高电压技术8-9章

1、North China Electric Power University第八章第八章 雷电及防雷装置雷电及防雷装置8.1 雷电参数雷电参数8.2 避雷针、避雷线的保护范围避雷针、避雷线的保护范围 8.3 避雷器避雷器 8.4 接地装置接地装置 North China Electric Power University1雷电参数（幅值和波形，表达式，雷暴日、雷电参数（幅值和波形，表达式，雷暴日、 小时）小时）掌握掌握。2 2避雷针的保护范围避雷针的保护范围了解了解3 3避雷器避雷器了解了解 保护间隙、管型避雷器和阀型避雷器的工保护间隙、管型避雷器和阀型避雷器的工 作原理，氧化锌避雷器的特点。主

2、要说明其非作原理，氧化锌避雷器的特点。主要说明其非 线性特性。线性特性。4 4接地装置接地装置了解了解 基本概念，接地种类，（自学）接地电阻计算。基本概念，接地种类，（自学）接地电阻计算。 本章要求本章要求North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University8.1 8.1 雷电参数雷电参数 对地放电的雷云绝大多数（对地放电的雷云绝大多数（7590）是带负电荷，雷电流）是带负电荷，雷电流为负极性。为负极性。一一. 放电过程放电过

3、程 成因：摩擦起电。成因：摩擦起电。 整块雷云可以有若干个电荷中心，负电荷位于雷云下部，整块雷云可以有若干个电荷中心，负电荷位于雷云下部，离地大约离地大约1 1- -5km5km。 第一次放电结束后，多半还会有重复雷击。第一次放电结束后，多半还会有重复雷击。North China Electric Power University6放电路径在云内、云云之间闪电大部分为云闪North China Electric Power University7地闪：放电路径在云大地之间，危害最为直接、严重North China Electric Power University雷闪放电过程与长间隙极不均匀电

4、场放电过程一样，雷闪放电过程与长间隙极不均匀电场放电过程一样，主要有先导放电、主放电和余辉放电三个阶段。主要有先导放电、主放电和余辉放电三个阶段。North China Electric Power University大 地雷 云大 地雷 云正电荷向最接近下行先导的塔顶流动受塔顶正电荷的吸引，下行先导改变路径向塔顶发展塔顶发出迎面先导高、尖物体更易受雷击高、尖物体更易受雷击North China Electric Power University大 地雷 云大 地雷 云绝缘物绝缘物正电荷流向导体顶端而不流向绝缘物下行先导向导体顶端发展导体比绝缘体容易受到雷击North China Elect

5、ric Power University二二. 雷电放电的等值电路雷电放电的等值电路先导阶段电荷移动速度慢形先导阶段电荷移动速度慢形成的电流小（成的电流小（s打开）打开）主放电瞬间，可用开关主放电瞬间，可用开关S的闭的闭合来模拟，合来模拟，Z是被击物的阻抗是被击物的阻抗放电通道（闪径）具有分布放电通道（闪径）具有分布参数性质参数性质,闪径波阻抗闪径波阻抗Z0300-400 0000022ui zizzzzNorth China Electric Power University0000022ui zizzzz雷电流定义：流经被击物阻抗雷电流定义：流经被击物阻抗z0的电流的电流00022Luii

6、z=一般电力工程中电气设备的接地阻抗一般电力工程中电气设备的接地阻抗z30（20地区雷电流幅值概率分布公式地区雷电流幅值概率分布公式North China Electric Power University 电气设备的雷击试验和防雷设计时将雷电流波形等值为电气设备的雷击试验和防雷设计时将雷电流波形等值为可用公式表示的典型波形。常用的雷电流等值波形有双指数可用公式表示的典型波形。常用的雷电流等值波形有双指数波、斜角波、半余弦波等。波、斜角波、半余弦波等。双指数波形双指数波形（标准波形）（图a) （8-1-6）斜角波斜角波(为简化计算)(图b）对波前范围,较近似的为半余弦波半余弦波(图c) （8-

7、1-7） )()(ttLteeAIi)cos1(2)(tIiLtLiLI0tf)(b0f5 . 0LILiLI 5 . 0ft)(cLiLI0f2tt1ttLI 1 . 0LI5 . 0LI9 . 0)(a8.1 8.1 雷电参数雷电参数（续）（续）North China Electric Power University三三. 雷暴日与雷暴小时雷暴日与雷暴小时 雷暴日雷暴日：一年中有雷电流活动的日数。凡是有雷电活一年中有雷电流活动的日数。凡是有雷电活动的一天，不管雷电次数多少都记为动的一天，不管雷电次数多少都记为1。 雷暴小时雷暴小时：一年中有雷电的小时数。一个小时中有听一年中有雷电的小时数

8、。一个小时中有听到雷声就为一个雷暴小时。到雷声就为一个雷暴小时。 四四. 地面落雷密度和输电线路落雷次数地面落雷密度和输电线路落雷次数 地面落雷密度地面落雷密度：每一雷暴日每平方千米地面遭受雷击的次每一雷暴日每平方千米地面遭受雷击的次数，以数，以表示。表示。输电线路落雷次数：输电线路落雷次数：每百公里输电线路每年落雷次数每百公里输电线路每年落雷次数8.1 8.1 雷电参数雷电参数（续）（续）North China Electric Power University8-2 8-2 避雷针、避雷线的保护范围避雷针、避雷线的保护范围 对直击雷的防护措施通常是装设避对直击雷的防护措施通常是装设避雷针或

9、避雷线。雷针或避雷线。 避雷针避雷针( (线线) )高于被保护高于被保护的物体，其作用是吸引雷电击于自身，的物体，其作用是吸引雷电击于自身，并将雷电流迅速泄入大地，从而使避雷并将雷电流迅速泄入大地，从而使避雷针针( (线线) )附近的物体得到保护。附近的物体得到保护。 避雷针（线）必须高于被保护物，避避雷针（线）必须高于被保护物，避雷针的顶部为尖状。雷针的顶部为尖状。 避雷针（线）与被保护设备电气上是避雷针（线）与被保护设备电气上是绝缘的绝缘的 通常，避雷针（线）通常，避雷针（线）保护范围是指保护范围是指具有具有0.1%0.1%左右雷击概率的空间范围。左右雷击概率的空间范围。North Chi

10、na Electric Power UniversityNorth China Electric Power University8-3 8-3 避雷器避雷器 North China Electric Power University避雷器的要求：避雷器的要求：1 1良好的伏秒特性：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：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。冲击系数越小，伏秒特性越平缓，保护性能越好。2 2具有良好的非线性电阻特性具有良好的非线性电阻特性按发展历程看：按发展历程看：保护间隙、管型避雷器、普通阀式避雷器、磁吹

11、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。避雷器、金属氧化物避雷器等。North China Electric Power University避雷器的要求：避雷器的要求：要达到保护效果，必须要达到保护效果，必须满足以下要求：满足以下要求：1）绝缘水平的合理配合）绝缘水平的合理配合冲击系数冲击系数冲击系数越小，伏秒特冲击系数越小，伏秒特性越平缓，保护性能越性越平缓，保护性能越好。好。2）避雷器绝缘强度的自）避雷器绝缘强度的自恢复能力强恢复能力强:具有良好的具有良好的非线性电阻特性非线性电阻特性chUkU冲击工频North China Electric Power U

12、niversity一一. 保护间隙保护间隙8-3 8-3 避雷器（续）避雷器（续） 保护间隙的灭弧能力很差（适用于短路电流小）；间隙间的电场为极不均匀电场，又裸露在大气环境中，受气象条件的影响很大，因此伏秒特性很陡且分散性很大，将直接影响到它的保护效果；保护间隙击穿后是直接接地，将会有截波产生，不能用来保护有绕组的设备 North China Electric Power University二、管型避雷器二、管型避雷器 灭弧能力与工频续流的大小有关，续流太大产气过多，管内气压太高将灭弧能力与工频续流的大小有关，续流太大产气过多，管内气压太高将使管子炸裂；续流太小产气过少，管内气压太小不足以灭

13、弧使管子炸裂；续流太小产气过少，管内气压太小不足以灭弧 ;熄灭续流存在上下限熄灭续流存在上下限 伏秒特性难以配合、动伏秒特性难以配合、动作后出现大幅值截波作后出现大幅值截波 North China Electric Power University三三. 阀型避雷器阀型避雷器结构：结构：由间隙与非线性电阻由间隙与非线性电阻(阀片阀片)串联。串联。原理：原理：正常工作时，间隙将电阻阀片与母线电阻隔离，使正常工作时，间隙将电阻阀片与母线电阻隔离，使电阻受到较好保护。电阻受到较好保护。(老化、劣化老化、劣化) 当系统电压过大时，间隙击穿，冲击电流通过阀片流当系统电压过大时，间隙击穿，冲击电流通过阀片

14、流入大地，由于阀片的非线性特性，在阀片上产生的压降小入大地，由于阀片的非线性特性，在阀片上产生的压降小(称为残压称为残压) ，使其低于被保护设备的冲击耐压，设备得到，使其低于被保护设备的冲击耐压，设备得到保护。过电压消失后，正常电压工作，电阻大，工频续流保护。过电压消失后，正常电压工作，电阻大，工频续流小，使间隙能在工频续流第一次经过零值时就将电流熄灭。小，使间隙能在工频续流第一次经过零值时就将电流熄灭。阀型避雷器分为普通型和磁吹型两类，由熄弧能力决定。阀型避雷器分为普通型和磁吹型两类，由熄弧能力决定。用途：用途：变电所、发电厂的保护变电所、发电厂的保护8-3 8-3 避雷器（续）避雷器（续）

15、 North China Electric Power University氧化锌避雷器（氧化锌避雷器（MOA）是将）是将相应数量的氧化锌电阻片相应数量的氧化锌电阻片（MOV）密封在瓷套或其他）密封在瓷套或其他绝缘体内而组成绝缘体内而组成8-3 8-3 避雷器（续）避雷器（续） 四四. 氧化锌避雷器氧化锌避雷器上釉镀铝North China Electric Power University阀片的伏安特性可分为小电流区、非线性区和饱和区。阀片的伏安特性可分为小电流区、非线性区和饱和区。低压时电阻极大，电压达到一定值时电阻迅速下降，非低压时电阻极大，电压达到一定值时电阻迅速下降，非线性特性较线性

16、特性较SiC强烈。正常电压下电流还小于强烈。正常电压下电流还小于SiC阀片的阀片的间隙。间隙。8-3 8-3 避雷器（续）避雷器（续） North China Electric Power University8-3 8-3 避雷器（续）避雷器（续） 28无间隙无间隙：结构简单、重量轻、无电压分布不均、放电电结构简单、重量轻、无电压分布不均、放电电压不稳定等，保护可靠性高压不稳定等，保护可靠性高无续流：无续流：不需吸收续流能量，动作负载轻；可承受多次不需吸收续流能量，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：电气设备所受过电压可减低：在

17、整个过电压阶段都在整个过电压阶段都有电流流过，因此降低了过电压幅值有电流流过，因此降低了过电压幅值通流容量大通流容量大：不受串联间隙被灼伤的制约，阀片的通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仅与本身通流能力有关。可并联进一步提高通流能力。流能力。易于制成直流避雷器易于制成直流避雷器ZnO避雷器的主要优点：避雷器的主要优点：North China Electric Power University29U / kVI / A10-510-410-310-210-1110102103104额定电压容许最大持续运行电压起始动作电压（1mA参考电压）残压

18、 1m A电流（雷电、操作）冲击电流幅值额定电压和容许最大持续运行电压为有效值，额定电压和容许最大持续运行电压为有效值，1mA参考电压常在直流下测得参考电压常在直流下测得ZnO避雷器的参数North China Electric Power University8-4 8-4 接地装置接地装置一一. 接地和接地电阻的概念接地和接地电阻的概念 接地接地：将地面上的金属物体或电气回路中的某一节：将地面上的金属物体或电气回路中的某一节点通过导体与大地相连，使该物体或节点与大地保点通过导体与大地相连，使该物体或节点与大地保持等电位。持等电位。 接地分为接地分为工作接地、保护接地、防雷接地工作接地、保护

19、接地、防雷接地三种。三种。 接地电阻接地电阻：接地点处的电位与接地电流的比值。接：接地点处的电位与接地电流的比值。接地电阻是表征接地装置功能的一个重要的电气参数。地电阻是表征接地装置功能的一个重要的电气参数。严格地说，接地电阻包括四个组成部分：接地引线严格地说，接地电阻包括四个组成部分：接地引线电阻、接地体本身的电阻、接地体与土壤间的过渡电阻、接地体本身的电阻、接地体与土壤间的过渡电阻和大地的溢流电阻。电阻和大地的溢流电阻。 North China Electric Power University二二. 三种接地三种接地1、保护接地、保护接地:为了人身安全，将电气设备的金属外壳接地。为了人身

20、安全，将电气设备的金属外壳接地。接触电压接触电压:人所立的地点与接地设备之间的电位差。人所立的地点与接地设备之间的电位差。(取人手摸取人手摸设备的设备的1.8m高处，人脚离设备的水平距离为高处，人脚离设备的水平距离为0.8m)跨步电压跨步电压:人的两脚着地点之间的电位差人的两脚着地点之间的电位差.(取跨距为取跨距为0.8m)2、工作接地、工作接地电力系统正常运行需要的，电力系统正常运行需要的，如系统的中性点接地。如系统的中性点接地。3、防雷接地、防雷接地针对防雷而设计的接地，针对防雷而设计的接地，目的是减少雷电流通过接目的是减少雷电流通过接地装置时的地电位升高。地装置时的地电位升高。8-4 8

21、-4 接地装置接地装置( (续续) )North China Electric Power University32三、发电厂和变电站的防雷接地三、发电厂和变电站的防雷接地 按安全接地和工作按安全接地和工作接地要求，敷设统接地要求，敷设统一的接地网。一的接地网。 一般埋入地下一般埋入地下0.6-0.8m。North China Electric Power University第九章第九章 输电线路的防雷保护输电线路的防雷保护输电线路上出现的大气过输电线路上出现的大气过电压有两种：一种是雷直电压有两种：一种是雷直击于线路引起的，称为直击于线路引起的，称为直击雷过电压；另一种是雷击雷过电压；另一

22、种是雷击线路附近地面，由于电击线路附近地面，由于电磁感应引起的，称为感应磁感应引起的，称为感应雷过电压。雷过电压。 North China Electric Power University雷击输电线路：雷击输电线路：（1）雷直击导线：雷直击导线：无避雷线的线路最易发生，但即使有避雷线，无避雷线的线路最易发生，但即使有避雷线，雷电仍可能绕过避雷线的保护范围而击于导线（绕击）雷电仍可能绕过避雷线的保护范围而击于导线（绕击）（2）雷击杆塔或避雷线：雷击杆塔或避雷线：强大的雷电流通过杆塔及接地电阻，使强大的雷电流通过杆塔及接地电阻，使杆塔和避雷线的电位突然升高，杆塔与导线的电位差超过线路绝缘杆塔和避

23、雷线的电位突然升高，杆塔与导线的电位差超过线路绝缘子闪络电压时绝缘子发生闪络，导线上出现很高的电压。这种杆塔子闪络电压时绝缘子发生闪络，导线上出现很高的电压。这种杆塔电位升高，反过来对导线放电，称为电位升高，反过来对导线放电，称为反击反击。以上两种由于雷直击输电线路杆塔、避雷线或导线，故产生的过电以上两种由于雷直击输电线路杆塔、避雷线或导线，故产生的过电压称为压称为直击雷过电压直击雷过电压North China Electric Power University（3）雷击输电线路附近大地）雷击输电线路附近大地 雷击导线水平距离雷击导线水平距离65m以外的大地时，由于空间电磁场的急剧变化，以外的

24、大地时，由于空间电磁场的急剧变化，在导线上感应出的过电压，称为在导线上感应出的过电压，称为感应雷过电压感应雷过电压直击雷过电压和感应雷过电压产生的危害：直击雷过电压和感应雷过电压产生的危害：（1）引起线路跳闸，影响正常供电）引起线路跳闸，影响正常供电（2）雷电波侵入变电站）雷电波侵入变电站North China Electric Power University耐雷水平耐雷水平：雷击线路时绝缘不发生闪络的最大雷电：雷击线路时绝缘不发生闪络的最大雷电流的幅值，以流的幅值，以kA为单位。为单位。雷击跳闸率雷击跳闸率：每：每100km线路每年由雷击引起的跳闸线路每年由雷击引起的跳闸次数称为次数称为“

25、雷击跳闸率雷击跳闸率”，这是衡量线路防雷性能，这是衡量线路防雷性能的综合指标。的综合指标。工程上衡量输电线路防雷性能优劣的指标：工程上衡量输电线路防雷性能优劣的指标：North China Electric Power University9-1 9-1 输电线路上的感应雷过电压输电线路上的感应雷过电压25ihUIS一、雷击线路附近大地时的线路上的感应雷过电压一、雷击线路附近大地时的线路上的感应雷过电压先导放电阶段导线上出现与雷电流极性相反的束缚电荷，主放先导放电阶段导线上出现与雷电流极性相反的束缚电荷，主放电时束缚电荷突然被释放形成感应雷过电压的静电分量，同时电时束缚电荷突然被释放形成感应雷

26、过电压的静电分量，同时主放电通道中雷电流的急剧变化在通道周围空间产生很强的脉主放电通道中雷电流的急剧变化在通道周围空间产生很强的脉冲磁场，在线路导线上产生感应雷过电压的电磁分量冲磁场，在线路导线上产生感应雷过电压的电磁分量*极性与雷电流极性相反极性与雷电流极性相反*三相导线上同时出现三相导线上同时出现North China Electric Power University二二. 雷击线路杆塔时导线上的感应雷过电压雷击线路杆塔时导线上的感应雷过电压 感应过电压一般不超过感应过电压一般不超过500kV，对，对35kV及以下水泥及以下水泥杆线路可能会引起闪络，杆线路可能会引起闪络，110kV及以上

27、一般不会。及以上一般不会。 iUkUi)1 (diahU 有避雷线时，导线上的感应过电压有避雷线时，导线上的感应过电压North China Electric Power University9-2 9-2 输电线路上的直击雷过电压和耐雷水平输电线路上的直击雷过电压和耐雷水平 雷直击于有避雷直击于有避雷线线路的情况可雷线线路的情况可分为三种，即雷击分为三种，即雷击杆塔塔顶、雷击避杆塔塔顶、雷击避雷线档距中间和雷雷线档距中间和雷绕过避雷线击于导绕过避雷线击于导线线称为称为“绕绕击击”。3种雷击如种雷击如图所示：图所示：图图9-2-1 有避雷线线路直击雷的三种可能性有避雷线线路直击雷的三种可能性N

28、orth China Electric Power University1、塔顶电位、塔顶电位负极性雷电流沿杆塔负极性雷电流沿杆塔向下和避雷线两侧传向下和避雷线两侧传播，使塔顶电位升高。播，使塔顶电位升高。由于避雷线的分流作由于避雷线的分流作用，流经杆塔的电流用，流经杆塔的电流将小于雷电流。将小于雷电流。9-2 9-2 输电线路上的直击雷过电压和耐雷水平输电线路上的直击雷过电压和耐雷水平( (续续) )一一. 雷击杆塔塔顶时的过电压和耐雷水平雷击杆塔塔顶时的过电压和耐雷水平North China Electric Power University塔顶电位可由下式计算塔顶电位可由下式计算 将将

29、代入，则塔顶电位的幅值代入，则塔顶电位的幅值 为为 （9-2-4）式中：式中： 为雷电流幅值。为雷电流幅值。gttdchgtgtdiuRiLdttLgtLchddiLiR6 . 2LtLIdditdu)6 . 2(gtchLtdLRIULI9-2 9-2 输电线路上的直击雷过电压和耐雷水平输电线路上的直击雷过电压和耐雷水平( (续续) )North China Electric Power University2、导线电位和线路绝缘上的电压、导线电位和线路绝缘上的电压由于避雷线与导线间的耦合作用，导线上将产生耦合电由于避雷线与导线间的耦合作用，导线上将产生耦合电压压 ，此电压与雷电流同极性。由

30、于雷电通道电磁场的作，此电压与雷电流同极性。由于雷电通道电磁场的作用，在导线上还有感应过电压用，在导线上还有感应过电压 ，此电压与雷电流异，此电压与雷电流异极性，故导线电位的幅值极性，故导线电位的幅值 为为 线路绝缘子串上两端电压为塔顶电位和导线电位之差，故线线路绝缘子串上两端电压为塔顶电位和导线电位之差，故线路绝缘上的电压幅值路绝缘上的电压幅值 为为以式（以式（9-2-4）及）及 代入，得代入，得 tdkU)1 (dkhdU)1 (khkUUdtddjU)1)()1 (khUkhkUUUUUdtddtdtddtdj6 . 2LI()(1)2.62.6gtdjLchLhUIRk9-2 9-2

31、输电线路上的直击雷过电压和耐雷水平输电线路上的直击雷过电压和耐雷水平( (续续) )North China Electric Power University3、耐、耐雷雷水平的计算水平的计算从上式推倒可知，线路绝缘上电压的幅值从上式推倒可知，线路绝缘上电压的幅值 随雷电随雷电流的增大而增大，当流的增大而增大，当 大于绝缘子串冲击闪络电压大于绝缘子串冲击闪络电压时，绝缘子串将发生闪络，由于此时杆塔电位较导时，绝缘子串将发生闪络，由于此时杆塔电位较导线电位为高，故此类闪络称为线电位为高，故此类闪络称为“反击反击”。雷击杆塔。雷击杆塔的耐雷水平可由的耐雷水平可由 等于线路绝缘子串的等于线路绝缘子串

32、的50%冲击闪冲击闪络电压络电压 时求得时求得 （9-2-5）jUjUjU%50U)1(6 . 2)6 . 2(%501khLRUIdgtch9-2 9-2 输电线路上的直击雷过电压和耐雷水平输电线路上的直击雷过电压和耐雷水平( (续续) )North China Electric Power University提高耐雷水平的主要措施：提高耐雷水平的主要措施：（1）降低杆塔接地电阻）降低杆塔接地电阻Rch（2）增大耦合系数）增大耦合系数k（3）减小分流系数）减小分流系数（4）加强线路绝缘）加强线路绝缘一般高度杆塔其压一般高度杆塔其压降是塔顶电位主要降是塔顶电位主要分量分量采用双避雷线采用双避

33、雷线架装耦合地线架装耦合地线增加绝缘子片数采用增加绝缘子片数采用更好的绝缘材料更好的绝缘材料 u50%North China Electric Power University一一. 架设避雷线架设避雷线 避雷线是超高压输电线路最基本的防雷措施，其主要目避雷线是超高压输电线路最基本的防雷措施，其主要目的是的是防止雷直击导线防止雷直击导线。此外避雷线对雷电流还有。此外避雷线对雷电流还有分流作用分流作用，可以减少流入杆塔的雷电流，使塔顶电位下降；对可以减少流入杆塔的雷电流，使塔顶电位下降；对导线有耦导线有耦合合作用，可以降低导线上的感应过电压作用，可以降低导线上的感应过电压。 9-4 9-4 输电线路的防雷措施输电线路的防雷措施 我国规程规定，我国规程规定，330kV及以上应全线架设及以上应全线架设双避雷线，双避雷线，220kV应全线架设避雷线，应全线架设避雷线，110kV线路一般应全线装设避雷线线路一般应全线装设避雷线,但在少雷区或运但在少雷区或运行经验证明雷电活动轻微的地区可不沿全线架行经验证明雷电活动轻微