防雷接地.ppt
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1、防雷接地,中海浙江宁波液化天然气有限公司,第一章,闪电是自然界强大的脉冲放电现象,地球上平均每秒钟有100次,已成为十大自然灾害之一,给人类带来巨大的损失。 直击雷的高电压、强电流侵入各处,袭击人,破坏建筑物、输电网,引发森林火灾(半数是雷击引起的)是很常见的事。 伴随着雷电产生的雷电电磁脉冲,以电磁感应和静电感应的作用(俗称感应雷) ,通过金属管道和电缆将雷电波(即高电位)引入,由于微电子的浪涌抗扰度很低,所以对近十多年来迅速发展的电子、信息、控制设备的破坏和危害更大,因而也就成了防雷技术中一个急需解决的重要课题。,雷电的基础知识,雷云结构和放电机理 在大气中有带正电的冰晶和带负电的水粒,由
2、于它们的比重不一,于是形成了一种气流,使得带正电的冰晶和带负电的水粒分离,形成一部分带正电和一部分带负电的雷云。 不同符号的电荷通过一定的电离通道互相中和,产生强烈的光和热。放电通道所发出的这种强光称之谓“闪”。而通道所发出的,使附近的空气突然膨胀,发出霹雳的轰鸣,人们称之谓“雷”。,雷电的分类,云际闪发生在雷云之间 云内闪发生在雷云内部 云地闪发生在雷云与大地之间, 又称直击雷 球形雷一种特殊的带电球体,雷电分类,1)片状雷(云间放电,占95%,仅对信息系统构成威胁)由于异性电荷的不断积累,不同极性的云块之间的电场强度不断增大;当某处的电场强度超过了空气可能承受的击穿强度时,就形成了云间放电
3、。 2)线状雷(云对地放电,占5%,对建筑物和信息系统均构成威胁) 通常下部的雷云带负电,上部的雷云带正电,由于静电感应使地面积聚正电荷,从而使地面与雷云之间形成强大的电场。和云间放电一样,当某处积聚的电荷密度很大,造成电场强度达到空气游离的临界值,就为线状闪电落雷的发展创造了条件。 3)球雷(尚未定论,占云对地放电中的8%,1983年8月15日,北京焦化厂被球雷烧毁两个100立方米的酒精罐),片状雷,云间放电多为片状雷,由于线状雷的闪电被云体遮住,闪电的光照亮了上部的云,闪电呈现片状的亮光。 片状雷对地面影响不大。,线状雷,雷云与大地之间的放电,则多以线状形式出现。通常雷云的下部带负电,上部
4、带正电,由于雷云的负电感应,使附近的地面感应出大量的正电荷,从而使地面与雷云之间形成强大的电场。和雷云间放电一样,当某处积聚的电荷密度很大,造成空气的电场强度达到电离的临界时,就触发线状闪电落雷。,球形雷,球形闪电十分罕见一般是直径10-20厘米的火球,呈红色、黄色或橙色。从产生到消失约4-120秒钟,亮度和大小几乎不变。球形闪电运动很不规则,能随风而动,常常从门窗、烟囱甚至缝隙中钻入室内,它移动时发出嘶嘶声,消失时发出爆炸的巨响,振动能量足以破坏一般的建筑物。由于爆炸时空气发生了化学反应,生成了臭氧和一氧化氮,所以球形闪电消失后有一股难闻的味道。为了预防它的侵袭,在室内遇到打雷时必须注意关闭
5、门窗,避免其飘入,在野外如果碰到“球形雷”,切忌随处跑动,因为它会跟随气流飘动,最聪明的办法是拾起身边的石块使劲向外扔出,将“球形雷”引开。,案例,2007年5月24日下午四时许,重庆开县一小学遭遇雷击事故,导致该校学生七死三十九伤,其中十九人为重伤。 事后查明此次事故发生的主要原因是开县义和镇兴业村小学在5月23日16时至16时30分多次遭受雷电闪击,并伴有“球形雷”的发生,导致教室多处受损、多名人员伤亡。,感应雷,感应雷也称为雷电感应或感应过电压。它分为静电感应雷和电磁感应雷。 (1)静电感应雷:是由于带电积云接近地面,在架空线路导线或其他导电凸出物顶部感应出大量电荷引起的。它将产生很高的
6、电位。 (2)电磁感应雷:是由于雷电放电时,巨大的冲击雷电流在周围空间产生迅速变化的强磁场引起的。这种迅速变化的磁场能在邻近的导体上感应出很高的电动势。雷电感应引起的电磁能量若不及时泄入地下,可能产生放电火花,引起火灾、爆炸或造成触电事故。,感应雷示意图,雷电流传播的途径,雷击点、损害类型和损失类型,损害类型:D1:接触和跨步电压导致的人员伤亡(人和牲畜);D2:实体损害;D3:过电压导致的电气和电子系统的失效 。 损失类型:L1:生命损失;L2:向大众服务的公共设施的损失;L3:文化遗产损失;L4:经济损失。,例: 雷击煤油罐 (荷兰, 1975),20 m,煤油,8m,热电耦,28 m,0
7、.48 的 8个接地极,柳树,200 m 测量电缆 至控制室,树根与油罐的接电系统之间发生放电,原因分析,雷击接地油罐造成对“信号线孔”内的信号电缆闪络(反击) 雷击几乎封闭但带有一个通讯线孔的油罐。一根来自控制中心并且在那里接地的通讯线进入该孔。被雷击的油罐与“远方”大地之间产生电位差,这种电位差是流过冲击接地电阻的雷电流造成的。但常规测量线的绝缘仅能耐受数百伏的冲击电压,更高的电压将导致击穿并带有电弧。,i =100kA,接地油罐,信号线孔,RE=1,信号线缆,u =100kV,闪络,闪络:在高电压作用下,气体或液体介质沿绝缘表面发生的破坏性放电。其放电时的电压称为闪络电压。 沿绝缘体表面
8、的放电叫闪络。而沿绝缘体内部的放电则称为是击穿。,雷电放电的浪涌起因,雷击的选择性,放电即位能的释放,总是沿着易导电路程(阻抗小)的地方。 例如: 1)高大建筑物的尖顶(因为该处的静电感应的电场强度最大); 2)旷野中的突出物,即便不高,因为孤立、突出; 3)潮湿的土壤(因为电阻率低); 4)金属结构的建筑物,包括金属线缆等(因为具有良好的导电性能); 5)高层建筑物有遭侧击雷的可能,即天面以下,地面以上。例如外挂空调机。 (案例1:2004年6月26日,浙江临海市杜桥镇,在5棵大树底下的简易塑料棚,死17人,伤13人; 案例2:1967年6月24日,北京和平里,高压输电线附近有棵大树,树上引
9、一晒衣铁丝至屋墙,内墙有一金属毛巾架,雷击时,将毛巾架下的一女孩击毙。) 所以在作雷击案例分析时,首先要观察现场的周边环境。,案例2图示,毛巾架,晒衣铁丝,晒衣架,外部防雷装置的基本原理,外部避雷装置的基本原理是引雷入地。 它包括三个部分: 1)接闪器; 2)引下线; 3)接地体。 接闪器的四种形式: 1)避雷针; 2)避雷线(用在高压线路上); 3)避雷带(沿屋顶四周); 4)避雷网(利用屋顶上的金属配筋,效果最好)。 (现还有“绝缘防雷”之说,依据是山西应县的67.13米高的木塔已900多年安然无恙),外部防雷装置,接闪装置,引下线,接 地 体,连接防 雪 装置,避雷针的保护范围,对于单支
10、避雷针的保护范围可以近似认为:以尖顶为中心的45锥体内的空间(英、日标准)。 最新的确定方法:滚球法. 外部防雷装置不能防护由感应产生的和经金属导体传入电子设备内部的雷电电磁脉冲,但有一定的衰减作用。,确定接闪系统位置的方法,- 保护角 ,接闪器,引下线,接地系统,保护角,h,滚球半径,r,W 为网格尺寸,W,滚球法确定外部防雷的保护范围,滚球半径表 建筑物防雷类别 滚球半径hr (m) 避雷网网格尺寸(m) 第一类防雷建筑物 30 55或64 第二类防雷建筑物 45 1010或128 第三类防雷建筑物 60 2020或2416,hr=45m,hr=30m,hr=60m,制造、使用、贮存炸药、
11、火药、煤气等大量爆炸物质的建筑物。,文物保护建筑和有大量电子设备的建筑,具有2区或11区爆炸危险环境的建筑物。,一般性的民用和工业建筑、甲级办公楼和一些高耸的建筑物(如水塔、烟囱等)。,接闪器规格(1),注:扁钢厚度4mm,接闪器规格(2),引下线规格,一般:圆钢直径8mm、扁钢截面48mm2 暗敷:圆钢直径10mm、扁钢截面80mm2 烟囱:圆钢直径12mm、扁钢截面100mm2 宜利用建筑物钢柱、消防梯等金属构件,注:宜优先采用圆钢,人工接地体规格,水平接地体:圆钢直径10mm 扁钢截面100mm2 垂直接地体:角钢厚度4mm 钢管壁厚3.5mm,D301次与D3115次列车追尾,为什么说
12、动车被雷击导致事故难以让人信服?,原因,现在运行中的动车上部是输电线路(铁路叫法:接触网),输电线上部约1米左右是避雷线,发生雷击时,首先是击中的最上部的避雷线,电流被导入大地,就算无避雷线,被首先击中的也是输电线,输电线通过过电压装置(也叫避雷器,如氧化锌避雷器)与大地相连,一旦线路电压超过规定值,过电压装置导通,电压会被导入大地。 这是列车外部的防雷措施,列车内部有更完备的防雷。,原因,所以,专家分析:铁路沿线都装有避雷设施。除了不可抗拒的雷击导致设备故障(可能性很小),还有三种可能性:第一,从设计角度讲,有可能是避雷系统的密度不够。第二,从施工角度讲,有可能是避雷设施的接地网不合理。第三
13、,从产品质量角度讲,有可能避雷装置的导线质量不合格。,第二章:接地系统,概述 从电气特性来看,自然界的土壤地层有两大特性: 导电 导电率为10-3至10-1s/m,相对介电系数为5至15,介于良导体和绝缘体之间; 具有无限大的容电量 因导电,故可将用电设备和地之间组成电气连接;又因为具有无限大的容电量,故就可以把土壤地层理解为等电位点或等电位面,成为电路或系统的基准电位。,接地的作用有二,1、保护设备和人身安全,如保护地、防雷地、本安地、防静电地等; 2、抑制干扰,即为信号电压或系统电压提供一个稳定的电位参考点。如工作地、屏蔽地、模拟地、数字地等。 上述的各种接地名称,都是按接地的用途命名的。
14、同一个接地装置往往具有多个接地用途。,接地系统在概念和技术上,近十年发生了很大的变化,其中最重要的转变是: 以前的接地系统是否合格以接地电阻值为准,现在侧重于接地结构兼顾接地电阻值,特别是从独立接地到等电位联结方式的转变。 据查证,世界上最早提出等电位接地方式的是我国在1958年建设人民大会堂时,比起英国GOLDE在雷电一书中提及要早十八年。但在标准中出现等电位接地是1999年的“IEC 61312-2”,我国是从2000年才开始出现在各类标准中。,接地系统的结构,从工业应用的角度来看,目前控制系统通常有两种接地方式: 1)单独接地 2)等电位联接,单独接地,这种接地方式是将控制系统的保护接地
15、接入电气安全接地网,工作接地采用独力的、“干净的”接地装置与大地相接。 由于在一段电源保护地线的两点间会有数毫伏,甚至几伏的电位差。这对低电平信号电路来说,是一个非常严重的干扰,因此控制系统的工作接地不要和保护接地在柜内就混用。,等电位联接,等电位联结是以等电位观点为主体思想的多点连接,即设备和装置外露可导电部分的电位基本相等的电气连接。其中包括结构纲筋、金属设备、管道等,进而和接地极相连。所谓多点是指建筑物基础钢筋、地下金属管道、埋地电缆的金属外皮都成为很好的接地极。 等电位接地原本是防雷系统中的概念 GB50057-1994 (2000版) 建筑物防雷设计规范:将分开的装置、诸导电物体用等
16、电位连接导体或电涌保护器连接起来以减小雷电流在它们之间产生的电位差。,和单独接地相比,等电位联结有如下的特点: 1)如在爆炸危险场所,因电气设备故障或雷击会形成建筑物不同部位地电位差的存在,这时如意外地连接不同地点的设备会产生电火花引起爆炸或损坏设备,无法保障人身和控制系统的安全。如采用等电位联结,由于建筑物各处均为等电位,从而就可减小或避免这种危险的发生。 2)由于建筑物各处均为等电位,减小了进入控制系统电子线路的共模干扰。,3)实施方便。如果电气专业已把全厂的地下管道、地下结构、接地体连成一个统一的接地网时,此时控制系统再单独接地并要求其接地网和电气接地网相距至少5m,这很难做到。 4)规
17、范标准对等电位联结接地仅要求接地联接(Bonding)电阻,即接地通路(Path)的电阻总和不大于1欧姆;而对接地极对地电阻没有明确规定(原因后述),对控制系统一般规范标准规定不大于4欧姆。这两个数值是不难做到的。,S型接地系统和M型接地系统,等电位连接网络有S型和M型两种结构形式。 1) S型接地系统 S型等电位连接网络仅通 过唯一的一点(ERP)组 合到接地系统中去。 特点:电缆平行敷设,无 感应环路;但组件间要绝缘。 S型也称星型或树型。,ERP,接地网,机柜,仪表及控制系统S型接地连接 (一),仪表及控制系统S型接地连接 (二),电子信息设备机房S 型等 电位连接网络示意图,M 型接地
18、系统,M 型等电位连接网络是通过多点连接组合到接地系统中去。此时,各金属组件不应与共用接地系统各组件绝缘。 M 型等电位接地网络宜用于延伸较大的开环系统,而且在设备之间敷设许多线路和电缆,以及设施和电缆从若干处进入该信息系统。 在复杂系统中,可以将S型和M型两种等电位连接网络组合在一起。,接地网,机柜,M型(网格式)接地方式的例子,PE,PE,PE,配电箱,等电位接地网,机柜,接地汇流排,电子信息设备机房M 型等 电位连接网络示意图,总结,S型结构一般宜用于电子信息设备相对较少或局部的系统中。 对于较大的电子信息系统宜采用M型网状结构。 对于复杂的电子信息系统,宜采用S型和M型两种结构相结合的
19、方式。,2 交流供电系统的接地,2.1 低压配电系统的接地制式 低压系统接地制式按配电系统和电气设备(包括信息系统)不同的接地组合来分类,按照IEC规定,低压系统接地制式一般由两个字母组成,必要时可加后续字母。因为IEC标准以法文作为正式文件,因此所用字母为相应法文文字的首字母。 按低压系统接地制式划分有TN-S、TN-C、TN-C-S、TT、IT等五种。,第一个字母表示电源接地点对地的关系:T表示直接接地,I表示不接地(包括所有带电部分与地隔离)或通过阻抗与大地相连。 第二个字母表示电气设备的外露导电部分(如DCS的机柜)与地的关系:T表示独立于电源接地点的直接接地,N表示直接与电源系统接地
20、点或与该点引出导体相连接。 后续字母表示中性线(N)与保护线(PE)之间的关系:C表示中性线(N)与保护线(PE)合并为PEN线;S表示表示中性线与保护线分开;C-S表示在电源侧为PEN线,从某点分开为N及PE线。,1)TN-C系统,这种系统有简单、经济的优点。但是当三相负载不平衡或有谐波电流时,PEN线中有电流,其所产生的压降呈现在电气设备的外壳上,对敏感性的电子设备不利。不适合于对安全和抗电磁干扰要求高的场所。,L1,L2,L3,PEN,外露导电部分,2)TN-S系统,该系统相对于TN-C系统的最大特点是因为在正常时PE线上不通过负荷电流,与PE线相连的电气设备的金属外壳在正常运行时不带电
21、位。用于对安全要求较高的场所,L1,L3,L2,N,PE,3)TN-C-S系统,该系统的前端是TN-C系统, 后面改为TN-S系统。,L1,L2,L3,PEN,PE,N,4)TT系统,TT系统内,电气设备的金属 外壳单独接地,与电源在接地 上无电气联系。 其优点是避免发生故障时,将故障电压蔓延。,PE,L1,L2,L3,N,5)IT系统,该系统没有配出中性线。适用于大型电厂的厂用电。主要用于对连续供电要求较高及有易燃易爆危险的场所,L1,L2,L3,PE,2.2 有关标准对TN-S系统的规定,(1)新近颁布的建筑物电子信息系统防雷技术规范(GB 50343-2004)第5.4.1条作了下列强制
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