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高电压技术 第9章雷电及防雷保护装置 大气过电压是由于雷电形成的 它是造成系统故障的主要原因之一9 1雷云放电及雷电过电压热气流上升 冷凝产生冰晶 冰晶碰撞分裂 导致带负电荷的较轻部分被风吹走 形成雷云 雷云放电通常分为先导部分和主放电两个阶段 云 地之间的线状雷电由雷云边缘向地面发展 逐级推进 先导放电 当先导接近地面时 地面上一些高耸的物体会发出向上的迎面先导 与下行先导相遇时电闪雷鸣 主放电 主放电沿着负的下行先导通道 由下而上逆向发展 称为 回击 第一次放电形成的放电通道中 会有多次放电尾随 第二次及以后的放电 先导自上而下连续发展 没有停顿现象 放电的数目平均2 3次 通常第一次冲击电流最大 雷电放电的发展过程和雷电流的波形 9 1 2雷击时的等值电路 主放电瞬间 可用开关S的闭合来模拟Z是被击物的阻抗 由于电荷运动形成电流 因此雷击点的电位发生突然变化u iZ 雷电具有电流源的性质 当Z 0时 i 2i0 一般 Z0 300 400 Z Z0 因此 也可认为i 2i0i称为雷电流 9 2雷电参数及雷电活动规律 雷电设计中 最关心 雷电流波形 幅值分布及落雷密度等9 2 1雷电流幅值和波形 一 幅值分布的概率对于雷暴日数 20的地区 我国现行推荐雷电流幅值概率为 对于雷暴日数 20的地区 除陕南以外的西边地区 内蒙古部分地区 我国现行推荐雷电流幅值概率为 二 波形和极性 我国防雷规程建议值为 2 6 50 s 平均陡度为 在保护计算中 可取双指数波 为简化计算一般可取斜角平顶波 但在特高塔的设计中 可取半余弦波头 表达式为 I为雷电流幅值 为角频率 f 1 2 106s 1 f为波头时间 2 6 s 极性 75 90 的雷为负极性雷 因此一般按照负极性雷进行研究 9 2 2雷暴日和雷暴小时 年平均雷暴日和年平均雷暴小时是表征雷电活动频繁程度的指标 雷暴日 一年中有雷电的天数 在一天之内 只要听到雷声就算一个雷暴日 雷暴小时 一年中有雷电的小时数 在一小时之内 只要听到雷声就算一个雷暴小时 我国大部分地区的雷暴小时与雷暴日之比为3 我国规程建议采用雷暴日作为计算单位 9 2 3地面落雷密度和输电线路落雷次数 地面落雷密度反映了云 地之间的放电 地面落雷密度 每平方公里每雷暴日的对地落雷次数 用 表示 e g 我国标准规定 对雷暴日T 40的地区 0 07次 km2 雷暴日输电线路的存在 改变了雷云 地之间的电场分布 根据模拟试验和运行经验 输电线路每侧的引雷宽度为2he g 对每100km的输电线路 每年遭雷击的次数为 防直击雷最常用的措施是装设避雷针 线 保护原理 由于避雷针 线 一般均高于被保护对象 它们的迎面先导发展得最早最快 从而影响下行先导的发展方向 使之击中避雷针 线 并将雷电顺利泄入地下 从而使得周围的较低物体受到屏蔽和保护 免受雷击 避雷针 线 的基本组成部分 接闪器 引发雷击的部分 引下线和接地体 保证被保护物绝对不受直接雷击是不现实的 保护范围按99 的保护概率而定 9 3避雷针和避雷线 9 3 1避雷针的保护范围 避雷针 线 的保护范围是按照99 9 的概率计算的 避雷线的保护范围避雷线的保护长度与线等长 因此适用与架空线路与大型建筑群 单根避雷线的保护范围 两根避雷线的保护范围 保护角是指避雷线与所保护的外侧导线之间的连线与经过避雷线的铅垂线之间的夹角 保护角越小 避雷线对导线的屏蔽保护作用就越好 有些国家还采用负保护角 9 4避雷器 当发生绕击或者感应时 过电压波将沿线路传播入侵发电厂 变点站等 避雷器的要求 良好的伏秒特性 冲击系数 冲击放电电压与工频放电电压之比 冲击系数越小 伏秒特性越平缓 保护性能越好 绝缘自恢复能力按发展历程看 保护间隙 管型避雷器 普通阀式避雷器 磁吹避雷器 金属氧化物避雷器等 氧化锌 ZnO 避雷器 ZnO避雷器又叫金属氧化物避雷器 MOA ZnO避雷器由ZnO电阻片组成 具有优异的非线性伏安特性 因此可以取消火花间隙 实现无间隙无续流 且造价低廉 1 ZnO晶粒 粒径为10 m左右 电阻率为1 10 cm 2 包围着ZnO晶粒的Bi2O3晶界层 厚度为0 1 m左右 电阻率大于1010 cm 3 零散分布于晶界层中的尖晶石Zn7Sb2O12 ZnO电阻片的非线性特性主要取决于晶界层 在低电场下其电阻率很高 当层间电位梯度达到104 105V cm时 其电阻率急剧下降到低阻状态 ZnO的伏安特性曲线 区域 为低电场区 电流密度与电场强度的开方成正比 非线性系数 约为0 1 0 2 区域 为中电场区 晶界层电阻Rv减小 非线性系数 大为下降 约为0 01 0 04 区域 为高场强区 ZnO本体电阻R起主要作用 电流与电压成正比 伏安特性曲线向上翘 ZnO避雷器的主要优点 无间隙结构简单 重量轻 无电压分布不均 放电电压不稳定等 保护可靠性高无续流不需吸收续流能量 动作负载轻 可承受多次重复雷击或者重复操作过电压电气设备所受过电压可减低在整个过电压阶段都有电流流过 因此降低了过电压幅值通流容量大不受串联间隙被灼伤的制约 阀片的通流能力仅与本身通流能力有关 可并联进一步提高通流能力 易于制成直流避雷器 ZnO避雷器的电气性能 额定电压能短期耐受的最大工频电压有效值最大持续运行电压能长期持续运行的最大工频电压有效值起始动作电压 参考电压 转折电压 开始进入动作状态的电压 通常为U1mA压比在8 20us的冲击电流规定值下 残压与起始动作电压之比 越小 非线性越好 荷电率最大场强工作电压与起始动作电压之比工频耐受电压特性对工频过电压的耐受能力保护比额定残压与最大长期工作电压峰值之比 越小 保护性能越好 9 5接地技术与接地装置 接地 把地面上的电气设备的一部分经埋入地中 包含水泥和水 的接地体 如金属棒 管 带 网等 与大地作电气连接 从而使接地点对地保持尽可能低的电位 9 5 1接地和接地电阻的概念电工中 地 的定义是地中不受入地电流的影响而保持着零电位的土地 将电气设备导电部分和非导电部分 例如电缆外皮 的某一节点通过导体与大地进行人为连接 使该设备与大地保持等电位的方法 称为接地 接地装置原理图 由于大地电阻率的存在 当有电流流过时 出现电场分布 相对与无穷远处的零电位点 接地体处有电位升高 需要降低接地电阻值 接地体有人工和天然的两类 人工是指专门为接地而设置的 自然的是指用于别的目的 也可兼做接地 9 5 2接地的分类 1 工作接地工作接地电阻一般为0 5 10 2 保护接地为保障人身安全而将设备外壳接地 要求接触电位差和跨步电位差 通常保护电阻约为1 10 3 防雷接地目的是减小雷电流通过接地装置时的地电位升高 火花效应 雷电流幅值大 使得土壤发生局部放电 接地体的等效尺寸加大 因此电阻降低 电感影响 雷电流等值频率高 使得接地体的电感阻抗加大 阻碍电流向接地体远端流通 接地体不能得到充分利用 因此接地体的电阻增加 冲击系数 9 5 3工程实用的接地装置 一 典型接地体的接地电阻jn为电流密度 A m2 En为电场强度 V m 为土壤电阻率 m 为土壤的介电常数 F m C为接地体对无穷远处的电容 F 一 垂直接地体 单根垂直接地体的电阻 N跟垂直接地体并联时 总电阻为 称为接地体的利用系数 由于屏蔽效应 1 接地体间距离a与接地体长度l的比值越小 就越小 一般 0 65 0 8 二 水平接地体 L为接地体的总长度 m h为接地体埋设深度 m A为形状系数由以上公式算出的是工频接地电阻值 雷电流作用下冲击接地电阻的计算 还需要利用冲击系数 三 伸长接地体 为了减小接地电阻 用很长的接地体 通常称这种接地体为伸长接地体 由于雷电流的等值频率很高 接地体的自身电感会有很大影响 此时接地体表现出具有分布参数的传输线的阻抗特性 加上火