高電壓技術(shù)學習

高電壓技術(shù)學習第1頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY8.1雷電放電和雷電過電壓

雷電是一種可怖而又壯觀的自然現(xiàn)象，我國東周時《莊子》上有記述：“陰陽分爭故為電，陽陰交爭故為雷，陰陽錯行，天地大駭，于是有雷、有霆?！比藗儗纂姮F(xiàn)象的科學認識始于18世紀中葉，著名科學家有富蘭克林（Franklin）、M·B·羅蒙諾索夫（Jiomohocob）、L·B·黎赫曼（Phxmah）等，如著名的富蘭克林風箏實驗，第一次向人們揭示了雷電只不過是一種火花放電的秘密，他們通過大量實驗取得卓越成就，建立了現(xiàn)代雷電學說，認為雷擊是云層中大量陰電荷和陽電荷迅速中和而產(chǎn)生的現(xiàn)象。特別是利用高速攝影、自動錄波、雷電定向定位等現(xiàn)代測量技術(shù)對雷電進行的觀測研究，大大豐富了人們對雷電的認識。第2頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY本節(jié)內(nèi)容：8.1.1雷云的形成8.1.2

雷電放電過程8.1.3

有關的雷電參數(shù)8.1.4

雷電過電壓的形成返回第3頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

能產(chǎn)生雷電的帶電云層稱為雷云。

雷云的形成主要是含水汽的空氣的熱對流效應。太陽的熱輻射使地面部分水分化為蒸汽，含水蒸汽的空氣受到熾熱的地面烘烤而上升，會產(chǎn)生向上的熱氣流。熱氣流每上升10km，溫度下降約10℃，熱氣流與高空冷空氣相遇形成雨滴、冰雹等水成物，水成物在地球靜電場的作用下被極化，形成熱雷云。

8.1.1雷云的形成第4頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

雷云的形成過程是綜合性的。強氣流將云中的水滴吹裂時，較大的殘滴帶正電，較小的水珠帶負電，小水珠被氣流帶走，于是云的各部分帶帶有不同的電荷，這是水滴破裂效應。

水在結(jié)冰時，冰粒會帶正電，沒有結(jié)結(jié)冰的被風吹走小水珠將帶負電，這是水滴結(jié)冰效應。第5頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

最后形成帶正電的云粒子在云的上部，而負電的水成物在云的下部，或者帶負電的水成物以雨或雹的形式下降到地面。當上面所講的帶電云層一經(jīng)形成，就形成雷云空間電場。

由此可見，雷電的成因源于大氣的運動。

返回視頻鏈接第6頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

作用于電力系統(tǒng)的雷電過電壓最常見的（約90%）是由帶負電的雷云對地放電引起，稱為負下行雷，下面以負下行雷為例分析雷電放電過程。負下行雷通常包括若干次重復的放電過程，而每次可以分為先導放電、主放電和余輝放電三個階段。先導放電階段主放電階段余輝放電階段8.1.2雷電放電過程第7頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY圖8-1負雷云下行雷的過程(a)負下行雷的光學照片描繪圖(b)放電過程中雷電流的變化過程返回第8頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY8.1.3有關的雷電參數(shù)

雷電放電受氣象條件、地形和地質(zhì)等許多自然因素影響，帶有很大的隨機性，因而表征雷電特性的各種參數(shù)也就具有統(tǒng)計的性質(zhì)。主要的雷電參數(shù)有：

雷暴日及雷暴小時、地面落雷密度、主放電通道波阻抗、雷電流極性、雷電流幅值、雷電流等值波形、雷電流陡度等。

第9頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1.雷暴日及雷暴小時

雷暴日Td是指該地區(qū)平均一年內(nèi)有雷電放電的平均天數(shù)，單位d/a。雷暴小時Th雷暴小時是指平均一年內(nèi)的有雷電的小時數(shù)，單位h/a。雷暴日與該地區(qū)所在緯度、當?shù)貧庀髼l件、地形地貌有關Td<15，少雷區(qū)；>40，多雷區(qū)；>90，強雷區(qū)第10頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY2.地面落雷密度

表征雷云對地放電的頻繁程度以地面落雷密度（）來表示，是指每一雷暴日每平方公里地面遭受雷擊的次數(shù)。地面落雷密度和雷暴日的關系式為：

DL/T620—1997標準取為基準，則（8-1）

第11頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY3.主放電通道波阻抗

從工程實用的角度和地面感受的實際效果出發(fā)，先導放電通道可近似為由電感和電容組成的均勻分布參數(shù)的導電通道，其波阻抗為：

為通道單位長度的電感量，為通道單位長度的電容量。主放電通道波阻抗與主放電通道雷電流有關，雷電流愈大，波阻抗愈大。

（8-2）

第12頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

當雷云電荷為負時，所發(fā)生的雷云放電為負極性放電，雷電流極性為負；反之，雷電流極性為正。實測統(tǒng)計資料表明，不同的地形地貌，雷電流正負極性比例不同，負極性所占比例在75%~90%之間，因此，防雷保護都取負極性雷電流進行研究分析。4.雷電流極性第13頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY5.雷電流幅值

按DL/T620—1997標準，一般我國雷暴日超過20的地區(qū)雷電流的概率分布為或（8-3）第14頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY6.雷電流等值波形

雷電流的幅值隨各國自然條件的不同而差別較大，而測得的雷電流波形卻基本一致。第一次負放電電流波形的波頭較長，在峰值附近有明顯的雙峰；隨后放電電流波形的波頭較短，沒有雙峰，電流陡度遠大于第一次放電，而電流幅值約為第一次放電的一半。第15頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

放電之后，約有一半存在連續(xù)的后續(xù)電流，至少持續(xù)40ms，電流從數(shù)十至500kA，平均約100kA。據(jù)統(tǒng)計，雷電流的波頭在1～5的范圍內(nèi)，多為2.5～2.6；波長多在20～100的范圍內(nèi)，平均約為50；按DL/T620—1997標準，取2.6，為50，記為2.6/50。第16頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

雷電沖擊試驗和防雷設計中常用的雷電流等值波形有雙指數(shù)波、斜角波和半余弦波三種。圖8-2雷電流的等值波形(a)雙指數(shù)波(b)斜角波(c)半余弦波第17頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY7.雷電流陡度

雷電流陡度是指雷電流隨時間上升的速度。雷電流陡度越大，對電氣設備造成的危害也越大。雷電流陡度的直接測量更為困難，常常根據(jù)一定的幅值、波頭和波形來推算。DL/T620—1997標準取波頭形狀為斜角波，波頭按2.6考慮，雷電流陡度。計算雷電流沖擊波波頭陡度出現(xiàn)的概率可用下列經(jīng)驗公式計算：

或（8-4）

返回第18頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY8.1.4雷電過電壓的形成1.直擊雷過電壓

雷擊地面由先導放電轉(zhuǎn)變?yōu)橹鞣烹姷倪^程可以用一根已充當?shù)拇怪睂Ь€突然與被擊物體接通來模擬。圖8-3雷擊大地時的計算模型(a)模擬先導放電(b)模擬主放電(c)主放電通道電路(d)等值電路第19頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY2.感應雷過電壓

由于雷云對地放電過程中，放電通道周圍空間電磁場的急劇變化，會在附近線路的導線上產(chǎn)生過電壓。在雷云放電的先導階段，先導通道中充滿了電荷，如圖8-5（a）所示當先導到達附近地面時，主放電開始，先導通道中的電荷被中和，與之相應的導線上的束縛電荷得到解放，以波的形式向?qū)Ь€兩側(cè)運動，如圖8-5（b）所示。圖8-5感應雷過電壓的形成(a)先導放電階段（b）主放電階段第20頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

小結(jié)雷云的形成主要是含水汽的空氣的熱對流效應。雷電源于大氣的運動。雷電的放電過程：

先導放電階段主放電階段余輝放電階段主要的雷電參數(shù)有：雷暴日及雷暴小時、地面落雷密度、主放電通道波阻抗、雷電流極性、雷電流幅值、雷電流等值波形、雷電流陡度等。雷電過電壓的形成直擊雷過電壓感應雷過電壓返回（本節(jié)完）第21頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY8.2防雷保護設備

雷電放電作為一種強大的自然力的爆發(fā)是難以制止的，產(chǎn)生的雷電過電壓可高達數(shù)百至數(shù)千kV，如不采取防護措施，將引起電力系統(tǒng)故障，造成大面積停電。目前人們主要是設法去躲避和限制雷電的破壞性，基本措施就是加裝避雷針、避雷線、避雷器、防雷接地、電抗線圈、電容器組、消弧線圈、自動重合閘等防雷保護裝置。避雷針、避雷線用于防止直擊雷過電壓，避雷器用于防止沿輸電線路侵入變電所的感應雷過電壓。第22頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY本節(jié)內(nèi)容：8.2.1避雷針防雷原理及保護范圍8.2.2避雷線防雷原理及保護范圍8.2.3避雷器工作原理及常用種類

返回第23頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY8.2.1避雷針防雷原理及保護范圍避雷針防雷原理

避雷針是明顯高出被保護物體的金屬支柱，其針頭采用圓鋼或鋼管制成，其作用是吸引雷電擊于自身，并將雷電流迅速泄入大地，從而使被保護物體免遭直接雷擊。避雷針需有足夠截面的接地引下線和良好的接地裝置，以便將雷電流安全可靠地引入大地。

第24頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY2.避雷針的保護范圍

表示避雷針的保護效能，通常采用保護范圍的概念，只具有相對意義。避雷針的保護范圍是指被保護物體在此空間范圍內(nèi)不致遭受直接雷擊。我國使用的避雷針的保護范圍的計算方法，是根據(jù)小電流雷電沖擊模擬試驗確定，并根據(jù)多年運行經(jīng)驗進行了校驗。保護范圍是按照保護概率99.9%確定的空間范圍（即屏蔽失效率或繞擊率0.1%）。第25頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY（1）單支避雷針

單支避雷針的保護范圍如圖8-6所示:圖8-6單支避雷針的保護范圍第26頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

兩線外側(cè)的保護范圍按單根避雷線方法確定；兩線內(nèi)側(cè)的保護高度由兩線及保護范圍上部邊緣最低點O的圓弧來確定。O點為假想避雷針的頂點，其高度按下式計算：

(2)兩支等高避雷線圖8-7高度為h的兩支等高避雷針的保護范圍

式中：——兩針間保護范圍上部邊緣最低點高度，m

D——兩避雷針間的距離，m。第27頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

兩針間hx水平面上保護范圍的一側(cè)最小寬度bx應按圖8-8確定。當bx＞rx時，取bx＝rx，求得bx后，可按圖8-7繪出兩針間的保護范圍。兩針間距離與針高之比D/h不宜大于5。

圖8-8兩等高(h)避雷針間保護范圍的一側(cè)最小寬度(bx)與D/haP的關系(a)D/haP＝0～7(b)D/haP＝5～7第28頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

(3)兩支不等高避雷針

兩支不等高避雷針的保護范圍如圖8-9所示。圖8-9兩支不等高避雷針的保護范圍第29頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY(4)多支等高避雷針

由于發(fā)電廠或變電所的面積較大，實際上都采用多支等高避雷針保護。三支等高避雷針所形成的三角形的外側(cè)保護范圍分別按兩支等高避雷針的計算方法確定。四支及以上等高避雷針所形成的四角形或多角形，可先將其分成兩個或數(shù)個三角形，然后分別按三支等高避雷針的方法計算。

第30頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

三支等高避雷針在hx水平面上的保護范圍如圖8-10（a）所示，圖8-10（b）所示為四支等高避雷針在hx水平面上的保護范圍。圖8-10三、四支等高避雷針在hx水平面上的保護范圍(a)三支等高避雷針在hx水平面上的保護范圍(b)四支等高避雷針在hx水平面上的保護范圍返回第31頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY8.2.2避雷線防雷原理及保護范圍

避雷線，通常又稱架空地線，簡稱地線。避雷線的防雷原理與避雷針相同，主要用于輸電線路的保護，也可用來保護發(fā)電廠和變電所，近年來許多國家采用避雷線保護500kV大型超高壓變電所。用于輸電線路時，避雷線除了防止雷電直擊導線外，同時還有分流作用，以減少流經(jīng)桿塔入地的雷電流從而降低塔頂電位，避雷線對導線的耦合作用還可以降低導線上的感應雷過電壓。

第32頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

單根避雷線的保護范圍如圖8-11所示，在hx水平面上每側(cè)保護范圍的寬度按下列公式計算：當時時式中：rx——hx水平面上每側(cè)保護范圍的寬度，m；hx——被保護物的高度，m；h——避雷線的高度，m。圖8-11單根避雷線的保護范圍第33頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

兩根等高平行避雷線的保護范圍如圖8-12所示。兩線外側(cè)的保護范圍按單根避雷線的計算方法確定。兩線間各橫截面的保護范圍由通過兩避雷線1、2點及保護范圍邊緣最低點O的圓弧確定。O點的高度應按下式計算：式中：——兩避雷線間保護范圍上部邊緣最低點的高度，m；

D——兩避雷線間的距離，m。圖8-12兩根平行避雷線的保護范圍第34頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

表示避雷線對導線的保護程度，工程中常用保護角α來表示，如圖8-13所示。保護角是指避雷線和外側(cè)導線的連線與避雷線的垂線之間的夾角。保護角愈小，避雷線就愈可靠地保護導線免遭雷擊。一般α=20°~30°，這時即認為導線已處于避雷線的保護范圍之內(nèi)。圖8-13避雷線的保護角返回第35頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY8.2.3避雷器工作原理及常用種類

避雷器是專門用以限制線路傳來的雷電過電壓或操作過電壓的一種防雷裝置。避雷器實質(zhì)上是一種過電壓限制器，與被保護的電氣設備并聯(lián)連接，當過電壓出現(xiàn)并超過避雷器的放電電壓時，避雷器先放電，從而限制了過電壓的發(fā)展，使電氣設備免遭過電壓損壞。避雷器的常用類型有：保護間隙、排氣式避雷器（常稱管型避雷器）、閥式避雷器和金屬氧化物避雷器（常稱氧化鋅避雷器）四種。第36頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY避雷器1第37頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY避雷器2第38頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1.保護間隙

保護間隙是一種簡單的避雷器，按其形狀可分為：角型、棒形、環(huán)形和球型等，常用角形保護間隙如圖8-14所示。圖8-14角型保護間隙1—角型電極2—主間隙3支柱絕緣子4—輔助間隙5—電弧的運動方向第39頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY2.排氣式避雷器

排氣式避雷器實質(zhì)上是一種具有較高熄弧能力的保護間隙，其結(jié)構(gòu)如圖8-15所示，內(nèi)間隙固定裝在管內(nèi)，管子由纖維、塑料或橡膠等產(chǎn)氣材料制成，其電極一端為棒形電極2，另一端為環(huán)形電極3。外間隙裸露在大氣中，由于產(chǎn)氣材料在泄漏電流作用下會分解，因此管子不能長時間接在工作電壓上，正常運行靠外間隙來隔離工作電壓。

第40頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY圖8-15排氣式避雷器1—產(chǎn)氣管2—棒形電極3—環(huán)形電極S1—內(nèi)間隙S2—外間隙第41頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY3.閥式避雷器

閥式避雷器是由裝在密封瓷套中的多組火花間隙和多組非線性電阻閥片串聯(lián)組成。它分普通型和磁吹型兩大類。

普通閥式避雷器的單個火花間隙結(jié)構(gòu)如圖8-16所示，電極由黃銅圓盤沖壓而成，兩電極間以云母墊圈隔開形成間隙，間隙距離為0.5～1.0mm，間隙電場接近均勻電場，單個間隙的工頻放電電壓約為2.7～3.0kV(有效值)。閥片的伏安特性如圖8-17所示。第42頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY圖8-16單個火花間隙結(jié)構(gòu)1—黃銅電極2—云母墊圈圖8-17閥片的伏安特性i1—工頻續(xù)流u1—工頻電壓

i2—雷電流u2—避雷器殘壓第43頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

磁吹閥式避雷器（簡稱磁吹避雷器）的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與普通閥式避雷器相同，主要區(qū)別在于，磁吹閥式避雷器采用了磁吹式火花間隙，它是利用磁場對電弧的電動力，迫使間隙中的電弧加快運動并延伸，使間隙的去游離作用增強，從而提高了滅弧能力，磁吹式火花間隙的結(jié)構(gòu)和電弧運動如圖8-18所示。

第44頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY圖8-18磁吹式火花間隙角形電極2—滅弧盒3—并聯(lián)電阻4—滅弧柵第45頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

多個間隙串聯(lián)電路中，由于寄生電容存在，滅弧過程工頻電壓在各個間隙上的分布是不均勻的，將影響每個間隙作用的充分發(fā)揮，減弱了滅弧能力。通常將四個火花間隙放在一個瓷套筒里組成標準間隙組，在每個標準間隙組的側(cè)面并有兩個串聯(lián)的半環(huán)形非線性分路電阻，以便起均壓作用，如圖8-19所示。圖8-19在間隙上并聯(lián)分路電阻(a)標準火花間隙組（普通閥式避雷器）(b)原理圖第46頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY4.金屬氧化物避雷器

金屬氧化物避雷器(MOA)出現(xiàn)于20世紀70年代，因其性能比碳化硅避雷器更好，現(xiàn)在已在全世界得到廣泛應用。金屬氧化物避雷器的閥片是由以氧化鋅（ZnO）為主要原料，并添加其它微量的氧化鉍（Bi2O3）、氧化鈷（Co2O3）、氧化錳（MnO2）、氧化銻（Sb2O3）、氧化鉻（Cr2O3）等金屬氧化物作添加劑。金屬氧化物避雷器的結(jié)構(gòu)非常簡單，僅由相應數(shù)量的氧化鋅閥片密封在瓷套內(nèi)組成，所以也稱氧化鋅避雷器。第47頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

氧化鋅閥片具有極好的非線性伏安特性，如圖8-19所示，可分為小電流區(qū)、非線性區(qū)和飽和區(qū)。圖8-20氧化鋅閥片的伏安特性第48頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY避雷針作用是吸引雷電擊于自身，并將雷電流迅速泄入大地，從而使被保護物體免遭直接雷擊。避雷線，又稱架空地線，簡稱地線。主要用于輸電線路的保護，也可用來保護發(fā)電廠和變電所。避雷器實質(zhì)上是一種過電壓限制器。保護間隙排氣式避雷器閥式避雷器金屬氧化物避雷器小結(jié)返回（本節(jié)完）第49頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY8.3電力系統(tǒng)防雷保護

電力系統(tǒng)的防雷保護包括了線路、變電所、發(fā)電廠等各個環(huán)節(jié)。第50頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY本節(jié)內(nèi)容：8.3.1輸電線路的防雷保護8.3.2發(fā)電廠和變電所的防雷保護返回第51頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY8.3.1輸電線路的防雷保護

在整個電力系統(tǒng)的防雷中，輸電線路的防雷問題最為突出。這是因為輸電線路綿延數(shù)千里、地處曠野、又往往是周邊地面上最為高聳的物體，因此極易遭受雷擊。

輸電線路防雷性能的優(yōu)劣，工程中主要用耐雷水平和雷擊跳閘率兩個指標來衡量。所謂耐雷水平，是指雷擊線路絕緣不發(fā)生閃絡的最大雷電流幅值（單位為kA）。第52頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1.輸電線路上的感應雷過電壓

雷擊線路附近地面時，在線路的導線上會產(chǎn)生感應雷過電壓，由于雷擊地面時雷擊點的自然接地電阻較大，雷電流幅值I一般不超過100kA。實測證明，感應過電壓一般不超過300-400kV，對35kV及以下水泥桿線路會引起一定的閃絡事故；對110kV及以上的線路，由于絕緣水平較高，所以一般不會引起閃絡事故。感應雷過電壓同時存在于三相導線，故相間不存在電位差，只能引起對地閃絡，如果二相或三相同時對地閃絡即形成相間閃絡事故。

第53頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

設避雷線和導線懸掛的對地平均高度分別為hg和hc,若避雷線不接地，則根據(jù)教材公式(8-18)可求得避雷線和導線上的感應過電壓分別為和。于是

第54頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY2.輸電線路的耐雷水平

我國110kV及以上線路一般全線都裝設避雷線，而35kV及以下線路一般不裝設避雷線，中性點直接接地系統(tǒng)有避雷線的線路遭受直擊雷一般有三種情況：①雷擊桿塔塔頂；②雷擊避雷線檔距中央；③雷電繞過避雷線擊于導線，如圖8-21所示。圖8-21有避雷線線路直擊雷的三種情況第55頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY（1）雷擊桿塔塔頂時的耐雷水平

運行經(jīng)驗表明，雷擊桿塔的次數(shù)與避雷線的根數(shù)和經(jīng)過地區(qū)的地形有關，雷擊桿塔次數(shù)與雷擊線路總次數(shù)的比值稱為擊桿率g，DL/T620—1997標準，擊桿率g可采用表8-5所列數(shù)據(jù)。表8-5桿率g避雷線根數(shù)12平原1/41/6山丘1/31/4第56頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

雷擊塔頂前，雷電通道的負電荷在桿塔及架空地線上產(chǎn)生感應正電荷；當雷擊塔頂時，雷通道中的負電荷與桿塔及架空地線上的正感應電荷迅速中和形成雷電流，如圖8-22（a）所示。圖8-22（a）雷擊塔頂時雷電流的分布(b)雷擊塔頂時等值電路第57頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

對于一般高度(40m以下)的桿塔，在工程近似計算中采用圖8-22（b）的集中參數(shù)等值電路進行分析計算，考慮到雷擊點的阻抗較低，故略去雷電通道波阻的影響。

圖8-22（a）雷擊塔頂時雷電流的分布(b)雷擊塔頂時等值電路第58頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY（2）雷擊避雷線檔距中央

雷擊避雷線檔距中央時，雷擊點會出現(xiàn)較大的過電壓，如圖8-23所示，根據(jù)彼德遜法則，由教材中公式（8-15），雷擊點A的電壓為：

式中—避雷線的波阻抗圖8-23雷擊避雷線檔距中央1—避雷線2—導線第59頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY（3）雷電繞擊于導線時的耐雷水平

裝設避雷線的線路仍然有雷繞過避雷線而擊于導線的可能性，雖然繞擊的概率很小，但一旦出現(xiàn)此情況，則往往會引起線路絕緣子的閃絡。雷電繞擊線路的電氣幾何模型如圖8-24所示。

圖8-24雷電繞擊線路的電氣幾何模型第60頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY3.輸電線路的雷擊跳閘率

雷電流超過線路的耐雷水平，會引起線路絕緣發(fā)生沖擊閃絡。這時，雷電流沿閃絡通道入地，但持續(xù)時間只有幾十

，線路斷路器來不及動作。閃絡后是否會引起線路跳閘，還要看閃絡能不能轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的工頻電弧。其概率稱為建弧率以

表示，與沿絕緣子串和空氣間隙的平均運行電壓梯度有關?？捎孟率奖硎荆菏街校篍—絕緣子串的平均運行電壓梯度，kV(有效值)/m。第61頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

雷擊桿塔頂部發(fā)生閃絡并建立電弧引起跳閘的次數(shù),雷繞過避雷線擊于導線發(fā)生閃絡并建立電弧引起跳閘的次數(shù)。有避雷線線路的雷擊跳閘率n可按下式計算：式中：N—落雷次數(shù)，次/(100km·a)；

—建弧率；

g—擊桿率；

—超過雷擊桿塔頂部時耐雷水平的雷電流概率；

—超過雷繞擊導線時耐雷水平的雷電流概率；

—繞擊率(包括平原和山區(qū))。第62頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY4.輸電線路的防雷措施

輸電線路的防雷措施主要做好以下“四道防線”：防止輸電線路導線遭受直擊雷；防止輸電線路受雷擊后絕緣發(fā)生閃絡；防止雷擊閃絡后建立穩(wěn)定的工頻電?。环乐构ゎl電弧后引起中斷電力供應。確定輸電線路防雷方式時，還應全面考慮線路綜合因素，因地制宜地采取合理的保護措施。

第63頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY（1）架設避雷線

（2）降低桿塔接地電阻

（3）架設耦合地線

（4）采用不平衡絕緣方式

（5）采用中性點非有效接地方式

（6）裝設避雷器

（7）加強絕緣

（8）裝設自動重合閘

主要保護措施：返回第64頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY8.3.2發(fā)電廠和變電所的防雷保護

發(fā)電廠和變電所是電力系統(tǒng)的樞紐，設備相對集中，一旦發(fā)生雷害事故，往往導致發(fā)電機、變壓器等重要電氣設備的損壞，更換和修復困難，并造成大面積停電，嚴重影響國民經(jīng)濟和人民生活。因此，發(fā)電廠和變電所的防雷保護要求十分可靠。

變電所中出現(xiàn)的雷電過電壓的兩個來源：雷電直擊變電所；沿輸電線入侵的雷電過電壓波。第65頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1.直擊雷過電壓的防護

直擊雷防護的措施主要是裝設避雷針或避雷線，使被保護設備處于避雷針或避雷線的保護范圍之內(nèi)，同時還必須防止雷擊避雷針或避雷線時引起與被保護物的反擊事故。當雷擊獨立避雷針時，如圖8-27所示。圖8-27雷擊獨立避雷針1—母線2—變壓器第66頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

雷電流經(jīng)避雷針及其接地裝置在避雷針h高度處和避雷針的接地裝置上將出現(xiàn)高電位UA(kV)和UG(kV)。圖8-27雷擊獨立避雷針1—母線2—變壓器式中:i——流過避雷針的雷電流，kA；

Ri——避雷針的沖擊接地電阻，單位為Ω；

L——避雷針的等值電感；

——雷電流的上升陡度，kA／

。第67頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

為了防止避雷針與被保護的配電構(gòu)架或設備之間的空氣間隙Sa被擊穿而造成反擊事故，必須要求Sa大于一定距離，取空氣的平均耐壓強度為500kV／m；為了防止避雷針接地裝置和被保護設備接地裝置之間在土壤中的間隙Se被擊穿，必須要求Se大于一定距離，取土壤的平均耐電強度為300kV／m，Sa和Se應滿足下式要求:

Sa≥0.2Ri＋0.1hSe≥0.3Ri第68頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY2.侵入波過電壓的防護

變電所中限制雷電侵入波過電壓的主要措施是裝設避雷器。如果三臺避雷器分別直接連接在變壓器的三個出線套管端部，只要避雷器的沖擊放電電壓和殘壓低于變壓器的沖擊絕緣水平，變壓器就得到可靠的保護。但在實際中，變電所有許多電氣設備需要防護，而電氣設備總是分散布置在變電所內(nèi)，常常要求盡可能減少避雷器的組數(shù)，又要保護全部電氣設備的安全，加上布線上的原因，避雷器與電氣設備之間總有一段長度不等的距離。第69頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY3.變電所的進線段保護

變電所的進線段保護是對雷電侵入波保護的一個重要輔助措施，就是在臨近變電所1～2km的一段線路上加強防護。進線段保護的作用在于限制流經(jīng)避雷器的雷電流幅值和侵入波的陡度。35kV～110kV變電所的進線段保護接線如圖8-32所示。

圖8-3235kV～110kV變電所進線保護接線第70頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY4.變壓器防雷保護的幾個具體問題（1）變壓器中性點防雷保護。當三相來波時，在變壓器中性點的電位理論上會達到繞組首端電壓的兩倍，因此需要考慮變壓器中性點的保護問題。（2）三繞組變壓器的防雷保護。高壓側(cè)有雷電過電壓波時，通過繞組間的靜電耦合和電磁耦合，低壓側(cè)出現(xiàn)一定過電壓。在任一相低壓繞組加裝閥式避雷器。第71頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY圖8-35自耦變壓器的防雷保護接線（3）自耦變壓器的防雷保護自耦變壓器除高、中壓自耦繞組之外，還有三角形接線的低壓非自耦繞組。高低壓繞組運行而中壓開路時，若有侵入波從高壓端線路襲來，繞組中電位的起始與穩(wěn)態(tài)分布以及最大電位包絡線都和中性點接地的繞組相同。自耦變壓器的防雷保護接線如圖8-35所示。第72頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

配電變壓器的防雷保護接線如圖8-36所示，其3～10kV側(cè)應裝設閥式避雷器FS-3～10或保護間隙來保護，構(gòu)成變壓器高壓側(cè)FS的接地端點、低壓繞組的中性點和變壓器金屬外殼三點聯(lián)合接地。（4）配電變壓器的防雷保護圖8-36配電變壓器的保護接線第73頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY5.旋轉(zhuǎn)電機的防雷保護

旋轉(zhuǎn)電機包括發(fā)電機、調(diào)相機、大型電動機等，是電力系統(tǒng)的重要設備，要求具有十分可靠的防雷保護。（1）旋轉(zhuǎn)電機的防雷保護特點在相同電壓等級的電氣設備中，旋轉(zhuǎn)電機的絕緣水平是最低的。2)電機在運行中受到發(fā)熱、機械振動、臭氧、潮濕等因素的作用使絕緣容易老化。3)保護旋轉(zhuǎn)電機用的磁吹避雷器(FCD型)的保護性能與電機絕緣水平的配合裕度很小。4)由于電機繞組的匝間電容K很小。5)電機繞組中性點一般是不接地的。第74頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY（2）直配電機的防雷保護

1)

發(fā)電機出線母線上裝一組MOA或FCD型避雷器，以限制侵入波幅值，取其3kA下的殘壓與電機的絕緣水平相配合，保護電機主絕緣。2)

采用進線段保護，一般采用電纜段與排氣式避雷器配合的典型進線段保護。3)

在發(fā)電機母線上裝設一組并聯(lián)電容器，包括電纜段電容在內(nèi)一般每相電容應為0.25～0.5μF，可以限制雷電侵入波的陡度a使之小于2kV/μs，同時可以降低感應雷過電壓使之低于電機沖擊耐壓強度，保護電機匝間絕緣和中性點絕緣。4)

發(fā)電機中性點有引出線時，中性點應加裝避雷器保護，如電機繞組中性點并未引出，則每相母線并聯(lián)電容應增至1.5～2.0μF。第75頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

60MW以上的電機(其中包括60MW的電機)一般都經(jīng)變壓器升壓后接至架空輸電線絡。在多雷區(qū)的非直配電機，宜在電機出線上裝設一組旋轉(zhuǎn)電機用的避雷器。如電機與升壓變壓器之間的母線橋或組合導線無金屬屏蔽部分的長度大于50m時，除應有直擊雷保護外，還應采取防止感應雷過電壓的措施，即在電機母線上裝設每相不小于0.15F的電容器或磁吹避雷器；此外，在電機的中性點上還宜裝設滅弧電壓為相電壓的閥式避雷器。（3）非直配電機的防雷保護第76頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY6.氣體絕緣變電所的防雷保護

氣體絕緣變電所(GIS)是將除變壓器以外變電所內(nèi)的高壓電器設備及母線封閉在一個接地的金屬殼內(nèi)，殼內(nèi)充以3～4個大氣壓的SF6氣體作為相間及相對地的絕緣。GIS變電所具有體積小，占地面積小，維護工作量小，不受周圍環(huán)境條件影響，對環(huán)境無電磁干擾，運行性能可靠等優(yōu)點。第77頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY2)66kV及以上進線有電纜段的GIS變電所66kV及以上進線有電纜段的GIS變電所，在電纜與架空線路的連接處應裝設金屬氧化物避雷器(FMO1)，其接地端應與電纜的金屬外皮連接。1)66kV及以上進線無電纜段的GIS變電所66kV及以上進線無電纜段的GIS變電所，在GIS管道與架空線路連接處應裝設無間隙金屬氧化物避雷器(FMO1)，其接地端應與管道金屬外殼連接。

對GIS常用的保護措施:

第78頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY小結(jié)通常采用耐雷水平和雷擊跳閘率來表示一條線路的耐雷性能和所采用防雷措施的效果。輸電線路常采用避雷線、降低桿塔接地電阻、加強線路絕緣等措施來進行防雷。可按雷擊點的不同把線路的落雷分為三種情況：繞擊導線、雷擊檔距中央的避雷線和雷擊桿塔。（本節(jié)完）返回第79頁/共89頁NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY8.4接地的基本概念及原理8.4