华中科技大学电气工程基础课件(熊银信)第13章电力系统防雷保护

1、HUST_CEEE第十三章第十三章 电力系统防雷保护电力系统防雷保护u第一节第一节 雷电的放电过程和雷电参雷电的放电过程和雷电参数数u第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置u第三节第三节 架空输电线路的防雷保护架空输电线路的防雷保护u第四节第四节 发电厂和变电站的防雷保发电厂和变电站的防雷保护护HUST_CEEE一、雷电放电过程一、雷电放电过程 雷云的带电过程：雷云的带电过程：在在512km高度的雷云主要是带正电荷，在高度的雷云主要是带正电荷，在15km高度的雷云主要是负电荷。当云中电荷密集中心的场强达到高度的雷云主要是负电荷。当云中电荷密集中心的场强达到2530kV/cm

2、时，就可能引发雷电放电。时，就可能引发雷电放电。 雷云放电主要是在云间或云内进行，只有小部分是对地发生的，雷云放电主要是在云间或云内进行，只有小部分是对地发生的，而且往往对地放电危害最大。而且往往对地放电危害最大。7590左右的雷电流是负极性的。雷左右的雷电流是负极性的。雷电放电方式：线状、片状和球状。电放电方式：线状、片状和球状。 图图13-1 雷电放电的光学照片和电流变化雷电放电的光学照片和电流变化(a) 负雷云下行雷的放电光学照片；负雷云下行雷的放电光学照片；(b) 放电过程中雷电流的变化放电过程中雷电流的变化 第一节第一节 雷电的放电过程和雷电参数雷电的放电过程和雷电参数 根据云地之间

3、线根据云地之间线状雷电的光学照片，状雷电的光学照片，如图如图13-1所示，由此可所示，由此可了解雷电放电的一般了解雷电放电的一般过程。一般一次雷击过程。一般一次雷击包括包括先导、主放电和先导、主放电和余辉余辉三个阶段。三个阶段。 HUST_CEEE1先导阶段先导阶段 雷云下部伸出微弱发光的放电通道向地面的发展是分级推进的，雷云下部伸出微弱发光的放电通道向地面的发展是分级推进的，每一级的长度为每一级的长度为2550m，停歇时间为，停歇时间为3090 s，下行的平均速度约，下行的平均速度约为为0.10.8m/ s，此过程称为，此过程称为先导放电过程。先导放电过程。2主放电和迎面流注阶段主放电和迎面

4、流注阶段 当雷电先导接近地面时，会从地面较突起的部分发出向上的当雷电先导接近地面时，会从地面较突起的部分发出向上的迎迎面先导面先导（也称（也称迎面流注迎面流注），当不同极性的下行先导和迎面先导相），当不同极性的下行先导和迎面先导相遇时，就产生强烈的电荷中和过程，伴随雷鸣和闪电，出现极大遇时，就产生强烈的电荷中和过程，伴随雷鸣和闪电，出现极大的电流（数十至数百的电流（数十至数百kA），这就是），这就是主放电阶段主放电阶段。3余辉阶段余辉阶段 在主放电过程结束在主放电过程结束后，云中残余电荷经过后，云中残余电荷经过主放电通道流向大地，主放电通道流向大地，这一阶段称为这一阶段称为余辉（余余辉（余光）

5、阶段光）阶段。 第一节第一节 雷电的放电过程和雷电参数雷电的放电过程和雷电参数HUST_CEEE 雷电主放电的瞬间，虽然功率很大，但是雷电产生的能量雷电主放电的瞬间，虽然功率很大，但是雷电产生的能量却很小，即其破坏力虽然大，但是实际利用价值很小却很小，即其破坏力虽然大，但是实际利用价值很小。以一以一次中等雷电为例，取雷云电位次中等雷电为例，取雷云电位U为为50MV，电荷，电荷Q为为8C，则其，则其能量为：能量为： WUQ/255 kWh 每平方每平方km每年（雷暴日为每年（雷暴日为40）的落雷次数可取）的落雷次数可取2.8次，所次，所以每平方以每平方km每年获得的雷电总能量为：每年获得的雷电总

6、能量为： W552.8154 kWh其平均功率仅为：其平均功率仅为：P154103/365/2417.58W 但是，但是，雷电主放电的瞬时功率雷电主放电的瞬时功率P却很大却很大，例如若雷电流，例如若雷电流I以以50kA计算，压降以计算，压降以6kV/m计，雷云高度以计，雷云高度以1000m计，则主放计，则主放电功率电功率P可达到可达到P5061000300,000 MW 第一节第一节 雷电的放电过程和雷电参数雷电的放电过程和雷电参数HUST_CEEE二、雷电参数二、雷电参数 雷电参数是雷电过电压计算和防雷设计的基础，目前常采用的参雷电参数是雷电过电压计算和防雷设计的基础，目前常采用的参数是建立

7、在现有雷电观测数据的基础上总结出来的。数是建立在现有雷电观测数据的基础上总结出来的。1雷暴日雷暴日(Td)和和雷暴小时雷暴小时(Th) 雷暴日雷暴日是指该地区一年四季中有雷电放电的天数。由于不同年份是指该地区一年四季中有雷电放电的天数。由于不同年份的雷暴日数变化较大，一般采用多年平均值的雷暴日数变化较大，一般采用多年平均值年平均雷暴日年平均雷暴日。一个。一个小时以内听到一次及以上雷声就算一个小时以内听到一次及以上雷声就算一个雷暴小时雷暴小时。据统计，每一个雷。据统计，每一个雷暴日折合为暴日折合为3个雷暴小时。个雷暴小时。 (2005名)2地面落雷密度地面落雷密度 地面落雷密度地面落雷密度表示每

8、平方公里每雷暴日的地面受到的平均落雷表示每平方公里每雷暴日的地面受到的平均落雷次数。次数。值与年平均雷暴日数值与年平均雷暴日数Td有关有关。一般。一般Td较大的地区，其较大的地区，其值也值也较大。我国标准推荐采用较大。我国标准推荐采用CIGRE 1980年提出关系式年提出关系式：Ng0.023 Td1.3 和和 0.023 Td0.3式中，式中，Ng为每年每平方为每年每平方km地面落雷数；地面落雷数；Td为雷暴日数。为雷暴日数。 线路年平均受雷击的次数线路年平均受雷击的次数：N10h/100010h/1000100100T Td d ( (次次/100km/100km年年) ) 若取若取T T

9、d d4040，0.070.07，则，则N2.82.8次次/100km/100km年。年。第一节第一节 雷电的放电过程和雷电参数雷电的放电过程和雷电参数HUST_CEEE3雷电流幅值雷电流幅值 雷电流雷电流是指雷击于低接地阻抗（是指雷击于低接地阻抗（30）的物体时流过该物体的电）的物体时流过该物体的电流，近似等于传播下来的电流入射波的流，近似等于传播下来的电流入射波的2倍，计算公式如下：倍，计算公式如下：jjZZiZZZui0000022 雷电流幅值雷电流幅值I是表示雷电强度的指标，是最重要的雷电参数。雷电是表示雷电强度的指标，是最重要的雷电参数。雷电流幅值流幅值I是根据实测数据经整理得出的结

10、果，图是根据实测数据经整理得出的结果，图13-2所示曲线为我国所示曲线为我国目前在一般地区使用的雷电流幅值超过目前在一般地区使用的雷电流幅值超过I的概率曲线。的概率曲线。图图13-2 我国雷电流幅值概率曲线我国雷电流幅值概率曲线 在年平均雷暴日大于在年平均雷暴日大于20的地的地区，区，测得的测得的雷电流幅值雷电流幅值I的概率的概率曲线曲线可用下式表示：可用下式表示：lg PI/88 在年平均雷暴日数只有在年平均雷暴日数只有20或或更少的地区更少的地区：lg lg P PI I/44/44第一节第一节 雷电的放电过程和雷电参数雷电的放电过程和雷电参数HUST_CEEE4雷电流的波前时间、陡度和波

11、长雷电流的波前时间、陡度和波长 据统计，雷电流的据统计，雷电流的波前时间波前时间T1多在多在14 s内，平均为内，平均为2.6 s左右，左右，波长波长T2在在20100 s内。内。雷电流波前的雷电流波前的平均陡度平均陡度为为： I /2.6 (kA/ s) 5雷电流的极性和等值计算波形雷电流的极性和等值计算波形 国内外实测结果表明，国内外实测结果表明，7590的雷电流是负极性，加之的雷电流是负极性，加之负极性的冲击过电压波沿线路传播时衰减小，因此，负极性的冲击过电压波沿线路传播时衰减小，因此，电气设备电气设备的防雷保护中一般均按负极性进行分析研究的防雷保护中一般均按负极性进行分析研究。 在电力

12、系统的防雷保护计算中，要求将雷电流波形用公式在电力系统的防雷保护计算中，要求将雷电流波形用公式描述以便处理，经过简化和典型化后，可得以下描述以便处理，经过简化和典型化后，可得以下三种常用的计三种常用的计算波形算波形，如图，如图13-3所示。所示。第一节第一节 雷电的放电过程和雷电参数雷电的放电过程和雷电参数HUST_CEEE 图图13-3(a)为为标准雷电流冲击波形标准雷电流冲击波形，其波头部分可用双指数函数表示：，其波头部分可用双指数函数表示：iI ( e tet) 图图13-3(b)为为斜角平顶波斜角平顶波，其，其陡度陡度 可由给定的雷电流幅值可由给定的雷电流幅值I和波前时和波前时间间T1

13、确定。确定。斜角波的数学表达式最简单，便于分析与雷电流波前有关的斜角波的数学表达式最简单，便于分析与雷电流波前有关的波过程。并且波过程。并且斜角平顶波用于分析发生在斜角平顶波用于分析发生在10 s以内的各种波过程，有很以内的各种波过程，有很好的等值性好的等值性。 图图13-3(c)为为等值半余弦波等值半余弦波，雷电流波形的波前部分接近半余弦波，可，雷电流波形的波前部分接近半余弦波，可用下式表示：用下式表示： iI (1cost)/2式中，角频率式中，角频率/T1。 等值半余弦波等值半余弦波多用于分析雷电流波前的作用。在设计特高杆塔时，采多用于分析雷电流波前的作用。在设计特高杆塔时，采用用等值半

14、余弦波等值半余弦波将使计算更加接近于实际且偏于从严。将使计算更加接近于实际且偏于从严。图图13-3 雷电流的等值波形（雷电流的等值波形（I-雷电流幅值）雷电流幅值）(a) 标准冲击波形；标准冲击波形；(b) 等值斜角波前；等值斜角波前；(c) 等值半余弦波前等值半余弦波前第一节第一节 雷电的放电过程和雷电参数雷电的放电过程和雷电参数HUST_CEEE第二节 电力系统的防雷保护装置 防雷保护装置是指能使被保护物体避免雷击，而引雷于本身，并顺利地泄入大地的装置。最基本的有： 一、避雷针二、避雷线三、避雷器四、防雷接地 避雷针和避雷线可以防止雷电直接击中被保护物体，称作直击雷保护； 避雷器可以防止沿

15、输电线侵入变电站的雷电过电压波，称作侵入波保护； 接地装置的作用是减少避雷针(线)或避雷器与大地(零电位)之间的电阻值，以达到降低雷电过电压幅值的目的。HUST_CEEE一、避雷针一、避雷针 避雷针避雷针包括三部分：接闪器包括三部分：接闪器(避雷针的针头避雷针的针头)、引下线和接地体。、引下线和接地体。 避雷针的避雷针的保护原理保护原理是：当雷云放电时使地面电场畸变，在避雷针的是：当雷云放电时使地面电场畸变，在避雷针的顶端形成局部场强集中的空间以影响雷电先导放电的发展方向，使雷顶端形成局部场强集中的空间以影响雷电先导放电的发展方向，使雷电对避雷针放电，再经过接地装置将雷电流引入大地，从而使被保

16、护电对避雷针放电，再经过接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击。物体免遭雷击。 先导放电朝地面发展到某一高度先导放电朝地面发展到某一高度H后，才会在一定范围内受到避雷后，才会在一定范围内受到避雷针的影响而对避雷针放电。针的影响而对避雷针放电。H称为称为定向高度定向高度，与避雷针的高度，与避雷针的高度h有关。有关。根据模拟试验：根据模拟试验：当当h30m时，时，H=20h；当当h30m时，时，H600h。 避雷针的保护范围避雷针的保护范围(2006单)是由模拟试验确定的，只具有相对的意是由模拟试验确定的，只具有相对的意义。我国有关规程所推荐的保护范围义。我国有关规程所推荐的保护范围是

17、对应是对应 0.1的绕击率而言的的绕击率而言的。 所谓所谓绕击绕击系指雷电绕过避雷装置而击于被保护物体的现象。系指雷电绕过避雷装置而击于被保护物体的现象。第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE 单支避雷针的保护范围近似一个圆锥体空间单支避雷针的保护范围近似一个圆锥体空间，如图，如图13-4所示。所示。它的侧面边界线实际上是曲线，工程上以折线代替曲线。它的侧面边界线实际上是曲线，工程上以折线代替曲线。图图13-4 单支避雷针的保护范围单支避雷针的保护范围 式中，式中，h为避雷针的高度；为避雷针的高度；p为高度为高度修正系数，当修正系数，当h30m，p1；当；

18、当30h120m时，时， 。 在被保护物高度在被保护物高度hx水平面上，其水平面上，其保护半径保护半径rx为为() 2(1.52) 2xxxxxxhrhhphhrhhph5.5/ph第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE 两支等高避雷针的保护范围如图两支等高避雷针的保护范围如图 13-5所示。所示。两避雷针外侧的两避雷针外侧的保护范围保护范围按单支避雷针的计算方法确定。按单支避雷针的计算方法确定。 两避雷针间的保护范围两避雷针间的保护范围应按通过两避雷针顶点及保护范围上应按通过两避雷针顶点及保护范围上部边缘最低点部边缘最低点O的圆弧确定，圆弧的半径为的圆弧

19、确定，圆弧的半径为R0，O点高度点高度h0按下按下式计算：式计算：h0hD/7p图图 13-5 两支等高避雷针的保护范围两支等高避雷针的保护范围 第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE图图 13-6 两支等高避雷针间保护范围一侧最小宽度（两支等高避雷针间保护范围一侧最小宽度（bx）与）与D/(haP) 的关系的关系(a) D/(haP)=07 ； (b) D/(haP)=57 两避雷针间两避雷针间hx水平面上保护范围水平面上保护范围的一侧最小宽度的一侧最小宽度bx应按图应按图13-6确确定。当定。当bxrx时，取时，取bxrx。求得。求得bx后，可按图后，

20、可按图13-5绘出两避雷针间的绘出两避雷针间的保护范围。两避雷针间距离保护范围。两避雷针间距离D与避雷针高与避雷针高h之比之比Dh不宜大于不宜大于5。第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE两支不等高避雷针的保护范围两支不等高避雷针的保护范围如图如图13-713-7所示。所示。两避雷针内侧的保护范围两避雷针内侧的保护范围，先按单避雷针法作出较高避雷针，先按单避雷针法作出较高避雷针1 1的保护范围，与通过较低避雷针的保护范围，与通过较低避雷针2 2的顶点作水平线交于点的顶点作水平线交于点3 3。设点。设点3 3为一假想等高避雷针的顶点，可按两支等高避雷针的方法

21、作出避为一假想等高避雷针的顶点，可按两支等高避雷针的方法作出避雷针雷针2 2和和3 3的联合保护范围。两避雷针外侧的保护范围仍按单支避的联合保护范围。两避雷针外侧的保护范围仍按单支避雷针的计算方法确定。雷针的计算方法确定。图图13-7 两支不等高避雷针的保护范围两支不等高避雷针的保护范围第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE二、避雷线二、避雷线 避雷线避雷线(即架空地线即架空地线)的作用原理的作用原理与与避雷针相同，主要用于输电线路的保避雷针相同，主要用于输电线路的保护，也可用来保护发电厂和变电站。护，也可用来保护发电厂和变电站。单根避雷线的保护范围的长度

22、与线路单根避雷线的保护范围的长度与线路等长，而且两端还有其保护的半个圆等长，而且两端还有其保护的半个圆锥体空间锥体空间。 单根避雷线的保护范围如图单根避雷线的保护范围如图13-8所所示，并按下式计算：示，并按下式计算： 0.47() 2(1.53) 2sxsxxsxsxxhrhhphhrhhph图图13-8 单根避雷线的保护范围单根避雷线的保护范围当当h30m时，时，=25 第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE两根等高避雷线的保护范围两根等高避雷线的保护范围如图如图13-9所示。两根避雷线所示。两根避雷线外侧的保外侧的保护范围护范围仍按单根避雷线的计算方

23、法确定。两根避雷线间仍按单根避雷线的计算方法确定。两根避雷线间横截面的保护横截面的保护范围范围应由通过两根避雷线应由通过两根避雷线1、2及保护范围边缘最低点及保护范围边缘最低点O的圆弧确定，的圆弧确定，O点的高度可按下式计算：点的高度可按下式计算：h0hsD/4P图图13-9中的中的 称为称为避雷线的保护角避雷线的保护角，是杆塔上避雷线的铅垂线与同，是杆塔上避雷线的铅垂线与同杆塔处避雷线和边导线的连线间所组成的夹角，保护角愈小，避雷线杆塔处避雷线和边导线的连线间所组成的夹角，保护角愈小，避雷线就愈可靠地保护导线免受雷击。就愈可靠地保护导线免受雷击。图图13-9两根等高避雷线的保护范围两根等高避

24、雷线的保护范围（a）保护范围；（）保护范围；（b）保护角）保护角单根避雷线的保护单根避雷线的保护角一般在角一般在2030o。220330kV双避雷线双避雷线线路，一般采用线路，一般采用20o左左右，右，500kV一般不大一般不大于于15o；山区宜采用较；山区宜采用较小的保护角。小的保护角。第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE三、避雷器三、避雷器避雷器避雷器是一种普遍采用的侵入波保护装置，它是一种过电压限制器。是一种普遍采用的侵入波保护装置，它是一种过电压限制器。 为了使避雷器能够达到预期保护效果，必须满足下面为了使避雷器能够达到预期保护效果，必须满足下面

25、基本要求基本要求：第一，第一，具有良好的伏秒特性，以易于实现合理的绝缘配合具有良好的伏秒特性，以易于实现合理的绝缘配合。第二，第二，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，使电力系统得以继续运行电力系统得以继续运行。避雷器一旦在冲击电压作用下放电，就造成系统对地短路。此后瞬即避雷器一旦在冲击电压作用下放电，就造成系统对地短路。此后瞬即消逝的雷电过电压虽然已经过去，但工频电压却相继作用在避雷器上，消逝的雷电过电压虽然已经过去，但工频电压却相继作用在避雷器上，使在其中开始通过工频短路接地电流。这样流过避雷器的短路接地电流使在其中开始

26、通过工频短路接地电流。这样流过避雷器的短路接地电流通常称为工频续流，它以电弧放电的形式出现。避雷器应当具有自行切通常称为工频续流，它以电弧放电的形式出现。避雷器应当具有自行切断工频续流、恢复绝缘强度的能力，要求工频续流在第一次经过零值时断工频续流、恢复绝缘强度的能力，要求工频续流在第一次经过零值时即应切断，使电力系统能够继续正常工作。即应切断，使电力系统能够继续正常工作。以上两条要求适合于以上两条要求适合于有间隙的避雷器有间隙的避雷器，包括包括保护间隙保护间隙、管式避雷器管式避雷器、带间隙阀式避雷器带间隙阀式避雷器。其中阀式避雷器又包括其中阀式避雷器又包括普通阀式避雷器普通阀式避雷器和和磁吹阀

27、式磁吹阀式避雷器避雷器两种。两种。无间隙金属氧化物避雷器（无间隙金属氧化物避雷器（MOA）在工频下仍流过很小的泄漏电流，在工频下仍流过很小的泄漏电流，它没有灭弧问题，但相应地却产生了独特的热稳定问题。它没有灭弧问题，但相应地却产生了独特的热稳定问题。第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE1保护间隙保护间隙 保护设备中简单的形式是保护设备中简单的形式是保护间隙保护间隙，它，它由两个电极组成，并接在被保护设备的两由两个电极组成，并接在被保护设备的两端。常用的角形保护间隙如图端。常用的角形保护间隙如图13-10所示。所示。它由主间隙它由主间隙1 1和辅助间隙和辅

28、助间隙2 2串联而成。辅助串联而成。辅助间隙是为了防止主间隙被外物短路误动作间隙是为了防止主间隙被外物短路误动作而设的。而设的。 保护间隙的保护间隙的主要缺点主要缺点是灭弧能力低，只是灭弧能力低，只能熄灭中性点不接地系统中不大的单相接能熄灭中性点不接地系统中不大的单相接地短路电流，因此在我国只用于地短路电流，因此在我国只用于10kV及以及以下的应用场合。下的应用场合。 图图13-10 角形保护间隙角形保护间隙1-主间隙；主间隙；2-辅助间隙辅助间隙第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE2管式避雷器管式避雷器 管式避雷器的原理结构如图管式避雷器的原理结构如图

29、13-11所示。它由两个间隙串联组成。所示。它由两个间隙串联组成。一个间隙一个间隙F1装在产气管装在产气管1内，称为内，称为内间隙内间隙。另一个间隙。另一个间隙F2装在产气管装在产气管外，称为外，称为外间隙外间隙。外间隙的作用是使产气管在正常运行时与工频电压外间隙的作用是使产气管在正常运行时与工频电压隔离。隔离。 管式避雷器的管式避雷器的主要缺点主要缺点有：有：（1）伏秒特性太陡，且放电分散性较大，难以和被保护设备实现合伏秒特性太陡，且放电分散性较大，难以和被保护设备实现合理的绝缘配合；理的绝缘配合；图图13-11 管式避雷器管式避雷器1-产气管；产气管；2-胶木管；胶木管；3-棒形电极；棒形

30、电极；4-环形电极；环形电极；5-储气室；储气室；6-动作指示器；动作指示器；F1、F2-内、外间隙内、外间隙（2）放电间隙动作后工作导线放电间隙动作后工作导线直接接地，会产生高幅值的截波，直接接地，会产生高幅值的截波，对变压器的纵绝缘不利。对变压器的纵绝缘不利。 因此管式避雷器不能用在大因此管式避雷器不能用在大型变电站内，型变电站内，目前只是用作变电目前只是用作变电站进线段保护的辅助手段，站进线段保护的辅助手段，用来用来保护容量小的变电站及输电线路保护容量小的变电站及输电线路上薄弱绝缘路段。也可与电缆段上薄弱绝缘路段。也可与电缆段相配合，在直配电机的防雷保护相配合，在直配电机的防雷保护中起限

31、流作用。中起限流作用。第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE第二节 电力系统的防雷保护装置3普通阀式避雷器和磁吹阀式避雷器（1）阀式避雷器的工作原理 阀式避雷器由装在密封瓷套中的放电间隙组和非线性电阻(阀片)组成。其工作原理如下：在电力系统正常工作时，间隙将电阻阀片与工作母线隔离，以免由母线的工作电压在电阻阀片中产生的电流烧坏阀片；当避雷器上过电压的瞬时值达到放电间隙的冲击放电电压时，间隙击穿，过电压波即被截断；间隙击穿后，冲击电流通过阀片流入大地，由于阀片的非线性特性，电流愈大电阻愈小，故在阀片上产生的压降UR (称为残压)将得到限制，此残压应比被保护设

32、备绝缘的冲击强度低2540，设备就得到了保护。由于间隙放电的伏秒特性低于被保护设备的冲击耐压强度，使被保护设备得到保护；当过电压消失后，间隙中由工作电压产生的工频续流仍将继续流过避雷器，此续流受阀片电阻的非线性特性所限制，使其小于80A(最大值)，间隙能在工频续流第一次过零值时就将电弧切断。HUST_CEEE图13-12 单个平板型放电间隙1黄铜电极； 2云母垫圈 3间隙放电区 （2）普通阀式避雷器）普通阀式避雷器 避雷器的阀片避雷器的阀片是用电工金刚砂是用电工金刚砂(SiC)细粒和结合剂（水玻璃等）制成的细粒和结合剂（水玻璃等）制成的圆盘在高温下焙烧而成。普通阀式避雷器中的阀片是在圆盘在高温

33、下焙烧而成。普通阀式避雷器中的阀片是在300 350下烧成下烧成的，称为的，称为低温阀片低温阀片。在金钢砂颗粒的表面有一层很薄的二氧化硅在金钢砂颗粒的表面有一层很薄的二氧化硅(SiO2)封封闭层。金刚砂颗粒本身的电阻率不大，约闭层。金刚砂颗粒本身的电阻率不大，约 10-2m，而封闭层的电阻是非，而封闭层的电阻是非线性的，它与电场强度有关，当场强不大，即阀片上电压不高时，封闭层线性的，它与电场强度有关，当场强不大，即阀片上电压不高时，封闭层的电阻率为的电阻率为104 106m，此时整个外施电压都加在封闭层上，由它决定，此时整个外施电压都加在封闭层上，由它决定阀片的电阻。当场强增大时，封闭层的电阻

34、急剧下降，阀片的电阻逐渐由阀片的电阻。当场强增大时，封闭层的电阻急剧下降，阀片的电阻逐渐由金刚砂本身的电阻来确定，于是就使阀片呈现非线性。金刚砂本身的电阻来确定，于是就使阀片呈现非线性。 普通阀式避雷器的普通阀式避雷器的火花间隙火花间隙由许多（如图由许多（如图13-12所示）单个间隙串联而所示）单个间隙串联而成，成，单个间隙的电极由黄铜板冲压而成，两电极之间以云母垫圈隔开形成单个间隙的电极由黄铜板冲压而成，两电极之间以云母垫圈隔开形成间隙，间隙距离为间隙，间隙距离为0.5 1.0mm。由于间隙电场近似均匀电场，同时，过电。由于间隙电场近似均匀电场，同时，过电压作用时云母垫圈与电极之间的空气缝隙

35、中发生电晕，对间隙产生照射作压作用时云母垫圈与电极之间的空气缝隙中发生电晕，对间隙产生照射作用，从而缩短了间隙的放电时间，故其伏秒特性很平且分散性小，单个间用，从而缩短了间隙的放电时间，故其伏秒特性很平且分散性小，单个间隙的工频放电电压约为隙的工频放电电压约为2.73.0kV(有效值有效值)，其冲击系数为，其冲击系数为1.1左右。左右。第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE 由于间隙各电极对地和对高压端有寄生电容存在，放电电压在间隙上由于间隙各电极对地和对高压端有寄生电容存在，放电电压在间隙上的分布是不均匀的，的分布是不均匀的，并且瓷套表面状况对此也有影响

36、。并且瓷套表面状况对此也有影响。这样避雷器动作这样避雷器动作后每个单个间隙上的恢复电压的分布既不均匀也不稳定，从而降低了避后每个单个间隙上的恢复电压的分布既不均匀也不稳定，从而降低了避雷器灭弧能力，其工频放电电压也将下降和显得不稳定。雷器灭弧能力，其工频放电电压也将下降和显得不稳定。 为解决这个问题，可在每个间隙上并联一个分路电阻如图为解决这个问题，可在每个间隙上并联一个分路电阻如图13-13所示。所示。图图13-13 分路电阻原理接线分路电阻原理接线1间隙；间隙； 2分路电阻；分路电阻； 3工作电阻工作电阻 在工频电压和恢复电压作用下，间隙电容的阻抗在工频电压和恢复电压作用下，间隙电容的阻抗

37、很大，而分路电阻阻值较小，故间隙上的电压分布很大，而分路电阻阻值较小，故间隙上的电压分布将主要由分路电阻决定。因分路电阻阻值相等，故将主要由分路电阻决定。因分路电阻阻值相等，故间隙上电压分布均匀，从而提高了熄弧电压和工频间隙上电压分布均匀，从而提高了熄弧电压和工频放电电压。冲击系数一般为放电电压。冲击系数一般为1左右，甚至小于左右，甚至小于1。 普通阀式避雷器有较平坦的伏秒特性，动作时不普通阀式避雷器有较平坦的伏秒特性，动作时不会形成截断波，所以会形成截断波，所以可用作变电站中的变压器等重可用作变电站中的变压器等重要设备的保护要设备的保护。但普通阀式避雷器熄弧完全依靠间。但普通阀式避雷器熄弧完

38、全依靠间隙的自然熄弧能力，其次阀片的热容量有限，不能隙的自然熄弧能力，其次阀片的热容量有限，不能承受较长持续时间的内过电压冲击电流的作用。承受较长持续时间的内过电压冲击电流的作用。因因此此类避雷器通常此此类避雷器通常不容许在内过电压作用下动作不容许在内过电压作用下动作。 第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE图图13-14 旋弧型磁吹间隙旋弧型磁吹间隙1永久磁铁；永久磁铁；2内电极；内电极；3外电极；外电极；4电弧（箭头表示旋弧方向）电弧（箭头表示旋弧方向）（3）磁吹阀式避雷器）磁吹阀式避雷器 为了提高避雷器灭弧能力，可以采用电弧运动的间隙，即为了提高避雷

39、器灭弧能力，可以采用电弧运动的间隙，即磁吹放磁吹放电间隙电间隙。它利用磁场使电弧运动来加强去游离，以提高间隙灭弧能力。它利用磁场使电弧运动来加强去游离，以提高间隙灭弧能力。采用磁吹间隙的避雷器称为采用磁吹间隙的避雷器称为磁吹阀式避雷器。磁吹阀式避雷器。 磁吹阀式避雷器中磁吹阀式避雷器中火花间隙火花间隙也是由许也是由许多单个间隙串联而成的。利用磁场使电弧多单个间隙串联而成的。利用磁场使电弧产生运动产生运动(如旋转或拉长如旋转或拉长)来加强去游离以来加强去游离以提高间隙的灭弧能力。提高间隙的灭弧能力。磁吹间隙磁吹间隙通常有通常有旋旋弧型弧型和和灭弧栅型灭弧栅型两种。两种。 如图如图13-14所示旋

40、所示旋弧型磁吹间隙弧型磁吹间隙。在外。在外磁场的作用下，电弧受力沿着圆形间隙高磁场的作用下，电弧受力沿着圆形间隙高速旋转（旋转方向取决于电流方向），使速旋转（旋转方向取决于电流方向），使弧柱得以冷却，加速去游离过程。灭弧能弧柱得以冷却，加速去游离过程。灭弧能力能可靠切断力能可靠切断300A（幅值）的工频续流，（幅值）的工频续流，切断比为切断比为1.3左右。左右。 弧型磁吹间隙弧型磁吹间隙用于电压较低的如保护用于电压较低的如保护旋转电机用的磁吹阀式避雷器中。旋转电机用的磁吹阀式避雷器中。第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE图图13-15 灭弧栅型磁吹间隙灭

41、弧栅型磁吹间隙1电极；电极；2灭弧盒；灭弧盒；3分路电阻；分路电阻；4灭弧栅；灭弧栅；5主间隙；主间隙；6磁吹线圈；磁吹线圈；7辅助间隙辅助间隙 灭弧栅型磁吹间隙灭弧栅型磁吹间隙如图如图13-15所所示。主间隙与线圈串联连接，分流示。主间隙与线圈串联连接，分流间隙与线圈并联连接。当雷电流在间隙与线圈并联连接。当雷电流在线圈上产生很大的压降时，分流间线圈上产生很大的压降时，分流间隙击穿将线圈短路，使避雷器的压隙击穿将线圈短路，使避雷器的压降不致太大。当工频续流通过线圈降不致太大。当工频续流通过线圈时，分流间隙自动熄弧，产生吹弧时，分流间隙自动熄弧，产生吹弧作用。作用。 灭弧栅型磁吹间隙灭弧栅型磁

42、吹间隙能切断能切断450A (幅值幅值)左右的工频续流，为普通间左右的工频续流，为普通间隙的隙的4倍多，因此倍多，因此广泛用于电压较广泛用于电压较高的如保护变电站用的磁吹阀式避高的如保护变电站用的磁吹阀式避雷器中。雷器中。第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE（4）阀式避雷器的基本参数）阀式避雷器的基本参数 额定电压额定电压UN(有效值，有效值，kV)：指：指施加到避雷器端部的最大允许施加到避雷器端部的最大允许工频电压工频电压 (有效值有效值)。 残压残压UR(峰值，峰值，kV)：指波形为：指波形为8/20 s的一定幅值的冲击电流的一定幅值的冲击电流通过避

43、雷器时，在阀片上产生通过避雷器时，在阀片上产生的电压峰值。的电压峰值。 冲击放电电压冲击放电电压Ub(i)(峰值，峰值，kV)：对额定电压在对额定电压在220kV及以下的及以下的避雷器，其冲击放电电压是指避雷器，其冲击放电电压是指在标准雷电波作用下，避雷器在标准雷电波作用下，避雷器的放电电压的放电电压(峰值峰值)的上限值。的上限值。 工频放电电压工频放电电压Ugf（有效值，（有效值，kV)：指在工频电压作用下，避：指在工频电压作用下，避雷器将发生放电的电压值。雷器将发生放电的电压值。 通流容量通流容量：主要指在规定的波形：主要指在规定的波形情况下，非线性电阻片耐受通过情况下，非线性电阻片耐受通

44、过电流的能力，以电流的幅值、持电流的能力，以电流的幅值、持续时间和通过次数表示。续时间和通过次数表示。 冲击系数冲击系数：避雷器冲击放电电压：避雷器冲击放电电压与工频放电电压幅值之比。一般与工频放电电压幅值之比。一般希望冲击系数接近于希望冲击系数接近于1 。这样避这样避雷器的伏秒特性比较平坦，有利雷器的伏秒特性比较平坦，有利于绝缘配合。于绝缘配合。 切断比切断比：避雷器的工频放电电压：避雷器的工频放电电压(下限下限)与灭弧电压之比。它是体与灭弧电压之比。它是体现间隙灭弧能力的重要指标。现间隙灭弧能力的重要指标。 保护比保护比：避雷器残压与灭弧电压：避雷器残压与灭弧电压之比。保护比愈小，说明残压

45、愈之比。保护比愈小，说明残压愈低或灭弧电压愈高，低或灭弧电压愈高，因而保护性因而保护性能愈好。能愈好。 第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE4氧化锌避雷器氧化锌避雷器 由于由于氧化锌电阻片氧化锌电阻片具有非常优异的非线性伏安特性，可以取消具有非常优异的非线性伏安特性，可以取消串联火花间隙，实现避雷器无间隙无续流，而且造价低廉，因此氧串联火花间隙，实现避雷器无间隙无续流，而且造价低廉，因此氧化锌避雷器的应用越来越广泛。化锌避雷器的应用越来越广泛。 图图13-16所示为氧化锌阀片与碳化硅阀片伏安特性曲线的比较，所示为氧化锌阀片与碳化硅阀片伏安特性曲线的比较，

46、两者在两者在10kA电流下的残压是大致相同的，但在额定电压下，碳化电流下的残压是大致相同的，但在额定电压下，碳化硅阀片流过的电流幅值达硅阀片流过的电流幅值达100A，而氧化锌阀片流过的电流却小于，而氧化锌阀片流过的电流却小于10-5A，可以近似认为其续流为零。正因为如此，氧化锌避雷器才，可以近似认为其续流为零。正因为如此，氧化锌避雷器才可以不用串联放电间隙，使之成为无间隙、无续流的避雷器。可以不用串联放电间隙，使之成为无间隙、无续流的避雷器。图图13-16 两种电阻片伏安特性的比较两种电阻片伏安特性的比较图图13-17 氧化锌避雷器的保护效果氧化锌避雷器的保护效果 第二节第二节 电力系统的防雷

47、保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE氧化锌避雷器具有如下氧化锌避雷器具有如下优点优点：(1)保护性能优越保护性能优越 不需间隙动作不需间隙动作，电压稍微升高，即可迅速吸收过电压能量，电压稍微升高，即可迅速吸收过电压能量，抑制过电压发展。如图抑制过电压发展。如图13-17所示，其实际保护效果比碳化硅避所示，其实际保护效果比碳化硅避雷器好。雷器好。 良好的温度响应特性良好的温度响应特性，在低电流范围内，在低电流范围内(65m时时：Ug2525 I hc/s 由于雷击地面时，被击点的自然接地电阻较大，最大雷电由于雷击地面时，被击点的自然接地电阻较大，最大雷电流幅值一般不会超过流幅值一般不

48、会超过100kA。实测表明，实测表明，感应过电压的幅值一感应过电压的幅值一般约为般约为300400kV，这，这可能引起可能引起35kV及以下电压等级的线路及以下电压等级的线路闪络闪络。同时，。同时，由于各相导线的感应过电压基本上相同，所以由于各相导线的感应过电压基本上相同，所以不会出现相间闪络不会出现相间闪络。 与直击雷过电压相比，感应过电压还有以下与直击雷过电压相比，感应过电压还有以下特点特点：它的：它的波波形较平缓，波头由几形较平缓，波头由几s到几十到几十s，而波长可达数百，而波长可达数百s。第三节第三节 架空输电线路的防雷保护架空输电线路的防雷保护HUST_CEEE2.雷击线路附近大地时

49、有避雷线导线上的感应雷过电压雷击线路附近大地时有避雷线导线上的感应雷过电压 当架空输电线路有避雷线，雷击线路附近大地时，当架空输电线路有避雷线，雷击线路附近大地时，避雷线对架空输避雷线对架空输电线路有屏蔽作用，能够降低导线上的感应过电压。电线路有屏蔽作用，能够降低导线上的感应过电压。 设导线和避雷线对地平均高度分别为设导线和避雷线对地平均高度分别为hc和和hs，应用，应用叠加原理叠加原理计算：计算： 先假设避雷线不接地先假设避雷线不接地，则导线上的感应雷过电压和避雷线上的感应，则导线上的感应雷过电压和避雷线上的感应雷过电压分别为：雷过电压分别为：Uc25 I hc/sUs25 I hs/sUc

50、 hs/ hc 但实际上避雷线是接地的，避雷线电位保持零值。为此，可设想在但实际上避雷线是接地的，避雷线电位保持零值。为此，可设想在不接地的避雷线上叠加一个不接地的避雷线上叠加一个-Us的电压，于是此电压将在导线上产生耦的电压，于是此电压将在导线上产生耦合电压合电压 k0(-Us)，k0是避雷线与导线间的耦合系数。是避雷线与导线间的耦合系数。 于是，线路有避雷线时，导线上实际的感应过电压将为：于是，线路有避雷线时，导线上实际的感应过电压将为： 上式表明，避雷线使导线上的感应过电压下降至（上式表明，避雷线使导线上的感应过电压下降至（1k0）倍。耦）倍。耦合系数愈大，导线上的感应过电压愈低。合系数

51、愈大，导线上的感应过电压愈低。000(1)(1)sccsccchUUk UUkUkh第三节第三节 架空输电线路的防雷保护架空输电线路的防雷保护HUST_CEEE三、架空输电线路的直击雷过电压和耐雷水平三、架空输电线路的直击雷过电压和耐雷水平 我国我国110kV及以上线路多数全线装有避雷线，有避雷线输及以上线路多数全线装有避雷线，有避雷线输电线路落雷有三种情况：电线路落雷有三种情况：雷击杆塔塔顶雷击杆塔塔顶（雷击杆塔），（雷击杆塔），雷绕雷绕过避雷线击于导线过避雷线击于导线（绕击导线），（绕击导线），雷击档距中间的避雷线雷击档距中间的避雷线（雷击避雷线），如图（雷击避雷线），如图13-20所示。

52、所示。图图13-20雷击有避雷线输电线路的三种情况雷击有避雷线输电线路的三种情况-雷击杆塔；-绕击导线；-雷击避雷线 第三节第三节 架空输电线路的防雷保护架空输电线路的防雷保护HUST_CEEE图图13-21 雷击塔顶示意图及等值电路雷击塔顶示意图及等值电路(a) 雷击塔顶示意图; (b) 等值电路1雷击杆塔塔顶雷击杆塔塔顶 当雷击杆塔塔顶时，雷电流大部当雷击杆塔塔顶时，雷电流大部分流经被击杆塔及其接地电阻流入分流经被击杆塔及其接地电阻流入大地，小部分电流则经过避雷线由大地，小部分电流则经过避雷线由两相邻杆塔入地。从雷击线路接地两相邻杆塔入地。从雷击线路接地部分部分(避雷线、杆塔等避雷线、杆塔

53、等)而引起绝缘子而引起绝缘子串闪络的角度来看，这是最严重的串闪络的角度来看，这是最严重的情况，情况，产生的雷电过电压最高产生的雷电过电压最高。 由于一般杆塔不高，其接地电阻由于一般杆塔不高，其接地电阻Ri较小，因而从接地点反射回来的较小，因而从接地点反射回来的电流波立即到达塔顶，使入射电流电流波立即到达塔顶，使入射电流加倍，因而注入线路的总电流即为加倍，因而注入线路的总电流即为雷电流雷电流i，而不是沿雷道波阻抗传播，而不是沿雷道波阻抗传播的入射电流的入射电流i/2。因为避雷线有分流。因为避雷线有分流作用，所以流经杆塔的电流作用，所以流经杆塔的电流 it 将小将小于雷电流于雷电流i，有：，有：i

54、t i 表表13-1 杆塔分流系数杆塔分流系数线路额线路额定电压定电压 /kV/kV避雷避雷线根线根数数线路额线路额定电压定电压 /kV/kV避雷避雷线根线根数数1101101 12 20.960.960.860.863303302 20.880.882202201 12 20.920.920.880.885005002 20.880.88第三节第三节 架空输电线路的防雷保护架空输电线路的防雷保护HUST_CEEE 设雷电流波前为斜角平顶波，取波前时间为设雷电流波前为斜角平顶波，取波前时间为T12.6s，则，则 aI/2.6，由图，由图13-26(b)所示的等值电路可求出所示的等值电路可求出塔

55、顶电位塔顶电位为：为：()ttopittitdidiuR iLR iLdtdt 以以di/dtI/TI/2.6代入上式，则代入上式，则塔顶电位幅值塔顶电位幅值Utop为为 ：UtopI（RiLt/2.6） 无避雷线时，无避雷线时，1，则有：，则有：UtopI（RiLt/2.6） 比较上述两式可知，比较上述两式可知，由于避雷线的分流作用，降低了雷击塔顶由于避雷线的分流作用，降低了雷击塔顶时塔顶电位时塔顶电位。 当塔顶电位为当塔顶电位为utop时，因避雷线与塔顶相连，避雷线上电位也时，因避雷线与塔顶相连，避雷线上电位也为为utop。由于避雷线与导线间的耦合作用，导线上将产生耦合电位由于避雷线与导线

56、间的耦合作用，导线上将产生耦合电位k0utop。此外，因雷电流通道电磁场的作用，导线上还有感应过电。此外，因雷电流通道电磁场的作用，导线上还有感应过电压压hc（1k0hs/ hc），其极性与雷电流相反，其极性与雷电流相反，导线电位导线电位uc为：为：0000(1)(1)sctopctopcchuk uhkk uahkh第三节第三节 架空输电线路的防雷保护架空输电线路的防雷保护HUST_CEEE以以I/2.6代入，得代入，得 ：0()(1)2.62.6tcliiLhUIRk 当线路绝缘子串上的电位差当线路绝缘子串上的电位差Uli大于或等于线路绝缘子大于或等于线路绝缘子串的冲击耐压串的冲击耐压U5

57、0时，将发生绝缘子串的闪络。于是，可时，将发生绝缘子串的闪络。于是，可求得雷击塔杆时线路的耐雷水平求得雷击塔杆时线路的耐雷水平I 为：为：50%0(1) ()2.62.6tciUILhkR 线路绝缘子串上两端电压为塔顶电位线路绝缘子串上两端电压为塔顶电位utop和导线电位和导线电位uc之差，之差，uli可写为：可写为： 000(1)()(1)litopctoptopctopcuuuuk uhkuahk第三节第三节 架空输电线路的防雷保护架空输电线路的防雷保护HUST_CEEE2雷绕过避雷线击于导线雷绕过避雷线击于导线 模拟试验、运行经验和现场实测都已表明，模拟试验、运行经验和现场实测都已表明，

58、绕击率绕击率P与避雷线与避雷线对边相导线的保护角对边相导线的保护角、杆塔高度、杆塔高度ht和线路所经过的地形地貌和地质和线路所经过的地形地貌和地质条件有关，规程建议用下式计算条件有关，规程建议用下式计算P： 对对平原线路平原线路： 对对山区线路山区线路：lg3.986thPlg3.3586thP 如图如图13-22所示，假定所示，假定Z0为雷电通为雷电通道的波阻抗，道的波阻抗，Z/2为雷击点两边导线为雷击点两边导线的并联波阻抗，其等值电路如图的并联波阻抗，其等值电路如图13-22(b) 所示。若计及冲击电晕的影响，所示。若计及冲击电晕的影响，可取可取Z=400，Z0200，则，则雷击点雷击点电

59、压电压UA为：为：UA(I/2) (Z/2)100I图图13-22 雷绕击导线示意图及等值电路雷绕击导线示意图及等值电路(a) 雷绕击导线示意图雷绕击导线示意图; (b)等值电路等值电路 由此可见，由此可见，雷击导线的过电压与雷电流的大小成正比雷击导线的过电压与雷电流的大小成正比。如果此过。如果此过电压超过线路绝缘的耐受电压，则将发生冲击闪络，由此可得电压超过线路绝缘的耐受电压，则将发生冲击闪络，由此可得线路的线路的耐雷水平耐雷水平为：为：I2U50/100第三节第三节 架空输电线路的防雷保护架空输电线路的防雷保护HUST_CEEE3雷击档距中间的避雷线雷击档距中间的避雷线 雷击于档距中间的避

60、雷线雷击于档距中间的避雷线A点，如点，如图图13-23所示，雷击点会出现较大的过所示，雷击点会出现较大的过电压。半档避雷线可近似用集中参数电电压。半档避雷线可近似用集中参数电感感Lb来表示，来表示，雷击点电位雷击点电位uA为：为：22bbALLdiudt图图13-23 雷击档距中间避雷线示意图雷击档距中间避雷线示意图 在档距中间，避雷线与导线的空气间隙在档距中间，避雷线与导线的空气间隙S上承受的上承受的雷电过电压雷电过电压为：为：00(1)(1)2bSALuukk 当超过空气间隙当超过空气间隙S的绝缘强度时，将发生避雷线与导线间的闪络，为的绝缘强度时，将发生避雷线与导线间的闪络，为了避免闪络，