第8章_雷电及防雷保护设备

1、相关规程与手册：相关规程与手册：u交流电气装置的过电压保护和绝缘配合u交流电气装置的接地u220500kV变电所设计技术规程u导体和电器选择设计技术规定u110750kV架空输电线路设计技术规程u电力工程高压送电线路设计手册u电气工程电气设计手册，一次部分1第八章第八章 雷电及防雷装置雷电及防雷装置2雷电放电实质上是一种超长气隙的火花雷电放电实质上是一种超长气隙的火花放电，它所产生的雷电流高达数十、甚至数放电，它所产生的雷电流高达数十、甚至数百千安，从而会引起巨大的电磁效应、机械百千安，从而会引起巨大的电磁效应、机械效应和热效应，在电力系统中产生很高的雷效应和热效应，在电力系统中产生很高的雷电

2、过电压，是造成电力系统绝缘故障和停电电过电压，是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一。事故的主要原因之一。38.1 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 4 按雷电发展的方向，按雷电发展的方向，雷电可分为上行雷和下行雷雷电可分为上行雷和下行雷。下行雷是在雷云中产生并向大地发展的；上行雷是由下行雷是在雷云中产生并向大地发展的；上行雷是由接地物体顶部激发起，并向雷云方向发展的。接地物体顶部激发起，并向雷云方向发展的。 对地放电的雷云绝大多数（对地放电的雷云绝大多数（75759090）是带负电）是带负电荷，所

3、以入地雷电流多为负极性。雷闪放电过程与长荷，所以入地雷电流多为负极性。雷闪放电过程与长间隙极不均匀电场放电过程一样，主要有间隙极不均匀电场放电过程一样，主要有先导放电、先导放电、主放电和余辉放电主放电和余辉放电三个阶段。三个阶段。8.1 雷电参数5 根据高速摄影照片绘制的多重雷电放电过程示意图如图所示6（一）（一） 雷电放电的等值电路雷电放电的等值电路 主放电过程产生的正电荷沿先导通道向上运动去主放电过程产生的正电荷沿先导通道向上运动去中和通道中的负电荷，而产生的负电荷则沿雷击点流中和通道中的负电荷，而产生的负电荷则沿雷击点流过被击物，形成极大的主放电电流。过被击物，形成极大的主放电电流。 研

4、究表明，先导通道具有分布参数的特征，其波研究表明，先导通道具有分布参数的特征，其波阻抗用阻抗用Z0表示。表示。 7 先导通道中电荷的线密先导通道中电荷的线密度；度； vL主放电速度主放电速度。 则可则可将先导放电的发展将先导放电的发展看作是一根均匀分布电荷的看作是一根均匀分布电荷的长导线自雷云向大地延伸长导线自雷云向大地延伸，而将先导头部接近地面时气而将先导头部接近地面时气隙被击穿看作是开关突然合隙被击穿看作是开关突然合闸。闸。 8 当雷击于避雷针、线路杆塔、架空地线或导线等具有分布参数特性的物体时，雷击放电过程可用右图表示。9 则流经被击物体的电流则流经被击物体的电流iZ为为 Z为被击物的波

5、阻抗或雷击点与大地零电位参为被击物的波阻抗或雷击点与大地零电位参考点间的集中参数阻抗。考点间的集中参数阻抗。 即流经被击物体的电流即流经被击物体的电流iZ与被击物体的波阻抗与被击物体的波阻抗Z有关有关。Zvi00LZZZ（1）10 当Z = 0时，流经被击物的电流被定义为“雷电流”，用i表示。由前述可知i = vL。实际上被击物的波阻抗不可能为零，故国际上通常将雷击于接地阻抗小于30的物体时流过该物体的电流当成是雷电流i。则上式可改写为zzz00Z ii（2）11式（2）的等值电路如下图12 通道向被击物体传播通道向被击物体传播的过程。其计算模型的过程。其计算模型及彼德逊等值电路如及彼德逊等值

6、电路如图所示。图所示。 从地面感受到的实际效果出发，可将雷击物体看从地面感受到的实际效果出发，可将雷击物体看作是一个入射波为作是一个入射波为 i / 2 的电流波沿一条波阻抗为的电流波沿一条波阻抗为Z0的的13 （二）雷电参数二）雷电参数 雷电放电与气象、地形、地质等许多自雷电放电与气象、地形、地质等许多自然因素有关，具有很大的随机性，所以用来然因素有关，具有很大的随机性，所以用来表征雷电特性的参数就带有统计的性质。表征雷电特性的参数就带有统计的性质。 1. 雷电活动频度雷电活动频度雷暴日雷暴日Td与雷暴小时与雷暴小时Th雷暴日雷暴日：一年中有雷电的天数，在一天内只要：一年中有雷电的天数，在一

7、天内只要听到雷声就算作一个雷暴日。听到雷声就算作一个雷暴日。 雷暴小时雷暴小时：在一个小时内只要听到雷声就算作：在一个小时内只要听到雷声就算作一个雷暴小时。一个雷暴小时。14中国雷暴日分布中国雷暴日分布我国把年平均雷暴日不超过我国把年平均雷暴日不超过15的定为少雷区，超过的定为少雷区，超过40的地区定的地区定为多雷区，超过为多雷区，超过90的地区为强雷区。在防雷设计中，我国标准的地区为强雷区。在防雷设计中，我国标准雷暴日数取为雷暴日数取为40。2. 地面落雷密度 表示在一个雷暴日中，每平方公里地面上的平均落雷次数。 一般Td较大的地区，其值也较大。对雷暴日为40的地区，我国标准取 = 0.07

8、（次/雷暴日km2）3. 雷电流的极性 负极性雷约占7590%。164. 雷电流幅值 DL/T620-1997“交流电气装置的过电压保护和交流电气装置的过电压保护和绝缘配合绝缘配合”给出了我国年平均雷暴日20地区雷电流幅值概率分布公式： 式中：I 雷电流幅值，kA； P 幅值大于I 的雷电流出现的概率。 对雷电活动较弱的地区改用下式计算：88lgIP（3）44lgIP（4）175. 雷电流的波前时间雷电流的波前时间 、波长、波长 、陡度、陡度 1T2Ts50/6 . 2我国在防雷设计中取我国在防雷设计中取)/(6 . 2skAI波前的平均陡度：波前的平均陡度：sT41:1sT10020:2实测

9、表明：实测表明：18从雷电放电过程可知，雷电流的波形是一个冲击波，在极从雷电放电过程可知，雷电流的波形是一个冲击波，在极短的时间内短的时间内(一般只有几微秒一般只有几微秒)达到峰值，此后几十微秒内缓慢达到峰值，此后几十微秒内缓慢衰减，最后的低电流部分可以维持最长到达毫秒级。衰减，最后的低电流部分可以维持最长到达毫秒级。标准双指数波标准双指数波斜角波头斜角波头半余弦波头半余弦波头T1-波头时间，从波头时间，从0到峰值的时间；到峰值的时间；T2-波尾时间，从波尾时间，从0到衰减后的半峰值时间到衰减后的半峰值时间通常通常T1的值大致为的值大致为14s，平均值取，平均值取2.6s，T2的值大约为的值大

10、约为50s。因此，我国规程推荐采用。因此，我国规程推荐采用T1/T2=2.6/50s的雷电流波形。的雷电流波形。)(0tteeIi)()(111TtIaTiTtati)cos1 (2tIi6. 雷电流极性及计算波形雷电流极性及计算波形小小 结结 雷电放电实质上是一种超长气隙的火花放电，下行的负极性雷通常可分为三个主要阶段：先导放电、主放电、余辉放电。 雷电流的基本参数包括雷电流的幅值、陡度、波形和极性。与气象、地形、地质等许多自然因素有关，具有很大的随机性。20 8.2 避雷针、避雷线的保护范围避雷针、避雷线的保护范围 避雷针（线）由避雷针（线）由接闪器、引下线和接地体接闪器、引下线和接地体三

11、部三部分构成：分构成：21 在一定高度的避雷针（线）下面，有一个在一定高度的避雷针（线）下面，有一个安全区域，在这个区域中物体遭受雷击的概率安全区域，在这个区域中物体遭受雷击的概率很小（约很小（约0.1%左右），这个安全区域称为避雷左右），这个安全区域称为避雷针（线）的保护范围针（线）的保护范围 。 避雷针（线）的保护范围通过模拟试验并避雷针（线）的保护范围通过模拟试验并结合运行经验确定。结合运行经验确定。22 一、避雷针的保护范围一、避雷针的保护范围1. 单支避雷针23当hxh/2时, 当hxh/2时，式中 rx避雷针在高度hx水平面上的保护半径，m。 P 高度影响系数。当h30 m 时,

12、p = 1； 当30 mh120m时 , 。phphhraxx)(phhrx)25 . 1 (xhp5 . 5（6）（7） 2. 两支等高避雷针（1）两针外侧的保护范围按单支针的计算方法确定。（2）两针间的保护范围可通过两针顶点及保护范围上部边缘的最低点o的圆弧确定。25两支等高避雷针的保护范围两支等高避雷针的保护范围O点为假想避雷针的高点为假想避雷针的高度，度，O点的高度为：点的高度为：PDhhO7式中式中 hO 两针间保护范围上部边缘最低点高度，两针间保护范围上部边缘最低点高度，m； D 两避雷针间的距离，两避雷针间的距离，m； P 高度影响系数。高度影响系数。两支等高避雷针的保护范围两支

13、等高避雷针的保护范围两等高两等高(h)避雷针间保护范围的一侧最小宽度避雷针间保护范围的一侧最小宽度(bx)与与 的关系的关系PhDa(a) ; (b) 70PhDa75PhDaxxrb 当当 时，取时，取 。求得。求得bx后，可绘出两针间的保护范围。后，可绘出两针间的保护范围。两针间的距离与针高之比两针间的距离与针高之比D/h不宜大于不宜大于5。xxrb 由于两针之间的空间电场比单针情况下更均匀，由于两针之间的空间电场比单针情况下更均匀，雷电难以击到离针脚较近的两针之间的地面上，由雷电难以击到离针脚较近的两针之间的地面上，由折线法得出的两支等高避雷针的联合保护范围在两折线法得出的两支等高避雷针

14、的联合保护范围在两针之间比两支单针的保护范围之和更大。针之间比两支单针的保护范围之和更大。三针及三针以上的多针联合保护范围，最终都三针及三针以上的多针联合保护范围，最终都可以转化为多个两针的情况，可分别验算其保护范可以转化为多个两针的情况，可分别验算其保护范围，只要在被保护物最大高度水平面上各相邻避雷围，只要在被保护物最大高度水平面上各相邻避雷针间保护范围的一侧最小宽度针间保护范围的一侧最小宽度 ，则以避雷针为，则以避雷针为顶点形成的面积都可受到保护。顶点形成的面积都可受到保护。0 xb 二、避雷线的保护范围二、避雷线的保护范围1. 单根避雷线的保护范围当hx h / 2 时当hx h/2时P

15、hhr)(47.0 xxP)53.1(xxhhr式中 rx每侧保护范围的宽度，m。29 2. 两根等高避雷线的保护范围 两根避雷线外侧的保护范围按单根避雷线的计算两根避雷线外侧的保护范围按单根避雷线的计算方法来确定。方法来确定。 两避雷线之间横截面的保护范围由通过两避雷线两避雷线之间横截面的保护范围由通过两避雷线1、2点及保护上部边缘最低点点及保护上部边缘最低点O的圆弧确定。的圆弧确定。 O点的高度按下式计算点的高度按下式计算 式中式中：避雷线的高度避雷线的高度，。，。 h0两避雷线间保护范围上部边缘最低点高度两避雷线间保护范围上部边缘最低点高度，m； D两避雷线间距离两避雷线间距离，m；PD

16、hh403031避雷线用于输电线路保护避雷线用于输电线路保护当避雷线用于输电线路保护当避雷线用于输电线路保护时，对其下方的导线的保护性能时，对其下方的导线的保护性能与保护角与保护角有很大关系。有很大关系。保护角保护角是指避雷线与导线的连线与通过是指避雷线与导线的连线与通过避雷线的铅垂线之间的夹角。避雷线的铅垂线之间的夹角。导导线在避雷线的外侧称保护角为正，线在避雷线的外侧称保护角为正，反之保护角为负。保护角越小，反之保护角为负。保护角越小，雷电绕击导线雷电绕击导线的可能性越小。的可能性越小。只要两避雷线间的距离不超只要两避雷线间的距离不超过避雷线与中间导线高差的过避雷线与中间导线高差的5倍，倍

17、，中间导线就能受到可靠保护。中间导线就能受到可靠保护。小小 结结 避雷针（线）由接闪器、引下线和接地体三部分构成，是防止直击雷的保护设备。其保护范围是指雷击概率约为0.1%的空间范围，使用时应使被保护设备处于避雷针（线）的保护范围之内。避雷针（线）应有良好的接地装置。33348.3 8.3 避雷器避雷器 避雷器的作用：限制由线路传来的雷电过电压或由操作引起的内部过电压以保护电气设备的绝缘。其保护性能对被保护设备绝缘水平的确定有直接的影响。 对避雷器的要求：（1）具有良好的伏秒特性、较小的冲击系数，从而易于实现合理的绝缘配合；（2）具有较强的快速切断工频续流，快速自动恢复绝缘强度的能力。35带状

18、伏秒特性曲线带状伏秒特性曲线曲线配合不好曲线配合不好曲线配合好曲线配合好绝缘配合曲线绝缘配合曲线按发展历程看：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。一、保护间隙和管式避雷器一、保护间隙和管式避雷器 1. 保护间隙 保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压比后者低，使过电压波被限制到保护间隙F的击穿电压Ub。37缺点： 1）伏秒特性很陡； 2）保护间隙没有专门的灭弧装置； 3）产生大幅值的截波。 应用范围：10kV以下配电系统、线路、变电所进线段的保护。38避雷器的分类避雷器的分类管

19、式避雷器管式避雷器管式避雷器实质上是一个管式避雷器实质上是一个具有较高熄弧能力的保护间隙，具有较高熄弧能力的保护间隙，其基本元件为安装在产气管内的火花间隙其基本元件为安装在产气管内的火花间隙。管式避雷器由两个串联间隙组成管式避雷器由两个串联间隙组成，一个间隙装在管内称为，一个间隙装在管内称为灭弧间隙灭弧间隙S1，另一个间隙在管外称为外间隙，另一个间隙在管外称为外间隙S2，管子由绝缘的，管子由绝缘的产气材料做成。当间隙上出现雷电过电压时，两个间隙均被击产气材料做成。当间隙上出现雷电过电压时，两个间隙均被击穿，雷电流被释放入地。过电压消失后有工频续流流过，工频穿，雷电流被释放入地。过电压消失后有工

20、频续流流过，工频续流的高温使产气管的纤维材料气化，管内气压增加到几十个续流的高温使产气管的纤维材料气化，管内气压增加到几十个大气压，高压气体将从环形电极的中心孔急速喷出，对电弧形大气压，高压气体将从环形电极的中心孔急速喷出，对电弧形成强烈的纵吹作用，使电弧电流在工频电流过零时熄灭。外间成强烈的纵吹作用，使电弧电流在工频电流过零时熄灭。外间隙隙S2的作用是在正常工作时隔离系统电压与产气管的作用是在正常工作时隔离系统电压与产气管S1 。避雷器的分类避雷器的分类管式避雷器管式避雷器管式避雷器的灭弧能力是由工频续流的大小决定的管式避雷器的灭弧能力是由工频续流的大小决定的，续流，续流太大产生气体过多，管

21、内气压太高，会使管子炸裂；续流太小太大产生气体过多，管内气压太高，会使管子炸裂；续流太小产气过少，管内气压太小灭弧能力又不够。因此管式避雷器所产气过少，管内气压太小灭弧能力又不够。因此管式避雷器所能熄灭的续流有一定的上下限，通常在型号中表示，如能熄灭的续流有一定的上下限，通常在型号中表示，如GXS35/1-5型号的避雷器表示：其额定电压为型号的避雷器表示：其额定电压为35kV，可熄灭的，可熄灭的工频续流的上下限分别为工频续流的上下限分别为5kA和和1kA。虽然管式避雷器在灭弧能力上比保护间隙有改进，但虽然管式避雷器在灭弧能力上比保护间隙有改进，但避免避免不了气体间隙放电固有的缺点不了气体间隙放

22、电固有的缺点(伏秒特性太陡；放电分散性大，伏秒特性太陡；放电分散性大，放电特性易受大气条件影响；会产生高幅值的截波；运行维护放电特性易受大气条件影响；会产生高幅值的截波；运行维护麻烦等麻烦等)，因此，因此，管式避雷器目前仅用于保护输电线路的个别管式避雷器目前仅用于保护输电线路的个别弱绝缘地段，如大跨越和交叉跨越处，或与电缆段配合，用于弱绝缘地段，如大跨越和交叉跨越处，或与电缆段配合，用于直配电机的侵入波防护直配电机的侵入波防护。像像变压器变压器这样的重要电气设备的防雷保护这样的重要电气设备的防雷保护要求保护装置的要求保护装置的伏秒特性平坦，且不产生截波伏秒特性平坦，且不产生截波，因此保护间隙或

23、管式避雷器不，因此保护间隙或管式避雷器不能满足要求。阀式避雷器与管式避雷器相比，保护性能有很大能满足要求。阀式避雷器与管式避雷器相比，保护性能有很大的改进，是最初广泛应用于的改进，是最初广泛应用于220kV及以下系统的防雷保护设备。及以下系统的防雷保护设备。阀式避雷器由装在密封瓷套中的阀式避雷器由装在密封瓷套中的非线性电阻阀片和火花间非线性电阻阀片和火花间隙串联组成隙串联组成，其中非线性电阻阀片的材料主要成分是碳化硅，其中非线性电阻阀片的材料主要成分是碳化硅（SiC，亦称金刚砂），添加结合剂后在，亦称金刚砂），添加结合剂后在300350的温度下烧的温度下烧结成圆饼状的阀片，许多阀片串联成阀片电

24、阻。结成圆饼状的阀片，许多阀片串联成阀片电阻。 二、阀式避雷器二、阀式避雷器 工作原理工作原理：当系统正常工作时，间隙将阀片电阻与工作母线隔离，以免由于工作电压在阀片电阻中产生的电流使阀片烧坏。 当系统中出现雷电过电压且其峰值超过间隙的放电电压时，火花间隙迅速击穿，雷电流通过阀片流入大地，从而使作用于设备上的电压幅值受到限制。 42 当过电压消失后，当过电压消失后，间隙中将流过工频续间隙中将流过工频续流流，由于受到阀片电阻的非线性特性的限制，由于受到阀片电阻的非线性特性的限制，工频续流远较冲击电流为小，使间隙能在工工频续流远较冲击电流为小，使间隙能在工频续流第一次经过零值时将电流切断，使系频续

25、流第一次经过零值时将电流切断，使系统恢复正常工作。统恢复正常工作。43（一）普通阀型避雷器 普通阀型避雷器有配电型（FS）和电站型（FZ）两类。 1. 火花间隙 普通阀型避雷器的火花间隙由很多个短间隙串联而成 44 间隙绝缘强度恢复的快慢与工频续流的大间隙绝缘强度恢复的快慢与工频续流的大小有关小有关，我国生产的，我国生产的FS和和FZ型避雷器，当工型避雷器，当工频续流分别不大于频续流分别不大于50A和和80A（峰值峰值）时，能时，能够在续流第一次过零时使电弧熄灭够在续流第一次过零时使电弧熄灭。 避雷器动作后，避雷器动作后，工频续流电弧被间隙的电工频续流电弧被间隙的电极分割成许多个短弧极分割成许

26、多个短弧，靠极板上复合与散热作，靠极板上复合与散热作用，去游离程度较高，更易于切断工频续流。用，去游离程度较高，更易于切断工频续流。45 当多个间隙串联使用时，当多个间隙串联使用时，间隙的电极对间隙的电极对地和高压端有寄生电容存在地和高压端有寄生电容存在，使间隙上的电，使间隙上的电压分布不均匀和不稳定。这样，将使避雷器压分布不均匀和不稳定。这样，将使避雷器的的灭弧能力降低、工频放电电压也下降且不灭弧能力降低、工频放电电压也下降且不稳定。稳定。 为了解决这个问题，对FZ系列避雷器可采用分路电阻使电压分布均匀。 分路电阻的作用：分路电阻的作用：改善间隙上的工频电改善间隙上的工频电压分布，以提高灭弧

27、电压和工频放电电压。压分布，以提高灭弧电压和工频放电电压。46 在工频电压在工频电压作用下，由于间隙作用下，由于间隙的的等值容抗大于分路电阻等值容抗大于分路电阻，所以，所以电压分布主要取决于并联电阻值。电压分布主要取决于并联电阻值。只要电阻选取合适，可使电压分只要电阻选取合适，可使电压分布得以改善。布得以改善。 在在冲击电压冲击电压作用下，由于作用下，由于其等值频率很高，其等值频率很高，间隙上的电压间隙上的电压分布主要由电容决定。由于电场分布主要由电容决定。由于电场不均匀，所以冲击放电电压较低，不均匀，所以冲击放电电压较低，冲击系数一般为冲击系数一般为1 1左右。左右。47 阀片的电阻值与阀片

28、的电阻值与流过电流的大小有关，流过电流的大小有关，呈非线性变化。电流呈非线性变化。电流越大时电阻越小；电越大时电阻越小；电流越小时电阻越大流越小时电阻越大。 （IR） 2. 阀片电阻48iuc 其伏安特性的表达式为式中：C常数，等于阀片上流过1A电流时的压降，与阀片的材料和尺寸有关； 阀片的非线性系数，01，其值与阀片材料及烧制的温度有关，愈小非线性愈好愈小非线性愈好。 iuc49（二）（二）磁吹型阀式避雷器磁吹型阀式避雷器 目前采用的将电弧拉长的磁吹间隙。这种磁吹间隙能切断450A左右的工频续流。 由于电弧被拉的很长，且处于去游离很强的灭弧柵中，故电弧电阻很大，可起到限制续流的作用。 50磁

29、吹避雷器的原理接线图51 磁吹避雷器所采用的阀片电阻也是以SiC为主要原料加粘合剂在1350C1390C的高温下焙烧的，所以称高温阀片。其通流容量较大，不易受潮，但非线性系数较高（0.24）。 磁吹避雷器有保护旋转电机用的FCD型及电站用的FCZ型两种。52 （三）阀型避雷器的电气参数 1. 额定电压 指正常运行时，加在避雷器上的工频工作电压，应与其安装地点的电力系统的电压等级相同。 2. 灭弧电压 指保证避雷器能够在工频续流第一次过零第一次过零值时灭弧的条件下值时灭弧的条件下，允许加在避雷器上的最高工频电压。灭弧电压应大于避雷器安装地点可能出现的最大工频电压。53 3. 工频放电电压工频放电

30、电压 指在工频电压作用下，避雷器将发生放电的电压指在工频电压作用下，避雷器将发生放电的电压值。值。由于间隙的击穿电压具有分散性，工频放电电压由于间隙的击穿电压具有分散性，工频放电电压都是给出上限和下限值。作用在避雷器上的工频电压都是给出上限和下限值。作用在避雷器上的工频电压超过下限值时，避雷器将会击穿放电。超过下限值时，避雷器将会击穿放电。 由于普通阀型避雷器的灭弧能力和通流容量都是由于普通阀型避雷器的灭弧能力和通流容量都是有限的，一般不允许它们在内部过电压作用下动作，有限的，一般不允许它们在内部过电压作用下动作，因此通常规定其因此通常规定其工频放电电压的下限应不低于该系统工频放电电压的下限应

31、不低于该系统可能出现的内部过电压值可能出现的内部过电压值。54 4. 冲击放电电压冲击放电电压 指在冲击电压作用下避雷器的放电电压（幅值），通常给出的是上限值。 5. 残压残压（峰值） 指雷电流通过避雷器时，在阀片电阻上产生的电压降（峰值）。由于残压的大小与通过的雷电流的幅值有关，我国标准规定：通过避雷器的额定雷电冲击电流，220kV及以下系统取5kA，330kV及以上系统取10kA，波形为8/20s。55 此外，还有几个常用来综合评价避雷器整体保护性能的技术指标：（1）冲击系数冲击系数。 指避雷器冲击放电电压与工频放电电压幅值之比，与避雷器的结构有关。一般希望冲击系数接近于1，这样避雷器的伏

32、秒特性就比较平坦，有利于绝缘配合。 56 （2）切断比切断比。 它等于避雷器的工频放电电压（下限）与灭弧电压之比。是表示间隙灭弧能力的一个技术指标。切断比愈小，说明绝缘强度的恢复愈快，灭弧能力愈强。一般普通阀型避雷器的切断比为1.8， 磁吹避雷器的切断比为1.4。57（3）保护比保护比。 等于避雷器的残压与灭弧电压之比。保护比愈小，说明残压愈低或灭弧电压愈高，因而保护性能愈好。FS和FZ系列的保护比分别为2.5和2.3左右，FCZ系列为1.71.8。58氧化锌（氧化锌（ZnO）避雷器也叫金属氧化物避雷器（）避雷器也叫金属氧化物避雷器（MOA）。）。日本松下电气公司于日本松下电气公司于1968年

33、成功研制出无间隙氧化锌避雷器，年成功研制出无间隙氧化锌避雷器，到到1980年初就已经研制出年初就已经研制出500kV超高压避雷器。超高压避雷器。目前我国氧化目前我国氧化锌避雷器的技术和市场已达到成熟的阶段，在很大程度上取代锌避雷器的技术和市场已达到成熟的阶段，在很大程度上取代了了SiC避雷器。避雷器。氧化锌避雷器得到广泛的推广和应用，是源于氧化锌电阻氧化锌避雷器得到广泛的推广和应用，是源于氧化锌电阻片具有非常优异的非线性特征。片具有非常优异的非线性特征。在电网工作电压下，无间隙氧在电网工作电压下，无间隙氧化锌避雷器上流过的泄漏电流只有化锌避雷器上流过的泄漏电流只有50150A，比，比SiC避雷

34、器的避雷器的泄漏电流低泄漏电流低6个数量级，可视为无工频续流个数量级，可视为无工频续流，因此可做成无间，因此可做成无间隙氧化锌避雷器，简化避雷器的结构，减小尺寸。隙氧化锌避雷器，简化避雷器的结构，减小尺寸。 三、氧化锌避雷器三、氧化锌避雷器氧化锌避雷器的非线性电阻片是以氧化锌为主要材料，添氧化锌避雷器的非线性电阻片是以氧化锌为主要材料，添加少量的氧化铋、氧化钴、氧化锰、氧化锑、氧化铬等，经过加少量的氧化铋、氧化钴、氧化锰、氧化锑、氧化铬等，经过粉碎、混合、成型、烧结（粉碎、混合、成型、烧结（1000以上的高温）、表面处理等以上的高温）、表面处理等工序制成金属氧化物电阻片。工序制成金属氧化物电阻

35、片。氧化锌电阻片的微观结构氧化锌电阻片的微观结构 氧化锌电阻片的微观结构中，氧化锌电阻片的微观结构中，ZnO晶粒内含有微量钴、锰元素，晶粒内含有微量钴、锰元素，其粒径为其粒径为10m左右，电阻率为左右，电阻率为110cm； ZnO晶粒外包围着晶粒外包围着Bi2O3晶界层，厚度为晶界层，厚度为0.1m左右，左右，电阻率大于电阻率大于10101011m；还有零；还有零散分布于晶界层中的尖晶石。散分布于晶界层中的尖晶石。避雷器的分类避雷器的分类氧化锌避雷器氧化锌避雷器在低电场强度作用下，在低电场强度作用下，Bi2O3晶界层的电阻率为晶界层的电阻率为10101011m，可视为绝缘状态；可视为绝缘状态；

36、当晶界层承受的电场强度达当晶界层承受的电场强度达到到104105V/cm时，电阻率会骤然时，电阻率会骤然下降，呈低阻态。下降，呈低阻态。氧化锌阀片的非线性特性主氧化锌阀片的非线性特性主要由晶界层决定。要由晶界层决定。晶界层的显著晶界层的显著压敏特性带给氧化锌阀片非常优压敏特性带给氧化锌阀片非常优异的非线性。异的非线性。氧化锌电阻片的非线性伏安特性分为三个典型区域：氧化锌电阻片的非线性伏安特性分为三个典型区域：(1) 低电场区低电场区（小电流区），电流密度与电场强度开方成正比，（小电流区），电流密度与电场强度开方成正比，非线性系数非线性系数约为约为0.10.2；(2) 中电场区中电场区（非线性区

37、），晶界层电阻（非线性区），晶界层电阻Rv 减小，非线性系数减小，非线性系数大为下降，约为大为下降，约为0.010.04；(3) 高电场区高电场区（饱和区），（饱和区），ZnO本体电阻本体电阻R 起主要作用，电流起主要作用，电流与电压成正比，伏安特性曲线向上翘，非线性变差。与电压成正比，伏安特性曲线向上翘，非线性变差。避雷器的分类避雷器的分类氧化锌避雷器氧化锌避雷器 与与SiC阀片相比，阀片相比，ZnO阀片具有很理想阀片具有很理想的非线性伏安特性。的非线性伏安特性。 图中假定图中假定ZnO、SiC电阻阀片在电阻阀片在10kA电流下的残压相电流下的残压相同，那么在额定电压下，同，那么在额定电压下

38、，SiC阀片中将流过阀片中将流过100A左右的电左右的电流，而流，而ZnO阀片中流过的电流为微安级，即阀片中流过的电流为微安级，即在工作电压下，在工作电压下，ZnO阀片实际上相当一绝缘体阀片实际上相当一绝缘体。避雷器的分类避雷器的分类氧化锌避雷器氧化锌避雷器ZnO阀片具有更平坦的伏安特性，流过的电流范围更大。阀片具有更平坦的伏安特性，流过的电流范围更大。ZnO避雷器性能优越，与传统的避雷器性能优越，与传统的SiC避雷器相比具有以下优点：避雷器相比具有以下优点： 无间隙，保护特性优异无间隙，保护特性优异。正常工作电压不会使正常工作电压不会使ZnO电阻片电阻片烧坏，可以不用串联火花间隙来隔离工作电

39、压，因此其结烧坏，可以不用串联火花间隙来隔离工作电压，因此其结构简单，体积缩小、重量轻，而且避免了构简单，体积缩小、重量轻，而且避免了SiC避雷器由于避雷器由于瓷套外污秽、内部气压变化等因素而使串联火花间隙放电瓷套外污秽、内部气压变化等因素而使串联火花间隙放电电压不稳的缺点。电压不稳的缺点。 无续流。无续流。当过电压作用结束后，当过电压作用结束后，ZnO电阻片恢复绝缘状态，电阻片恢复绝缘状态，续流仅为微安级，可认为无续流。在雷电或内部过电压的续流仅为微安级，可认为无续流。在雷电或内部过电压的作用下，只需吸收过电压的能量，而不需吸收续流能量。作用下，只需吸收过电压的能量，而不需吸收续流能量。 耐

40、重复动作能力强。耐重复动作能力强。ZnO电阻片只需吸收过电压的能量，电阻片只需吸收过电压的能量，而不需吸收续流能量，减轻了阀片所受负荷，而且晶体结而不需吸收续流能量，减轻了阀片所受负荷，而且晶体结构和特性稳定，具有耐受多重雷击和重复发生的操作过电构和特性稳定，具有耐受多重雷击和重复发生的操作过电压的能力。压的能力。 通流容量大。通流容量大。ZnO避雷器的通流能力仅与阀片本身的通流避雷器的通流能力仅与阀片本身的通流能力有关。能力有关。 ZnO电阻片单位面积的通流能力要比电阻片单位面积的通流能力要比SiC阀片阀片大大44.5倍，提高了避雷器的动作负载能力。倍，提高了避雷器的动作负载能力。采用多阀片

41、柱采用多阀片柱并联的办法可进一步增大避雷器的通流容量。并联的办法可进一步增大避雷器的通流容量。通流容量大通流容量大的优点使得的优点使得ZnO避雷器完全可以用来限制操作过电压，也避雷器完全可以用来限制操作过电压，也可以耐受一定持续时间的暂时过电压。可以耐受一定持续时间的暂时过电压。 易于制成直流系统保护用的避雷器。易于制成直流系统保护用的避雷器。直流续流不像工频续直流续流不像工频续流一样存在自然过零点，所以直流系统保护用的避雷器如流一样存在自然过零点，所以直流系统保护用的避雷器如采用串联间隙将难以灭弧。采用串联间隙将难以灭弧。ZnO避雷器不用串联间隙，所避雷器不用串联间隙，所以易于制成直流系统保

42、护用的避雷器。以易于制成直流系统保护用的避雷器。 适于大批量生产，造价低，经济性好。适于大批量生产，造价低，经济性好。 注意：氧化锌阀片长期直接受工频电压的作用，在运行中会注意：氧化锌阀片长期直接受工频电压的作用，在运行中会有老化现象，需定期监测其泄漏电流等参数以保证安全。有老化现象，需定期监测其泄漏电流等参数以保证安全。ZnO避雷器的电气参数避雷器的电气参数 额定电压。额定电压。是指能施加在避雷器两端的最大允许工频电压是指能施加在避雷器两端的最大允许工频电压有效值。有效值。即在系统短时工频过电压直接加在即在系统短时工频过电压直接加在ZnO阀片上时，阀片上时，避雷器仍能正常的工作避雷器仍能正常

43、的工作（允许吸收规定的雷电及操作过电（允许吸收规定的雷电及操作过电压能量，特性基本不变，不发生热崩溃）。压能量，特性基本不变，不发生热崩溃）。 最大持续运行电压。最大持续运行电压。在运行中允许持续地施加在避雷器上在运行中允许持续地施加在避雷器上的最大工频电压有效值。避雷器吸收过电压能量后温度升的最大工频电压有效值。避雷器吸收过电压能量后温度升高，在此电压下能正常冷却，不发生热击穿。其值一般应高，在此电压下能正常冷却，不发生热击穿。其值一般应不小于额定电压的不小于额定电压的0.8倍，且不低于系统的最高运行相电压。倍，且不低于系统的最高运行相电压。 起始动作电压起始动作电压(参考电压或转折电压参考

44、电压或转折电压)。位于。位于ZnO电阻片伏电阻片伏安特性曲线由小电流区上升部分进入大电流区平坦部分的安特性曲线由小电流区上升部分进入大电流区平坦部分的转折处，避雷器此时开始进入动作状态以限制过电压。通转折处，避雷器此时开始进入动作状态以限制过电压。通常指通过常指通过1mA工频电流峰值或直流电流时避雷器端电压的工频电流峰值或直流电流时避雷器端电压的峰值峰值U1mA。 标称放电电流。标称放电电流。冲击波形为冲击波形为8/20s的放电电流峰值，单位的放电电流峰值，单位kA，用以区分避雷器的等级。我国规定的标称电流有，用以区分避雷器的等级。我国规定的标称电流有1kA、1.5kA、2.5kA、5kA、1

45、0kA和和20kA几个等级。几个等级。 残压。残压。指冲击电流通过避雷器时，在阀片电阻上产生的峰指冲击电流通过避雷器时，在阀片电阻上产生的峰值电压。残压包括值电压。残压包括标称放电电流下的残压、陡波电流下的标称放电电流下的残压、陡波电流下的残压和操作冲击电流下的残压残压和操作冲击电流下的残压。其中陡波电流波形为。其中陡波电流波形为1/5s，操作冲击电流的波头时间为操作冲击电流的波头时间为30100s。 雷电冲击保护水平。雷电冲击保护水平。避雷器标称放电电流下的残压值为其避雷器标称放电电流下的残压值为其雷电冲击保护水平。陡波电流下的残压与标称放电电流下雷电冲击保护水平。陡波电流下的残压与标称放电

46、电流下的残压之比不得大于的残压之比不得大于1.15。 操作冲击保护水平。操作冲击保护水平。避雷器在操作冲击电流避雷器在操作冲击电流(波头时间为波头时间为30100s)下的最大残压。下的最大残压。 压比。压比。指避雷器在波形为指避雷器在波形为8/20s的标称冲击电流作用下的的标称冲击电流作用下的残压与起始动作电压之比。压比愈小，表明避雷器的非线残压与起始动作电压之比。压比愈小，表明避雷器的非线性愈好。通过冲击大电流时的残压愈低，避雷器的保护性性愈好。通过冲击大电流时的残压愈低，避雷器的保护性能愈好。能愈好。 荷电率。荷电率。指最大持续运行电压的幅值与起始电压的比值，指最大持续运行电压的幅值与起始

47、电压的比值，是表示单位电阻片上电压负荷程度的参数。荷电率愈高说是表示单位电阻片上电压负荷程度的参数。荷电率愈高说明避雷器稳定性愈好，耐老化，能在靠近转折点长期工作。明避雷器稳定性愈好，耐老化，能在靠近转折点长期工作。选定的荷电率大小对于电阻片的老化速度有很大影响。一选定的荷电率大小对于电阻片的老化速度有很大影响。一般选用般选用45%75%或更高。或更高。 保护比。保护比。氧化锌避雷器的保护比定义为标称放电电流下的氧化锌避雷器的保护比定义为标称放电电流下的残压与最大持续运行电压峰值的比值或压比与荷电率之比。残压与最大持续运行电压峰值的比值或压比与荷电率之比。降低压比或提高荷电率均可降低氧化锌避雷

48、器的保护比。降低压比或提高荷电率均可降低氧化锌避雷器的保护比。100500kV变电站用变电站用ZnO避雷器的电气特性避雷器的电气特性 为了降低大电流时的残压而又不加大阀片在正常运行中的电压负担，以减轻氧化锌阀片的老化，往往也采用并联或串联间隙的方法。右图为带并联间隙的氧化锌避雷器原理图。 目前生产的氧化锌避雷器在电压等级较低时大部分是采用无间隙的结构。对超高电压或需大对超高电压或需大幅度降低压比时，则采用并联或串联间隙的方法幅度降低压比时，则采用并联或串联间隙的方法。 70小小 结结避雷器的作用保护间隙和排气式避雷器阀式避雷器氧化锌避雷器71 第四节 接地装置 一、接地和接地电阻的基本概念一、接地和接地电阻的基本概念 电工中“地”是指地中不受入地电流的影响而保持着零电位的土地。 接地接地就是指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经常保持等电位。 72接地体接地体：埋入地中与土壤有良好接触的金属 导体。接地线接地线：电气设备接地部分与接地体之间的 连接线。接地装置接地装置：接地体和接地线的总称。73 设土壤电阻率为，地中某