雷電與現(xiàn)代防雷技術(shù)

雷電與現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ)第六章避雷器與避雷元器件避雷器，又叫做過電壓限制器，它的作用是把已侵人電力線、信號傳輸線的雷電高電壓限制在一定范圍之內(nèi)，保證用電設(shè)備不被高電壓沖擊擊穿。常用的避雷器種類繁多，但歸納起來可分為為四大類:(1)閥型;(2)放電間隙型;(3)高通濾波型;(4)半導(dǎo)體型。根據(jù)用途分為兩大類，即電力避雷器和電信避雷器。本章主要介紹電力避雷器和電信避雷器的基本工作原理、分類、應(yīng)用?！?.1電力避雷器6.1.1避雷器的基本要求1、電力避雷器：用在電力輸配線路上限制操作引起的內(nèi)部過電壓或雷電過電壓的裝置。2、一般工作原理：當(dāng)作用電壓超過電力避雷器的放電電壓時，避雷器即先放電，限制了過電壓；放電體結(jié)束，絕緣強度能自己恢復(fù)，保證電力設(shè)備正常運作。防雷器在納秒內(nèi)導(dǎo)通，將脈沖電壓短路于地泄放，后又恢復(fù)為高阻狀態(tài)，從而不影響用戶設(shè)備的供電。設(shè)備當(dāng)電網(wǎng)由于雷擊出現(xiàn)瞬時脈沖電壓時，防雷器在納秒內(nèi)導(dǎo)通。（1）伏秒特性：指電壓與時間的對應(yīng)關(guān)系。（2）工頻續(xù)流：指雷電壓或過電壓放電結(jié)束，但工頻電壓仍作用在避雷器上，使其流過的工頻短路接地電流。（3）絕緣強度自恢復(fù)能力：電氣設(shè)備絕緣強度與時間的關(guān)系，即恢復(fù)到原來絕緣強度的快慢。（4）避雷器的額定電壓：把工頻續(xù)流第一次過零后，間隙所能承受的，不至于引起電弧重燃的最大工頻電壓，又稱電弧電壓。3、電力避雷器的涉及的幾個指標(biāo)4、對電力避雷器的基本要求（1）避雷器的伏秒特性的上限不得高于電氣設(shè)備的伏特特性的下限。（2）要求避雷器間隙絕緣強度的恢復(fù)程度高于避雷器上恢復(fù)電壓的增長程度。避雷器的伏秒特性電氣設(shè)備的最高工頻電壓電氣設(shè)備的伏秒特性絕緣強度恢復(fù)低于絕緣強度恢復(fù)高于避雷器恢復(fù)電壓工頻電壓5、電力避雷器按放電類型分類：保護(hù)間隙，排氣式避雷器、閥型避雷器，氧化鋅避雷器。（3）輔助間隙的作用：為防止主間隙被外物短接而造成接地短路事故（2）主間隙采用角形，使工頻續(xù)流電弧在自身電動力和熱氣流的作用下，易于上升被拉長而自行熄滅。1、結(jié)構(gòu)：常見面形保護(hù)間隙避雷器6.1.2保護(hù)間隙主間隙輔助間隙（1）由主間隙和輔助間隙構(gòu)成。（4）等效電路主間隙輔助間隙2、應(yīng)用：常用于中性點不直接接地10KV以下的配電網(wǎng)絡(luò)中，一般安裝在高壓熔斷器的內(nèi)側(cè)，以減少變電所線路斷器的跳閘次數(shù)。（5）主要不足點是強大的沖擊電流會造成三相變壓器的相間絕緣損壞。（1）由產(chǎn)氣管、內(nèi)部間隙，外部間隙三部分組成，并密封在瓷管內(nèi)。（2）外部間隙的作用：使產(chǎn)氣管在正常運作時隔離工作電壓和內(nèi)部電壓。（3）內(nèi)部間隙和產(chǎn)氣管共同作用：產(chǎn)生高壓氣體吹動電弧，使工頻續(xù)流第一次過零時熄滅。（4）等效電路2、應(yīng)用：常用于輸電線，大跨距，變電所進(jìn)線段。而變電所內(nèi)設(shè)備不用它來作防雷。（5）主要不足點是強大的沖擊電流。6.1.3排氣式避雷器1、結(jié)構(gòu)6.1.4閥型避雷器1.結(jié)構(gòu)：（1）由放電間隙和非線形電阻閥片組成，并密封在瓷管內(nèi)。（2）放電間隙是由若干個標(biāo)準(zhǔn)單個放電間隙（間隙電容）串聯(lián)而成，并聯(lián)一組均壓電阻，可提高間隙絕緣強度的恢復(fù)能力。（3）非線形電阻閥片也是由許多單個閥片串聯(lián)而成，其靜態(tài)伏安特性（如圖），可限制工頻續(xù)流，雷電流通過時，端部不會出現(xiàn)很高的電壓，改善避雷器保護(hù)性能。（4）等效電路2、應(yīng)用：目前常用的避雷器，主要分低壓（FS），高壓（FZ）兩種閥型避雷器，可根據(jù)輸電，配電網(wǎng)絡(luò)的電壓大小靈活選擇使用。間隙電容均壓電阻閥片電阻6.1.6復(fù)合磁吹閥型避雷器主要用在超高壓系統(tǒng)的線路中。與普通閥型避雷器基本相同，增加磁吹放電間隙并采用高溫閥片電阻，其滅弧性能和通流能力比閥型強。主要用在330KV以及超高壓變電所的電氣設(shè)備保護(hù)。6.1.5磁吹閥型避雷器等效電路閥片電阻主火花間隙輔助間隙均壓電阻磁吹線圈等效電路主間隙并聯(lián)間隙6.1.7氧化鋅避雷器閥片由微小氧化鋅晶粒為主要材料，加入一些金屬氧化粉，經(jīng)過加工成氧化鋅電阻片。2、并聯(lián)間隙氧化鋅避雷器氧化鋅電阻間隙3、串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器氧化鋅電阻4、全密封無間隙氧化鋅避雷器1、伏安特性高壓避雷器

高壓避雷器參數(shù)規(guī)格型號

避雷器額定電壓KV系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電壓（有效值）KV持續(xù)運行電壓（有效值）KV支流1mA參考電壓（不小于)KV標(biāo)稱放電流下殘壓不大于KV陡波沖擊殘壓（不大于）KV2ms操作通流容量電流A.18次Y5WS-17/50171012.726.05057.5100HY5WS-17/50171012.726.05057.5100Y5WS-12.7/5012.7106.626.05057.5100HY5WS-12.7/5012.7106.626.05057.5150規(guī)格型號

避雷器額定電壓KV系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電壓（有效值）KV持續(xù)運行電壓（有效值）KV支流1mA參考電壓（不小于)KV標(biāo)稱放電流下殘壓不大于KV陡波沖擊殘壓（不大于）KV2ms操作通流容量電流A.18次Y5WS-10/301064.0153034.5100HY5WS-10/301064.0153034.5100Y5WZ-51/134513540.873134154400HY5WZ-51/134513540.873134154400低壓避雷器（氧化鋅）規(guī)格型號

避雷器額定電壓KV系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電壓（有效值）KV持續(xù)運行電壓（有效值）KV支流1mA參考電壓（不小于)KV標(biāo)稱放電流下殘壓不大于KV陡波沖擊殘壓（不大于）KV2ms操作通流容量電流A.18次HY1.5W-0.5/2.60.50.380.421.22.6/75HY1.5W-0.28/1.30.28O.220.24O.61.3/75§6.2電信避雷器6.2.1概述1、電信避雷器：用在通信系統(tǒng)中，保護(hù)通信設(shè)備，限制雷擊產(chǎn)生的高壓浪涌或過電壓的裝置。2、特點：動作電壓較低，無工頻續(xù)流，響應(yīng)時間快，體積小。3、主要性能指標(biāo)及要求（1）靜電放電電壓，一般限定在250~500V范圍；（2）動作電壓，應(yīng)不超過500~1000V（峰值）；（3）最小沖擊次數(shù)放電次數(shù)峰值電流（A）波形（us）350005/1002010005/1005005010/1000（4）耐雷能力，即應(yīng)盡可能高通過能量；（5）動作的對稱性；（6）具有自動防止故障的特性；（7）漏電導(dǎo)和電容必須低；（8）對溫度，濕度，腐蝕和灰塵的作用應(yīng)進(jìn)行檢測。4、分類（按作用場合）：電源避雷器，天饋避雷器，信號避雷器。6.2.2電源避雷器1、作用：抑制雷電過電壓波侵入電子設(shè)備2、電源避雷器特性要求（1）雷電通流容量大（可達(dá)10、40、100KA）；（2）對雷電過電壓能量的吸收能力強（150KHz~20MHz），雷電殘壓低；（3）響應(yīng)時間快（5~20ns）；（4）性能穩(wěn)定。（1）動態(tài)斷路器，熱感斷路器，壓敏電阻組成。（2）增加氣體放電管（3）壓敏電阻，熱感斷路器，蠕緩放電火花隙動態(tài)斷路器熱感斷路器壓敏電阻氣體放電管蠕緩放電火花隙4.有關(guān)參數(shù)（見教材表3.15）3、結(jié)構(gòu)：采用氧化鋅壓敏電阻為主要元件，有三種基本電路構(gòu)成形式。5、應(yīng)用（1）電源避雷器的典型應(yīng)用1─裝置的電源;2─配電盤;3─總接地端或總接地連接帶;4、4a、F─電源避雷器;5─電涌保護(hù)器的接地連接，5a或5b;6─需要保護(hù)的設(shè)備;7─剩余電流保護(hù)器，可位于母線的上方或下方;RA─本裝置的接地電阻;RB─供電系統(tǒng)的接地電阻。L1L2L3PENN1RBRAI△27F4635a5b4a（2）TT系統(tǒng)中的應(yīng)用（3）TN系統(tǒng)中的應(yīng)用1─裝置的電源;2─配電盤;3─總接地端或總接地連接帶;4、F─電源避雷器;5─電涌保護(hù)器的接地連接，5a或5b;6─需要保護(hù)的設(shè)備;7─PE與N的連接帶;RA─本裝置的接地電阻;RB─供電系統(tǒng)的接地電阻。L1L2L3PENPEN1RBRA27F4635a5b1─裝置的電源;2─配電盤;3─總接地端或總接地連接帶;4、F─電源避雷器;5─電涌保護(hù)器的接地連接，5a或5b;6─需要保護(hù)的設(shè)備;7─剩余電流保護(hù)器;RA─本裝置的接地電阻;RB─供電系統(tǒng)的接地電阻。L1L2L3PE1RBRA27F4635a5bI△開路或接（4）IT系統(tǒng)中的應(yīng)用（5）在TN-C-S電源系統(tǒng)中的安裝示意圖LPZ=防雷保護(hù)區(qū)SEB=配電柜EBB=等電位連接排PENkWhEBBL1L2L3PENSEB電表

主配電柜

分配電柜 設(shè)備 避雷器避雷器避雷器EBBLPZ0LPZ1LPZ2（6）在TN—S電源系統(tǒng)中的安裝示意圖LPZ=防雷保護(hù)區(qū)SEB=配電柜EBB=等電位連接排PEkWhEBBL1L2L3NPESEB電表

主配電柜

分配電柜 設(shè)備 避雷器避雷器避雷器EBBLPZ0LPZ1LPZ2N

安裝示例6.2.3天饋避雷器1、作用：抑制從天線及饋線上的感應(yīng)雷及過電壓，保護(hù)現(xiàn)代微電子器件組成的電子設(shè)備。3.目前專用的天饋避雷器（1）采用g/4短路線，信號帶寬窄，但工作頻率上限可達(dá)2GHz。2、簡單天饋避雷器：常用鋸齒狀，針狀的保護(hù)間隙結(jié)構(gòu)，壽命與維護(hù)有關(guān)，長期不維護(hù)會起不到避雷作用。（2）并聯(lián)電感和壓敏電阻，帶寬受電感限制，工作頻率上限1GHz。（3）并接氣體放電管，工作頻率上限10GHz，但避雷效果有限。4）微帶型和同軸型天饋避雷器，采用微波傳輸線原理設(shè)計，等效電路原理圖，實質(zhì)上等效為一個高通濾波器。高壓隔直電容4、常用天饋避雷器的性能及參數(shù)（見教材表3.16）例某型號（1）插入損耗1dB

（2）駐波系數(shù)<1.2（3）工作頻率DC~2000MHz（4）傳輸功率100W（5）雷電通流量（8/20us）100KATEK50N-MF-CO天饋線避雷器型號流通容量頻率范圍功率駐波系數(shù)插損通過能量連接頭動作時間50N-MF-CO-A50KA125M-1GHz100W≤1.1to1≤0.1dB≤600μJN≤2.5nS寬廣的頻率范圍極小的插入損耗多次抗雷擊能力不受天氣影響抑制通信號系統(tǒng)中各類信號線、控制數(shù)據(jù)線上的過電壓，保護(hù)現(xiàn)代微電子器件組成的電子設(shè)備。用放電管和嵌位二極管組成混合型保安器。嵌位二極管動作靈敏，放電管通流能力大，相當(dāng)于兩級保護(hù)。6.2.4信號避雷器（保安器）3、電話避雷器1、作用2、根據(jù)使用場合分類電話避雷器，計算機及數(shù)據(jù)線避雷器，儀表與控制線避雷器。用三極氣體放電管與嵌位二極管為主體構(gòu)成，與電話避雷器基本相同，只是工作電壓低于前者，相應(yīng)動作電壓也低于前者。主要參數(shù)：4、計算機及數(shù)據(jù)線避雷器5、儀表與控制線避雷器用氣體放電管，箝位二極管，壓敏電阻為主體構(gòu)成。與電話避雷器基本相同，只是增加了一級壓敏電阻保護(hù)，相當(dāng)于三級保護(hù)。這主要是控制線電壓比前面二種情況都高。信號電壓12V；最大容許工作電壓15V；額定電流100mA；最高放電電流10KA；動作時間<1ns；傳輸速率100Kb/s§6.3避雷元件6.3.1熔絲1、作用；保護(hù)設(shè)備不被大電流所損壞。2、分類：電源熔絲和線路熔絲。3、電源熔絲的指標(biāo)：額定電流、熔斷時間。4、線路熔絲的指標(biāo)：沖擊能力、耐工頻能力。6.3.2氣體放電管1、結(jié)構(gòu)：由兩個或三個相距一定距離的金屬電極和玻璃或陶瓷外殼組成，管內(nèi)充有一定壓力的特殊氣體。5、一般不單獨用于防雷線路保護(hù)。2、工作過程：絕緣—點火—維持—恢復(fù)絕緣。3、兩種放電狀態(tài)（1）非自持放電：指放電需要外界電離劑支持。（2）自持放電：指放電不需要外界電離劑支持。自持放電的兩個階段：輝光放電和弧光放電輝光放電弧光放電4、主要參數(shù)：（1）點火電壓：指直流或工頻作用下，發(fā)生擊穿的最低電壓。（2）沖擊點火電壓：指電壓變化很快，超過點火電壓的某一值才發(fā)生擊穿的電壓。（3）延遲時間：工頻延遲、沖擊延遲例點火電壓350V，1.5/40us的雷電壓，沖擊點火電壓高達(dá)1000V。（4）伏秒特性：表征絕緣在過電壓作用下抗擊穿性能。5、主要優(yōu)缺點（1）優(yōu)點：通流容量寬，極間電容小，開斷電阻大。（2）缺點：響應(yīng)速度慢，存在續(xù)流，壽命較短。（5）遮斷時間：雷電流消失到放電管內(nèi)續(xù)流消失的時間。（6）伏安特性：6.3.3半導(dǎo)體防雷放電管一種是雙向二端子閘流管，可看成無控制端的雙向可控硅；另一種是血崩二極管?？慷穗妷荷邠舸?，擊穿電壓可低到1V，響應(yīng)快，壽命長，仍存在續(xù)流，價格昂貴。6.3.4氧化鋅壓敏電阻一種非線性電阻，當(dāng)電壓升高到一定值后，電阻迅速下降，響應(yīng)快，無續(xù)流，過載能力強，價格低廉，但寄生電容大。6.3.5PTC熱敏電阻一種非線性電阻，具有優(yōu)良自恢復(fù)性能，耐沖擊，壽命長。§6.4多級SPD的配合問題6.4.1多級SPD的配合原則

電源線路多級SPD防護(hù)，主要目的是達(dá)到分級泄流，避免單級防護(hù)隨過大的雷擊電流而出現(xiàn)損壞概率高和產(chǎn)生高殘壓。通過合理的多級泄流能量配合，保證SPD有較長的使用壽命和設(shè)備電源端口的殘壓低于設(shè)備端口的耐雷電沖擊電壓，確保設(shè)備安全。1、多級SPD防護(hù)目的2、多級SPD的配合原則（1）對于開關(guān)型SPD1（第一級）至限壓型SPD2（第二級）之間的線距應(yīng)大于10m；

（2）限壓型SPD2（第二級）至限壓型SPD3（第三級）之間的線距應(yīng)大于5m的規(guī)定。

安裝多級電源SPD，由于各級SPD的標(biāo)稱導(dǎo)通電壓和標(biāo)稱導(dǎo)通電流不同、安裝方式及接線長短的差異，在設(shè)計和安裝時如果能量配合不當(dāng)，將會出現(xiàn)某級SPD不動作、泄流的盲點。當(dāng)雷電高電壓脈沖沿電源線路侵入時，為了保證各級SPD能夠分級啟動泄流，避免多級SPD間出現(xiàn)盲點，根據(jù)ITU、K20和IEC61312－3的規(guī)定，兩級SPD間必須有一定的線距長度(即一定的感抗或加裝退藕元件)來滿足避免盲點的要求。

3、SPD安裝的一般要求

SPD一般并聯(lián)安裝在各級配電柜(箱)開關(guān)之后的設(shè)備側(cè)，它與負(fù)載的大小無關(guān)。串聯(lián)型SPD在設(shè)計時，必須考慮負(fù)載功率不能超過串聯(lián)型SPD的額定功率，并留有一定的余量。SPD連接導(dǎo)線應(yīng)平直，導(dǎo)線長度不宜大于0.5m，其目的是降低引線上的電壓，從而提高SPD的保護(hù)安全性能。

（1）電源系統(tǒng)安裝多級避雷器線距的要求DEHNguardTyp275DEHN開關(guān)型避雷器與過壓保護(hù)器配合的最小距離DEHNportBlitzstromableiterDEHNL1L2L3N高能量避雷器B級過壓保護(hù)器C級線纜長度5m**如果PE線與主線在同一線纜中，則線纜長度要求15m6.4.2多級SPD的配合的電壓和電流的確定對雷電流大小的估算：外來導(dǎo)電部件及電力線、通訊線，應(yīng)估算在等電位連接點的各個局部雷電流。可按如下方法進(jìn)行估算：總雷電流i的50%流入接地裝置，其余的50%流入各設(shè)施。每一設(shè)施的雷電流為is/n，n為設(shè)施的個數(shù)。流入電纜的電流ii，則每根芯線的電流為iv=ii/m（m為芯線數(shù)）。對于屏蔽電纜，雷電流將沿屏蔽層流動。電話線等電位連接時應(yīng)以5%的雷電流作為最小值來估算。1、SPD泄放的浪涌電流不超過自身的標(biāo)稱放電電流。問題：SPD標(biāo)稱放電電流是不是選擇得愈高愈好？

放電間隙(SPD1)的引燃取決于MOV(SPD2)兩端殘壓(Ures)及退耦元件兩端(含連接線)的動態(tài)壓降(UDE)之和。在觸發(fā)放電之前，SPD間的電壓分配如下:USG＝Ures＋UDE2、電壓開關(guān)型和限壓型SPD間的能量配合:（1）放電間隙兩端的電壓USG超過放電間隙動態(tài)放電電壓時，SPD1就著火放電泄放雷電流，實現(xiàn)了能量配合。（2）后續(xù)防雷區(qū)的SPD只要線距滿足規(guī)定要求或加裝退藕元件，就能保證從末級到第一級逐級可靠啟動泄流，確保多級SPD不出現(xiàn)盲點，達(dá)到最佳的能量配合效果。

國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC61312“雷電電磁脈沖防護(hù)”將第一級防護(hù)的雷電威脅值定為200kA波形為10/350uS，超過該值的概率為1％就是說，99％雷電閃擊都包括了。國標(biāo)GB50343不作只使用一種波形的規(guī)定，宜兼顧各種不同意見，所以推薦等同使用兩種波形的參數(shù)（另一種8/20us波形），不作強制性規(guī)定，僅僅作為不同波形條件下的推薦參數(shù)而己。3、第一級防護(hù)的雷電流值的計算例：供電線路為三相五相制的TN－S接地方式的一級防護(hù)的雷電流值的計算。

IEC61312－1：1995雷電流分配的有關(guān)條文中，已假定:全部雷電流i的50％輸入LPS的接地裝置，i的另一個50％全部進(jìn)入建筑物的各種設(shè)施，并假定進(jìn)入建筑物的金屬設(shè)施，只是變壓器低壓側(cè)的三相五相制，供電線路為TN－S接地方式。若第一級防護(hù)雷電威脅值規(guī)定為200kA，10/350us，則在供電線路中，每線荷載的雷電流為Im=Is/n＝(I/2)/n＝(200/2)/5=20kA。當(dāng)用8/20us波形時，在單位能量相同的條件下，則用下面公式換算:4、第二級防護(hù)的雷電流值的計算第二級被保護(hù)設(shè)備的耐沖擊電壓由圖查得為Up=4kV，在SPD未導(dǎo)通，電感兩端的壓降即為第二級被保護(hù)設(shè)備的耐沖擊電壓，即Up=UL=4kV電感壓降的公式為:UL=L×(di2/dt2)式中：i2為流過SPD的雷電電流，即SPD承受的標(biāo)稱放電電流；t2為對應(yīng)的雷電流波頭時間。di2/dt2取平均陡度；導(dǎo)體自身電感量以最低為每米1uH計，則10m長導(dǎo)體的電感量為10uH；電感壓降公式整理得:i2=UL(T2/L)=4×103[(8×10－6)/(10×10－6)]=3.2KA

從安全和可靠角度考慮，應(yīng)增大SPD2的耐雷電沖擊電流的裕度，通常第二級SPD的標(biāo)稱放電電流應(yīng)不小于40kA。5、第三級防護(hù)的雷電流值的計算i2=UL(T2/L)=2.5×103[(8×10－6)/(10×10－6)]=2KA第三級SPD標(biāo)稱放電電流按確定第二級標(biāo)稱放電電流計算的方法。通常第三級SPD的標(biāo)稱放電電流不小于20kA。對于380V的工作電壓，SPD的導(dǎo)通電壓約為900V,SPD2的殘壓比一般在3-3.5之