防雷设计与接地保护的任务

一、过电压的种类

过电压是指电气设备或线路上出现的超过正常工作要求并威胁其电气绝缘的电压。过电压按其发生的原因可以分为两类：内部过电压和雷电过电压。

1）内部过电压

内部过电压往往是由于操作不当等原因而形成持续的电弧或由于系统本身的参数不当而发生谐振引起的，可分为操作过电压、弧光接地过电压及谐振过电压。内部过电压一般不会超过系统运行时额定电压的3～4 倍，内部过电压的问题可以通过提高绝缘而得以解决。

2）雷电过电压

雷电过电压又称为大气过电压。它是由于电气设备或建筑物受到直接雷击或雷电感应而产生的过电压。雷电过电压产生的雷电冲击波，其电压幅值可达108 V，电流幅值可达几千安培，危害相当大。

雷电过电压的基本形式可以分为以下三类：

（1）直击雷过电压是雷电直接击中而产生的过电压，如图10－1 所示。遭受直击雷会产生灾难性的后果，因此必须采取有效的防御措施。

图10－1　直击雷示意图

（a）雷电在建筑物上方时；（b）雷电对建筑物放电

（2）感应过电压是雷电对设备、线路或其他物体产生静电或电磁感应而引起的过电压，如图10－2 所示。感应过电压对电力系统的危害也很大。

图10－2　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）雷云对架空线放电时

（3）雷电波侵入是由于直击雷或感应雷而产生的高电位雷电波，沿架空线侵入变电所或建筑物，并在变压器的内部引起反射，产生很高的过电压。

二、雷电的有关概念

1）雷电流的幅值和陡度

雷电流的幅值Im 变化范围很大，一般为数十千安至数百千安。雷电流的幅值一般在第一次雷击时出现。雷电流的幅值和极性可以用磁钢记录器测量。

典型的雷电流波形如图10－3 所示。雷电流一般在1～4 μs 内增长到幅值Im，到幅值前的波形称为波前，从幅值起至雷电流衰减到的这段波形称为波尾。

雷电流的陡度a 是指雷电波波前部分雷电流的变化速度，即a＝di／dt。因雷电流开始时数值很快增加，陡度也很快达到极限值，当雷电流达到最大值时，陡度降为零。陡度可以用电火花组成的陡度仪测量。

图10－3　雷电流波形示意图

2）年平均雷暴日数Td

在一天中听到一声雷声或看到一次闪电，则该日称为一个雷暴日。年平均雷暴日数就是当地气象部门统计的多年雷暴日的年平均值。此值不大于15 的称为少雷区，大于40 的称为多雷区。

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。按《GB 50057—1994 建筑物防雷设计规范》规定，年预计雷击次数可以用下式进行计算：

式中 N——为年预计雷击次数，次／年；

K——为校正系数，一般取1，位于旷野孤立地建筑物取2；

Ae——为与建筑物接收相同雷击次数的等效面积，km2。

三、防雷设计

防雷设计应认真调查当地的地质、地貌、气象、环境等条件和当地的雷电活动规律以及被保护物的特点来确定防雷措施，做到安全可靠、技术先进、经济合理。

1）防雷装置

防直击雷主要是把直击雷迅速流散到大地中去。往往采用避雷针、避雷线、避雷网等避雷装置；防感应雷主要是对建筑物所有的金属物进行可靠的接地；防雷电侵入波一般采用避雷器。避雷器一般装在输电线路进线处或10 kV 母线上。避雷器的接地线应与电缆金属外壳相连后直接接地，并连入公共地网；防雷装置是接闪器、引下线和接地装置等的综合。

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；接闪的金属带、金属网分别称为避雷带、避雷网。

（1）避雷针。一般采用镀锌圆钢、镀锌圆钢管制成。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10－4 所示。

图10－4　避雷针的结构示意图

1—避雷针；2—引下线；3—接地装置

避雷针的功能是引雷，它把雷电流引入地下，从而保护附近的线路，设备和建筑物。一定高度的避雷针（线）下面，有一个安全域，此区域内的物体基本上不受雷击。我们把这个安全域叫做避雷针的保护范围。避雷针的保护范围用“滚球法”来确定。

“滚球法”就是选择一个半径为hr（滚球半径）的滚球，沿着需要防护直击雷的部分滚动，如果球体只触及接闪器或接闪器和地面，而不触及需要保护的部位时，则该部位就在这个接闪器的保护范围之内。滚球半径是按建筑物防雷类别确定的，见表10－1。

表10－1　各类防雷建筑物的滚球半径和避雷网格尺寸

避雷针的保护范围如图10－5 所示，按下面方法确定：

图10－5　按“滚球法”确定单支避雷针保护范围的示意图

当避雷针高度为h 时，如h≤hr 时，有：

①距地面hr 处作一平行于地面的平行线。

②以避雷器的针尖为圆心、hr 为半径，作弧线交平行线于A、B 两点。

③以A、B 为圆心、hr 为半径作弧线，该弧线与针尖相交，并与地面相切。由此弧线起到地面为止的整个锥形空间，就是避雷针的保护范围。

地面上的保护半径r0 为：

在高度为hx 的平面xx′上的保护半径rx 为：

［例10－1］ 某厂在一座30 m 高的水塔旁建有一个锅炉房（三类建筑物），尺寸如图10－6 所示，水塔上面安装有一个3 m 高的避雷针，问此避雷针能否保护这一锅炉房？

图10－6　锅炉房

［解］

查表10－1 可以得出三类建筑物的滚球半径hr＝60 m，已知h＝30＋3＝33（m），hx＝8 m，则：

锅炉房最远角距离避雷针的水平距离为：

由此可见，rx＞r，水塔上面的避雷针可以保护锅炉房。

（2）避雷线。避雷线是用来保护架空电力线路和露天配电装置免受直击雷的装置。它由悬挂在空中的接地导线、接地引下线和接地体等组成，因而也称为“架空地线”。它的作用和避雷针一样，将雷电引向自身，并安全导入大地，使其保护范围内的导线或设备免遭直击雷。

当单根避雷线高度h≥2hr 时，无保护范围。

当避雷线的高度h＜2hr 时，保护范围如图10－7 所示，保护范围应按如下方法确定：

①距地面hr 处作一平行地面的平行线。

②以避雷线为圆心、hr 为半径作圆弧交平行线于A、B 两点。

③以A、B 为圆心、hr 为半径作圆弧，这两条弧线相交或相切，并于地面相切。这两条弧线与地面所围成的空间就是避雷线的保护范围。

图10－7　单根避雷线的保护范围

（a）当2hr＞h＞hr 时；（b）当h＜hr 时

当hr＜h＜2hr 时，保护范围最高点的高度h0 按下式计算：

避雷线在hx 高度的xx′平面上的保护宽度bx。按下式计算：

式中 hx——保护物的高度；

h——避雷线的高度。

注意：确定架空避雷线的高度时，应考虑弧垂。在无法确定弧垂的情况下，等高支柱间的挡距小于120 m 时，其避雷线中点的弧垂宜选2 m；挡距为120～150 m 时，选3 m。

避雷带和避雷网。避雷带和避雷网用于在建筑物的边缘及凸出部分上加装，通引下线和接地装置很好地连接，对建筑物进行保护。为了达到保护的目的，避雷网的网格尺寸具体要求见表10－1。

（3）避雷器。避雷器是用来防止线路上的感应雷及沿线路侵入的过电压波对变电所内的电气设备造成损害。它一般接于各段母线与架空线的进出口处，装在被保护设备的电源侧，与被保护设备并联，如图10－8 所示。

2）防雷装置接地的要求

防雷装置按地的要求具体如下：

（1）避雷针接地必须良好，接地电阻不宜超过10 Ω。

（2）35 kV 及以下变配电所的避雷针应单独装设支架，避雷针与被保护设备之间的空间距离不小于5 m。

（3）独立避雷针应有自己专用的接地装置，接地装置与变配电所接地网间的距离应不小于3 m。

（4）避雷针及接地装置与道路入口等的距离应不小于3 m。

图10－8　避雷器安装示意图

四、防雷保护

1）架空线的防雷保护

（1）在60 kV 及以上的架空线路上全线装设避雷线。

（2）在35 kV 的架空线路上，一般只在进出变配电所的一段线路上装设避雷线。

（3）在10 kV 及以下线路上一般不装设避雷线。一般采用下列方法：

①提高线路本身的绝缘水平。可以采用高一级电压的绝缘子，以提高线路的防雷水平。

②尽量装设自动重合闸装置。线路发生雷击闪络之所以跳闸，是因为闪络造成了稳定的电弧而形成短路。当线路断开后，电弧即行熄灭，而把线路再接通时，一般电弧不会重燃，因此重合闸能缩短停电时间。

③装设避雷器和保护间隙用来保护线路上个别绝缘薄弱地点。

（4）对于低压（380 V／220 V）架空线路的保护一般可采取以下措施：

①在多雷地区，当变压器采用Yyn0 接线时，宜在低压侧装设阀式避雷器或保护间隙。当变压器低压侧中性点不接地时，应在其中性点装设击穿保险器。

②对于重要用户，宜在低压线路进入室内前50 m 处安装低压避雷器，进入室内后再装低压避雷器。

③对于一般用户，可在低压进线第一支持处装设低压避雷器或击穿保险器。

2）变配电所的防雷保护

（1）装设避雷针用来防止直击雷。

（2）装设避雷器用来保护主变压器，以免雷电冲击波沿高压线路侵入变电所，损坏变电所的关键设备，如图10－9 所示。

为了防止雷电波侵入变电所的3～10 kV 配电装置，应当在变电所的每组母线和每路进线上装设阀型避雷器，如图10－10 所示。

图10－9　3～10 kV 系统变压器的防雷保护

图10－10　3～10 kV 配电装置防止雷电波侵入的保护接线

3）高压电动机的防雷保护

高压电动机对雷电波侵入的保护应采用FCD 磁吹阀型避雷器或氧化锌避雷器。为了降低沿线路侵入的雷电波波头陡度，减轻其对电动机绕组绝缘的危害，可在电动机进线前面加一段100～150 m 的引入电缆，并在电缆前的电缆头处安装一组阀型避雷器，而在电动机电源端（母线上）安装一组并联有电容器的磁吹阀型避雷器，这样可以提高防雷效果。如图10－11 所示。

图10－11　高压电动机的防雷保护接线

4）建筑物的防雷措施

根据发生雷电事故的可能性和后果，将建筑物分为三类。第一类防雷建筑物是制造、使用或储存爆炸物，因电火花会引起爆炸，造成巨大破坏和人身伤亡的建筑物；第二类防雷建筑物是制造、使用或储存爆炸物，电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤亡的建筑物；第三类防雷建筑物是除第一、第二类建筑物以外的爆炸、火灾危险的场所。第一类防雷建筑物和第二类防雷建筑物中有爆炸危险的场所，应有防直击雷、防感应雷和防雷电波侵入的措施。第二类防雷建筑物（除有爆炸危险者外）及第三类防雷建筑物，应有防直击雷和防雷电波侵入的措施。

五、接地的有关概念

1）接地和接地装置

电气系统的任何部分与大地间作良好的电气连接，叫做接地。埋入地中用来直接与土壤接触并存在一定流散电阻的一个或多个金属导体组，称为接地体或接地极。电气设备接地部分与接地体连接用的金属导体，称为接地线。接地线在设备正常运行情况下是不载流的，但在故障情况下要通过接地故障电流。接地体与接地线，称为接地装置。由若干接地体在大地中用接地线相互连接起来的一个整体，称为接地网。其中接地线分为接地干线和接地支线，如图10－12 所示。接地干线一般不少于两根导体，在不同地点与接地网连接。

图10－12　接地网示意图

1—接地体；2—接地干线；3—接地支线；4—设备

2）接地电流和对地电压

当电气设备发生接地故障时，电流通过接地体向大地做半球形散开，这一电流称为接地电流，用IE 表示，如图10－13 所示。距离接地体越远的地方，散流电流越小，实验表明，在距离接地点约20 m 远处，实际散流电流基本为零。电气设备的接地部分与零电位的地的电位差为对地电压，用UE 表示。

图10－13　接地电流、对地电压及接地电位分布曲线

3）接触电压和跨步电压

接触电压是指电气设备绝缘损坏时，人体在地面上接触该电气设备，人体所承受的电位差，用Utom 表示，如图10－14 所示。跨步电压是指在接地故障点附近行走，由于人的双脚位置不同而使人的双脚之间所呈现的电位差，用Ustep 表示，如图10－14 所示。跨步电压的大小与离接地点的距离及跨步的长短有关，离接地点越近，跨步越长，跨步电压就越大。当离接地点约20 m 时，跨步电压通常为零。

图10－14　接触电压与跨步电压

接触电压和跨步电压均不能高于安全电压。

六、接地的种类

接地按其目的和作用可分为：工作接地、保护接地、防雷接地、防静电接地和重复接地等。这里我们详细介绍工作接地、保护接地和重复接地。

1）工作接地

为了确保电力系统中电气设备在任何情况下都能安全、可靠地运行，要求系统中某一点必须用导体与接地体相连接，称为工作接地。如电源中性点的直接接地或经消弧线圈的接地、绝缘监视装置和漏电保护装置的接地等都属于工作接地。

各种工作接地都有各自的作用。例如，电源中性点的直接接地，能在运行中维持三相系统对地电压不变；电源中性点经消弧线圈的接地，能在单相接地时消除接地点的断续电弧，防止系统出现过电压。

2）保护接地

为防止人体触及电气设备因绝缘损坏而带电的外露金属部分造成人体触电事故，将电气设备中所有正常时不带电、绝缘损坏时可能带电的外露部分接地，称为保护接地。根据电源中性点对地绝缘状态不同，保护接地分为TT 系统、IT 系统和TN 系统。

（1）TT 系统。TT 系统是在中性点直接接地系统中，将电气设备金属外壳通过与系统接线装置无关的独立接地体直接接地，如图10－15 所示。

如果设备的外露可导电部分未接地，则当设备发生一相碰壳接地故障时，外露可导电部分就要带上危险的相电压。由于故障设备与大地接触不良，这一单相故障电流较小，通常不足以使电路中的过电流保护装置动作，因而也就不能切除故障电源。这样，当人体触及带电的设备外壳时，加在人体上的就是相电压，触电电流大大超过极限安全值，增大了触电的危险性。

图10－15　TT 方式保护接地系统

如果将设备的外露可导电部分直接接地，则当设备发生一相碰壳接地故障时，通过接地装置形成单相短路。这一短路电流通常可使故障设备电路中的过电流保护装置动作，迅速切除故障设备，从而大大减少了人体触电的危险。即使在故障未切除时人体触及故障设备的外露可导电部分，也由于人体电阻远大于保护接地电阻，因此通过人体的电流也比较小，对人体的危害性相对也较小。

但在这种系统中，如果电气设备的容量较大，这一单相接地短路电流将不能使线路的保护装置动作，故障将一直存在下去，使电气设备的外壳带有一个危险的对地电压。例如，保护某一电气设备的熔体额定电流为30 A，保护接地电阻和中性点工作接地电阻均为4 Ω 时，当该设备发生单相碰壳时，其短路电流仅为27.5 A（设相电压为220 V），不能熔断30 A 的熔体。这时电气设备外壳的对地电压为110 V，远远超出了安全电压。所以TT 系统只适用于功率不大的设备，或作为精密电子仪器设备的屏蔽接地。为了克服上述缺点，还应在线路上装设漏电保护装置。

（2）IT 系统。IT 系统是在中性点不接地或通过阻抗接地的系统中，将电气设备正常情况下不带电的外露金属部分直接接地。在矿井井下全部使用这种保护接地系统。系统中没有装设保护接地时，如图10－16（a）所示。当电气设备发生一相碰壳接地故障时，若人体触及带电外壳，则电流经过人体入地，再经其他两相对地绝缘电阻和对地分布电容流回电源。当线路对地绝缘电阻显著下降或电网对地分布电容较大时，通过人体的电流将远远超过安全极限值，对人的生命构成了极大的威胁。

图10－16　IT 方式保护接地系统

（a）没有接地；（b）有接地

当装设保护接地装置时，如图10－16（b）所示。当人体触及碰壳接地的设备外壳时，接地电流将同时通过人体和接地装置流入大地，经另外两相对地绝缘电阻和对地分布电容流回电源。由于接地电阻比人体电阻小得多，所以接地装置有很强的分流作用，使通过人体的触电电流大大减小，从而降低了人体触电的危险性。

由于接地电阻与人体电阻是并联关系，所以接地电阻RE 越小，流过人体的电流也就越小。为了将流过人身的电流限制在一定范围之内，必须将接地电阻限制在一定数值以下。

（3）TN 系统。TN 系统分为下面三种，如图10－17 所示。(www.xing528.com)

图10－17　TN 方式保护接地系统

（a）TN—C 系统；（b）TN—S 系统；（c）TN—C—S 系统

TN—C 系统。该系统的中性线N 与保护线PE 是合在一起，电气设备不带电金属部分与之相连。

TN—S 系统。该系统的配电线路中性线N 与保护线PE 分开，电气设备的金属外壳接在保护线PE 上。

TN—C—S 系统。该系统是TN—C 和TN—S 系统的综合，电气设备大部分采用TN—C系统接线，在设备有特殊要求的场合局部采用专设保护线接成TN—S 形式。

3）重复接地

在三相四线制供配电系统中，将零线上的一处或多处，通过接地装置与大地再次连接的措施称为重复接地，如图10－18 所示。

图10－18　重复接地电气原理图

（a）没有重复接地；（b）有重复接地

保护接地系统中，当零线断线，断线点负荷侧的设备发生单相碰壳时，其外壳的对地电压为电网的相电压（设外壳与地的接触电阻为无穷大），此时当人体触及该外壳时，对人有绝对危险。当采用重复接地时，发生碰壳的电气设备外壳的对地电压为断线点后面重复接地装置的总接地电阻与断线点前面接地装置总接地电阻串联分压值，从而大大降低了人体触及带电外壳时的触电危险性。

重复接地不仅可降低零线断线时的危险性，在零线完好时也可降低碰壳设备的对地电压；还能增大碰壳短路时的短路电流，以缩短线路保护装置的动作时间；还可降低正常时零线上的电压损失。由此可见，在保护接地系统（TN 系统）中重复接地是不可缺少的。

为了提高保护接地系统的安全性能，应按以下要求进行可靠的重复接地：

（1）在架空线路的干线和分支线的终端及沿线每1 km 处，零线都要进行重复接地。

（2）架空线的零线进出户内时，在进户处和出户处零线都要进行重复接地。

（3）户内的零线应与配电盘、控制盘的接地装置相连。每一处重复接地装置的接地电阻均不得大于10 Ω。

（4）零线的重复接地装置，应充分利用自然接地体，以节约投资。

七、保护接零

地面低压电网为了获得380／220 V 两种电压，采用三相四线制供配电系统，其电源中性点采用直接接地的运行方式。直接接地的中性点称为零点，由零点引出的导线称为零线。

保护接零系统属于TN（TN—C）系统，就是将电气设备正常情况下不带电的外露金属部分与电网的零线作电气连接，如图10－19 所示。

图10－19　保护接零电气原理图

当电气设备发生一相碰壳时，则通过设备外壳造成相线对零线的金属性单相短路，使线路中的过流保护装置迅速动作，切断故障电路，减少了触电的概率。如果在电源被切断之前恰有人触及该带电外壳，则利用保护接零的分流作用，减少了人身触电电流，降低了人接触电压，从而使人身触电的危险性得以减少。

保护接零与保护接地相比，其最大的优越性就是能使保护装置迅速动作，快速切断电源，从而克服了保护接地的局限性。接零系统必须注意以下问题：

（1）保护接零只能用在中性点直接接地系统中，否则当发生单相接地故障时，由于设备外壳与地接触不良，不能使保护装置动作，此时当人体触及任一接零的设备外壳时，故障电流将通过人体和设备流回零线，危及人身体安全。

（2）在接零系统中不能有一些设备接零，而另一些设备接地，这种情况属于在同一供配电系统中，TN 方式和TT 方式混合使用。如前所述，在TT 方式下当接地设备发生单相碰壳时，线路的保护装置可能不会动作，使设备外壳带有110 V 危险的对地电压，此时零线上的对地电压也会升高到110 V，这将使所有接零设备的外壳全部带有110 V 的对地电压，这样人只要接触到系统中的任一设备都会有触电的危险。

（3）在保护接零系统中，电源中性点必须接地良好，其接地电阻不得超过4 Ω。

（4）为迅速切除线路故障，电网任何一点发生单相短路时，短路电流应不小于其保护熔体额定电流的4 倍或不小于自动开关过电流保护装置动作电流的1.5 倍。

（5）为了保证零线不致断线和有足够单相短路电流，要求零线的材料应与相线的相同。零线的截面不应小于表10－2 所列数值。

表10－2　零线允许的最小截面（单位：mm2）

注意：在中性线上不允许安装熔断器和开关，以防中性线断线，失去保护接零的作用，为安全起见，中性线还必须实行重复接地，以保证保护接零的可靠性。

八、接地装置的装设

接地体是接地装置的主要部分，其选择与装设是能否取得合格接地电阻的关键，接地体分为自然接地体和人工接地体。

（1）自然接地体的利用。利用自然接地体不但可以节约钢材，节省施工费用，还可以降低接地电阻。因此设计保护接地装置时，应首先考虑利用自然接地体，如地下金属管道（输送燃料管道除外）、建筑物金属结构和埋在土壤中的铠装电缆的金属外皮等。如果采用自然接地体接地电阻不满足要求或附近没有可使用的自然接地体时，应装设人工接地体。

利用自然接地体，必须保证良好的电气连接，在建筑物钢结构结合处凡是用螺栓连接的，只有在采取焊接与加跨接线等措施后才能利用。

（2）人工接地体的装设。自然接地体不能满足接地要求或无自然接地体时，应采用人工接地体。人工接地体通常采用垂直打入地中的钢管、圆钢或角钢，以及埋入土壤中的钢带制作。一般情况下，人工接地体都采取垂直敷设，特殊情况下（如多岩石地区），可采取水平敷设。如图10－20 所示。

图10－20　人工接地体的结构

（a）垂直埋设的人工接地体；（b）水平埋设的人工接地体

垂直埋入地中的接地体一般长2～3 m，为防止冬季土壤表面冻结和夏季水分的蒸发而引起接地电阻的变化，接地体上端与地面应有0.5～1 m 的距离。若采用扁钢作为主要接地体，其敷设深度一般不小于0.8 m。埋入地中的接地体的上端与连接钢带焊接起来，就构成了一个良好的接地系统。

按国标GB 5016—1992 有关规定，钢接地体和接地线的截面积不应小于表10－3 的规定。

表10－3　钢接地体的最小尺寸

对于110 kV 及以上变电所或腐蚀性较强场所的接地装置，应采用热镀锌钢材，或适当加大截面。

由于单根接地体周围地面电位分布不均匀，并且可靠性也差。为了使地面电位分布尽量均匀，以降低接触电压和跨步电压及提高接地可靠性，接地网的布置可采用环路式接地网，如图10－21 所示。

图10－21　加装均压带的环路式接地网

九、接地装置的接地电阻计算

接地体与土壤接触时，二者之间的电阻及土壤的电阻，称为流散电阻。而接地线电阻、接地体电阻及流散电阻之和，称为接地电阻。其中，接地体、接地线电阻甚小，可忽略不计，故可以认为接地电阻等于流散电阻。

1）接地电阻的要求

对接地装置的接地电阻进行限定，实际上就是限制接触电压和跨步电压，保证人身安全。电力装置的工作接地电阻应满足以下几个要求。

（1）电压为1 000 V 以上的中性点接地系统中，电气设备实行保护接地。由于系统中性点接地，故电气设备绝缘击穿而发生接地故障时，将形成单相短路，由继电保护装置将故障部分切除，为确保可靠动作，此时接地电阻RE≤0.5 Ω。

（2）电压为1 000 V 以上的中性点不接地系统中，由于系统中性点不接地，当电气设备绝缘击穿而发生接地故障时，一般不跳闸而是发出接地信号。此时，电气设备外壳对地电压为REIE，IE 为接地电容电流，当这个接地装置单独用于1 000 V以上的电气设备时，为确保人身安全，取REIE 为250 V，同时还应满足设备本身对接地电阻的要求，即：

同时：

当这个接地装置与1 000 V 以下的电气设备共用时，考虑到1 000 V 以下设备分布广、安全要求高的特点，所以取：

同时还应满足下述1 000 V 以下设备本身对接地电阻的要求。

（3）电压为1 000 V 以下的中性点不接地系统中，考虑到其对地电容通常都很小，因此，规定RE≤4 Ω，即可保证安全。

对于总容量不超过100 kV·A 的变压器或发电机供配电的小型供配电系统，接地电容电流更小，所以规定RE≤10 Ω。

（4）电压为1 000 V 以下的中性点接地系统中，电气设备实行保护接零，电气设备发生接地故障时，由保护装置切除故障部分，但为了防止零线中断时产生危害，仍要求有较小的接地电阻，规定RE≤4 Ω。同样，对总容量不超过100 kV·A 的小系统可采用RE≤10 Ω。

2）接地电阻的计算

（1）人工接地体工频接地电阻的计算。

在工程设计中，人工接地的工频接地电阻采用下式计算。

①单根垂直管型接地体的接地电阻为：

式中 ρ——为土壤电阻率，Ω·m；

l——为接地体的长度，m。

②多根垂直管型接地体的接地电阻。

n 根垂直接地体并联时，由于接地体间的屏蔽效应的影响，使得总的接地电阻RE＜RE（1）／n。实际总的接地电阻为：

式中 ηE——接地体的利用系数，可以查相应的表得出。

③单根水平带形接地体的接地电阻为使得总的接地电阻：

④n 根放射形水平接地带（n≤12，每根长度l ≈60 m）的接地电阻为：

⑤环形接地带的接地电阻为：

式中 A——环形接地带所包围的面积，m2。

（2）自然接地体工频接地电阻的计算。

一些自然接地体工频接地电阻可用下式进行计算。

①电缆金属外皮及水管等的接地电阻为：

式中 l——电缆及水管等的埋地长度，m。

②钢筋混凝土基础的接地电阻为：

式中 V——钢筋混凝土基础的体积，m3。

③冲击接地电阻的计算。

冲击接地电阻是指雷电流流经接地装置泄放入地时的接地电阻，其一般小于工频接地电阻。冲击接地电阻可按下式进行计算：

式中 α——换算系数。

3）接地装置的设计计算

在已知接地电阻要求值的前提下，所需接地体根数的计算可按下列步骤进行：

（1）按国标GB 50057—1994 规定确定允许的接地电阻RE。

（2）实测或估算可以利用的自然接地体的接地电阻RE（nat）。

（3）计算需要补充的人工接地体的接地电阻RE（man），即：

若不考虑自然接地体，则RE（man）＝RE。

（4）按经验初步确定接地体和连接导线长度、接地体的布置，并计算单根接地电阻RE（1）。

（5）计算接地体的数量，即：

（6）校验短路热稳定度。对于大接地电流系统的接地装置，应进行单相短路热稳定度校验。由于钢线的热稳定系数C＝70，因此接地钢线的最小允许截面（mm2）为：

式中 ——单相接地短路电流；

tk——短路电流持续时间。

十、接地装置接地电阻的测量

接地装置施工完成后，使用前应测量接地电阻的实际值，以判断其是否符合设计要求。若不满足设计要求，则需要补打接地极。每年雷雨季节来临之前还需要重新检查测量。接地电阻的测量有电桥法、补偿法、电压—电流法和接地电阻测量仪法。

1）测量接地电阻的一般原理

如图10－22 所示，在两接地体上加一电压u 后，就有电流i 通过接地体A 流入大地后经接地体B 构成回路，形成图中所示的电位分布曲线，离接地体A（或B）20 m 处电位等于零，即在CD 区为电压降实际上等于零的零电位区。只要测得接地体A（或B）与大地零电位的电压uAC（或uBD）和电流i，就可以方便地求出接地体的接地电阻。

2）电压—电流法测量接地电阻

电压极和电流极为测量用辅助电极。电压极2、电流极3 与接地体1（接地极）之间的布置方案有直线布置和等腰三角形布置两种，如图10－23 所示。直线布置如图10－23（a）所示，取S13≥（2～3）D，D 为被测接地网的对角线长度；而S12 ≈0.6S13。等腰三角形布置如图10－23（b）所示，取S12 ≈0.6S13≥2D，夹角α＝30°。

在如图10－23 所示电路加上电源后，同时读取电压U、电流I 的值，即可由下式计算出接地装置的接地电阻：

图10－22　测量接地电阻的原理图

图10－23　接地电阻测量的电极布置方案

（a）直线布置；（b）等腰三角形布置
1—接地气；2—电压极；3—电流极

3）直接法测量接地电阻

采用接地电阻测量仪（俗称接地电阻摇表）可以直接测量接地电阻。

以常用的国产接地电阻测量仪ZC－8 型为例，如图10－24 所示。三个接线端子E、P、C 分别接于被测接地体（E′）、电压极（P′）和电流极（C′）。以大约120 r／min 的转速转动手柄，摇表内产生的交变电流将沿被测接地体和电流极形成回路，调节“粗调旋钮”和“细调拨盘”，使表针处于中间位置，便可以读出被测接地电阻。被保护电气设备具体操作过程如下：

（1）拆开接地干线和接地体的连接点。

（2）将两支测量接地钢棒分别插入离接地体20 m（接地棒P′）与40 m（接地棒C′）远的地中，深度约为400 mm。

图10－24　直接法测量接地电阻的电路

（a）接线图；（b）实物图

（3）把接地电阻摇表放置在接地体附近平整的地方，按图10－23 所示接线。

（4）根据被测接地体的估计电阻值，调节好“粗调旋钮”。

（5）摇测时，首先慢慢转动摇柄，同时调整“粗调旋钮”，使指针指零（中线），然后加快转速（约为120 r／min），并同时调整“细调拨盘”，使指针指示表盘中线为止。

（6）“细调拨盘”所指示的数值乘以“粗调旋钮”的数值，即为接地装置的接地电阻值。

十一、低压配电系统的等电位连接

等电位连接是指使电气装置各外露可导电部分及装置外的导电部分的电位作实质上相等的电气连接。等电位连接是为了降低接触电压，保障人身安全。图10－25 所示为一个总等电位连接和局部等电位连接示意图。

图10－25　一个总等电位连接和局部等电位连接示意图

MEB—总等电位连接；LEB—局部等电位连接

按GB 50054—1995 的规定，进行低压接地故障保护时，应该在建筑物内作总等电位连接；当电气装置或某一部分的接地故障保护不能满足要求时，还应该在局部范围内作局部等电位连接。

总等电位连接是在建筑物进线处，将PE 线或PEN 线与电气装置接地干线，建筑物内的各种金属管道，以及建筑物金属构件等都接向总等电位连接端子板，使它们都具有基本相等的电位，如图10－25 所示的MEB 部分。

局部等电位连接（辅助等电位连接）是在远离总等电位连接处，非常潮湿、有腐蚀性物质、触电危险性大的局部范围内进行的等电位连接，作为总等电位连接的一种补充，如图10－25 所示的LEB 部分。

在一般电气装置中，要求等电位连接系统的导通良好，从等电位连接端子板到被连接体末端的阻抗不大于4 Ω。

注意：无论是总等电位连接还是局部等电位连接，与每一电气装置的其他系统只可连接一次。

任务实施

接地极接地电阻的测定

任务实施表如表10－4 所示。

表10－4　任务实施表

续表

评价总结

根据接地极接地电阻的测定结果，结合任务报告进行评议总结，并填写成绩评议表（表10－5）。

表10－5　成绩评议表