与人体之间的安全间距

1.当引下线为4组时，人站在一层，h1=3m，Rq=30Ω，则URI=750kVUL1=10.5kV人体与引下线之间安全距离L安全。

方可产生的反击。

人站在5层，h2=15m，Rq=30Ω，则：

UR2=750kVU12=52.5kV则安全距离L安全2>1.575m<1.83m.在上述两个房间内，保持如此的距离是很难做到的，因此存在很危险的雷电压反击。

2.当引下线为8组时，当站在一层房间内，h1=3m，Rq=30Ω，则UL1=5.25kVUR1=3.75kV则安全间距L安全1>0.757m.人站在5层时，h2=15m则UL2=26.25kVUR2=375kV则安全间距L安全2>可见，引下线数量增加一倍，安全间距则减小一半。

因此设置了防雷设施后，应严格按照规范设置引下线的数量及间距。

同时建议可缩短规范内规定的引下线间距，多设一定数量的引下线，可减少雷电压反击现象。

这样处理，对增加工程造价微乎其微。

3.引下线与室内金属管道、金属物体的距离1当防雷接地装置未与金属管道的埋地部分连接时，按例一中数据：

楼顶的引下线高度h=Lx=20m，Rq=30Ω时，据JCJ/T16－92第12.5.7条规定，Lx<5Rq=5×30=150m，则Sal≥0.2KcRi＋0.1Lx式中Kc—分流系数，因多根引下线，取0.44Ri—防雷接地装置的冲击电阻，因是环路接地体，Ri=Rq=30ΩSal—引下线与金属物体之间的安全距离/m则Sal≥0.2×0.44×30＋0.1×20=2.816m.2当防雷接地体与金属管道的埋地部分连接时，按式12.3.6－3，Sa2≥0.075KcLx=0.075×0.44×20=0.66由以上计算的Sal≥2.816m，Sa2≥0.66m，在实际施工时，均很难保证以上距离，因为金属管道靠墙0.1m左右安装，又由于Sa2≤Sal，因此可将防雷接地装置与金属管道的埋地部分连接起来，同时，在楼层内应将引下线与金属管道物体连接起来，防止雷电反击。

4.引下线接地装置与地下多种金属管道及其它接地装置的距离Sed据JCJ/T16－92第12.5.7条及公式12.3.6－4：

Sed≥0.3KcRi=0.3×0.4×30=3.96m，而在实际施工中，地下水暖管道交错纵横，先于防雷及电气接地装置施工，等施工后者时，已经很难保证Sed≥3.96m了，也难于保证不应小于2m的规定，因此可将防雷接地装置与各种接地装置共用，即实行一栋建筑一个接地体。

将接地装置与地下进出建筑物的各种金属管道连接起来，实行总等电位联结。

综上所述，在实行一栋建筑一个总带电位联结、一个共用接地体的措施后，在楼顶部应将避雷带针与伸出屋面的金属管道金属物体连接起来，在每层内的建筑物内应实行辅助等电位联结，即引下线在经过各个楼层时，将它与该楼层内的钢筋、金属构架全部联结起来，于是不论引下线的电位升到多高，同楼层建筑物内的所有金属物包括地面内钢筋、金属管道、电气设备的安全接地都同时升到相同电位，方可消除雷电压反击。

1.3跨步电压与接地装置埋地深度

埋地深度跨步电压是指人的两脚接触地面间两点的电位差，一般取人的跨距0.8m内的电位差。

跨步电压的大小与接地体埋地深度、土壤电阻率、雷电位幅值等诸多因素。

世界各国根据发生的人身冲击触电事故分析，认为相当于雷电流持续时间内人体能承受的跨步电压为90～110kV.从计算结果可知，该工程的防雷接地体埋深0.8m时，跨步电压已在安全范围内。

JCJ/T16－92第12.9.4规定接地体埋设深度不宜小于0.6m，第12.9.7条规定：

防击雷的人工接接地体距建筑物入口处及人行道不应小于3m，当小于3m时，接地体局部埋深不应小于1m，或水平接地体局部包以绝缘物。

包以绝缘物易增大其接地电阻，因此还是以埋深大于1m时为好。

这样处理，只增加少量工程造价，却将接地装置处理得更加安全可靠，起到事半功倍的效果。

若采用基础和圈梁内钢筋作为环形接地体，但由于三级防雷的建筑物大多为毛石基础，毛石基础上的圈梁埋地一般为0.3m左右，较浅根本达不到防止危险的跨步电压需将接地装置埋深1m的要求，因此不宜采用圈梁做为环形接地体指三级防雷建筑物。

2供电系统的防雷

2.1过电压及雷电的有关概念

过电压（overvoltage）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（internalovervoltage）和雷电过电压（lightningovervoltage）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。

2.2供电系统防雷设备

防雷设备主要有避雷针、避雷线和避雷器[2]。

1..避雷针

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，避雷针是防直击雷的有效措施。

2避雷线

避雷线一般用截成不小于25mm2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。

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48mm2、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。

2.3供电系统防雷措施[2]

1装设避雷线

这是第一道防线，它用来防止线路遭受直接雷击。

一般63kV及以上架空线路需沿全线装设避雷线。

35kV的架空线路一般只在经过人口稠密区或进出变电所一段线路上装设，而10kV及以下线路上一般不装设避雷线。

2加强线路绝缘或装设避雷器

为使杆塔或避擂线遭受雷击后线路绝缘不致发生闪络，应设法改善避雷线接地，或适当加强线路绝缘，或在绝缘薄弱点装设避雷器，这是第2道防线。

例如木横担、瓷横担，或采用高一级电压的绝缘子，或顶项用针式而下面用两项改用悬式绝缘子（一针二悬），以提高10kV架空线路的防雷水平。

3利用三角形排列的顶线兼作防雷保护线

在线路上遭受雷击并发生闪络时也要不使它发展为短路故障而导致线路跳闸，这是第3道防线。

例如，对于3~10kV线路，可利用三角形排列的顶线兼作防雷保护线。

在顶线绝缘子上加装保护间隙，当雷击时，顶线承受雷击，击穿保护间隙，对地泄放类电六，从而保护了下面两相导线。

4装设自动重合闸装置（ARD）

为使架空路线在因雷击而跳闸时也能迅速恢复供电，可装设自动重合闸装置（ARD），这是第4道防线。

必须说明：

并不是所有架空线路必须具备以上4道防线。

在确定架空线路的防雷措施时，要全面考虑线路的重要程度、沿线的带雷电活动情况、地形地貌特点、土壤电阻率高低等条件，进行经济技术比较，因地制宜，采取合理的防雷保护措施。

为了防止雷击低压架空线路时雷电波侵入建筑物，对低压架空进出线，应在进出处装设避雷器并与绝缘子铁脚、金具连在一起接到电器设备的接地装置上。

当多回路进出线时，可仅在母线或总配电箱处装置一组避雷器或其他形式的过电压保护设备，但绝缘子铁脚、金具仍接到接地装置上。

进出建筑物的架空金属管道，在进出处应就近接到接地装置上或者单独接地，其冲击接地电阻不宜大于30Ω。

以上规定是对第3类防雷建筑物而言。

对第2类防雷建筑物另有更严格的规定。

2.4变配电所的防雷措施

1装设避雷针或避雷线

装设避雷针或避雷线以防护整个变配电所，使之免遭直接雷击。

当雷击于避雷针时，强大的雷电流通过引下线接地装置泄人大地，在避雷针和引下线形成的高电位可能对附近的配电设备发生反击闪络。

为防止反击闪络，则必须设法降低接地电阻和保证防雷设备与配电设备之间有足够的安全距离。

2装设避雷器

主要是用来保护主变压器，以免雷击冲击波沿高压线路侵入变电所。

阀式避雷器与变压器及其他被保护设备的电气距离应尽量缩短，其接地线应与变压器压侧接地中性点及金属外壳连在一起接地。

在多雷区，为防止雷电波沿低压线路侵入而击穿变压器的绝缘，还应在低压侧装设阀式避雷器或保护间隙。

2.5高压电动机的防雷措施

高压电动机的绝缘水平比变压器的底。

因此高压电动机对雷电波侵入的防护应是用性能较好的FCD型磁吹阀式避雷器或金属氧化物避雷器，并尽可能靠近电动机处安装。

也要根据电动机容量大小、雷电活动强弱和运行可靠性等确定保护。

3建筑防雷设备和防雷措施

3.1建筑接地防雷设备

防雷设备从类型上可以分为：

电源防雷器、电源保护插座、天馈线保护器、信号防雷器、防雷测试工具、测量和控制系统防雷器、地极保护器。

电源防雷器分为B、C、D三级。

依据IEC（国际电工委员会）标准的分区防雷、多级保护的理论，B级防雷属于第一级防雷器，可应用于建筑物内的主配电柜上；C级属第二级防雷器，应用于建筑物的分路配电柜中；D级属第三级防雷器，应用于重要设备的前端，对设备进行精细保护。

测量和控制装置有着广泛的应用，例如生产厂、建筑物管理、报警装置等。

由于雷电或其他原因造成的过电压不