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第六章避雷器,雷击故障及防雷措施电力避雷器分类氧化锌避雷器的运行故障典型避雷器产品,第一节雷击故障及防雷措施,雷害事故是架空送电线路最频发的事故，我国历年送电事故统计中，雷害事故平均约占60%以上。在雷曝日平均40日以上的多雷地区和强雷地区，雷害事故可达送电事故的70%以上。因此线路防雷工作在架空线路的安全运行工作中是一项十分重要的工作。,一、概述,（1）感应雷感应雷是当雷击于线路附近地面时，在雷电放电的先导阶段，先导路径中充满了电荷(例如负电荷)，它对导线产生了静电感应，在先导路径附近的导线上积累了大量的异号束缚电荷(正电荷)。当雷击大地后，主放电开始，先导路径中的电荷自下而上被迅速中和，这时导线上的束缚电荷转变为自由电荷，向导线两侧流动。由于主放电的速度很快，所以导线中的电流也很大，感应电压波(正极性)U=IZ就会达到很大的数值。,二、线路遭受雷击的形式及危害,1、线路遭受雷击的形式,图2-1感应雷,由感应雷形成的感应过电压数值常为100200kV，最大也不超过600kV。因此其对110kV以上线路的危害不大，但足以破坏35kV及以下的输电线路。,（2）直击雷指带电的雷云直接对架空线路的地线、杆塔顶或导线、绝缘子等放电，以波的形式分左右两路前进而引起直击雷过电压的现象。直击雷过电压对于任何电压等级的线路都是危险的。线路的雷电过电压除雷击杆顶之外，通常还有三种情况：雷电击于无避雷线的导线；雷电绕过避雷线击于导线；雷击于档距中央附近的避雷线。,图2-2直击雷,2、雷击对线路的危害（1）绝缘子串闪络，电源开关跳闸严重时引起绝缘子串炸裂或绝缘子串脱开形成永久性的接地故障。（2）雷击导线引起绝缘闪络，造成单相接地或相间适中短路，其短路电流可能把导线、金具、接地引下线烧伤甚至烧断。其烧伤的严重程度取决于短路功率及其作用的持续时间。（3）架空地线档中落雷时，在与放电通道相连的那部分地线上，有可能灼伤、断股、强度降低，以致断地线。（4）当线路遭受雷击时，由于导线、地线上的电压很高，还可能把交叉跨越的间隙或者杆塔上的间隙击穿。,图2-3感应雷雷击跳闸时零质绝缘子钢帽炸裂照片,110kV线耐张塔合成绝缘子受雷击图片,国家电网公司规定：各电压等级线路的雷击跳闸率在现阶段应力争达到如下目标：110(60)kV:0.525次/100km.a;220kV:0.315次/100km.a;330kV:0.2次/100km.a;500kV:0.14次/100km.a。35kV线路暂时不考核雷击跳闸率。,三、防雷保护措施,（1）避雷线防止线路遭受直击雷，引雷入地；（2）改善线路的接地或加强线路的绝缘保证地线遭雷击后不引起间隙击穿而使绝缘闪络；（3）减小线路绝缘上的工频电场强度或采用中性点非直接接地系统保证即使线路绝缘受冲击发生闪络，也不至于变为两相短路或跳闸。（4）采用自动重合闸或采用双回路或环网供电保证即使线路跳闸也不至于中断供电。,四道防线,1、架设避雷线2、适当加强线路绝缘3、采用差绝缘方式4、架设耦合地线5、耦合地埋线6、预放电棒与负角保护针(侧向避雷针)7、升高避雷线减小保护角8、塔顶避雷针9、装设消雷器10、加装悬挂式避雷器,注意：线路避雷器造价比较昂贵，500kV线路避雷器约为8.0万元/相。而且线路避雷器的运行维护与检修工作量很大。最有效的方法就是选择经常发生雷击故障，土壤电阻率高、降低杆塔接地电阻有困难的线路段杆塔上安装，可以有效降低线路的雷击跳闸率。,第二节避雷器的分类,避雷器，又叫做过电压限制器，它的作用是把已侵人电力线、信号传输线的雷电高电压限制在一定范围之内，保证用电设备不被高电压冲击击穿。常用的避雷器种类繁多，但归纳起来可分为为四大类:(1)阀型;(2)放电间隙型;(3)高通滤波型;(4)半导体型。根据用途分为两大类，即电力避雷器和电信避雷器。本章主要介绍电力避雷器和电信避雷器的基本工作原理、分类、应用。,一电力避雷器,1避雷器的基本要求,电力避雷器：用在电力输配线路上限制操作引起的内部过电压或雷电过电压的装置。,2一般工作原理：当作用电压超过电力避雷器的放电电压时，避雷器即先放电，限制了过电压；放电体结束，绝缘强度能自己恢复，保证电力设备正常运作。,防雷器在纳秒内导通，将脉冲电压短路于地泄放，后又恢复为高阻状态，从而不影响用户设备的供电。,设备,当电网由于雷击出现瞬时脉冲电压时，防雷器在纳秒内导通。,例:10kV变电所常见防雷保护,（1）伏秒特性：指电压与时间的对应关系。（2）工频续流：指雷电压或过电压放电结束，但工频电压仍作用在避雷器上，使其流过的工频短路接地电流。（3）绝缘强度自恢复能力：电气设备绝缘强度与时间的关系，即恢复到原来绝缘强度的快慢。（4）避雷器的额定电压：把工频续流第一次过零后，间隙所能承受的，不至于引起电弧重燃的最大工频电压，又称电弧电压。,3、电力避雷器的涉及的几个指标,4、对电力避雷器的基本要求（1）避雷器的伏秒特性的上限不得高于电气设备的伏特特性的下限。,（2）要求避雷器间隙绝缘强度的恢复程度高于避雷器上恢复电压的增长程度。,5、产品型号说明JB/T8459-1996避雷器产品型号编制方法产品型式：Y表示瓷套式金属氧化物避雷器YH（HY）表示有机外套金属氧化物避雷器结构特征：W表示无间隙C表示串联间隙使用场所：S表示配电型Z表示电站型R表示并联补偿电容器用D表示电机用T表示电气化铁道用X表示线路型附加特性：W表示防污型G表示高原型TH表示湿热带地区用DL表示电缆型避雷器（优点：产品采用全密封结构，爬电距离大，能适用于重污染场所),6、电力避雷器按放电类型分类：保护间隙，排气式避雷器、阀型避雷器，氧化锌避雷器。,辅助间隙的作用：为防止主间隙被外物短接而造成接地短路事故,主间隙采用角形，使工频续流电弧在自身电动力和热气流的作用下，易于上升被拉长而自行熄灭。,1)、结构：常见面形保护间隙避雷器,(1).保护间隙,由主间隙和辅助间隙构成。,等效电路,2)、应用：常用于中性点不直接接地10KV以下的配电网络中，一般安装在高压熔断器的内侧，以减少变电所线路断器的跳闸次数。,主要不足点是强大的冲击电流会造成三相变压器的相间绝缘损坏。,1圆钢；2主间隙；3辅助间隙；4被保护物；5保护间隙,(2)阀型避雷器1).结构：由放电间隙和非线形电阻阀片组成，并密封在瓷管内。放电间隙是由若干个标准单个放电间隙（间隙电容）串联而成，并联一组均压电阻，可提高间隙绝缘强度的恢复能力。,非线形电阻阀片也是由许多单个阀片串联而成.火花间隙由数个圆盘形的铜质电极组成，每对间隙用0.51mm厚云母片(垫圈式)隔开。,单个火花间隙,阀电阻特性,阀片电阻的伏安特性曲线,等效电路,2)、应用目前常用的避雷器，主要分低压（FS），高压（FZ）两种阀型避雷器，可根据输电，配电网络的电压大小灵活选择使用。,间隙电容,均压电阻,阀片电阻,与普通阀型避雷器基本相同，增加磁吹放电间隙并采用高温阀片电阻，其灭弧性能和通流能力比阀型强。主要用在330KV以及超高压变电所的电气设备保护。,(3)磁吹阀型避雷器,等效电路,阀片电阻,主火花间隙,辅助间隙,均压电阻,磁吹线圈,(4)氧化锌避雷器(应用最广）1)构造阀片由微小氧化锌晶粒为主要材料，加入一些金属氧化粉，经过加工成氧化锌电阻片。,2）伏安特性氧化匀压敏电阻在实际应用中最为重要的性能指标是其电压与电流之间的非线性关系，即伏安特性，典型氧化锌阀片的伏安特性如下图所示，该特性可大致划分为三个工作区:即小电流区、限压工作区和过载区。,小电流区，阀片中电流很小，呈现出高阻状态，在系统正常运行时，氧化锌避雷器中的压敏电阻阀片就工作于此区。限压工作区，阀片中流过的电流较大，特性曲线平坦，动态电阻氧化锌压敏电阻阀片与碳化硅阀片的伏安特性伏安特性的比较小，压敏电阻发挥对过电压的限压作用。过载区，阀片中流过的电流很大，特性曲线迅速上翘，电阻显著增大，限压功能恶化，阀片出现电流过载。,2)氧化锌避雷器特点电阻片具有非线性，正常工作电压下，只有微安级电阻性电流流过，避雷器的电阻非常大，泄漏电流非常小；在过电压时避雷器的电阻非常小，大电流泄得越快越好；残压低，动作快，安全可靠。,与传统的碳化硅避雷器相比。氧化锌避雷器特点：(1)优异的保护性能。MOA具有很好的非线性特性。(2)大的通流能力。具有良好的吸收雷击过电压和暂态过电压的能力。,(3)较高的运行可靠性。正常的工作状态下接近绝缘状态，工频续流仅为微安级，能量释放快速恢复高阻状态，运行可靠性高，抗污秽能力强。,ZnO、SiC和理想避雷器伏安特性曲线的比较,图2-27复合外套ZnO避雷器整体结构示意图1-硅橡胶裙套；2-金属端头；3-ZnO阀片4-高分子填充材料；5-一环氧玻璃钢芯棒；6-吊环；7-环氧玻璃钢筒；8-法兰,图2-28安装在输电线路上的带有间隙的复合外套ZnO避雷器1-复合外套氧化锌避雷器本体2-串联间隙环状电极3-固定间隙距离用的合成绝缘子4-线路绝缘子串,目前国内输电线路主要采用金属氧化物避雷器(MOA)。氧化锌避雷器由一个或并联的两个非线性电阻片叠合圆柱构成。它根据电压等级由多节组成，35110kV氧化锌是单节的，220kV氧化锌是两节的，500kV氧化锌是三节的，而750kV氧化锌则是四节的。,500kV变电站,6氧化锌避雷器的电气特性参数、额定电压额定电压是指允许加在避雷器两端的最大工频电压有效值。这一参数是按电网单相接地条件下健全相上最大工频过电压来选取的，并通过动作负荷试验和工频电压耐受特性试验进行校核。、持续运行电压持续运行电压是指允许长期连续加在避雷器两端的工频电压有效值。氧化锌避雷器在吸收过电压能量时温度升高，限压结束后避雷器在此电压下应能正常冷却而不致发生热击穿。避雷器的持续运行电压一般应等于或大于系统的最高运行相电压。、起始动作电压起始动作电压是指氧化锌避雷器通过1mA工频电流幅值或直流电流时，其两端工频电压幅值或直流电压值，该值大致位于伏安特性曲线上由小电流区向限压工作区转折的转折点处，从这一电压开始，避雷器将进入限压工作状态。、残压残压是指避雷器通过规定波形的冲击电流时，其两端出现的电压峰值，残压越低，避雷器的限压性能越好。,、荷电率荷电率表示氧化锌阀片上的电压负荷，它是避雷器的持续运行电压幅值与直流起始动作电压的比值。荷电率的高低将直接影响到避雷器的老化过程。荷电率高老化快，荷电率过低器保护特性变坏。选择荷电率需要考虑稳定性、泄漏电流大小和温度对伏安特性影响等因素，针对不同的电网确定合理的荷电率值。、压比压比是指氧化锌避雷器通过8/20s的额定冲击放电电流时的残压与起始动作电压之比，压比越小，表明通过冲击大电流时的残压越低，避雷器的保护性能越好。,第三节氧化锌避雷器的运行故障,氧化锌避雷器在投人电网运行后绝大多数运行良好，但在运行中也有损坏或爆炸的事故发生。电力部电科院的统计资料表明，国产高压氧化锌避雷器的全国平均事故率为0.286相/(百相年)，进口高压氧化锌避雷器的全国平均事故率为0.34相/(百相年)。造成氧化锌避雷器故障的主要原因有：(1)由于内部受潮引起故障。(2)氧化锌阀片本身老化引起的故障。(3)环境污秽引起避雷器损坏。从多年的运行事故调查中可知，避雷器事故大多发生在夏季南方湿热和污秽地区。,1避雷器的常见故障及处理,配电网线路避雷器,2避雷器预防性试验,避雷器投入运行前应做下列预防性试验。(1)绝缘电阻试验。使用中的阻值应大于2000M，非使用中的应大于2500M。(2)工频放电电压试验。(3)泄漏电流试验。数值规定不超过lOA。,(1)绝缘电阻试验(2)泄漏电流试验(3)工频参考电流下的工频参考电压,3避雷器运行监测器,避雷器在线监测器是串联工作在避雷器下面用来记录避雷器动作次数和监测避雷器泄露电流的一种装置。在线监测器测量出来的是流过MOA的总电流，其中包括有功电流及容性电流，而容性电流再设计寿命期内是不变的，所以，可近似地把读数增加情况看成是电流有功分量幅值的增加。,避雷器运行监测器,动作计数器原理,MOA在线监测系统,变电站避雷器在线检测系统,第四节避雷器典型产品,1.610kV系列常见实物如下几种,6kV10kV系统用复合外套金属氧化物避雷器性能满足JB/T8952-2005交流系统用复合外套金属氧化物避雷器及GB11032-2000交流无间隙金属氧化物避雷器两个标准的规定。配典型保护相应电压等级的开关柜、箱式变电站、电力电缆出线头、柱上油开关等配电设备免受大气和操作过电压的损坏；电站型保护发电厂、变电站的交流电气设备免受大气和操作过电压的损坏；线路型用于线路悬挂，进行沿线保护，从而降低了整个系统的过电压水平。,6kV10kV系统用复合外套金属氧化物避雷器典型产品技术参数,2.35kV系列,常见的实物,35kV系统用复合外套金属氧化物避雷器典型产品技术参数,特点：,体积小、外绝缘可满足4级特种污秽地区要求。35kV避雷器采用特殊的内部结构，产品安装方式（无底座安装、坐式安装、悬挂安装），供电现场