高電壓技術(shù)-第七章 雷電及防雷保護(hù)裝置

1、第七章第七章雷電及防雷保護(hù)裝置雷電及防雷保護(hù)裝置 主要內(nèi)容主要內(nèi)容雷電放電過程雷電放電過程雷電參數(shù)雷電參數(shù)防雷保護(hù)裝置防雷保護(hù)裝置重點是：電壓能量吸收重點是：電壓能量吸收器器避雷器避雷器7.1 雷電過程與雷電參數(shù)雷電過程與雷電參數(shù) 什么是雷電放電什么是雷電放電 雷電放電雷電放電:一種氣體放電現(xiàn)象。路徑達(dá)數(shù)千米，是一種超長一種氣體放電現(xiàn)象。路徑達(dá)數(shù)千米，是一種超長間隙的火花放電。間隙的火花放電。與實驗室的長間隙火花放電有某些共同之處。與實驗室的長間隙火花放電有某些共同之處。但又具有重復(fù)雷擊等特點。但又具有重復(fù)雷擊等特點。放電的條件：云中電荷密集處的場強(qiáng)達(dá)到：放電的條件：云中電荷密集處的場強(qiáng)達(dá)到：

2、2530kV/cm放電型式：線狀雷電、片狀雷電、球狀雷電放電型式：線狀雷電、片狀雷電、球狀雷電“云云-地地”之間的線狀放電，是電力系統(tǒng)雷擊危害的主因之間的線狀放電，是電力系統(tǒng)雷擊危害的主因 雷電波形雷電波形不同類型的雷電不同類型的雷電雷電過程雷電過程 （1）“云云-地地”之間的線狀放電可分為三個階段：先導(dǎo)放電、主放之間的線狀放電可分為三個階段：先導(dǎo)放電、主放電、余輝（余光）放電電、余輝（余光）放電 先導(dǎo)放電先導(dǎo)放電：雷云下部伸出微弱發(fā)光的放電通道向地面發(fā)展：雷云下部伸出微弱發(fā)光的放電通道向地面發(fā)展分級推進(jìn)。每級平均長度分級推進(jìn)。每級平均長度2550m，兩級之間停歇，兩級之間停歇3090uS，下

3、行平，下行平均速度約為均速度約為0.10.8m/uS。按雷云距地。按雷云距地1km考慮，需要考慮，需要1.2510ms。電流不大，僅數(shù)十到數(shù)百安電流不大，僅數(shù)十到數(shù)百安主放電和迎面流注階段主放電和迎面流注階段。當(dāng)先導(dǎo)放電接地地面時，地面場強(qiáng)。當(dāng)先導(dǎo)放電接地地面時，地面場強(qiáng)增大，地面突出物將向上形成迎面先導(dǎo)（迎面流注）。上下增大，地面突出物將向上形成迎面先導(dǎo)（迎面流注）。上下先導(dǎo)放電相遇時，進(jìn)入主放電階段。先導(dǎo)放電相遇時，進(jìn)入主放電階段。出現(xiàn)強(qiáng)烈的電荷中和過程，伴隨雷鳴和閃光。出現(xiàn)強(qiáng)烈的電荷中和過程，伴隨雷鳴和閃光。主放電時間極短，約主放電時間極短，約50100uS。發(fā)展速度。發(fā)展速度50100

4、m/uS電流幅值大，達(dá)電流幅值大，達(dá)數(shù)十千安到數(shù)百千安數(shù)十千安到數(shù)百千安余輝（余光）階段余輝（余光）階段。主放電后，云中剩余電荷沿導(dǎo)電通道流。主放電后，云中剩余電荷沿導(dǎo)電通道流向大地。向大地。大部分電荷在這一階段泄入大地。電流數(shù)百安，持續(xù)大部分電荷在這一階段泄入大地。電流數(shù)百安，持續(xù)0.030.15S雷電過程雷電過程 （2）P168-7-11 先導(dǎo)放電通道；2 強(qiáng)游離區(qū)；3 主放電通道30kV/cm多重雷擊（多重雷擊（1） 雷云中有多個電荷中心，某電荷中心放電后電位為雷云中有多個電荷中心，某電荷中心放電后電位為0，其余電荷中心與其有很大的電位差，將利用已，其余電荷中心與其有很大的電位差，將利用

5、已有主放電通道再次對地放電。有主放電通道再次對地放電。兩次放電時間間隔約為兩次放電時間間隔約為0.03S。后續(xù)放電無分支、不分級，自上而下連續(xù)發(fā)展，稱后續(xù)放電無分支、不分級，自上而下連續(xù)發(fā)展，稱為為箭狀先導(dǎo)箭狀先導(dǎo)。第二次及以后放電電流較小，不超過第二次及以后放電電流較小，不超過30kA。重復(fù)雷擊的持續(xù)時間，對正確選定自動重合閘時間重復(fù)雷擊的持續(xù)時間，對正確選定自動重合閘時間至關(guān)重要至關(guān)重要 多重雷擊（多重雷擊（2）多重雷擊（多重雷擊（3）雷電參數(shù)（雷電參數(shù)（1） 雷電參數(shù)：是雷電過電壓計算、防雷設(shè)計的基礎(chǔ)。雷電參數(shù)：是雷電過電壓計算、防雷設(shè)計的基礎(chǔ)。雷暴日（雷暴日（Td），雷暴小時（），雷暴

6、小時（Th），地面落雷密度（），地面落雷密度（）雷電流。雷電流幅值，雷電流的波前時間、波長、陡度，極性，等雷電流。雷電流幅值，雷電流的波前時間、波長、陡度，極性，等值計算波形值計算波形雷道波阻抗雷道波阻抗雷暴日（雷暴日（Td），雷暴小時（），雷暴小時（Th），定義：一天（小時）內(nèi)），定義：一天（小時）內(nèi)只要聽到雷聲就算一個只要聽到雷聲就算一個。每一個雷暴日大致相當(dāng)于三個雷暴小時。每一個雷暴日大致相當(dāng)于三個雷暴小時。雷暴日的分布與地理環(huán)境有關(guān)。雷暴日的分布與地理環(huán)境有關(guān)。我國標(biāo)準(zhǔn)：每年我國標(biāo)準(zhǔn)：每年40雷暴日為多雷區(qū)；雷暴日為多雷區(qū)；90為為特殊強(qiáng)雷區(qū)特殊強(qiáng)雷區(qū)防雷設(shè)計需要考慮防雷設(shè)計需要考慮沒

7、有區(qū)分雷云之間放電和云地之間放電，對電力系統(tǒng)不科學(xué)。沒有區(qū)分雷云之間放電和云地之間放電，對電力系統(tǒng)不科學(xué)。只有落地雷對電力系統(tǒng)有影響只有落地雷對電力系統(tǒng)有影響 雷電參數(shù)（雷電參數(shù)（2）地面落雷密度（地面落雷密度（）。每一雷暴日、每平方公里地）。每一雷暴日、每平方公里地面受到的平均落雷次數(shù)。面受到的平均落雷次數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計，一般根據(jù)統(tǒng)計，一般=0.07，但區(qū)域可能不平衡。，但區(qū)域可能不平衡。變電站選址時應(yīng)注意。變電站選址時應(yīng)注意。雷電流幅值。波阻抗為雷電流幅值。波阻抗為0時，時，流經(jīng)被雷擊物體的電流，即流經(jīng)被雷擊物體的電流，即原始雷電流的原始雷電流的2倍。倍。規(guī)程規(guī)定，為雷擊接地電阻規(guī)程規(guī)定，為雷

8、擊接地電阻30R時的電流。近似等于雷電時的電流。近似等于雷電流的流的2倍。倍。表示雷電強(qiáng)度，也是雷擊過電表示雷電強(qiáng)度，也是雷擊過電壓的根源，最重要的雷電參數(shù)。壓的根源，最重要的雷電參數(shù)。雷電流幅值的概率分布曲線。雷電流幅值的概率分布曲線。雷電參數(shù)（雷電參數(shù)（3）雷電流的波前時間（雷電流的波前時間（T1），波長（），波長（T2）波前一般在波前一般在14uS，平均為，平均為2.6uS。波長在波長在20100uS，我國規(guī)定，我國規(guī)定40uS波長對防雷計算結(jié)果無影響，可視為無限長。波長對防雷計算結(jié)果無影響，可視為無限長。雷電流的陡度：電流隨時間變化率。雷電流的陡度：電流隨時間變化率。陡度對過電壓有直接

9、影響。陡度在陡度對過電壓有直接影響。陡度在50kA/uS左右左右是最大極限值。是最大極限值。平均陡度：平均陡度：雷電流的極性。雷電流的極性。75%90%的雷電流是負(fù)極的雷電流是負(fù)極性。雷電防護(hù)中一般按負(fù)極性考慮。性。雷電防護(hù)中一般按負(fù)極性考慮。負(fù)極性雷電過電壓波沿線路傳播時衰減小負(fù)極性雷電過電壓波沿線路傳播時衰減小雷電流的等值計算波形。雷電流的等值計算波形。標(biāo)準(zhǔn)沖擊波形，斜角平頂波，等值半余弦波前標(biāo)準(zhǔn)沖擊波形，斜角平頂波，等值半余弦波前雷道波阻抗。雷電通道在主放電時如同導(dǎo)體，雷道波阻抗。雷電通道在主放電時如同導(dǎo)體，具有等值波阻抗。一般取具有等值波阻抗。一般取300R uSkA/.62Ittee

10、ItIcos1217.2 防雷保護(hù)裝置防雷保護(hù)裝置 防雷保護(hù)裝置防雷保護(hù)裝置 防雷保護(hù)裝置防雷保護(hù)裝置（定義）（定義） ：能使被保護(hù)物體避免雷擊，：能使被保護(hù)物體避免雷擊，引雷于自身并順利泄入大地的裝置。引雷于自身并順利泄入大地的裝置?；痉览妆Ｗo(hù)裝置分類：避雷針、避雷線、避雷器、基本防雷保護(hù)裝置分類：避雷針、避雷線、避雷器、防雷接地。防雷接地。避雷針、避雷線為直擊雷保護(hù)措施，防止雷電直接擊中避雷針、避雷線為直擊雷保護(hù)措施，防止雷電直接擊中被保護(hù)物體。被保護(hù)物體。避雷器為侵入波保護(hù)措施，防止雷電波沿輸電線侵入變避雷器為侵入波保護(hù)措施，防止雷電波沿輸電線侵入變電站電站接地裝置：減少避雷針（線）、

11、避雷器與大地之間的電接地裝置：減少避雷針（線）、避雷器與大地之間的電阻值，降低雷電過電壓阻值，降低雷電過電壓 避雷針（線）的保護(hù)（避雷針（線）的保護(hù)（1） 保護(hù)原理：在避雷針（線）的頂端形成局部保護(hù)原理：在避雷針（線）的頂端形成局部場強(qiáng)集中的空間，以影響雷電先導(dǎo)放電的發(fā)場強(qiáng)集中的空間，以影響雷電先導(dǎo)放電的發(fā)展方向，使雷電對避雷針（線）放電，避免展方向，使雷電對避雷針（線）放電，避免被保護(hù)物體遭受雷擊。被保護(hù)物體遭受雷擊。避雷針（線）必須高于被保護(hù)物，避雷針的避雷針（線）必須高于被保護(hù)物，避雷針的頂部為尖狀。頂部為尖狀。避雷針（線）與被保護(hù)設(shè)備電氣上是絕緣的避雷針（線）與被保護(hù)設(shè)備電氣上是絕緣的

12、定向高度定向高度H。雷電先導(dǎo)放電發(fā)展到高度。雷電先導(dǎo)放電發(fā)展到高度H后，后，才會在一定范圍內(nèi)受避雷針（線）的影響。才會在一定范圍內(nèi)受避雷針（線）的影響。避雷針：當(dāng)避雷針高度避雷針：當(dāng)避雷針高度h30m,H=600m（課本有誤）（課本有誤）避雷線：當(dāng)避雷線高度避雷線：當(dāng)避雷線高度h30m,H=300m避雷針（線）的保護(hù)（避雷針（線）的保護(hù)（2） 避雷針的保護(hù)范圍：雷電繞擊率低避雷針的保護(hù)范圍：雷電繞擊率低于于0.1%的范圍。的范圍。繞擊：雷電繞開避雷裝置而擊中被保繞擊：雷電繞開避雷裝置而擊中被保護(hù)物體。護(hù)物體。保護(hù)范圍具有相對意義，統(tǒng)計意義。保護(hù)范圍具有相對意義，統(tǒng)計意義。不能保證保護(hù)范圍內(nèi)物體

13、完全不受雷擊，不能保證保護(hù)范圍內(nèi)物體完全不受雷擊，保護(hù)范圍外物體也受保護(hù)。保護(hù)范圍外物體也受保護(hù)。避雷針、避雷線除對直擊雷屏蔽外，避雷針、避雷線除對直擊雷屏蔽外，還要防反擊。還要防反擊。反擊：強(qiáng)大的雷電流通過避雷針入地反擊：強(qiáng)大的雷電流通過避雷針入地時，在避雷針或接地裝置上產(chǎn)生過電時，在避雷針或接地裝置上產(chǎn)生過電壓，可能引起避雷針與被保護(hù)物體之壓，可能引起避雷針與被保護(hù)物體之間間隙擊穿間間隙擊穿關(guān)于避雷針關(guān)于避雷針富蘭克林于富蘭克林于1750年發(fā)明避雷針。年發(fā)明避雷針。避雷針的發(fā)明不僅是使人類生活上免除了自然災(zāi)害，而且在避雷針的發(fā)明不僅是使人類生活上免除了自然災(zāi)害，而且在哲學(xué)上和科學(xué)上也是一件

14、大事哲學(xué)上和科學(xué)上也是一件大事高壓鍋的泄氣閥高壓鍋的泄氣閥電容器上的十字電容器上的十字我國對避雷針的應(yīng)用也很早我國對避雷針的應(yīng)用也很早建筑物建筑物單支避雷針的保護(hù)范圍單支避雷針的保護(hù)范圍 保護(hù)范圍是一個以避雷針為軸線的曲線圓錐體保護(hù)范圍是一個以避雷針為軸線的曲線圓錐體側(cè)面為曲線，工程上以折線代替?zhèn)让鏋榍€，工程上以折線代替類似于傘狀類似于傘狀rx=(h-hx)p hx=h/2rx=(1.5h-2hx)p hxh/2h避雷針高度避雷針高度hx被保護(hù)物高度被保護(hù)物高度rx保護(hù)半徑保護(hù)半徑p高度修正系數(shù)：高度修正系數(shù)： 當(dāng)當(dāng)h=30m, p=1； 當(dāng)當(dāng)30h=h/2rx=(h-1.53hx)p hx

15、h/2參數(shù)含義與避雷針相同參數(shù)含義與避雷針相同橫截面中，避雷線和避雷針的橫截面中，避雷線和避雷針的保護(hù)范圍誰小，為什么？保護(hù)范圍誰小，為什么？避雷線保護(hù)（避雷線保護(hù)（2）等高雙避雷線的保護(hù)范圍等高雙避雷線的保護(hù)范圍 外側(cè)與單根相同外側(cè)與單根相同內(nèi)側(cè)，保護(hù)范圍內(nèi)側(cè)，保護(hù)范圍 上部邊緣為圓弧，上部邊緣為圓弧， 其最低點其最低點O為為工程上多用工程上多用保護(hù)角保護(hù)角表示避雷表示避雷線對架空輸電線的保護(hù)程度。線對架空輸電線的保護(hù)程度。保護(hù)角：避雷線的鉛垂線與避保護(hù)角：避雷線的鉛垂線與避雷線和邊導(dǎo)線連線的夾角雷線和邊導(dǎo)線連線的夾角保護(hù)角越小，雷擊概率越小保護(hù)角越小，雷擊概率越小 一般取一般取 20o30

16、o220300kV 20o500kV 工頻放電電壓工頻放電電壓滅弧電壓滅弧電壓針對制造廠家針對用戶反映避雷器的保護(hù)能力切斷比保護(hù)比無間隙氧化鋅避雷器（無間隙氧化鋅避雷器（MOA）MOA 主要元件是金屬氧化物非線主要元件是金屬氧化物非線性電阻片。性電阻片。主要成份是氧化鋅（主要成份是氧化鋅（ZnO），俗稱為），俗稱為氧化鋅避雷器氧化鋅避雷器無間隙氧化鋅避雷器的技術(shù)參數(shù)無間隙氧化鋅避雷器的技術(shù)參數(shù) （1）額定電壓：能額定電壓：能較長期較長期耐受的最大工頻電壓。耐受的最大工頻電壓。相當(dāng)于帶間隙閥式避雷器中的滅弧電壓相當(dāng)于帶間隙閥式避雷器中的滅弧電壓在短時電壓升高時能正常工作。在短時電壓升高時能正常工

17、作。此時，避雷器負(fù)載較重。此時，避雷器負(fù)載較重。容許最大持續(xù)運行電壓（容許最大持續(xù)運行電壓（MCOV）：能）：能長期持續(xù)長期持續(xù)運行的最大工頻電壓。運行的最大工頻電壓。一般應(yīng)等于系統(tǒng)的最高工作相電壓一般應(yīng)等于系統(tǒng)的最高工作相電壓此時，避雷器負(fù)載較小。此時，避雷器負(fù)載較小。起始動作電壓（參考電壓或轉(zhuǎn)折電壓）：避雷器起始動作電壓（參考電壓或轉(zhuǎn)折電壓）：避雷器從小電流上升區(qū)到大電流平坦區(qū)的轉(zhuǎn)折點。從小電流上升區(qū)到大電流平坦區(qū)的轉(zhuǎn)折點?？烧J(rèn)為避雷器此時進(jìn)入動作狀態(tài)，可認(rèn)為避雷器此時進(jìn)入動作狀態(tài)，一般以一般以1mA電流時的電壓電流時的電壓U1mA作為起始電壓。作為起始電壓。無間隙氧化鋅避雷器的技術(shù)參數(shù)無

18、間隙氧化鋅避雷器的技術(shù)參數(shù) （2）荷電率（荷電率（AVR）：）：=容許最大持續(xù)運行電壓峰值容許最大持續(xù)運行電壓峰值/參考電壓參考電壓或：或：=容許最大持續(xù)運行電壓峰值容許最大持續(xù)運行電壓峰值/起始動作電壓起始動作電壓影響影響MOA老化和保護(hù)水平的重要指標(biāo)老化和保護(hù)水平的重要指標(biāo)荷電率高時，保護(hù)性能好，但會加速老化。反之，壽命荷電率高時，保護(hù)性能好，但會加速老化。反之，壽命長，但保護(hù)性能差。長，但保護(hù)性能差。AVR從正常相電壓下提高從正常相電壓下提高30%，1年老化相當(dāng)于年老化相當(dāng)于20年。年。保護(hù)比：保護(hù)比：=標(biāo)稱放電電流下的殘壓標(biāo)稱放電電流下的殘壓/參考電壓參考電壓或：標(biāo)稱放電電流下的殘壓或

19、：標(biāo)稱放電電流下的殘壓/起始電壓起始電壓標(biāo)稱放電電流：標(biāo)稱放電電流：8/20uS下的下的5kA，10kA，20kA保護(hù)比反映避雷器保護(hù)水平的高低，越小越好。保護(hù)比反映避雷器保護(hù)水平的高低，越小越好。目前世界最高水平：目前世界最高水平：1.55，我國：，我國：1.60無間隙氧化鋅避雷器的技術(shù)優(yōu)點無間隙氧化鋅避雷器的技術(shù)優(yōu)點 結(jié)構(gòu)簡化。結(jié)構(gòu)簡化。省去了串聯(lián)火花間隙。省去了串聯(lián)火花間隙。保護(hù)性能優(yōu)越。潛力大。保護(hù)性能優(yōu)越。潛力大。沒有放電時延，陡波響應(yīng)好。沒有放電時延，陡波響應(yīng)好。無續(xù)流。動作負(fù)載輕，能重復(fù)動作次數(shù)大。無續(xù)流。動作負(fù)載輕，能重復(fù)動作次數(shù)大。通流容量大。通流容量大。可實現(xiàn)重載避雷器。可

20、實現(xiàn)重載避雷器。耐污性能好。耐污性能好。沒有串聯(lián)間隙，可避免瓷套表面污染帶來的間隙放電電沒有串聯(lián)間隙，可避免瓷套表面污染帶來的間隙放電電壓不穩(wěn)定問題。壓不穩(wěn)定問題。各種避雷器的作用示意圖各種避雷器的作用示意圖 1 保護(hù)間隙保護(hù)間隙 2 排氣式避雷器排氣式避雷器 3 閥型避雷器閥型避雷器 4 氧化鋅避雷器氧化鋅避雷器 5 被保護(hù)電器設(shè)備被保護(hù)電器設(shè)備防雷接地防雷接地 接地接地（定義）（定義） ：將地面上的金屬物或電氣回路某節(jié)：將地面上的金屬物或電氣回路某節(jié)點，通過導(dǎo)體與大地保持等電位點，通過導(dǎo)體與大地保持等電位 “防雷在于接地防雷在于接地”。各種防雷保護(hù)裝置都必須配合以合適的接地裝置。各種防雷保

21、護(hù)裝置都必須配合以合適的接地裝置。接地分類：接地分類：工作接地：根據(jù)系統(tǒng)正常運行要求而接地。（工作接地：根據(jù)系統(tǒng)正常運行要求而接地。（0.510）如三相系統(tǒng)的中性點接地，雙極直流輸電兇的中點接地等如三相系統(tǒng)的中性點接地，雙極直流輸電兇的中點接地等保護(hù)接地：為保障人身安全而將電氣設(shè)備金屬外殼等接保護(hù)接地：為保障人身安全而將電氣設(shè)備金屬外殼等接地，它在故障條件下才發(fā)揮作用。（地，它在故障條件下才發(fā)揮作用。（110）。）。防雷接地：用來將雷電流順利泄入大地，以減小雷電流防雷接地：用來將雷電流順利泄入大地，以減小雷電流引起的地電位升高。（引起的地電位升高。（130），），如桿塔接地和變電站接地。如桿塔接地和變電站接地。作用介于工作接地和保護(hù)接地之間。作用介于工作接地和保護(hù)接地之間。 大地不是良導(dǎo)體大地不是良導(dǎo)體大地有一定大地有一定的電阻率的電阻率接地電阻接地電阻=接地點電接地點電位位/電流電流注入接地電注入接地電流后，大地流后，大地的電位分布的電位分布接觸電壓接觸電壓跨步電壓跨步電壓防雷接地裝防雷接地