1、第四章接地系统与过电压保护 主编第一节电 气 接 地一、电气接地的基本知识与概念1.接地装置、接地体与接地线 接地装置，是指人为设置的接地体与接地线的总称。埋入土壤内并与大地直接接触的金属导体或导体组，叫做接地体，也叫接地极。接地装置按结构可分为人工接地体与自然接地体两类；按具体形状可分为管形与带形等多种。连接接地体与电气设备应接地部分的金属导体，叫做接地线。它同样有自然接地线与人工接地线之分，且通常又可分为接地干线与接地支线。一、电气接地的基本知识与概念2.对地电压、接触电压与跨步电压 一般所说的对地电压，就是指带电体与大地之间的电位差。在这里，大地是指离带电体接地点20m以外的大地而言。也
2、就是说，对地电压就是带电体与（零电位的）大地之间的电位差。它在数值上等于接地电流与接地电阻的乘积。当电流通过接地体流入大地时，接地体本来具有相对来讲最高的电位，也即具有最高对地电压。离开接地体后，各点的对地电压便逐渐下降，直至20m外，对地（零电位点）之间的电压便降为零。若用曲线来表示接地体及其周围各点的对地电压，这种曲线就叫做对地电压曲线，也称为接地电流电位分布曲线。一、电气接地的基本知识与概念3.接地电流 凡从带电体流入地下的电流即为接地电流，有正常接地电流与故障接地电流之分。正常接地电流指正常工作时，通过接地装置流入地下、借用大地形成回路的电流；故障接地电流指系统发生故障时出现的接地电流
3、。凡系统接地而导致系统发生短路时的故障接地电流，便叫接地短路电流。在系统中，接地短路电流可能会很大。因此规定：凡接地短路电流在500A及以下时，称小电流接地系统；大于500A时则称为大电流接地系统。可见，接地电流与接地短路电流是不同的两回事。它们各有其具体的含义，故不应混淆。一、电气接地的基本知识与概念4.流散电阻及接地电阻 在接地体上，电流自接地体向四周大地流散时所遇到的全部电阻，称为流散电阻（或散流电阻）。接地电阻是指整个接地装置的电阻值，它是接地体的流散电阻与接地线本身电阻之和。由于接地线的电阻（包括接地线与接地体间的连接电阻）一般都很小，故常可忽略不计。因此，可近似认为接地电阻就等于流
4、散电阻。通常说的接地电阻值都是对工频电流而言的。当雷电流通过接地装置时，由于雷电流有着强烈的冲击性，这时接地电阻值便会发生很大的变化。为了区别起见，将这种情况下的接地电阻称为冲击接地电阻。所以，接地电阻、流散电阻与冲击接地电阻所指含义各不相同，在概念上定要分辨清楚。二、接地的分类与工作接地的作用1.电气接地的含义及其分类表4 1接地的具体分类表4-1接地的具体分类二、接地的分类与工作接地的作用2.各种工作接地的主要作用 由于运行和安全需要，为保证电力网在正常情况或事故情况下能可靠地工作而将电气回路中某一点实行的接地，称为工作接地。如电源（发电机或变压器）的中性点直接（或经消弧线圈）接地，电压互
5、感器一次侧中性点的接地，以及两线一地制供电方式中接地相的接地等，都属于工作接地。强电系统中，各种工作接地的主要作用是：二、接地的分类与工作接地的作用 1)变压器和发电机的中性点直接接地，能维持相线对地的电压不变(故障相除外)，并可降低人体的接触电压及适当降低制造时对电气设备的绝缘要求。2)变压器或发电机的中性点经消弧线圈接地，还能在发生单相接地故障时，消除接地短路点的电弧及由此而可能引起的危害。3)仪用互感器如电压互感器一次侧线圈的一端接地，主要是为了对一次系统中的相对地电压进行测量。4)两线一地制的相线接地，相当于三线制的单相接地运行，只适用于310kV中性点不接地系统，利用大地作为一根导线
6、，从而可以降低线路基建投资与年运行费用，并减少线路材料的耗量。第二节电力系统中性点运行方式二、接地的分类与工作接地的作用 电力系统中性点的运行方式有不接地、经电阻接地、经消弧线圈接地、直接接地等多种。我国电力系统目前所采用的中性点接地方式主要有三种，即不接地、经消弧线圈接地和直接接地。小电阻接地系统在国外应用较为广泛，我国已开始部分应用。图4-1中性点不接地系统一、中性点不接地(绝缘)的三相系统1.中性点不接地系统的正常运行 由于正常运行时各相对地的电压A、B、C是对称的，各相线路对地电容（CA、CB、CC）相等，故各相对地的电容电流也相等。各相电流等于负荷电流及对地电容电流之和，以A相为例（
7、见图4 2），图4-2中性点不接地系统电流关系一、中性点不接地(绝缘)的三相系统图4-4架空线路换相示意图2.中性点不接地系统的单相接地故障 如图4 5所示，中性点不接地系统的任何一相（如C相）发生接地时，接地相的对地电压为零，接地相对地的电容电流也为零，此时中性点电位不再是零了，未接地的A、B两相的对地电压将升高到相电压的倍，即A、B两相的对地电压等于线电压。一、中性点不接地(绝缘)的三相系统图4-5中性点不接地系统一相接地图4-6中性点经消弧线圈接地系统单相接地二、中性点经消弧线圈接地的三相系统图4-7中性点经消弧线圈接地系统单相接地的相量图图4-8中性点直接接地系统四、35kV侧采用小电
8、阻接地系统1.接地变压器(1)接地变压器组成采用树脂浇注型绝缘干式接地变压器，如图4-9所示。图4-9树脂浇注型绝缘干式接地变压器(2)接地变压器的主要技术参数见表4-2。表4-2接地变压器的主要技术参数四、35kV侧采用小电阻接地系统(3)接地变压器原理特点没有中性点的系统引入中性点，接地变压器的一次绕组为Z字形接线，二次绕组为星形接线。(4)接地变压器的用途一是为变电所提供低压交流电源；二是在35kV侧形成人为的中性点，同消弧线圈相结合，用于35kV发生接地时补偿接地电容电流，消除接地点电弧；三是可以和小电阻接地相结合，构成小电阻接地系统。(5)接地变压器原理三相Z接地变压器原理如图4-1
9、0所示。图4-10三相Z接地变压器原理四、35kV侧采用小电阻接地系统2.接地电阻柜 接地电阻柜标准设备包括不锈钢电阻元件、支持绝缘子、绝缘套管、内部连线和柜体等。一般适用电压为3369kV可选；允许通过电流为55000A可选；其标称电阻为1500；允许通流时间为10s、30s、60s、10min、连续运行可选；接地电阻柜的进出线方式有上进下出、下进下出、侧进侧出、侧进下出多种可选；安装地点有户内、户外两种；通流时间为10s、30s、60s时允许温升为760，通流时间为10min时允许温升为610；连续运行时允许温升为385。四、35kV侧采用小电阻接地系统(1)主要性能特点 耐受高温：熔点为
10、13751500，最高使用温度为1000。(2)适用范围适用于366kV以电缆线路为主的城市配电网；发电厂用电系统；大型工矿企业、机场、港口、地铁等电力用户配电系统；大型发电机的中性点电阻接地。五、低压侧0.4kV TN-S接地图4-11TN-S 供电系统五、低压侧0.4kV TN-S接地(1)TN-S 供电系统具有专用保护零线的中性点直接接地的系统叫做TN-S供电系统，俗称三相五线制系统，如图4-11所示。1)系统正常运行时，专用保护线上没有电流，只是工作零线上有不平衡电流。2)工作零线只用作单相照明负载回路。3)专用保护线 PE 不许断线，也不许进入剩余电流动作保护器。4)干线上使用剩余电
11、流动作保护器，工作零线不得有重复接地，而 PE 线有重复接地，但是不经过剩余电流动作保护器，所以 TN-S 系统供电干线上也可以安装剩余电流动作保护器。5)TN-S 方式供电系统安全可靠，适用于工业与民用建筑等低压供电系统。五、低压侧0.4kV TN-S接地(2)TN-C-S1)工作零线 N 与专用保护线 PE 相连通。2)PE 线在任何情况下都不能进入剩余电流动作保护器，因为线路末端的剩余电流动作保护器动作会使前级剩余电流动作保护器跳闸造成大范围停电。3)对 PE 线除了在总箱处必须和 N 线相接以外，其他各分箱处均不得把 N 线和 PE 线相连，PE 线上不许安装开关和熔断器。第三节接地装
12、置的电阻选择及维护一、系统及设备接地电阻的允许值 为确保接地装置在运行中能发挥应有的作用，各类电气设施或设备的接地电阻均应符合规程要求。实际应用中，各类常用接地装置的接地电阻允许值分别为：电源容量为100kVA以上的变压器或发电机的工作接地，R4；电源容量100kVA的变压器或发电机的工作接地，R10；100kVA及以下低压配电系统的零线重复接地，R10，当重复接地有3处以上时，R30；电气设备不带电金属部分的保护接地，R4；引入线装有25A以下熔断器的设备的保护接地，R10；低压线路杆塔的接地或低压进户线绝缘子脚的接地，R30；二、接地装置及维护图4-12环路式接地1)检查接地线是否折断、损
13、伤或严重腐蚀。变电所或车间一般采用环路式接地，流散电场互相重叠，使地面电场分布均匀，因此跨步电压和接触电压很低。环路式接地如图4-12所示。当接地体间的相隔距离为接地体长度的13倍时，其效果更为明显。二、接地装置及维护2)检查接地支线与接地干线的连接是否牢固。3)检查接地点土壤是否因受外力影响而有松动。4)检查重复接地线、接地体及其连接处是否完好无损。5)检查全部连接点的螺栓是否有松动，并应逐一加以紧固。6)挖开接地引下线周围地面，检查地下0.5m处地线受腐蚀的程度，严重时应立即更换。7)检查接地线的连接线卡及跨接线等的接触是否完好。8)检查明敷部分接地或接零母线上的涂漆是否脱落，若有脱落现象
14、时应重新涂漆以使标志鲜明。9)检查接地体是否因受水冲击或其他原因造成露出地面或离地表过近，若有应及时修复。10)及时做好接地装置的变更、检修、测量等项内容的记录。三、接地电阻的测量方法图4-13接地电阻的测量接线 接线如图4-13所示，P和C分别为接地棒，分别与接地电阻表的P和C连接。对有四个接线端钮的接地电阻表，其接线稍有改变。一般情况下将C2、P2短接，代替图4-14中的E端子。当测量小于1的电阻时，应将C2、P2之间的连接片断开，且分别用导线连接到被测接地体上，如图4-14所示。第四节城市轨道交通供电系统的接地原则及构成一、系统的接地原则、要求及构成1.城市轨道交通接地系统的接地原则1)
15、全线接地按综合接地系统的概念进行设计，使全线形成统一的高低压兼容、强弱电统一的接地系统。2)满足沿线接触导线和馈电线断线可能搭触到设备的安全接地要求。3)满足各类通信、信号、计算机等弱电设备的工作接地与安全接地要求。4)满足其他车站设备工作接地与安全接地要求。5)满足接触网系统工作接地与防雷接地要求。6)当杂散电流防护设计与安全接地发生矛盾时，优先考虑安全接地。一、系统的接地原则、要求及构成2.城市轨道交通接地系统的构成1)每个车站单独设置一个接地网，供车站各种设备的工作接地、安全接地用。2)沿线电缆支架上敷设一贯通的接地金属体，供沿线区间电气、通信、信号等机电设备安全接地用。3)架设架空地线
16、，供接触网系统设备工作接地、安全接地和防雷接地用。4)牵引回流系统采用浮空不接地方式，钢轨、负回流线、直流开关柜、整流器、负极柜采用绝缘法安装。5)全线各车站、车辆段和停车场设钢轨电位限制装置。一、系统的接地原则、要求及构成3.城市轨道交通供电系统变电所接地的基本要求1)变电所中的交流电气装置、设施的某些可导电部分应接地。2)变电所内不同用途和不同电压的电气装置、设施使用一个总的接地装置，车站内变电所与其他系统采用综合接地，共用一个接地网。3)每个车站接地网上分别引出变电所设备接地引出线、弱电设备接地引出线和接触网架空地线引出线三组引出线，每组引出线包括三个引出端子，每组引出线间的电气距离大于
17、20m。4)接地装置考虑土壤干燥等季节变化的影响，接地电阻在四季中均应满足要求，雷电保护接地的接地电阻只考虑在雷季中土壤干燥状态的影响。5)变电所接地装置的形式和布置考虑保护接地的要求，降低接触电位差和跨步电位差。一、系统的接地原则、要求及构成4.变电所接地保护的范围 除直流柜外，电气装置和设施的下列金属部分均应接地：变压器和高压电器等的底座和外壳必须接地；互感器的二次绕组一端必须接地，否则测量的就不是对地电压了；气体绝缘全封闭组合电器（GIS）的接地端子必须接地；配电、控制、保护用的屏（柜、箱）及操作台等的金属框架必须接地，以确保安全；铠装电缆的外皮必须接地；配电装置的金属架构和钢筋混凝土架
18、构以及靠近带电部分的金属围栏和金属门必须接地。二、接地网1.接地电阻 城市轨道交通供电系统中每个接地网的接地电阻不大于05或满足下式的要求：2.接地网的构成与形状 接地网由水平接地体、垂直接地体、均压带、接地引出线和止水环组成。水平接地体与车站结构底板平行布置，设置在车站底板下06m。接地网的形状直接影响接地效果。一般使用水平接地体与垂直接地体配合使用，形成三维的立体结构。二、接地网3.接地网的材料 接地工程材料包括各种金属材料、降阻剂和离子接地体等。金属材料包括扁钢、角钢、扁铜、铜棒和铜板等，地铁系统中常采用扁铜、铜棒和铜板。降阻剂分为化学降阻剂和物理降阻剂。化学降阻剂自从发现有污染水源和腐
19、蚀接地网的缺陷后就基本上不使用了，现在广泛接受的是物理降阻剂（也称为长效型降阻剂）。物理降阻剂是接地工程广泛接受的材料，属于材料学中的不定性复合材料，可以根据使用环境形成不同形状的包裹体，包裹在接地体周围，达到降低接触电阻的作用。三、城市轨道交通供电接地系统图4-151500V城市轨道交通综合接地系统P1、P2、P3强电接地引上线P4、P5、P6弱电接地引上线P7、P8、P9金属管线接地引上线PCE强电接地母排PSCE金属管线接地母排WCE弱电接地母排第五节过电压 主编三、城市轨道交通供电接地系统 在电力系统内部，由于断路器的操作或系统故障，使系统参数发生变化，由此而引起的电力系统内部电磁能量
20、转化或传递的过程中，将在系统中出现过电压。这种过电压称为“内部过电压”。按产生原因可将内部过电压分为操作过电压和暂时过电压。此外，由于雷电的活动也会在设备上产生过电压，这种过电压又称为外部过电压（大气过电压），一般包括直击雷过电压和感应雷过电压，当这些过电压沿着线路传到其他设备时，又以另一种形式作用于电气设备，称为雷电侵入波。也就是说，电力系统过电压一般分为内部过电压和外部过电压。一、内部过电压1.操作过电压 操作过电压即电磁过渡过程中的过电压。一般持续时间在01s（5个工频周期）以内。操作过电压是在电力系统中由于断路器操作和各种故障产生的过渡过程引起的。这种过电压通常带有衰减振荡的性质。与暂
21、时过电压相比，其持续时间较短，衰减较快；与雷电过电压相比，其持续时间则长得多。一、内部过电压2.暂时过电压 暂时过电压包括谐振过电压及工频电压升高（又称“工频过电压”）。它一般在操作或故障之后形成的振荡频率和电源频率接近或相等时，发生谐振现象，形成周期性的过电压。一般持续时间较长，如不采取措施消除，可达几秒甚至更长。暂时过电压具有电源或其谐波的频率，而且是不衰减或弱衰减的。由空载线路的电容效应、不对称接地故障以及甩负荷使发电机加速而产生的工频电压升高都是常见的暂时过电压。它们的倍数虽然不高，一般不会对电气设备的绝缘造成危害，但却是决定过电压保护装置工作条件的重要依据。电力系统在一定条件下可能发
22、生线性或非线性（铁磁）谐振过电压，也属于暂时过电压的一种。这种过电压幅值较高，持续时间较长。其频率可以是工频基波，也可以是高次或分次谐波。二、外部过电压(雷电过电压)1.直击雷过电压 雷云带有大量电荷，当带不同电荷的雷云相遇时，雷云之间便会产生放电（中和）现象；低空中的雷云还会直接对建筑物或其他物体放电。当遭受雷击而通过强大的雷电流时，便会造成巨大损失。架空线路和露天变配电所都在室外，遭受雷击的机会就比较多。如果雷云直接对导线放电，雷云中的大量电荷将聚集到导线上，就会产生直击雷过电压，其数值可高达数百万伏。二、外部过电压(雷电过电压)2.感应雷过电压 当架空线路上空出现雷云时，它会使线路和线路
23、附近的物体感应出大量电荷，这些电荷会经过导线的对地电阻流入大地。雷云对线路附近的大地或物体放电后，雷云电荷便消失。此时，原来导线上的束缚电荷就会因失去外力束缚而成为自由电荷。由于它们本身互相排斥，就会向线路两端以很高的速度运动，从而形成感应过电压，其幅值最高可达。二、外部过电压(雷电过电压)3.雷电侵入波 雷电侵入波也称为高电位侵入波，是指由于架空线路或架空金属管道上遭受直击雷或感应雷而产生的高压冲击雷电荷，可能沿线路或管道侵入室内。据统计，在电力系统中，由于雷电波侵入而造成的雷害事故，约占雷害总数的一半以上。第六节城市轨道交通供电系统防雷措施 主编一、变电所的防雷保护措施1.变电所的防雷原则
24、 变电所的雷害可能来自两个方面：一是雷直击于变电所、发电厂；二是雷击输电线路后产生的雷电波侵入变电所或发电厂。对于城市轨道交通供电系统，特别是对于地面变电所，必须加以防范。1)防止雷击导线。2)防止避雷线受雷击后引起绝缘闪络。3)防止雷击闪络后建立工频短路电弧。4)防止线路中断供电。一、变电所的防雷保护措施2.变电所防雷防护(1)装设避雷针保护整个变配电所建筑物以免遭直接雷击避雷针可防护直击雷，其保护范围应合乎实际要求(其计算方法可参见专门书籍或过电压保护规程)。(2)装设架空避雷线及避雷器作为变电所进出线段的防雷保护35kV电力线路一般不采用全线装设架空避雷钱的方法来防止直击雷，但为防止变电
25、所附近线路上受到雷击时雷电压沿线路侵入变电所损坏设备，需在变电所进出线12km 段内装设架空避雷线作为保护，以使该段线路免遭直接雷击。图4-1635kV变电所防雷FA2、FA3管型避雷器FA1阀型避雷器一、变电所的防雷保护措施图4-17变电所防雷FA1阀型避雷器FA3、FA2管型避雷器FA4保护间隙图4-1810kV变电所防雷1架空电力线路2电缆出线3架空电力线路一、变电所的防雷保护措施(3)装设阀型避雷器对沿线路侵入变电所的雷电波进行防护变电所的进出线段虽已采取防雷措施，且雷电波在传播过程中也会逐渐衰减，但沿线路传入变电所内的部分，其过电压对所内设备仍有一定危害，特别是对价值最高、绝缘相对薄
26、弱的主变压器更是这样。二、变压器的防雷保护措施图4-19避雷器、低压绕组和变压器外壳三点共同接地三、供电系统防雷措施方案1.系统绝缘能力 不超过220kV电压范围内的设备绝缘水平主要由雷电过电压决定，但有时也要估计操作过电压的影响。当设备绝缘较弱或操作频繁，且操作电器又不够完善（如重击穿率不够低）时，设备在操作、谐振过电压下也可能有较高的事故概率。(1)自恢复和非自恢复绝缘根据绝缘在试验中发生破坏性放电的特征，绝缘分成自恢复绝缘和非自恢复绝缘。(2)工频电压和暂时过电压下的绝缘性能通常，仅当设备绝缘特性的逐步劣化或严重的环境条件使绝缘能力异常地下降时，才会使它在正常运行工频电压和暂时过电压下击
27、穿。三、供电系统防雷措施方案 (3)在冲击电压下自恢复绝缘破坏性放电的概率给定的绝缘对一定波形和幅值的冲击电压U的耐受能力，在大多数情况下，是一个随机现象，只能按统计的方法用一条所加电压与放电(或耐受)概率间相互关系的曲线来表示，通常假定为正态概率分布曲线。(4)带有绕组的设备对于带有电压绕组的设备，如变压器，如果按能耐受雷电冲击全波设计，则在一高幅值的截波冲击作用下，可能会在相邻的线匝和线盘间出现比冲击全波时更高的电压，受到一定程度的损伤。三、供电系统防雷措施方案2.作用电压与耐受电压之间的配合 (1)设备绝缘耐受各种电压的能力在不同电压范围内对绝缘水平起控制作用的过电压类型不同。(2)工频
28、运行电压及暂时过电压设计绝缘设备绝缘应能在设备最高相电压下长期运行。(3)绝缘配合原则 根据系统电压和保护装置的特性来确定设备绝缘水平，即进行绝缘配合时，应全面考虑设备造价、维修费用以及故障损失三个方面，力求取得较高的经济效益。三、供电系统防雷措施方案1)为保证变压器内绝缘在正常运行工频电压作用下的工作可靠性，应进行长时间工频耐压试验。2)变电所电气设备应能承受一定幅值和时间的工频过电压和谐振过电压。3)变压器内、外绝缘的全波额定雷电冲击耐压与变电所避雷器标称放电电流下的残压间的配合系数取1.4。4)高压开关、电流互感器、母线支持绝缘子、电缆及其附件等的全波额定雷电冲击耐压与避雷器标称放电电流
29、下的残压间的配合系数取1.4。图4-2035kV交流系统绝缘配合示意图三、供电系统防雷措施方案图4-21DC 1500V绝缘配合示意图三、供电系统防雷措施方案3.系统防雷与限制过电压方案根据城市轨道交通供电系统的实际情况，一般采取以下具体措施：1)在全线牵引降压混合变电所和降压变电所的35kV母线上设置避雷器，防止雷电侵入波对设备的损坏。2)在牵引变电所整流器正、负极间设置避雷器，防止过电压对设备的损坏。3)在牵引变电所直流1500V母线上设置避雷器，防止过电压对设备的损坏。4)在牵引变电所直流馈出线与接触网交界处的隔离开关处安装避雷器，以限制雷电波或过电压损害变电所设备。5)接触网所有不带电金属部分均与架空地线连接，架空地线与牵引变电所内的接地网相连。三、供电系统防雷措施方案6)车辆段出入线和试车线，在接触网上方单独架设避雷器，架空地线每隔200250m接地，接地电阻不大于10。7)在隧道洞口的接触网上设置氧化锌避雷器，以限制雷击。8)在隧道外架空地线与牵引变电所的接地网相连，每隔200m通过放电间隙与接地极相连，提高隧道外架空地线的安装高度兼作避雷线。9)在隧道外车站两端、高架桥的最高处、隧道外空旷地段每隔500m处设置避雷器，保护接触网设备不受大气过电压冲击。10)在轨道旁边电信设备的接地不能直接和接触网架空地线连接，避免雷击。
