大连理工大学网络高等教育
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
层 次： 专科起点本科
专 业： 电气工程及其自动化
年 级： 年 季
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2022年5月17日
变电站对于直击雷的保护一般采取装设避雷针或采用沿变电站进线段一定距离内架设避雷线的方法解决。防雷接地为防雷保护装置提供泄放雷电荷的途径，做好接地、屏蔽以及等电位连接是实施雷电防护措施的重要保障。本文就对变电站的防雷、接地和电气安全进行了研究，论文首先是全文的概括，简述了课题的背景和意义以及国内外发展现状，接着对变电站高压电力装置防雷技术进行了详细介绍，再者对接地与屏蔽技术在本文是介绍重点，例如如何防雷接地、如何防雷接地等，最后是本文的总结，指出今后的研究方向。希望本文的写作能为今后的研究做一些参考贡献。
关键词：电气设备防雷；接地；等电位
目 录
1.1 课题的背景及意义
随着现代科学技术的发展，电气设备及电子信息系统的应用越来越广泛，成为现代社会人们生活中不可或缺的一部分。在公用及民用建筑中，设备安装所占的比例越来越大。一方面，人们日常生活得到很大的方便，办公自动化使生产效率大幅度提高；另一方面，使用电气设备所隐含的危险也不断加大。因此如何采用技术手段，保护建筑物内电气设备的正常使用，电气设备的安全及电气设备的使用安全，成为摆在我们建筑机电安装技术人员面前的首要问题。
建筑物内电气设备的安全隐患主要有[1]：大自然雷电对电器设备的危害，对电子信息设备使用的影响：由于气候环境日趋恶劣，雷暴天气越来越多，对人民生活的影响也越来越大，我省的年平均雷暴日在全国是属于比较高的，雷击对电气设备的影响是多方面的，既有直接的雷击，又有从电源线路，信号线路及各种管道等侵入的雷电电磁脉冲，还有在建筑物附近落雷形成的电磁感应，以及接闪器接闪后由接地装置引起高电位反击。因此必须综合防护才能达到预期地效果。
电器设备绝缘损坏对人身的危险：随着电气设备的增多，使用过程中由于使用不当，绝缘老化或者绝缘损坏引起的电气设备不能正常使用及人身触电事故也越来越多，严重影响人们的生命安全。为了解决这些问题，我们通常采用的做法是：接地及等电位连接。
而变电站是电力系统的重要组成部分，变电站发生雷击事故，将造成大面积停电，会对电网造成较大的危害。近年来，随着我国电力变电站实现综合自动化，不仅为变电站实现无人值守和配电网实现自动化奠定了基础，而且也为供电部门提供更安全、经济、可靠和高质量的电能创造了条件，这就更加要求防雷接地措施必须十分可靠。在变电站的设计过程中，保护变电站的设备安全，提高其供电可靠性，优化防雷接地设计方案，加强变电站的防雷接地安全措施，最大程度的减少雷击事故发生，有着极其重要的意义[2]。
1.2 防雷接地保护的重要性
雷电是严重的自然灾害之一。每年因雷击所造成的人员伤亡、财产损失不计其数，雷电导致的火灾、爆炸、信息系统瘫痪等事故频繁发生。
目前，测量控制、电子信息等技术已渗透到人类社会生产和生活的各个领域，各种电子信息设备应用的范围之广、品种之多、数量之大前所未有。以微电子技术为基础的电子信息设备由于集成度高、工作电压低、运算速度快，而耐过电压、耐过电流和抗雷电电磁脉冲的能力差，极易遭受雷电的危害。特别是雷电电磁脉冲造成的损害更为严重。从卫星通信、导航到计算机网络、通信系统、监控、安全防范系统、工业测量控制系统等都已成为雷电灾害的重大灾区。
这些设备都属于微电子设备（即弱电设备），其耐过电压冲击的能力很弱，而由电源线、信号传输线、地线侵入的雷电冲击波强度却很大。通过电源线、信号传输线引入的雷电感应冲击大电流，足以使许多微电子设备遭受不同程度的损坏，并危及人身安全，造成巨额的直接经济损失。而更重要的是会导致整个网络瘫痪失控，重要数据丢失，间接经济损失不可估量。
随着社会经济建设的高速发展，平安城市建设活动的普遍开展，城市报警与监控联网系统建设已在各地普及，安全防范系统已在各行业（如火药炸药库、金融系统、交通、码头、小区、库房管理等）得到广泛应用。由于这些系统的设备分布广，线路长，不少设备置于露天，极易受到雷电的袭击，系统的防雷问题显得尤为重要和紧迫。 安防系统自身的安全，特别是雷电防护的问题已成为一个急需解决的重要问题[3]。就视频监控系统而言，大量的前端设备暴露在室外，极易受到雷电闪击或雷电电磁脉冲的侵入和感应。因此，安全防范系统的防雷问题要特别予以重视。
遭受雷击的途径:一是雷直击于变电站的设备上；二是各类架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入到变电站。
根据入侵的途径，防雷措施对策一般可分为:
（1）阻止雷电波的进入；
（2）利用保护装置把雷电波导入到接地网中。
防雷保护措施要根据现场常见的雷击形式、频率、强度以及被保护设施的重要性、特点等，选择安装适宜的保护装置。现代防雷工程的防雷对象扩大了，防雷措施增加了，防雷设计的方法也在不断发展。
变电站实现综合自动化是传统变电站二次系统的重大变革，其装置形式、功能配置以及操作方法都发生了根本性变化。利用多台微机和大规模集成电路装置组成的自动化系统，可用于控制、监测、保护、通信等等[4]。但是，由于这类装置使用了超大规模集成电路，运行电压只有数伏、信号电流仅为微安级的微机装置，
相比于传统的电磁式的各类保护装置，设备的耐热性能要差，对尖峰脉冲的耐受
能力比较脆弱，特别是雷击过电压的暂态冲击会通过变电站的电源线引入，从而引起瞬态过电压，如果不经处理，就会引起二次设备的损坏。
同时，接地是避雷技术很重要的环节，变电站接地系统的合理与否，是直接采用关系到人身和设备安全的重要问题。不管是直击雷、感应雷或其它形式的雷，采用何种类型的防雷设备，都要求将雷电流尽快通过接地装置导入大地。因此，没有合理而良好的接地装置，就不能有效地防雷。随着电力系统规模的不断扩大，接地系统的设计越来越复杂。变电站接地网安全除了对接地阻抗有要求外，还对地网的结构、使用寿命等提出了较高的要求。
1.3 防雷接地保护的研究现状
当雷电直接击中电力系统的导线部分时，会产生极高的雷电过电压，任何电压等级的设备绝缘都会难以耐受。变电站对于直击雷的保护一般采取装设避雷针或采用沿变电站进线段一定距离内架设避雷线，吸引雷电击向自身，减低雷击点的过电压，通过良好接地的装置，将雷电流迅速泄入大地。
避雷针大大增加雷击概率，这使得依附于一次设备的，目前正在大量更新的保护、监控、通信等二次设备遭受雷击的概率大大增加，损坏方式也多种多样，从而给电力生产带来很大的损失。这些二次设备防感应雷基本上靠机壳和内部元件本身，可靠性较低。当雷击使高压线路引入雷电波时，往往影响到变电站的整个低压电源系统、通信系统，导致低压电源系统中绝缘薄弱设备的某些元件损坏，如设备的电源模块，计算机监控系统等，一旦被波及往往造成接口元件击穿或烧坏。接地起着维持正常运行、保护、防雷、防干扰等作用。当接地不规范时，雷电电磁脉冲容易引起接地点之间电位差，产生的电磁场干扰二次设备的运行，严重时会损坏设备内部的电子回路[5]。接地电阻不合格，雷电引起的地电位升高，也会通过设备的接地线引入二次设备中，损坏设备的插件。所以，各接地网间必须通过合理布置接地线，等电位连接、屏蔽及装置本身的电磁兼容防护来解决设备的安全问题。
1.4 本文的主要内容
作为一个研究领域，有关防雷、接地和电气安全有很多需要研究的问题。全文共分4部分，各部分内容简介如下：第1部分为绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；第2部分对变电站高压电力装置防雷技术进行了详细介绍；第3部分介绍了接地与屏蔽技术；最后1部分是对全文的总结，并指出了研究课题的未来发展方向。
2 变电站高压电力装置防雷技术
2.1 引言
建筑物的防雷设计要因地制宜地采取防雷措施，目标是要防止或减少雷击建筑物所发生的人身伤亡和财产损失，同时做到安全可靠、技术先进、经济合理。要在认真调查被保护物周围的地理、地质、土壤、气象、环境等条件，了解雷电活动规律及其特点的基础上，仔细研究防雷装置的形式及其布置。建筑物根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为三类。各类防雷建筑物都必须采取防直击雷和防雷电波侵入的措施，对于第一类防雷建筑物和部分第二类防雷建筑物还要采取防雷电感应的措施。变电站一般为第二类防雷建筑，本文以第二类防雷建筑要求，进行防雷设计[6]。
2.2 雷电参数特性
雷电是一种自然现象，它释放出的巨大能量，有极强大的破坏能力。而且雷电发生的随机性很大，关于雷电特性的各个参数需要通过大量实测，数据统计后才能确定，防雷保护设计的依据来源于这些实测数据。
2.2.1 雷电流幅值及分布概率
雷电流幅值是指物体遭到直接雷击时，经过接地电阻，被击物体中雷电流的最大值。它是表示雷电强度的指标，也是产生雷电过电压的根源，是最重要的雷电参数。
2.2.2 雷电流波形和极性
雷电流对电气设备绝缘的危险程度同雷电流波头（波前时间）陡度的大小有关。雷电流的幅值和波前时间决定了它的陡度，雷电流的陡度是指其波前随时间上升的变化率。根据实测统计，对于中等强度以上的雷电流，其波头（波前时间T）大多为1-5s，平均为2.6s。雷电流是单极性的脉冲波，75%-90%的雷电流是负极性的。
2.2.3 雷暴日
雷暴日是一年中有雷电的天数。可表征不同地区的雷电活动频繁程度，统计雷暴的严重程度。
地区雷暴日等级可根据年平均雷暴日数来划分。一般可划分为少雷区、多雷区、高雷区、强雷区。少雷区是指年平均雷暴日在20天及以下的地区；多雷区是指年平均雷暴日大于20天但不超过40天的地区；高雷区是年平均雷暴日大于40天，不超过60天的地区；强雷区是年平均雷暴日超过60天以上的地区。
2.2.4 落雷密度
地面落雷密度是表征雷云对地放电的频繁程度。线路受雷密度是以线路受雷宽度为避雷线（有避雷线的线路）或导线（无避雷线的线路）的平均悬挂高度的4倍进行计算。
2.3 变电站防雷技术措施
当雷电直击在物体上，产生电磁效应、热效应和机械力对物体造成危害的现象，称为直击雷。直击雷产生的过电压幅值可高达数十万伏，有的达到数百万伏，这是任何电压等级的电力设备绝缘都不能耐受的。所以需要安装直击雷防护装置，而防护直击雷最常用的措施是装设避雷针或避雷线。
2.3.1 直击雷的防护措施
避雷针（线）是接地的导电物，一般高于被保护物体，它们的作用就是将雷电吸引到自己身上，安全并迅速地导入地中。避雷针通过自身的高度，在其尖端的高突处形成电场的畸变，在雷云电场的作用下，当尖端的电场强度大于空气电离场强时，开始电离空气，形成迎面先导，并与雷云的雷电先驱相遇，完成雷击过程。为了使雷电流能够顺利下泄，必须有良好的导电通道。因此，避雷针（线）的基本组成部分是接闪器（引发雷击的部位）、引下线和接地体。
2.3.2 防雷电波侵入的措施
避雷器实质上是一种放电器（或称限压器），并联在被保护设备附近。避雷器的击穿电压要比被保护设备的低。当线路上传来的过电压超过避雷器的放电电压时，避雷器会先行放电，把入侵波导入大地，限制设备上的过电压，避免电气设备绝缘遭击穿损坏。当入侵波消失后，避雷器又能够自行恢复绝缘能力，防止工频接地短路事故的发生。
为了使避雷器达到预期的保护效果，必须正确选择和使用避雷器。避雷器的基本要求:
1、避雷器与被保护设备之间应有合理的伏秒特性的配合，在被保护物可能击穿以前，避雷器就已发生动作，将过电压波截断，从而起到可靠的保护作用。工程上常用冲击系数。来反映伏秒特性的形状。冲击系数a是指冲击放电电压与工频放电电压的比值，其比值越小，伏秒特性越平直，一般希望它接近于1。因此，应选用冲击系数小的避雷器作为电气设备的保护装置。
2、当瞬间的雷电过电压消失后，避雷器能自行截断工频续流、恢复绝缘强度，保证电力系统能够继续正常运行。
3、具有一定通流容量，且其残压应低于被保护设备的冲击耐压值。
2.3.3 信息系统防雷击电磁脉冲措施
雷击电磁脉冲是由于雷云间放电和雷云对大地间放电产生的雷电电磁脉冲，使金属物上的金属部件——如管道、电源线、信号线、天馈线等感应出与雷雨云电荷相反的电荷，通过上述介质引入室内造成放电，对电子设备造成损坏。它的主要入侵途径是通过电源线路、各类信号传输线路、天馈线路和进入系统的管、缆、桥架等导体侵入设备系统，造成电子设备失灵或永久性损坏。据有关统计，电子信息系统的雷击事故80％以上是由雷击电磁脉冲造成的。因此雷击电磁脉冲的防护是在以上入侵通道上将雷电过电压、电流泄放人地，从而达到保护电子设备的目的。其主要方法是采用隔离、等电位、钳位、均压、滤波、屏蔽、过压过流保护、接地等方法将雷电过电压、过电流及雷击电磁脉冲消除在设备外围，从而有效的保护各类设备。
2.3.4 接地与等电位保护措施
1、接地按功能可分为功能性接地及保护性接地两大类。
（1）功能性接地主要是为了保证电气设备和电子设备的正常和稳定的工作。主要有工作接地：为了交直流系统的可靠运行，要求系统在适当处进行接地。信号接地：为保证信号具有稳定的基准电位而设置的接地；逻辑接地：为了确保稳定的参考电位，常将电子设备中的合适金属件作为“逻辑地”；屏蔽接地：为了防止外来电磁干扰对电子设备的影响，同时减少电子设备产生的干扰影响其他的电子设备，常将干扰源接地，将其引入大地。
（2）保护性接地是为了保护电气设备和人身安全而设置的，主要有防电击接地：当电气设备绝缘损坏或因某些原因产生故障电流时，使平常不带电的外露可导电部分带电，而导致电击事故发生。通常将设备的外露可导电部分接地，使电流泄入地下；防雷接地：将雷电流导入大地，它可防止雷电流对人、畜的伤害及对财产的损害；防静电接地：防止由于静电荷聚集，而造成对设备和人体的损害，常将静电荷引入地下。
2、等电位联结措施
为了降低电位差造成的伤害，根据法拉第笼的原理，将电气系统的电气设备可导电外露金属外壳、金属构件等用导体与大地连接或与代替大地的导体连接，使其电位相近或相等，这就是我们所说的等电位连接。由此可知接地也是一种等电位连接。等电位连接是建筑施工设计中极其重要的安全措施，直接关系到人们的生命安全。在《建筑电气施工质量验收规范》（GB50303—2002）中做了有关规定。等电位的连接作用范围越小，电气上越安全。建筑的等电位连接分为总等电位连接，局部等电位连接和辅助等电位连接。
（1）总等电位连接是将建筑物进线配电箱的PE排、公用设施金属管道、建筑的金属结构以及防雷装置等汇接到进线配电箱旁的总接地端子板上，并互相简单连接，总等电位作用于全建筑物，在一定程度上可降低建筑物内间接接触电击的接触电压和不同金属部件间的电位差，并消除自建筑物外经电气线路和各种金属管道引入的危险电压故障的危害。
（2）建筑物内的局部等电位是通过局部等电位端子板将PE母线或PE干线、公共设施的金属管道、建筑物金属结构在局部范围内互相连接。下列情况下需做等电位连接：电源网络阻抗过大，使自动切断电源时间过长，不能满足防电击要求；TN系统内自同一配电箱供电给固定式和移动式两种电气设备，而固定式设备保护电器切断电源时间不能满足移动设备防电击要求；满足卫生间、浴室、游泳池、医院手术室、农牧业等场所对电击的特殊要求；满足防雷和信息系统抗干扰的要求[7]。因为卫生间，浴室和游泳池等潮湿场所，发生电击的可能性很大，人体在湿透时，阻抗大大降低，沿金属导管导入的一、二十伏电压即足以使人发生心室纤维颤动而死亡。为此，以上场所做局部等电位连接有助于减少电位差，有效的保证人身安全。
（3）辅助等电位连接是在建筑物做了总等电位连接后，在伸臂范围内的某些外露可导电部分或装置可导电部分，再导线连接，使其电位相等或相近。
