防雷保護設(shè)備

1、2.2 防雷保護設(shè)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(shè)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、避雷器等防雷保護裝置。l 避雷針、避雷線用于防止直擊雷過電壓l 避雷器用于防止沿輸電線路侵入變電所的感應(yīng)雷過電壓。本節(jié)內(nèi)容：2.2.1 避雷針防雷原理及保護范圍2.2.2 避雷線防雷原理及保護范圍 2.2.3 避雷器工作原理及常用種類 返回返回2.2.1 避雷針防雷原理及保護范圍1 避雷針防雷原理l 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

2、制成l 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。l 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。 2. 避雷針的保護范圍l 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。l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。l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。l 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%）。（1） 單支避雷針 ()()2xxxhrhh Ph單支避雷針的保護范圍如下圖所示 單支避

3、雷針的保護范圍(1.52)()2xxxhrhh PhP:高度影響系數(shù)hPmhmPmh5 . 5,120301,30 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)兩支等高避雷線高度為h的兩支等高避雷針的保護范圍 pDhh7O 式中：Oh兩針間保護范圍上部邊緣最低點高度，mD 兩避雷針間的距離，m。 (3)兩支不等高避雷針兩支不等高避雷針的保護范圍l 從低針頂點作一水平線，與高針交于3點；l 以3針為一假想避雷針，作出低針2和3之間的保護范圍2.2.2 避雷線（地線）防雷原理及保護范圍l避

4、雷線的防雷原理與避雷針相同，主要用于輸電線路的保護l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。l用于輸電線路時，避雷線除了防止雷電直擊導(dǎo)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l避雷線對導(dǎo)線的耦合作用還可以降低導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過電壓。 2hhxphhr)(47. 0 xx2hhxphhr)53. 1(xx 單根避雷線的保護范圍如圖所示，在hx水平面上每側(cè)保護范圍的寬度按下列公式計算：當(dāng)時 時 式中：rxhx水平面上每側(cè)保范圍的寬度，m；hx被保護物的高度，m；h避雷線的高度，m。單根避雷線的保護范圍pDhh4O0h 兩根等高平行避

5、雷線的保護范圍如圖所示。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(yīng)按下式計算： ：兩避雷線間保護范圍上部邊緣最低點的高度，m； D：避雷線間的距離，m。 兩根平行避雷線的保護范圍l避雷線對導(dǎo)線的保護程度，工程中常用保護角來表示。l保護角是指避雷線和外側(cè)導(dǎo)線的連線與避雷線的垂線之間的夾角。l保護角愈小，避雷線就愈可靠地保護導(dǎo)線免遭雷擊。l一般=2030，即認為導(dǎo)線已處于避雷線的保護范圍之內(nèi)。避雷線的保護角返回返回保護角2.2.3 避雷器工作原理及常用種類l 避雷針(線)不能完全避免設(shè)備不受雷擊;從輸電

6、線路上也可能有危及設(shè)備絕緣的過電壓波傳入發(fā)電廠和變電所。l 避雷器實質(zhì)上是一種過電壓限制器，與被保護的電氣設(shè)備并聯(lián)連接，當(dāng)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(shè)備免遭過電壓損壞。l 避雷器的常用類型有：保護間隙、管型避雷器、閥式避雷器和金屬氧化物避雷器。1.對避雷器的基本要求l絕緣強度的合理配合 避雷器與被保護設(shè)備的伏秒特性應(yīng)有合理的配合。在絕緣強度的配合中，要求避雷器的伏秒特性比較平直、分散性小。l絕緣強度的自恢復(fù)能力 避雷器一旦在沖擊電壓作用下放電，就造成對地短路。隨之工頻短路電流（工頻續(xù)流）要流過此間隙，避雷器應(yīng)當(dāng)具有自行截斷工頻續(xù)流，恢復(fù)絕緣

7、強度的能力，使電力系統(tǒng)得以繼續(xù)正常工作2.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所示。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電弧的運動方向作用原理： 當(dāng)雷電侵入波要危及它所保護的電氣設(shè)備的絕緣時，間隙首先擊穿，工作母線接地，避免了被保護設(shè)備上的電壓升高，從而保護了設(shè)備。優(yōu)缺點： 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、制造方便 缺點： l 伏秒特性曲線比較陡，絕緣配合不理想；l 間隙動作后會形成截波；l 熄弧能力低，需配合自動重合閘使用；應(yīng)用范圍： 僅用于不重要和單相接地不會導(dǎo)致嚴(yán)重后果的場合。 排氣式避雷器1產(chǎn)氣管 2棒形電極 3

8、環(huán)形電極 S1內(nèi)間隙 S2外間隙3 管形避雷器（排氣式避雷器）l 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l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l其電極一端為棒形電極2，另一端為環(huán)形電極3。l 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。 結(jié)構(gòu)組成作用原理l 當(dāng)排氣式避雷器受到雷電波入侵時，內(nèi)外間隙同時擊穿，雷電流經(jīng)間隙流入大地；l過電壓消失后，在工作電壓作用下，流經(jīng)間隙的工頻續(xù)流電弧的高溫使管內(nèi)產(chǎn)氣材料分解出大量氣體，管內(nèi)壓力升高，氣體從開口孔噴出，從而使工頻續(xù)流在第一次經(jīng)過零值時就熄滅。特點l工頻續(xù)流太

9、大，產(chǎn)氣過多，易使管子炸裂；l續(xù)流太小，產(chǎn)氣不足以熄弧l對工頻續(xù)流有上下限要求，需在型號中說明5135GXWG:管形X:線路用W：產(chǎn)氣材料為纖維35：額定電壓為35kV1-5：最大、最小續(xù)流（kA)優(yōu)缺點l 熄弧能力比保護間隙要強l但伏秒特性較陡且放電分散性大，且會形成截波，并受大氣條件影響較大應(yīng)用范圍： 只用在輸電線路上絕緣比較薄弱的地方和用于變電所、發(fā)電廠的進線段保護。 4.閥式避雷器l 保護間隙和管形避雷器動作時會產(chǎn)生截波，伏秒特性陡，不能用來承擔(dān)主變、發(fā)電機及變電站內(nèi)重要設(shè)備的保護任務(wù)，必須對其加以改進。l 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

10、通型和磁吹型兩大類。（1）普通閥式避雷器a) 工作原理l系統(tǒng)正常工作時，間隙將電阻閥片與工作母線隔離，以免由工作電壓在閥片電阻中產(chǎn)生電流使閥片燒壞。 l當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)過電壓且其幅值超過間隙放電電壓時，間隙擊穿，沖擊電流通過閥片流入大地，由于間隙放電的伏秒特性低于被保護設(shè)備的沖擊耐壓，設(shè)備得到保護。l由于閥片的非線性特性，其電阻在流過大的沖擊電流時變得很小，故閥片上產(chǎn)生的殘壓將得到限制，使其低于被保護設(shè)備的沖擊耐壓，設(shè)備得到保護；l 當(dāng)過電壓消失后，工頻續(xù)流受閥片的非線性特性限制而很小，從而可在第一次過零時就將電弧切斷，而使繼電保護來不及動作。b) 火花間隙 電極由黃銅圓盤沖壓而成，兩電極間以云母

11、墊圈隔開形成間隙，間隙距離為0.51.0mm，單個間隙的工頻放電電壓約為2.73.0kV(有效值)。 單個火花間隙結(jié)構(gòu)1黃銅電極 2云母墊圈火花間隙作用原理：l 間隙電場近似均勻電場,而過電壓作用時云母墊圈與電極之間的縫隙中產(chǎn)生電暈，對間隙產(chǎn)生照射作用，使間隙的放電時間縮短，故其伏秒特性曲線平緩，放電分散性也較小l 避雷器動作后，工頻續(xù)流被分割成許多短弧，利用短間隙的自然熄弧能力使電弧熄滅，且不易重燃。c) 閥片（非線性電阻） 閥片用碳化硅顆料,以陶料粘合劑低溫（300-350）焙燒而成。其伏安特性如下圖 i1工頻續(xù)流 u1工頻電壓 i2雷電流 u2避雷器殘壓C：常數(shù),與閥片材料、尺寸有關(guān)：非

12、線性系數(shù),與閥片材料有關(guān)閥片的作用l 限制工頻續(xù)流,保證火花間隙可靠熄弧l 當(dāng)雷電過電壓擊穿時，不至于突然下降而形成截斷波基本結(jié)構(gòu)和工作原理與普通閥式避雷器相同,不同點在于l采用了磁吹式火花間隙，從而提高了滅弧能力。 l閥 片 為 碳 化 硅 通 過 高 溫(1350-1390）焙燒而成,通流容量很大（2）磁吹閥式避雷器（3）閥式避雷器的主要參數(shù)額定電壓： 避雷器兩端子間允許的最大工頻電壓的有效值滅弧電壓： 保證能夠在工頻續(xù)流第一次經(jīng)過零值時滅弧的條件下允許加在避雷器上的最高工頻電壓。 滅弧電壓應(yīng)當(dāng)大于避雷器工作母線上可能出現(xiàn)的最高工頻電壓，否則將不能保證續(xù)流滅弧而使閥片燒壞。 工頻放電電壓：

13、 在工頻電壓作用下，避雷器將發(fā)生放電的電壓值 沖擊放電電壓： 指預(yù)放電時間為1.5-20微秒的沖擊放電電壓 即在沖擊電壓作用下避雷器動作的最小電壓幅值 一般低于被保護設(shè)備沖擊絕緣水平的20%-25%殘壓： 指雷電流通過避雷器時在閥片電阻上產(chǎn)生的壓降 殘壓應(yīng)低于被保護設(shè)備沖擊絕緣水平的20%-25%，太低容易產(chǎn)生截波。保護比： 指避雷器殘壓與滅弧電壓之比保護比愈小，說明殘壓愈低或滅弧電壓愈高，顯示保護性能愈好。 5. 金屬氧化物避雷器l 間隙的存在會使放電電壓受避雷器內(nèi)部氣壓的變化而變化, 不能用在高原地區(qū)。l金屬氧化物避雷器(MOA)出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，其結(jié)構(gòu)非常簡單，僅由相應(yīng)數(shù)量的氧化鋅

14、閥片密封在瓷套內(nèi)組成，也稱氧化鋅避雷器。l 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。 （1）氧化鋅閥片的伏安特性i1mA:小電流區(qū),非線性指數(shù)較高,0.1-0.2左右1mAi3kA:飽和區(qū)，隨電壓增長電流增長不快若10kA下閥片的殘壓相同，則SiC閥片流過的電流達到100-400A，必須加間隙ZnO閥片則只有10-5A的數(shù)量級，可不加間隙 （2）氧化鋅閥片的優(yōu)點l可做成無間隙 正常工作條件下，流過ZnO閥片的電流很小,不會燒壞閥片l無續(xù)

15、流 正常工作電壓下流過閥片的電流極小,相當(dāng)于一個絕緣體,不存在工頻續(xù)流l保護性能優(yōu)越 在過電壓作用的全部過程中都有電流,吸收過電壓能力強l通流容量大 單位面積通流容量比SiC閥片大4-4.5倍,可用來限制操作過電壓（3）氧化鋅避雷器的電氣參數(shù)最大持續(xù)運行電壓： 允許持續(xù)加在避雷器兩端的最大工頻電壓的有效值。取決于系統(tǒng)最大工作相電壓額定電壓： 避雷器兩端子間允許的最大工頻電壓的有效值參考電壓（起始動作電壓U1mA)： 位于伏安特性曲線中由小電流區(qū)上升部分進入大電流區(qū)平坦部分的轉(zhuǎn)折處。殘壓： 放電電流通過避雷器時，兩端之間出現(xiàn)的電壓峰值壓比： 在波形為8/20us的沖擊電流規(guī)定值（如10kA)作用下的殘壓與參考電壓之比。 壓比越小,表示非線性越好,流過大電流時的殘壓越低，保護性