第9章 防雷、接地和电气安全
本章详述供配电系统对人身及设备所采取的安全保护措施。根据IEC标准，可以得出防电击三道防线。第一道防线是防直接触电的措施；第二道防线是防间接触电的措施；第三道防线是防触电死亡措施。本章将介绍防雷、接地的基本概念，并着重介绍接地的型式及各种防雷装置和防雷措施。
第一节 过电压、防雷及其设计
随着高层建筑物的迅速增多，大型施工机械不断增加，防止雷电的危害并保障人身、建筑物及设备的安全，已变得越来越重要，因此，也引起人们越来越多的关注。
一、过电压及雷电的有关概念
1．雷电与过电压
防雷就是防御过电压，过电压是指电气设备或线路上出现超过正常工作要求的电压升高。在电力系统中，按照过电压产生的原因不同，可分为内部过电压和雷电过电压两大类。
(1)内部过电压。内部过电压（又称操作过电压），指供配电系统内部由于开关操作、参数不利组合、单相接地等原因，使电力系统的工作状态突然改变，从而在其过渡过程中引起的过电压。
内部过电压又可分为操作过电压和谐振过电压。操作过电压是由于系统内部开关操作导致的负荷骤变，或由于短路等原因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参数不利组合导致谐振而引起的过电压。
运行经验表明，内部过电压最大可达系统相电压的4倍左右。
(2)雷电过电压。雷电过电压又称大气过电压或外部过电压，是指雷云放电现象在电力网中引起的过电压。雷电过电压一般分为直击雷、间接雷击和雷电侵人波三种类型。
1)直击雷是遭受直击雷击时产生的过电压。经验表明，直击雷击时雷电流可高达几百千安，雷电电压可达几百万伏。遭受直击雷击时均难免灾难性结果。因此，必须采取防御措施。
2)间接雷击，又简称感应雷，是雷电对设备、线路或其他物体的静电感应或电磁感应所引起的过电压。图9-1所示为架空线路上由于静电感应而积聚大量异性的束缚电荷，在雷云的电荷向其他地方放电后，线路上的束缚电荷被释放形成自由电荷，向线路两端运行，形成很高的过电压。经验表明，高压线路上感应雷可高达几十万伏，低压线路上感应雷也可达几万伏，对供电系统的危害很大。
图9-1架空线路上的感应过电压
a)雷云在线路上方时b)雷云对地或其他放电时c)雷云对架空线路放电时
3)雷电侵人波是感应雷的另一种表现，是由于直击雷或感应雷在电力线路的附近、地面或杆塔顶点，从而在导线上感应产生的冲击电压波，它沿着导线以光速向两侧流动，故又称为过电压行波。行波沿着电力线路侵人变配电所或其他建筑物，并在变压器内部引起行波反射，产生很高的过电压。据统计，雷电侵人波造成的雷害事故，要占所有雷害事故的50％~70％。
2.雷电形成及有关概念
(1)雷电形成。雷电是带有电荷的“雷云”之间、“雷云”对大地或物体之间产生急剧放电的一种自然现象。关于雷云普遍的看法是：在闷热的天气里，地面的水汽蒸发上升，在高空低温影响下，水蒸气凝成冰晶。冰晶受到上升气流的冲击而破碎分裂，气流挟带一部分带正电的小冰晶上升，形成“正雷云”，而
另一部分较大的带负电的冰晶则下降，形成“负雷云”。由于高空气流的流动，正雷云和负雷云均在空中飘浮不定。据观测，在地面上产生雷击的雷云多为负雷云。
当空中的雷云靠近大地时，雷云与大地之间形成一个很大的雷电场。由于静电感应作用，使地面出现与雷云的电荷极性相反的电荷。当雷云与大地之间在某一方位的电场强度达到25~30kV/cm时，雷云就开始向这一方位放电，形成一个导电的空气通道，称为雷电先导。当其下行到离地面100~300m时，就引起一个上行的迎雷先导。当上下行先导相互接近时，正、负电荷强烈吸引、中和而产生强大的雷电流，并伴有雷鸣电闪。这就是直击雷的主放电阶段，这阶段的时间极短。主放电阶段结束后，雷云中的剩余电荷会继续沿主放电通道向大地放电，形成断续的隆隆雷声。这就是直击雷的余辉放电阶段，时间一般为0.03~0.15s，电流较小，约为几百安。雷电先导在主放电阶段与地面上雷击对象之间的最小空间距离，称为闪击距离。雷电的闪击距离与雷电流的幅值和陡度有关。确定直击雷防护范围的“滚球半径”大小，就与闪击距离有关。
(2)雷电的有关概念
1)雷电流幅值和陡度。雷电流是一个幅值很大、陡度很高的冲击波电流，如图9-2所示。成半余弦波形的雷电波可分为波头和波尾两部分，一般在主放电阶段1~4μs内即可达到雷电流幅值。雷电流从0上升到幅值Im的波形部分，称为波头；雷电流从Im下降到Im/2的波形部分，称为波尾。
图9-2雷电流波形示意图
雷电流的陡度即雷电流波升高的速度，用表示。因雷电流开始时数值很快地增加，陡
度也很快达到极大值，当雷电流幅值达到最大值时，陡度降为零。
雷电流幅值大小的变化范围很大，需要积累大量的资料。图9-3给出了我国的雷电流幅值概率曲线。从图9-3可知：I≥20kA出现的概率是65％，I≥120kA出现的概率只有7%。一般变配电所防雷设计中的耐雷水平是取雷电流最大幅值为I＝100kA。
图9-3雷电流幅值概率曲线
2)年平均雷暴日数。凡有雷电活动的日子，包括见到闪电和听到雷声，由当地气象台统计的，多年雷暴日的年平均值称为年平均雷暴日数。年平均雷暴日数不超过15天的地区称为少雷区，多于40天的地区
称为多雷区。我国年平均雷暴日数最高的是海南省檐州市，超过121d/a。年平均雷暴日数越多，对防雷的要求越高，防雷措施越需加强。
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。根据国标GB50057-1994《建筑物防雷设计规范》规定，应按下式计算：
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式中，N为建筑物年预计雷击次数；Ae为与建筑物接受雷击次数相同的等效面积，单位为km，按GB50057-1994之附录一规定的方法确定；Ta为年平均雷暴日数；K为校正系数，一般取1，位于旷野孤立的建筑物取2。
二、防雷设计
建筑物的防雷设计，应认真调查地质、地貌，气象、环境等条件和雷电活动规律，以及被保护物的特点等来决定防雷措施，做到安全可靠、技术先进、经济合理。
1．防雷装置
防雷装置是接闪器、避雷器、引下线和接地装置等的总和。如图9-4和图9-5所示为不同的防雷装置的设置组合。
要保护建筑物等不受雷击损害，应有防御直击雷、感应雷和雷电侵人波的不同措施和防雷设备。 直击雷的防御主要须设法把直击雷迅速流散到大地中去。一般采用避雷针、避雷线、避雷网等避雷装置。
感应雷的防御是对建筑物最有效的防护措施，其防御方法是把建筑物内的所有金属物，如设备外壳、管道、构架等均进行可靠接地，混凝土内的钢筋应绑扎或焊成闭合回路。
雷电侵人波的防御一般采用避雷器。避雷器装设在输电线路进线处或10kV母线上，如有条件可采用30~50m的电缆段埋地引人，在架空线终端杆上也可装设避雷器。避雷器的接地线应与电缆金属外壳相连后直接接地，并连人公共地网。
(1)接闪器。接闪器是专门用来接受直击雷的金属物体。接闪的金属杆称为避雷针；接闪的金属线称为避雷线，或称为架空地线；接闪的金属带、网称为避雷带、避雷网。
1)避雷针。避雷针一般采用镀锌圆钢（针长1m以下时，直径不小于12mm；针长1~2m时，直径不小于16mm），或镀锌钢管（针长1m以下时，直径不小于20mm，针长1~2m时，直径不小于25mm）制成。它通常安装在电杆、构架或建筑物上。它的下端通过引下线与接地装置可靠连接，如图9-4所示。
图9-4避雷针结构示意图 1－避雷针2－引下线3－接地装置
避雷针的功能实质是引雷作用。它能对雷电场产生一个附加电场（该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，从而改变雷云放电的通道。雷云经避雷针、引下线和接地装置，泄放到大地中去，使被保护物免受直击雷击。所以，避雷针实质是引雷针，它把雷电流引人地下，从而保护了附近的线路、设备和建筑物等。
经验表明，避雷针的确避免了许多直击雷击的事故发生，但同时也因为避雷针是引雷针，所以做得不
好的避雷针比不做还坏。
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2)避雷线。避雷线一般用截面不小于35mm的镀锌钢铰线，架设在架空线或建筑物的上面，以保护架空线或建筑物免遭直击雷击。由于避雷线既是架空的又是接地的，也称为架空地线。避雷线的功能和原理与避雷针基本相同。
3）避雷网和避雷带。避雷网和避雷带主要用来保护高层建筑物免遭直击雷击和感应雷击。 避雷网和避雷带宜采用圆钢和扁钢，优先采用圆钢。圆钢直径不小于9mm，扁钢截面不小于49 mm2，
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其厚度不小于4mm。当烟囱上采用避雷环时，其圆钢直径不小于12mm，扁钢截面不小于100mm，其厚度不小于4mm。避雷网的网络尺寸要求应符合表9-1的规定。
表9-1按建筑物防雷类别确定滚球半径和避雷网格尺寸
(2)避雷器。避雷器是用来防止雷电产生的过电压波沿线路侵人变配电所或其他建筑物内，以免危及被保护设备的绝缘，如图9-5所示。
图9-5避雷器装置示意图
1－架空线路2－避雷器3－接地体4－电力变压器
避雷器主要有阀式避雷器、排气式避雷器、角型避雷器和金属氧化物避雷器等几种。 2.避雷针的保护范围
单支避雷针的保护范围，一般采用IEC推荐的“滚球法”来确定。所谓“滚球法”就是选择一个半径为hr的“滚球半径”球体，沿需要防护的部位滚动，如果球体只接触到避雷针（线）或避雷针与地面而不触及需要保护的部位，则该部位就在避雷针的保护范围之内（图9-6)。
图9-6按“滚球法”确定单支避雷针保护范围
单支避雷针的保护范围可按以下方法计算：
当避雷针高度h 1)在距地面高度hr处做一条平行于地面的平行线。 2)以避雷针的顶尖为圆心，hr为半径，做弧线交于平行线于A、B两点。 3)以A、B为圆心，hr为半径，该弧线与地面相切，与针尖相交。此弧线与地面构成的整个锥形空间就是避雷针的保护区域。 4)避雷针在距地面高度hx的平面上的保护半径rx，按下式计算： 式中，hr为滚球半径；hx为离地高度；h为避雷针高度；rx为离地高度为hx时所能保护的半径。 5)避雷针在地面的保护半径r0（相当于上式中hx＝0时） 当避雷针高度h＞hr时，在避雷针上取高度hr的一点来代替避雷针的顶尖作为圆心，其余与避雷针高度h 例9-1某厂一座高30m的水塔旁边，建有一锅炉房（属于第三类建筑物），尺寸如图9-7所示。水塔上面安装有一支高3m的避雷针。试问此避雷针能否保护这一锅炉房？ 图9-7例9-1所示避雷针的保护范围 解：查表9-1得滚球半径hr＝60m，而h＝30m＋3m＝33m，hx＝8m，由式（9-1)得避雷针的保护半径为： 现锅炉房在hx＝8m的高度上最远一角距离避雷针的水平距离为 由此可见，水塔上的避雷针能保护这一锅炉房。 三、雷的防御 1．直击雷的防御 防御直击雷的方法有： (1)装设独立的避雷针。 (2)在建筑物上装设避雷针或避雷线。