1、供电系统防雷接地保护分析精 供电工程课程论文题目:防雷与接地保护分析姓名:张湉序号:45班级:09级机自2班学号:24091901612系别:机械与电子工程系指导教师:李荣华老师日期:2012年5月12日目录前言 (3一、雷电危害及分类 (31.1雷电危害 (31.2 雷电分类 (4二、发生雷击现象分析 (62.1雷电波的侵入过程 (62.2综自设备屡遭雷害的原因 (62.3高压线路接地故障(瞬时/永久性的过流/过电压 (6三、防雷接地保护措施 (73.1分流 (73.2屏蔽 (83.3等电位连接 (93.4接地 (93.5过电压保护 (10四、接地分类及作用 (104.1 交流接地系统 (1
2、04.2 TN系统的几种方案 (114.3 直流接地系统 (124.4联合接地系统 (124.5防雷接地 (13五、学习供电工程心得 (14前言随着现代电子技术的不断发展,各种高、精、尖的电子设备不断推广和普及应用,各种网络系统广泛应用于电力、政府机关、学校、交通、公安、银行、证券、邮政等企事业单位中。这其中,发电厂、变电站直流系统是十分重要的电源系统,它是一个独立的电源,不受发电机、厂用电、站用变以及系统运行方式改变的影响,为电力系统的控制回路、信号回路、继电保护、自动装置及事照明等提供可靠稳定的不间断电源,它还为断路器的分、合闸提供操作电源。由于直流电源在二次系统所处的重要地位,直流系统自
3、身的可靠及安全直接影响到整个系统的安全,尽管直流电源十分稳定可靠,但实际应用中,由于电力系统应用直流电源的特殊性,特别是控制回路和保护回路的应用,使直流系统的故障成为电力系统更大故障的事故隐患,这即是电力系统直接接地故障危害。准确把握电力系统直接接地的危害,并采取切实可行的预防措施,对确保电力系统正常运行意义重大。一、雷电危害及分类1.1雷电危害雷电是一种非常壮观的自然现象,它具有极大的破坏力,对人类的生命、财产安全造成巨大的危害。1987年联合国确定的“国际减灾十年”中,雷电为对人类危害最大的十种灾害之一。自从人类进入到电气化时代以后,雷电的破坏由主要以直击雷击毁人和物为主,发展到以通过金属
4、线传输雷电波破坏电气设备为主。随着近年来电子技术的飞速发展,计算机系统的网络化程度越来越高,人类对电气设备尤其是计算机设备的依赖越来越严重。而电子元器件的微型化、集成化程度越来越高,各类电子设备的耐过电压能力下降,遭雷电和过电压破坏的比例呈不断上升的趋势,对设备与网络的安全运行造成严重威胁。据统计,全世界每年因雷害造成的损失高达十亿美元以上。当人类社会进入电子信息时代后,雷灾出现的特点与以往有极大的不同,可以概括为:(1受灾面大大扩大,从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业,特点是与高新技术关系最密切的领域,如航天航空、国防、邮电通信、计算机、电子工业、石油化工、金融证券等;(2从二维空
5、间入侵变为三维空间入侵。从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场从三维空间入侵到任何角落,无空不入地造成灾害,因而防雷工程已从防直击雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲(LEMP。前面是指雷电的受灾行业面扩大了,这儿指雷电灾害的空间范围扩大了。一次闪电造成附近二家以上单位同时受到雷灾,而不是以往的一次闪电只是一个建筑物受损。(3雷灾的经济损失和危害程度大大增加了,它袭击的对象本身的直接经济损失有时并不太大,而由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。例如2005年8月29日凌晨2点,某市电信遭受雷击,导致信号中断数小时,其直接损失是有限的,但间接损失将大大超过直接损失。产生上述特点的根本原因
6、,也就是关键性的特点是雷灾的主要对象已集中在微电子器件设备上。雷电的本身并没有变,而是科学技术的发展,使得人类社会的生产生活状况变了。微电子技术的应用渗透到各种生产和生活领域,微电子器件极端灵敏这一特点很容易受到无孔不入的LEMP的作用,造成微电子设备的失控或者损坏。为此,当今时代的防雷工作的重要性、迫切性、复杂性大大增加了,雷电的防御已从直击雷防护到系统防护,我们必须站到历史时代的新高度来认识和研究现代防雷技术,提高人类对雷灾1.2 雷电分类1.2.1 直击雷直击雷蕴含极大的能量,电压峰值可达5000KV,具有极大的破坏力。如建筑物直接被雷电击中,巨大的雷电流沿引下线入地,会造成以下三种影响
7、:(1巨大的雷电流在数微秒时间内流下地,使地电位迅速抬高,造成反击事故,危害人身和设备安全。(2雷电流产生强大的电磁波,在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压。(3电流流经电气设备产生极高的热量,造成火灾或爆炸事故。1.2.2 传导雷远处的雷电击中线路或因电磁感应产生的极高电压,由室外电源线路和通信线路传至建筑物内,损坏电气设备。1.2.3 感应雷云层之间的频繁放电产生强大的电磁波,在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压,峰值可达50KV。比如:点位反击引入感应雷击通过电阻性耦合方式经数据线破坏设备,见下图: 图1-1通过电阻性耦合方式经中线及地线破坏设备,如下图: 图1-2上述各种耦和会产生高达
8、6000伏(根据BS6651,CCITT,LIT,IEEE及我国相关标准的瞬间电压而破坏电子设备。二、发生雷击现象分析2.1雷电波的侵入过程雷电波通常是通过变电所(35kV临近的10kV线路侵入10kV母线,再经过10kV所用变压器高、低压绕组间的静电和电磁耦合,闯入低压出线。途中经过了10kV线路阀式避雷器、母线阀式避雷器和所用变阀式避雷器3级削峰,再经过所用变低压出线的平波作用,电压幅值大为下降。但由于雷电波的电压、能量极高,且阀式避雷器等设备技术上的局限性,虽然绝大部分的雷电能量都能在到达设备之前得以消除,但雷电波仍可能以幅值相对很高,但作用时间很短的低能量尖峰脉冲的形式,通过所用变压器
9、的低压出线,加到变电所内所有的220V 交流回路中。还有一种情况,就是感应雷电波通过调度远动系统的综合自动化设备和信号采集的二次电缆入侵,以很高的电压直接加到远动系统的信号和传送端上,造成接收和发送端模块烧坏。2.2综自设备屡遭雷害的原因变电所的保护和合闸电源直流系统的整流充电系统设计容量都比较大,电压耐受能力也比较好。而且由于大容量电池组吸收尖峰脉冲的作用,和整流回路的平波作用,加到保护装置上的脉冲电压大大降低。再加上常规的电磁式保护装置的元器件多为单元件的电阻、电容和电感线圈等,耐热容量大,对尖锋脉冲的耐受能力也比较强,所以能安全度过低能量、高电压的冲击暂态过程。但对于使用超大规模集成电路
10、,运行电压只有数伏,信号电流仅为A级的微机装置来说,就不一定能经受得住。这就是造成微机装置损坏而常规保护装置却能安全运行的关键原因。2.3高压线路接地故障(瞬时/永久性的过流/过电压供电系统中的电感性和电容性负载开启或断开、地极短路、电源线路短路等,都能在电源线路上产生高压脉冲,其脉冲电压可达到线电压的3.5倍,从而损坏设备。破坏效果与雷击类似。由此产生的雷电过电压对电子设备的破坏主要有以下几个方面:1.损坏元器件a、过高的过电压击穿半导体结,造成永久性损坏;b、较低而更为频繁的过电压虽在元器件的耐压范围之内,亦使器件的工作寿命大大缩短;c、电能转化为热能,毁坏触点、导线及印刷电路板,甚至造成
11、火灾;2.设备误动作及破坏数据文件因此,应该根据实际情况具体分析,采取相应的防雷保护措施,确保计算机系统的安全工作。三、防雷接地保护措施概括地说,当今电子设备的防雷手段,主要采用分流、接地、屏蔽、等电位和过电压保护五种方法。3.1分流利用避雷针、避雷带和避雷网等将雷电流沿引下线安全地流入大地,防止雷电直接击在建筑物和设备上。避雷针的作用实质上是主动引雷入地,防止被保护物遭雷击。避雷针尖(又称接闪器引入雷雨云上的电荷,引下线将电荷引到接地体上,接地体将电荷快速释放到大地中。 避雷针由接受器、接地引下线和接地体(接地极三部分串联组成。避雷针的接受器是指避雷针顶端部分的金属针头。接受器的位置都高于被
12、保护的物体。接地引下线是避雷针的中间部分,是用来连接雷电接受器和接地体的。接地引下线的截面积不但应根据雷电流通过时的发热情况计算,使其不会因过热而熔化,而且还要有足够的机械强度。接地体是整个避雷针的最底下部分。它的作用不仅是安全地把雷电流由此导入地中,而且还要进一步使雷电流在流入大地时均匀地分散开去。当单支或双支避雷针不足以保护全部设备或建筑物时,可装三支或更多支形成更大范围的联合保护。需要注意的是,雷电时期内,在避雷针接地装置附近,由于跨步电压甚高,人员接近时有触电的危险,一般在避雷针接地装置附近约10米的范围内是比较危险的。 2 避雷针的保护范围:避雷针保护其附近比它矮的建筑物或设备免受雷
13、击是有一定范围的。这范围像一顶以避雷针为中心的圆锥形的帐篷,罩在帐篷里面空间的物体,可以免遭雷击,这就是避雷针的保护范围。3.2屏蔽计算机系统所有的金属导线,包括电力电缆、通信电缆和信号线均采用屏蔽线或穿金属管屏蔽,在机房建设中,利用建筑物钢筋网和其他金属材料,使机房形成一个屏蔽笼。用以防止外来电磁波(含雷电的电磁波和静电感应干扰机房内设备。3.3等电位连接将机房内所有金属物体,包括电缆屏蔽层、金属管道、金属门窗、设备外壳等金属构件进行电气连接,以均衡电位。3.4接地在计算机网络系统中,为保证其稳定可靠的工作、保护计算机网络设备和人身安全,解决环境电磁干扰及静电危害,需要一个良好的接地系统。接
14、地和等电位连接方式,可参看下图: 图5-4接地和等电位连接方式3.5过电压保护在电子设备的信号线、电源线上安装相应的过电压保护器,利用其非线性效应,将线路上过高的脉冲电压滤除,保护设备不被过电压破坏。主要的保护器件为氧化锌压敏电阻、二极或三极放电管、快速钳位二极管等,根据需要进行组合,构成完整的防雷保护器。四、接地分类及作用按带电性质可分为交流接地系统和直流接地系统两大类。按用途可分为工作接地系统、保护接地系统和防雷接地系统。而防雷接地系统中又可分为设备防雷和建筑防雷。4.1 交流接地系统交流接地系统有工作接地和保护接地。(1所谓工作接地,在低压交流电网中就是将三相电源中的中性点直接接地。(2
15、所谓保护接地,就是将受电设备在正常情况下与带电部分绝缘的金属外壳部分与接地装置作良好的电气连接 图4-1图 4-2 (3 低压交流接地保护方式 可分为：接零系统（TN 系统） 、接地系统（TT 系统）和不接地系统（IT 系 统）三类。 4.2 TN 系统的几种方案 TNC 系统 :它为三相电源中性线直接接地的系统， 通常称为三相四线制 电源系统，其中性线与保护线是合一的。 图 4-3 TNS 系统 :它为三相五线制配电系统。 这是目前通信电源交流供电系统 中普遍采用的低压配电网中性点直接接地系统。 图 4-4 TNCS 系统 :它是 TNC 和 TNS 组合而成 ,整个系统中有一部分 中性线和
16、保护线是合一的系统。往往用于环境条件较差的场合。 图 4-5 4.3 直流接地系统 4.3.1 直流接地系统分类 按照性质和用途的不同，直接接地系统可分为工作接地和保护接地两种。 (1工作接地用于保护通信设备和直流通信电源设备的正常工作； (2保护接地则用于保护人身和设备的安全。 4.3.2 直流工作接地的作用 （1）利用大地作良好的参考零电位，保证在各通信设备间甚至各局（站） 间的参考电位没有差异，从而保证通信设备的正常工作。 （2）减少用户线路对地绝缘不良时引起的通信回路间的串音。 4.3.3 直流保护接地的作用: （1）防止直流设备绝缘损坏时发生触电危险，保证维护人员的人身安全。 （2）
17、减小设备和线路中的电磁感应，保持一个稳定的电位，达到屏蔽的目 的，减小杂音的干扰，以及防止静电的发生。 4.4 联合接地系统 4.4.1 联合接地系统组成 联合接地示意图联合接地系统由接地体、接地引入、接地汇集线、接地线所 组成。 图 4-6 4.4.2 联合接地系统优点 地电位均衡，同层各地线系统电位大体相等，消除危及设备的电位差。 公共接地母线为全局建立了基准零电位点。当发生地电位上升时，各处的 地电位一齐上升，在任何时候，基本上不存在电位差。 消除了地线系统的干扰。通常依据各种不同电特性设计出多种地线系统。 彼此间存在相互影响，而今采用一个接地系统之后，使地线系统作到了无干扰。 电磁兼容
18、性能变好。由于强、弱电，高频及低频电都等电位，又采用分屏 蔽设备及分枝地线等方法，所以提高了电磁兼容性能。 4.5 防雷接地 在通信局（站）中，通常有两种防雷接地: (1一种是为保护建筑物或天线不受雷击而专设的避雷针防雷接地装置，这 是由建筑部门设计安装的； (2另一种是为了防止雷击过电压对通信设备或电源设备的破坏需安装避 雷器而埋设的防雷接地装置。如高压避雷器的下接线端汇接后接到接地装置。 五、学习供电工程心得 学习供电工程 本学期我们开设了一门供电工程课程，这也是我一直想了解的课程，经 过一学期的学习，我对供电工程终于有了些了解。我想这对于自己以后的学 习和工作都会有很大的帮助。在这次学习
19、中遇到了一些实际性的问题，在实际问 题中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以 有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。 经过这次学习我不仅掌握了有关供电工程的知识，我还学会了坚 持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。我觉得作为 一名机械设计组专业的学生这次学习是很有意义的。 不过我觉得更重要的是如何 把自己平时所学的东西应用到实际中。这是学习的最终目的。另外在课程学习的 过程中，当我们碰到不明白的问题时，李荣华老师总是耐心的讲解，给我们的学 习以极大的帮助，使我们获益匪浅。在此衷心的对老师说声“谢谢您” ！ 再次感谢您，李老师，谢谢您的谆谆教导！ 09 机自 2 班 张湉 （45） 2012 年 5 月 12 日
