第八章-雷电及防雷设备分析

第八章雷电及防雷保护装置 雷电放电过程 雷电放电实质上是一种长气隙的火花放电 雷电参数 雷暴日与雷暴小时地面落雷密度与输电线的落雷次数雷电的极性雷电流幅值雷电流的波前时间 陡度及波长雷电流的计算波形雷电通道波阻抗 雷暴日与雷暴小时 一年中发生雷电的天数 小时 以听到雷声为准 少雷区 Td40如 华南某些地区雷电强烈区 Td 90如 海南岛雷州半岛 标准雷暴日为40日 地面落雷密度 与输电线的落雷次数N 地面落雷密度 每雷暴日 每平方公里地面落雷次数 DL T620 1997推荐 在雷暴日为40的地区 1 地面落雷密度 0 07次 km22 每100km输电线每年雷击次数 b 导线间的距离h 导线的平均对地高度 举例 220kV线路 b 11 6m h 24 5m百公里雷击次数 N 30 7次500kV线路 b 18 6m h 27 25m百公里雷击次数 N 35 7次 75 90 的雷击都是负极性的 雷电的极性 雷电流幅值 雷电流通常定义为雷击于小接地电阻 30 的物体时流过雷击点的电流 雷电流幅值与出现概率可下式计算 雷电流幅值概率 陕南以外的西北地区 内蒙古自治区的部分地区等 这类地区的年平均雷暴日数一般在20以下 雷电流幅值较小 可由给定的概率按图查出雷电流幅值后减半 雷电流的波前时间 陡度及波长 A 双指数波b 斜角波c 斜角平顶波d 等值余弦波 在线路防雷设计中 雷电流波头一般取2 6微秒 波头形状取斜角形 在设计特殊高塔时 可取半余弦波 平均陡度 雷电通道波阻抗建议取400欧姆放电能量雷电的功率很大 但能量有限 雷电过电压的形成 8 2避雷针 避雷线的保护范围 防直击雷避雷针 避雷线防侵入波避雷器 新华网重庆2007年 月 日电 记者王金涛 刘卫宏 重庆市开县义和镇兴业村小学 日遭受雷击 造成 名小学生死亡 名小学生受伤 其中 人重伤 避雷针 LightningRod 辞海中避雷针的解释 一种防直击雷的装置 由金属棒组成 装在独立架构或建筑物顶上 它与接地引下线和接地装置配合 能把一定范围的高空雷电引向自身 泄入大地以保护周围建筑物或屋外电气装置免遭或少遭雷击 避雷针的保护原理 先导 先导 电子崩 流柱 先导 主放电 避雷针 线 的保护原理可以归为 避雷针尖场强高 大量感应电荷畸变电场 并吸引雷电先导沿向避雷针方向发展 直击于其上 针尖放电引起上行先导 更加吸引下行先导向避雷针方向发展 避雷针保护动画演示 避雷针与避雷线的保护范围 保护范围是指被保护物在此空间内遭受雷击概率 绕击率 在可接受值之内 绕击指的是雷电绕过避雷装置而击中被保护物体的现象 电力系统标准与统计数据 电力行业标准DL T620 1997规定的避雷针保护范围内绕击率预计为0 1 保护范围可靠性为0 999 统计了我国4272 变电所 年 的运行经验绕击率为0 07 表明低于预计的0 1 是可接受的 避雷针的保护范围计算 单支避雷针保护范围 两支等高避雷针联合保护范围 两支不等高避雷针联合保护范围 三支避雷针联合保护范围 多支避雷针联合保护范围 单只避雷针的保护范围 垂直保护范围截面 水平保护范围截面 P 单只避雷针的保护范围 垂直保护范围截面 水平保护范围截面 高度修正系数 h 30mP 130m h 120m h 120m取P 120m计算 P 练习题 某电厂有一原油罐 直径10m 高出地面10m 用独立避雷针保护 要求针距罐壁至少5m 试问避雷针的高度不低于多少米 h 根据题意 rx 15m由公式rx 1 5h 2hx P hx h 2 rx 1 5h 2hx P 15m且hx 10m若针高h 30m P 1 解得 h 23 3m h 25m 答案 思考题 1 除了传统的针形避雷针 还有哪些防直击雷的装置 2 能否设计计算机程序进行避雷针保护范围计算 并显示三维图象 小结 雷电是由于雷云引起的云间和云地之间的长间隙放电 地面落雷对电力系统造成危害 雷电具有多种参数 其中包括雷暴日 落雷密度等重要参数 避雷针在一定范围内能保护低于它的物体 并存在一定的绕击率 两只等高避雷针保护范围 1 外侧按单针保护范围计算 2 内侧最低保护高度h0 h D 7P 3 水平面最窄处宽度 bx 1 5 h0 hx 两只不等高避雷针保护范围 三只避雷针保护范围 按每两只针的不同组合 分别计算联合保护范围 只要计算出的所有bx 0 则中间部分均能保护 四支及四支以上避雷针保护范围 四支及以上等高避雷针所形成的四角形或多角形 可先将其分成两个或几个三角形 然后分别按三支等高避针的方法计算 如各边保护范围的一侧最小宽度b 0 则全部面积即受到保护 单根避雷线的保护范围 rx 0 47 h hx P hx h 2 rx h 1 53hx P hx h 2 避雷线的保护角 杆塔上避雷线对边导线的保护角110及220千伏线路 一般采用200 300左右 500kV线路一般15 左右 8 3避雷器 LightningArrester 保护间隙排气式避雷器阀式避雷器金属氧化物避雷器 避雷器保护作用原理示意图 1 保护间隙2 排气式避雷器3 阀型避雷器4 氧化锌避雷器5 被保护电器设备 避雷器的基本要求 具有良好的伏秒特性 以易于实现合理的绝缘配合 具有一定的通流容量 其残压必须低于被保护物的冲击耐压 具应有较强的绝缘强度自恢复能力 以利于快速切断工频续流 使系统得以继续运行 保护间隙 保护间隙的缺点 1 伏秒特性陡峭 保护性能不是很好 2 没有专门的灭弧装置 灭弧能力有限 3 保护间隙动作后产生大幅值的截波 对变压器等设备绝缘不利 管式避雷器 排气式避雷器 阀式避雷器 阀式避雷器的工作原理 1 SiC阀片电阻具有非线性 2 避雷器放电后 残压较低且平坦 金属氧化物避雷器 MOA MetalOxideSurgeArresters 无间隙 MOA与阀式避雷器相比的优点 1 基本无工频泄漏电流 省去了火花间隙 结构大大简化 2 通流容量大 无工频续流 3 保护性能更加优越 1 伏安特性更优 2 伏秒特性更平坦 MOA避雷器由于其优异的性能 已经得到广泛应用 并基本完全取代阀式避雷器 MOA避雷器的电气参数 1 额定电压 施加到避雷器端子间的最大容许工频电压 kV 有效值 亦即在保证熄灭工频续流的条件下 允许加在间隙上的工频电压 2 残压ures 放电电流通过避雷器时在端子间的最大电压值 kV峰值 220kV及以下系统u5 330kV及以上系统u10 3 参考电压uref 直流参考电压 在直流参考电流 1mA 下测出的避雷器上的电压 8 4防雷接地GroundingforLightning 接地的基本概念 指地面上的金属物体或电气回路中的某一点通过导体 通常指接地装置 与大地相联 使该物体或节点与大地保持等电位 工作接地保护接地防雷接地防静电接地 接地的类型 1 工作接地根据电力系统正常运行的需要而设置的接地交流电力系统根据中性点是否接地而分为中性点接地系统和中性点绝缘系统 另外还有中性点通过电阻或电感接地的中性点非有效接地系统 2 保护接地在电气设备发生故障时 电气设备的外壳将带电 如果这时人接触设备外壳 将产生危险 因此为了保证人身安全 所有电气设备的外壳必须接地 这种接地称为保护接地 3 静电接地为防止静电电荷积累产生的火花 对可燃物造成的危险 将金属物体接地 泄放电荷 4 防雷接地雷电防护设备都必须与合适的接地装置相连 以将雷电流导入大地 这种接地称为防雷接地 工程用接地电阻 接地电阻 接地引线电阻 接地体本身 接地体与大地接触电阻 大地溢流电阻 跨步电压 无穷远处零电位 接触电压 电力系统工作接地电阻值 一般在0 5 10 范围内 发电厂 变电所电气装置保护接地的接地电阻要求简介 有效接地和低电阻接地系统 一般情况下 接地装置的接地电阻应符合下式 R 2000 I 当接地电阻不符合上式要求时 可通过技术经济比较 增大接地电阻 但不得大于5 并验算跨步电压和接触电压 交流电气装置的接地DL T621 1997 不接地 消弧线圈接地和高电阻接地系统中 高压与发电厂 变电所电力生产用低压电气装置共用的接地装置应符合下式R 120 I但不超过4 高压电气装置的接地装置 应符合下式R 250 I但不超过10 在高土壤电阻率地区的接地电阻不应大于30 发电厂 变电所电气装置雷电保护接地的接地电阻 独立避雷针 含悬挂独立避雷线的架构 的接地电阻 在土壤电阻率不大于500 m的地区不应大于10 变压器门型构上避雷针 线的接地电阻应符合DL T620 1997 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合 的要求 发电厂和变电所有爆炸危险且爆炸后可能波及发电厂和变电所内主设备或严重影响发供电的建 构 筑物 防雷电感应的接地电阻不应大于30 发电厂的易燃油和天然气设施防静电接地的接地电阻不应大于30 架空线路杆塔保护接地的接地电阻不宜大于30 架空线路雷电保护接地的接地电阻应符合DL T620 1997 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合 的要求 冲击雷电流下接地电阻的变化 出现火花效应 使接地电阻减小 当接地体长度较长时出现电感效应 使接地电阻增大 冲击电流流过的接地电阻 冲击接地电阻Rch冲击系数 ch 一般小于1 接地电阻的计算 单根垂直接地体 单根水平接地体 A 形状系数 表1系数A与接地体型式的关系 D L L2 L1 变电所地网接地电阻计算经验公式 土壤电阻率L 全部水平接地体的总长度 m S 接地网所占的总面积 人工接地极工频接地电阻简易计算式 多根垂直接地体并联 ch 冲击利用系数 土壤电阻率 计算雷电保护接地装置所采用的土壤电阻率 应取雷季中最大可能的数值 并按下式计算 0 土壤电阻率 m 0 雷季中无雨水时所测得的土壤电阻率