9章-雷电及防雷装置(2014luo)

1、第9章 雷电及防雷装置 9.1 雷电放电的发展过程 9.2 雷电参数 9.3 避雷针和避雷线 9.4 避雷器 9.5 防雷接地过电压类型过电压（OV）： UUe 大气OV： 直击雷OV 感应雷OV U与 Ue无关，内部OV： 操作OV 谐振OV U是Ue倍数 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、甚至数百千安，从而会引起巨大的电磁效应、机械效应和热效应。从电力工程的角度来看，最值得我们注意的两个方面是： 雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压，它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一 产生巨大电流，使被击物体炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损坏。

2、 电力系统中的大气过电压主要是由雷电放电所造成的。水滴分裂起电理论：大水滴分裂成水珠和细微的水沫，出现电荷分离现象，大水珠带正电，小水沫带负电，细微水沫被上升气流带往高空，形成大片带负电的雷云。雷云的底部大多是带负电荷，在地面上感应出大量的正电荷。带有大量不同极性的雷云之间、雷云对地之间就形成了强大的电场。雷云中的电荷分布当空间电场强度超过大气电离的放电的临界电场强度时，就会发生云间或对大地的火花放电。放电通道的电流可达几十或几百千安。9.1 雷电放电的发展过程一、雷电放电过程（云地） 雷电是一种气体放电现象，是一种超长间隙的火花放电，雷云是电极。条件：当云中某一电荷密集中心处的场强达到253

3、0kV/cm时，就可能引发雷电放电。过程：先导主放电余辉（余光）1.先导阶段特点：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。平均每一级长度：2550m每级间停歇时间：3090us下行平均速度：0.10.8m/us电流较小：数十至数百安培2.主放电和迎面流注阶段发展过程：先导接近地面周围场强增加空气电离地面或突出接地物体形成向上的迎面先导（迎面流注）迎面先导与下行先导相遇主放电阶段特点：强烈的电荷中和过程、雷鸣、闪电主放电时间：50100us放电发展速度：50100m/us电流：数十至数百千安3.余辉阶段 主放电完成之后，云中剩余电荷沿导电通道开始流向大地，该阶段成为余辉（或余光）

4、阶段。特点：云中电荷主要在这一阶段泻入大地。持续时间：0.030.15s电流：数百安先导：不连续性（分级先导），历时约 0.005 0.010 s。每一级先导发展速度相当高，但每发展到一定长度（平均约 50m）就有一个 10 100 s 的间隔。发展速度约为光速的 1/1000 。主放电：时间 50 100 s，移动速度为光速的 1/20 1/2；主放电时电流可达数千安，最大可达200 300kA。 余辉：雷云中剩下的电荷继续沿主放电通道下移，称为余辉放电阶段。余辉放电电流仅数百安，但持续的时间可达 0.03 0.15 s。 多重雷击：主放电的重复过程，每次间歇时间为几十毫秒，放电次数一般为2

5、3次，最多为次雷云中可能存在多个电荷中心，当第一个电荷中心完成上述放电过程后，可能引起其他电荷中心向第一个中心放电，并沿着第一次放电通路发展。两次放电时间间隔：0.03s特点：原放电路径已被游离，故无分支不分级，自上而下连续发展，称为箭状先导。9.2 雷电参数 雷电活动强度雷暴日及雷暴小时雷暴日：每年中有雷电的天数。 雷暴小时：每年中有雷电的小时数。 年平均雷暴日不超过 15 的地区为少雷区；超过 40 的为多雷区；超过 90 的地区及根据运行经验雷害特别严重的地区为强雷区。 落雷密度地面落雷密度 ：每一个雷暴日、每平方公里对地面落雷次数 。电力行业标准DL/T620-1997建议取 = 0.

6、07次平方公里. 雷电日。 雷电通道波阻抗 雷电通道如同一个导体，雷电流在导体中流动，对电流波呈现一定的阻抗，该阻抗叫做雷电通道波阻抗 （规程建议取 300 400）。 全国53年(19542006)平均雷电日数分布图 2022/8/1417 雷电流的极性 国内外实测结果表明，负极性雷占绝大多数，约占 75 90 %。 雷电流幅值雷电流：雷击具有一定参数的物体时，若被击物阻抗为零，流过被击物的电流。规程规定：雷电流是指雷击于的低接地电阻物体时，流过该物体的电流。一般地区：少雷地区：I雷电流幅值（kA)P幅值大于I的雷电流出现的概率经验公式： 雷电流的波头、陡度及波长 波头： 1 5 s 范围内

7、变化，多为 2.5 2.6 s，规程规定取2.6 s；波长： 20 100 s ，多数为 50 s 左右。为简化计算，视为无限长；陡度：陡度 与幅值 I 有线性的关系，即幅值愈大，陡度也愈大。一般认为陡度超过 50 kA/s 的雷电流出现的概率已经很小（约为0.04）。 （a）标准冲击波形（双指数波形） 与实际波形最为接近，但较繁琐。双指数波形也取作冲击绝缘强度实验电压的波形，为1.2/50us。（b）斜角平顶波 陡度可由给定幅值和波前时间确定。用于分析发生在10us以内的各种波过程，有很好的等值性。（c）等值半余弦波 多用于分析雷电波波前的作用。 雷电流的波形 双指数波特点:与实际波形最为接

8、近,但比较麻烦斜角波特点:比较便于计算，用来分析波过程很方便半余弦波特点:较接近于实际,仅在特殊场合使用防雷措施避雷针、避雷线、避雷器、接地装置（降低接地电阻）避雷针、避雷线：可以防止雷电直接击中被保护物体，也称作直击雷保护（措施）。避雷器：防止沿输电线侵入变电所的雷电过电压波，因此也称作侵入波保护（措施）。接地装置：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。9.3 避雷针和避雷线 避雷针（线）的保护原理 当雷云的先导向下发展，高出地面的避雷针（线）顶端形成局部电场强度集中的空间，以至有可能影响下行先导的发展方向，使其仅对避雷针（线）放电，从而使得避

9、雷针（线）附近的物体免遭雷击。 对避雷针（线）的要求（1）为了使雷电流顺利地泄入大地，故要求避雷针（线）应有良好的接地装置。（2）被保护设备全面位于避雷针（线）的保护范围内。但为了防止与被保护物之间的间隙击穿（也称为反击），它们之间应保持一定的距离。 （1）单支避雷针 在高度hx水平面上，其半径rx按下式计算：避雷针高度（m）高度影响系数。单支避雷针保护范围上图中划定避雷针保护范围的方法称为折线法，用两段斜率不同的折线段确定保护范围（建筑防雷中采用滚球法确定保护范围）折线表达式中的p是修正系数，根据避雷针高度的不同进行有关修正修正系数p避雷针高度30m时避雷针高度h30m时修正系数p1修正系数

10、p避雷针高度30m时30mh120m时修正系数：如图可见，避雷针高度超过30m后其保护范围随高度而增大的趋势减缓31 保护范围计算的实质是：求不同高度上，被保护物距离避雷针的距离是否小于避雷针在这个高度上的保护半径。drh（2）双支等高避雷针 两针外侧的保护范围可按单针计算方法确定，两针间的保护范围应按通过两针顶点及保护范围上部边缘最低点O的圆弧来确定，O点的高度h0按下式计算： 两针间的距离（m） 两避雷针之间高度为hx水平面上保护范围的一侧的最小宽度： 为保证两针联合保护效果，两针间距离与针高之比D/h不宜大于5。两支避雷针联合保护范围两支避雷针的联合保护范围不是两个避雷针各自保护范围的“

11、并集”，而是比这个并集要大一些图中蓝色虚线部分代表单支避雷针保护范围的界限（3）两支不等高避雷针 213 两针外侧的保护范围仍按单针计算。 两针内侧的保护范围先按单针作出高针1的保护范围，然后经过较低针2的顶点作水平线与之交于点3，再设点3为一假想的顶点，作出两等高针2和3的保护范围。35 （4）多支等高避雷针 三支等高避雷针的联合保护范围可以采用每两支作为一对组合分别计算出它们的联合保护范围，只要在被保护高度上各个两针之间的bx0，则三针组成的三角形中间部分将均处于三针联合保护范围之内。36 四支以上的等高多支避雷针的联合保护范围，可以按每三支作为一个组合分别确定它们的保护范围，然后再叠加到

12、一起即可得到多针的联合保护范围。避雷线（又称架空地线）的保护范围（1）单根避雷线的保护范围可按下式计算：单根避雷线保护范围（2）两根等高平行避雷线的保护范围 两线外侧的保护范围应按单线计算，两线横截面的保护范围可以通过两线1，2点及保护范围上部边缘最低点O的圆弧确定，O点的高度应按下式计算：两线间的距离（m） 保护角 ：表示避雷线的保护程度，指避雷线铅垂线与避雷线和边导线连线的夹角。 保护角越小，雷击导线的概率越小，对导线的屏蔽保护越可靠。双避雷线联合保护范围避雷针与避雷线的应用范围避雷针在变电所、发电厂等场合有广泛的应用（集中保护场合）。避雷线适用于输电线路防雷（分布保护场合），在变电所里有

13、时也在电气主回路上空布置多条避雷线进行雷电防护。避雷针是不是越高越好？答案：随着避雷针高度的增加，其保护范围的增加越来越有限，同时其保护范围内免受雷击的概率变得不确定。在提高避雷针高度上下功夫不如采用多针联合保护。44作用：与被保护设备并联运行，当作用电压超过一定幅值以后避雷器总是先动作，泻放大量能量，限制过电压，保护电气设备。工频续流：避雷器放电时，强大的冲击电流泻入大地，大电流过后工频电流将沿原冲击电流的通道继续流过，该电流称为工频续流。避雷器的基本要求：过电压作用时，避雷器先于被保护电力设备放电，这需要由两者伏秒特性曲线的配合来保证；避雷器应具有一定的熄弧能力，以便可靠的切断在第一次过零

14、时的工频续流，使系统恢复正常。9.4 避雷器 保护间隙由两个电极（即主间隙和辅助间隙）组成，它是最简单的一种避雷器。辅助间隙的作用：避免主间隙被（外物，小鸟）短接而造成工作母线接地短路。 电极做成角型是为了使工频电弧在自身电动力和热气流作用下易于上升被拉长而自行熄灭。 为使被保护设备得到可靠保护，间隙的伏秒特性上限应低于被保护设备绝缘的冲击放电伏秒特性的下限并有一定的安全裕度。一、保护间隙绝缘的伏秒特性避雷器的伏秒特性 当雷电波入侵时，间隙先击穿，工作母线接地，避免了被保护设备上的电压升高，从而保护了设备。 过电压消失后，间隙中仍有由工作电压所产生的工频短路电流（称为续流），由于间隙的熄弧能力

15、差，往往不能自行熄灭，将引起断路器的跳闸，这样，虽然保护间隙限制了过电压，保护了设备，但将造成线路跳闸事故，破坏系统的工作可靠性。 此外，间隙间的电场是极不均匀电场，又裸露在大气环境中，受气象条件的影响很大，因此它的伏秒特性很陡，且分散性大，这将直接影响到它的保护效果。 还有当间隙被击穿后是直接接地，将会有截波产生，不能用来保护有绕组的设备。由于它有以上的不足，也就限制了它的使用范围。 通常可将间隙配合自动重合闸使用。S2S1内间隙外间隙产气管棒形电极工作母线环形电极管型避雷器二、管型避雷器 管型避雷器实质上是一个能自动熄弧的保护间隙。 它有两个互相串联的间隙:一个在大气中称为外间隙s2，其作

16、用是隔离工作电压，避免产气管被流经管子的工频泄露电流所烧坏；另一个间隙s1装在管内称为内间隙或灭弧间隙。外间隙内间隙 管由纤维、塑料或橡胶等产气材料制成。 雷击时，内外间隙同时击穿，雷电流经间隙流入大地；过电压消失后，内外间隙的击穿状态将由导线上的工作电压所维持，此时流经间隙的工频电弧电流为工频续流，其值为管型避雷器安装处的短路电流，工频续流电弧的高温，使管内产生大量气体，其压力可达数十以至上百个大气压，气体从开口端喷出，强烈地吹动电弧，使其在工频续流第一次经过零值时熄灭。 管型避雷器的熄弧能力与工频续流大小有关，续流太大产气过多，管内气压太高将造成管子炸裂；续流太小，产气过少，管内气压太低不

17、足以熄弧，故管型避雷器熄灭工频续流有上下限的规定，通常在型号中表明。 管型避雷器的主要缺点：（1）伏秒特性较陡且放电分散性较大，而一般变压器和其他设备绝缘的冲击放电伏秒特性较平，二者不能很好配合；（2）管型避雷器动作后工作母线直接接地形成截断波，对变压器绝缘不利。（3）管型避雷器放电特性受大气条件影响较大。 管型避雷器与保护间隙比较仅有一点改进，即能自动熄弧，其他缺点与保护间隙完全一样。因此，管型避雷器目前只用于保护输电线路的个别地段，如大跨越和交叉跨越处，或变电所的进线段。主气隙辅助气隙瓷瓶内间隙2022/8/1453对管型避雷器续流的要求1、续流的上限应大于安装点可能出现的最大短路电流。2

18、、续流的下限应小于安装点可能出现的最小短路电流。管型避雷器三、阀型避雷器 当过电压达到间隙动作电压，间隙动作，冲击电流经阀片流入大地；之后，阀片仅受到工频电压作用，由于非线性关系，阀片电阻值增高，使流过的工频续流受到限制，并在第一次过零瞬间，由间隙将此续流切断。注意：避雷器从间隙击穿到工频续流被切断不超过半个周波，因此电网在整个过程均保持正常供电。 普通阀式避雷器（火花间隙、非线性电阻）单个火花间隙的结构a.保证间隙中的电场为均匀电场，伏秒特性平缓；b.电晕可缩短间隙放电时间 阀片的伏安特性多个短间隙串联易于切断工频续流。（复合与散热） 多个问隙串联电压分布不均匀，使避雷器灭弧能力降低。可使用

19、并联电阻使电压分布均匀。 a. 当电流增大时，阀片呈现低阻值，使避雷器上电压降低，增加了避雷器的保护效果。b. 希望在工频电压升高后流过间隙阀片的续流不超过规定值，此时阀片呈现的电阻要有足够的数值。 灭弧电压：对于有间隙避雷器，续流第一次经过零值保证不重燃的条件下，允许作用在避雷器上的最高工频电压。残压：流过避雷器的冲击电流一定幅值（普通阀式避雷器为 5kA），一定波形（8/20 s），在阀片电阻上产生的最大压降。保护比：残压与灭弧电压之比，保护比的值越小越好。 磁吹阀式避雷器 提高避雷器切断工频续流值的方法之一是“磁吹”，即利用磁场电弧的电动力作用，使电弧拉长或旋转，以提高间隙灭弧能力。 1

20、电极；2灭弧盒；3分路电阻；4灭弧栅；5主间隙；6磁吹线圈；7辅助间隙 间隙由一对角形电极 1 组成，磁场是轴向的，续流电弧被轴向磁场力拉长，吹入灭弧栅 4，电弧最终长度可达起始长度的数十倍，灭弧盒2 用陶瓷或云母、玻璃等材料制成，电弧在灭弧栅中受到强烈的去游离作用，因而电弧电阻很大，能起到限制续流的作用，故称为限流间隙，它可切断 450A 左右的续流。 金属氧化物避雷器（MOA） 金属氧化物主要成份是氧化锌，有时也称为氧化锌避雷器。金属氧化物避雷器有一系列优点：非线性系数值很小。在额定电压作用下，通过的电流极小，因此可以做成无间隙避雷器。保护性能好。它不需间隙动作，电压一旦升高，即可迅速吸收

21、过电压能量，抑制过电压的发展；有良好的陡度响应特性；性能稳定。金属氧化物避雷器基本无续流，动作负载轻，耐重复动作能力强。通流容量大。避雷器容易吸收能量，没有串联间隙的制约，仅与阀片本身的强度有关。同碳化硅（SiC）阀片比较，氧化物阀片单位面积的通流能力大 4 4.5 倍。结构简单，尺寸小，易于大批量生产，造价低。适用于多种特殊需要。9.5 防雷接地接地：就是把设备与电位参照点的地球作电气上的连接，使其对地保持一个低的电位差。 办法：在大地表面土层中埋设金属电极，这种埋入地中并直接与大地接触的金属导体，叫做接地体，有时也称为接地装置。 工作接地：为了运行的需要，将电网某一点接地，其目的是为了稳定

22、对地电位与继电保护上的需要。保护接地：为了保护人身安全，防止因电气设备绝缘劣化，外壳可能带电而危及工作人员安全。防雷接地：导泄雷电流，消除过电压对设备的危害。静电接地：在可燃物场所的金属物体接地。 防雷接地 各种防雷保护装置（避雷针、避雷线、避雷器）都必须配以合适的接地装置，将雷电泻入大地，才能有效的发挥其保护作用。（一）接地、接地电阻、接地装置1.接地的概念 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保持等电位。2.接地的分类 工作接地、保护接地、防雷接地（1）工作接地 根据电力系统正常运行需要而设置的接地（0.510）。（2）保护接地 不是为正常工作而设定，为了人身安全而装设的

23、接地装置，在故障运行条件下发挥作用（110）。（3）防雷接地 用来将雷电流顺利泻入大地，以减小它所引起的过电压，性质介于前两种接地之间，一般在故障情况下发挥作用（130）。（4）接地电阻（大地的电场强度）接地电阻Re=接地点的电位Ue/工频或直流电流Ie 接地电阻=接地引线+接地体+接地体与土壤间的过渡(接触)电阻+大地的溢流电阻（主要） 当接地电流一定时，Re越大，Ue越高，因此降低Re才能降低危险电位。冲击接地电阻Ri：对于防雷接地装置，当流过冲击大电流时呈现的电阻。防雷接地装置的作用：为了减小冲击接地电阻以降低雷电流泻放时防雷保护装置（避雷线、避雷针、避雷器）端部电压。3.接地装置的形式（1）自然接地体 交流电力设备的接地装置应充分利用自然接地体，一般可利用：埋设在地下的金属管道 （易燃、易爆性气体、液体管道除外）、金属构件等；敷于地下的而其数量不少于两根的电缆金属护套；与大地有良好接触的金属桩、柱等；混凝土构件中的钢筋基础。 敷设接地体时，应首先选用自然接地体，因为它具有以下优点：自然接地体一般较长，与地的接触面积较大，流散电阻小，有时能达到采用专门接地体所不能达到的效果。用电设备大多数情况下与自然接地体相连，事故电流从自然接地体流散，所以比较安全。自然接地体在地下纵