雷电及防雷保护装置

1、1,第7章 雷电及防雷保护装置 主要内容： 雷电放电过程和雷电参数 电力系统防雷保护装置,2,第1节 雷电过程与雷电参数 主要内容： 雷电放电过程 雷电参数 雷暴日、雷暴小时、地面落雷密度 雷电流 雷道波阻抗,3,一、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2530kV/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：

2、数十至数百安培,4,2.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）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,5,多重雷击： 雷云中有多个电荷中心某一电荷中心放电电位变为0其余电荷中心与其产生很大电位差已有的主放电通道又发生对地放电多重

3、雷击 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。,6,7,8,9,10,二、雷电参数 1.雷暴日（Td）和雷暴小时（Th） 雷暴日：一天内只要听到雷声就算一个雷暴日 雷暴小时：一小时内只要听到雷声就算一个雷暴小时 折算：一个雷暴日=三个雷暴小时 分布元素：与地理位置有关，一般热而潮湿地区比冷而干燥地区多，陆地比海洋多，山区比平原多 分类：,少雷区：等于或小于15雷暴日地区 中雷区：1540雷暴日地区 多雷区：40雷暴日以上 特殊强雷区：90雷暴日以上,11,2.地面落雷密度 定义：每一雷暴日、每平方千米地面受到的平均落雷次数。 一般

4、取=0.07，但峡谷、向阳、迎风山坡、低电阻率地区的值比一般地区大很多。 3.雷电流 （1）雷电流幅值（I） 定义：当波阻抗为零时（低接地电阻R30），流经雷击点的电流。 雷电流电流入射波的两倍（为什么？） 雷电流幅值的概率分布。,(Td20),I：雷电流幅值 P：雷电流超过I的概率,12,（2）雷电流的波前时间（T1）、波长（T2）、陡度（a） T1：14us，平均2.6us T2：20100us，一般可视波长为无限长，我国规定为40us 我国使用波形：2.6/40us 陡度：电流随时间的变化率，对过电压有直接影响。 一般认为陡度为50kA/us左右是最大极限。 （3）雷电流极性及等值计算波

5、形 75%90%的雷电流是负极性，负极性的冲击过电压波沿线路传播时衰减小，因此电气设备的防雷保护一般均按负极性进行分析研究。,（波前的平均陡度）,13,（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。,14,（4）雷道波阻抗（Z0） 雷电通道在主放电时如同导体，使雷电流在其中流动同普通分布参数导线一样，具有某一等值波阻抗，称为雷道波阻抗。 主放电过程可视为一个

6、电流沿着波阻抗为Z0的雷道投射到雷击点的波过程。,我国有关规程建议取Z0为300欧姆左右。,15,第2节 防雷保护装置 防雷保护装置：保护物体避免雷击，而引雷于本身，并顺利泄入大地的装置。 主要内容： 避雷针和避雷线 避雷器 防雷接地,16,一、防雷保护装置的作用 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。 二、避雷针和避雷线 1、避雷针 （1）定向高度H与避雷针高度h的关系 定向高度H：

7、先导放电达到H后，才会受到避雷针的影响，对避雷针放电。 当h30m时，H=20h 当h30m时，H600h,图片,17,（2）绕击率与保护目的 绕击率：绕击指雷电绕过避雷装置而击于被保护物的现象，绕击率即为其概率。 我国所指的保护范围是对应0.1%的绕击率而言的。 避雷针保护第一要对直击雷屏蔽，第二要防反击（避雷针与被保护物之间的空隙击穿）。 （3）单支避雷针保护范围（曲线圆锥体）,p为高度修正系数,18,（4）两支避雷针保护范围 工程上多采用两支及多支（等高或不等高）避雷针以扩大保护范围。 等高双避雷针 其保护范围要比两针各自保护范围的和要大。外侧保护范围同单支避雷针，而击于两针之间单针保护

8、范围边缘外侧的雷，可能被相邻避雷针吸引而击于其上，从而使保护范围加大。,为达到联合保护的效果，两支避雷针间距D不宜大于5h。,19,不等高双避雷针,不等高双避雷针的联合保护范围 外侧的保护范围可分别按单针求出，两针之间的保护范围可按照等效的两等高避雷针计算。 （5）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。,20,四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，然后再叠加到一起即可得到多针的联合保护范围

9、。,21,（1）单根避雷线保护范围,2.避雷线 作用：主要用于输电线路的保护，也可用来保护发电厂和变电所。 保护范围：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锥体空间。,22,（2）两根等高避雷线保护范围 避雷线两边外侧的保护范围与单根时相同。避雷线之间的保护范围截面则由通过两线及保护范围上部边缘最低点O的圆弧决定。,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。,23,对于110kV及以上的架空输电线路一般都沿全线装设避雷线。 110kV线路的保护角：2030 220-330kV线路的保

10、护角：20左右 500kV：一般不大于15,24,三、避雷器（过电压限制器、过电压能量吸收器） 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时的工频续流，使系统恢复正常。,25,避雷器的分类 保护间隙 排气式避雷器（管式避雷器） 阀式避雷器：普通阀式避雷

11、器、磁吹阀式避雷器 金属氧化物避雷器（MOA） MOA的特殊性 必须长期承受系统工作电压和间或承受各种过电压，工频下流过很小的泄漏电流，过电压下其残压应小于被保护设备冲击绝缘强度，它必须具有长时间工频稳定性和过电压下的热稳定性，无灭弧问题。,26,1.保护间隙,采用角形保护的目的：使工频续流在电动力和上升热气流作用下向上运动并拉长，以利电弧的自行熄灭。 应用范围：310kV配电系统 优点：结构简单、廉价 缺点： 保护间隙的电场属于极不均匀电场，,伏秒特性曲线比较陡峭，与被保护设备绝缘的伏秒特性很难配合； 动作后会形成截波，对变压器的纵绝缘（匝间绝缘）造成很大威胁，不适用于保护变压器、电抗器等绕

12、组类设备； 间隙中没有专门的灭弧手段，熄弧能力有限，与其他保护装置配合使用。,27,2.管式避雷器,组成：内间隙、外间隙、产气管 内间隙的作用 外间隙的作用 灭弧能力：管式避雷器熄灭电弧的能力有一定的上、下限。 型号说明：,应用范围：只用于输电线路个别路段的保护，如大跨距和交叉挡距处，或变电所的进线段保护。,28,3.阀式避雷器 阀式避雷器的保护作用主要是靠间隙和阀片的相互配合完成的。 阀式避雷器分为普通阀式避雷器和磁 吹阀式避雷器两种系列。,（1）普通阀式避雷器 火花间隙 火花间隙是许多接近均匀电场小电极间隙串联组成，放电电压为2.73kV。,单个火花间隙结构 1黄铜电极 2云母垫圈,29,

13、火花间隙的作用： 在系统正常工作时，间隙将电阻阀片与工作母线相隔离，使工作电压不能作用于阀片，避免阀片因长期流过短路电流发热使阀片烧坏； 由于火花间隙采用均匀电场电极组成，其伏秒特性较平坦，易于与被保护设备的伏秒特性相配合； 由于火花间隙由许多小电极间隙串联组成，工频续流电弧被这些间隙分割成许多短弧，使电弧容易熄灭。普通阀式避雷器一般可以切断80100A工频续流。,30,非线性阀片电阻 组成：阀片电阻由金刚砂和结合剂在300500烧结而成； 特性：非线性电阻，在流过小电流时电阻大，流过很大电流时电阻小，使其在电流很大情况下具有很好的限压作用； 伏安特性：,：非线性系数，普通阀片的为0.2左右。

14、,阀片的伏安特性 i1工频续流 u1工频电压 i2雷电流 u2避雷器残压,31,（2）磁吹阀式避雷器（磁吹避雷器） 与普通阀式避雷器相比较，具有更高的灭弧能力、通流能力和较低的残压，主要区别在采用了灭弧能力较强的磁吹火花间隙和通流能力较大的高温阀片。 阀片电阻 经过13501390烧制，可提高允许工频续流值，增大通断能力，其非线性指数约为0.24。 磁吹火花间隙 利用磁场对电弧产生的电动力，使电弧拉长，增强去游离，单个火花间隙的放电电压为3kV，可切断450A的工频续流。 该间隙可以增大电弧电阻，起限制工频续流的作用，因此称为限流间隙，同时可以降低阀片数量，降低残压。,32,磁吹式火花间隙 1

15、-角形电极 2-灭弧盒 3-并联电阻 4-灭弧栅,33,（3）阀式避雷器的主要电气参数 额定电压 避雷器两端子间允许的最大工频电压的有效值。 灭弧电压 避雷器保证能够在工频续流第一次经过零值时灭弧的条件下，允许加在避雷器上的最高工频电压，应大于母线上可能出现的最高工频电压。该值与中性点的运行方式有关。 35kV及以下系统：取系统最大工作线电压的100%110%； 110kV及以上系统：取最大工作线电压的80%。,34,工频放电电压 工频电压作用下，避雷器将发生放电的电压值。由于间隙击穿的分散性，它包括一个上、下限范围。 工频放电电压太高：将提高冲击放电电压，使避雷器的保护特性变坏； 工频放电电

16、压太低：将降低灭弧电压，不能可靠切断工频续流，而且有可能在内过电压下动作。 35kV及以下和110kV及以上的避雷器的工频放电电压应分别大于系统最大工作相电压的3.5倍和3.0倍。 冲击放电电压 在预放电时间为1.520us的冲击放电电压，应当低于被保护设备的冲击击穿电压。 我国避雷器的冲击放电电压与5kA下（330kV及以上电网为10kA）的残压基本相同。,35,残压 雷电流通过避雷器时在阀片电阻上产生的压降，一般以5kA（330kV及以上电网为10kA）下的残压作为避雷器的最大残压。 残压就是避雷器动作后直接施加在被保护设备上的电压，越低越好。 保护比 避雷器残压与灭弧电压（幅值）之比，保

17、护比越小，说明残压越低或灭弧电压越高。 普通阀式避雷器的保护比约为2.32.5，磁吹避雷器为1.71.8。 直流电压下电导电流 避雷器在直流电压作用下测得的电导电流，可判断间隙分路电阻的性能，要在一定范围内。,36,4.金属氧化物避雷器（MOA） MOA也称为氧化锌避雷器，其非线性电阻阀片主要成分是氧化锌。其结构简单，仅有相应数量的氧化锌阀片密封在瓷套内组成。 （1）氧化锌阀片的伏安特性,氧化锌阀片较之碳化硅阀片具有非常优异的伏安特性，在工作电压下，相当于绝缘体，不需要串联空气间隙。ZnO的伏安特性可分为三个区域：小电流区、工作电流区（非线性系数仅0.020.04）、饱和电流区（0.1）。,3

18、7,（2）MOA的优点 无火花间隙，因此结构简单、体积较小，适合大规模自动化生产。 保护性能好，无火花间隙，在整个高电压过程中都有电流流过，在不断泻放能量，对抑制过电压有利；MOA的伏秒特性较平坦，特别适合于GIS的保护。 无续流、动作负载轻，能重复动作实施保护； 通流容量大，能够制成重载避雷器：ZnO阀片单位面积的通流能力比SiC阀片大44.5倍，可以用来对能量很大的操作过电压进行保护，还可以通过多个避雷器相并联的方法提高其通流容量。 耐污性能好 易于制成直流避雷器,38,（3）MOA主要参数 容许最大持续运行电压（MCOV） 避雷器能够长期持续运行的最大工频电压有效值，一般等于系统最高工作

19、相电压。 起始动作电压 避雷器在此时开始进入动作状态以限制过电压，通常以1mA电流时的电压U1mA作为起始动作电压。 荷电率（AVR）： 容许最大持续运行电压峰值Uco.max与参考电压Uref（U1mA）的比值 AVR=Uco.max/Uref 荷电率的高低直接影响到避雷器的老化和保护水平。阀片数量越少，AVR越高，保护性能好，但寿命减少；反之则越寿命长，但保护性能变坏。（45%75%）,39,保护比（压比） 标称放电电流下的残压UR(I)与参考电压Uref之比 PR=UR(I)/Uref UR(I)：指电流波形为8/20us，标称放电电流为5kA、10kA、20kA下的残压。 保护比反映了

20、避雷器保护水平的高低，显然PR越小越好，我国的MOA可以达到1.6。,40,四、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）。,41,（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

21、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）,42,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+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。,43,3.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。,44,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横交错，作为接地体可以等化电位。,45,（2）人工接地体 垂直接地体：一般作为避雷线、避雷针、