高電壓技術(shù)教學(xué)

第八章雷電及防雷裝置§8.1雷電參數(shù)§8.2避雷針、避雷線的保護(hù)范圍§8.3避雷器§8.4接地裝置

1．雷電參數(shù)（幅值和波形，表達(dá)式，雷暴日、小時(shí)）——掌握。2．避雷針的保護(hù)范圍——了解3．避雷器——了解

保護(hù)間隙、管型避雷器和閥型避雷器的工作原理，氧化鋅避雷器的特點(diǎn)。主要說明其非線性特性。4．接地裝置——了解

基本概念，接地種類，（自學(xué)）接地電阻計(jì)算。

本章要求§8.1雷電參數(shù)

一.等值電路

雷電流：雷擊于接地阻抗為零的物體時(shí)流經(jīng)接地體的電流。實(shí)際效果上可將雷擊物體看成一個(gè)入射波為/2(為雷電流)的電流波沿一條波阻抗為雷通道波阻抗的通道向被擊物體傳播的過程。彼得遜等值電路如圖（8-1-3）所示或看成電流形式的彼得遜等值電路。二.雷電流波形

波形用峰值、波前時(shí)間和半峰值時(shí)間來表示（大多為負(fù)極性雷）。如5kA,2.6/50μs即表示波前時(shí)間為2.6μs,半峰值時(shí)間為50μs,峰值為5kA的電流?！?.1雷電參數(shù)（續(xù)）

電氣設(shè)備的雷擊試驗(yàn)和防雷設(shè)計(jì)時(shí)將雷電流波形等值為可用公式表示的典型波形。常用的雷電流等值波形有雙指數(shù)波、斜角波、半余弦波等。①雙指數(shù)波形（標(biāo)準(zhǔn)波形）（圖a)

（8-1-6）②斜角波(為簡(jiǎn)化計(jì)算)(圖b）③對(duì)波前范圍,較近似的為半余弦波(圖c)

（8-1-7）

§8.1雷電參數(shù)（續(xù)）三.雷暴日與雷暴小時(shí)雷暴日：一年中有雷電流活動(dòng)的日數(shù)。凡是有雷電活動(dòng)的一天，不管雷電次數(shù)多少都記為1。

雷暴小時(shí)：一年中有雷電的小時(shí)數(shù)。一個(gè)小時(shí)中有聽到雷聲就為一個(gè)雷暴小時(shí)。

以上的定義表述該地區(qū)雷電活動(dòng)的頻率程度。我國(guó)雷電活動(dòng)分布是沿海強(qiáng)于內(nèi)陸，南方強(qiáng)于北方，東部強(qiáng)于西部。四.地面落雷密度和輸電線路落雷次數(shù)

地面落雷密度：每一雷暴日每平方千米地面遭受雷擊的次數(shù)，以γ表示。§8.1雷電參數(shù)（續(xù)）§8-2避雷針、避雷線的保護(hù)范圍

對(duì)直擊雷的防護(hù)措施通常是裝設(shè)避雷針或避雷線。避雷針(線)高于被保護(hù)的物體，其作用是吸引雷電擊于自身，并將雷電流迅速泄入大地，從而使避雷針(線)附近的物體得到保護(hù)。

避雷針（線）的保護(hù)范圍可以通過模擬試驗(yàn)并結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來確定。由于雷電放電受很多偶然因素的影響，因此要保證被保護(hù)物體絕對(duì)不遭受直擊雷的危害是不現(xiàn)實(shí)的。通常，保護(hù)范圍是指具有0.1%左右雷擊概率的空間范圍。§8-3避雷器

避雷器是由保護(hù)間隙發(fā)展而來，主要作用是限制過電壓以保護(hù)電氣設(shè)備。其類型只要有保護(hù)間隙、管型避雷器、閥型避雷器和氧化鋅避雷器等幾種。保護(hù)間隙和管型避雷器主要用于限制大氣過電壓，一般用于配電系統(tǒng)、線路和發(fā)、變電所進(jìn)線段的保護(hù)。閥型避雷器用于變電所和發(fā)電廠的保護(hù)，在220KV及以下系統(tǒng)主要用于限制大氣過電壓，在超高壓系統(tǒng)中還用來限制內(nèi)過電壓或作內(nèi)過電壓的后備保護(hù)。一.保護(hù)間隙與管型避雷器⑴保護(hù)間隙

結(jié)構(gòu)：通常由主間隙和輔助間隙組成，間隙與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)，其伏秒特性低于被保護(hù)間隙。

原理：先于被保護(hù)設(shè)備和受過電壓而擊穿，被保護(hù)設(shè)備受到保護(hù)。

缺點(diǎn)：對(duì)工頻續(xù)流的滅弧能力較差。

用途：常用于配電系統(tǒng)、線路和發(fā)、變電所進(jìn)線段對(duì)大氣過電壓的保護(hù)。

§8-3避雷器（續(xù)）

⑵管型避雷器

結(jié)構(gòu)：兩個(gè)相互串聯(lián)的間隙構(gòu)成，一個(gè)用于隔離過電壓,一個(gè)用于滅弧。實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有較高熄弧能力的保護(hù)間隙。

原理：雷擊時(shí)內(nèi)外間隙均被擊穿，過電壓消失后，工頻續(xù)流由續(xù)流電弧高溫使管內(nèi)材料產(chǎn)生的氣體熄滅。

缺點(diǎn)：①伏秒特性分散性大，與設(shè)備不能較好配合。

②動(dòng)作后工作母線直接接地形成截波，對(duì)變壓器縱絕緣不利。

用途：與保護(hù)間隙相近?！?-3避雷器（續(xù)）

二.閥型避雷器結(jié)構(gòu)：由間隙與線性電阻(閥片)串聯(lián)。

原理：正常工作時(shí)，間隙將電阻閥片與母線電阻隔離，使電阻受到較好保護(hù)。(老化、劣化)

當(dāng)系統(tǒng)電壓過大時(shí)，間隙擊穿，沖擊電流通過閥片流入大地，由于閥片的非線性特性，故在閥片上產(chǎn)生的壓降(稱為殘壓)將得到限制，使其低于被保護(hù)設(shè)備的沖擊耐壓，設(shè)備得到保護(hù)。當(dāng)過電壓消失后，正常電壓工作，電壓小，電阻大，工頻續(xù)流小，使間隙能在工頻續(xù)流第一次經(jīng)過零值時(shí)就將電流熄滅。閥型避雷器分為普通型和磁吹型兩類，由熄弧能力決定。用途：變電所、發(fā)電廠的保護(hù)；220KV及以下限制大氣過電壓；超高壓系統(tǒng)中用于限制內(nèi)過電壓?！?-3避雷器（續(xù)）

三.氧化鋅避雷器結(jié)構(gòu)：省去串聯(lián)火花間隙，非線性電阻采用ZnO閥片（主要成分為ZnO，還摻入多種微量金屬化合物）。閥片的伏安特性可分為小電流區(qū)、非線性區(qū)和飽和區(qū)。低壓時(shí)電阻極大，電壓達(dá)到一定值時(shí)電阻迅速下降，非線性特性較SiC強(qiáng)烈。正常電壓下電流還小于SiC閥片的間隙?！?-3避雷器（續(xù)）

過電壓時(shí)，避雷器迅速導(dǎo)通，沖擊電流通過閥片流入大地。殘壓：理想避雷器：工作電壓時(shí)，為理想絕緣體，電流為零；過電壓超過某值時(shí)為理想導(dǎo)體。過電壓消失后，工作電壓下工頻續(xù)流被限制，迅速被切斷。非線性電阻：式中C為常數(shù)，取決于閥片的材料及尺寸；a非線性指數(shù)，小于1，SiC為0.2左右，ZnO為0.01-0.04在大電流區(qū)，線性電阻>SiC>ZnO，非線性電阻中，大的電流變化對(duì)應(yīng)相對(duì)小的電壓變化,即雷電流變化幅值很大時(shí)，殘壓基本不變。在小電流區(qū)，線性電阻<SiC<ZnO，非線性電阻中，小的電流變化對(duì)應(yīng)相對(duì)大的電壓變化，即電壓變化幅度較大情況下，非線性電阻中流過的電流都很小?！?-3避雷器（續(xù)）

原理：過電壓時(shí)，閥片電阻迅速下降，能量通過閥片入地，被保護(hù)設(shè)備承受的是殘壓。過電壓過去后，正常電壓時(shí):閥片電阻迅速上升，流過電流極子正常運(yùn)行。為了減少氧化鋅避雷器的老化，常采用并聯(lián)或串聯(lián)間隙的方法。（正常情況下承壓?。?/p>

特點(diǎn)：①可做成無間隙的。因此，無防污問題，氣壓的影響，陡坡響應(yīng)特性。

②無續(xù)流。正常工作下為絕緣體，電流小，在大電流長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)沖擊后特性穩(wěn)定。

③保護(hù)性能優(yōu)越。具有優(yōu)異的伏安特性，可降低殘壓。（大電流下電壓）

④通流容量大，適于限制操作過電壓和直接系統(tǒng)的過電壓?！?-3避雷器（續(xù)）

§8-4接地裝置一.接地和接地電阻的概念

接地：將地面上的金屬物體或電氣回路中的某一節(jié)點(diǎn)通過導(dǎo)體與大地相連，使該物體或節(jié)點(diǎn)與大地保持等電位。接地分為工作接地、保護(hù)接地、防雷接地三種。

接地電阻：接地點(diǎn)處的電位與接地電流的比值。接地電阻是表征接地裝置功能的一個(gè)重要的電氣參數(shù)。嚴(yán)格地說，接地電阻包括四個(gè)組成部分：接地引線電阻、接地體本身的電阻、接地體與土壤間的過渡電阻和大地的溢流電阻。

二.三種接地1、保護(hù)接地:為了人身安全，將電氣設(shè)備的金屬外殼接地。接觸電壓:人所立的地點(diǎn)與接地設(shè)備之間的電位差。(取人手摸設(shè)備的1.8m高處，人腳離設(shè)備的水平距離為0.8m)

跨步電壓:人的兩腳著地點(diǎn)之間的電位差.(取跨距為0.8m)

§8-4接地裝置(續(xù))2、工作接地

電力系統(tǒng)正常運(yùn)行需要的，如系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地。

3、防雷接地

針對(duì)防雷而設(shè)計(jì)的接地，目的是減少雷電流通過接地裝置時(shí)的地電位升高。

三.工程實(shí)用的接地裝置(了解)

工程實(shí)用的接地體主要由扁鋼、圓鋼、角鋼或鋼管組成，埋于地表面下0.5～1m處，水平接地體多用扁鋼，或者用直徑不小于6mm的圓鋼；垂直接地體一般用角鋼或鋼管。1、典型接地體的接地電阻2、輸電線路的防雷接地3、發(fā)電廠和變電所的防雷接地§8-4接地裝置(續(xù))P267：8－3第八章作業(yè)第九章輸電線路的防雷保護(hù)

輸電線路上出現(xiàn)的大氣過電壓有兩種：一種是雷直擊于線路引起的，稱為直擊雷過電壓；另一種是雷擊線路附近地面，由于電磁感應(yīng)引起的，稱為感應(yīng)雷過電壓。

耐雷水平：雷擊線路時(shí)絕緣不發(fā)生閃絡(luò)的最大雷電流的幅值，以kA為單位。

雷擊跳閘率：每100km線路每年由雷擊引起的跳閘次數(shù)稱為“雷擊跳閘率”，這是衡量線路防雷性能的綜合指標(biāo)?！?-1輸電線路上的感應(yīng)雷過電壓二.雷擊線路桿塔時(shí)導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過電壓

感應(yīng)過電壓一般不超過500kV，對(duì)35kV及以下水泥桿線路可能會(huì)引起閃絡(luò)，110kV及以上一般不會(huì)。

一.雷擊線路附近大地時(shí)的線路上的感應(yīng)雷過電壓考慮避雷線的屏蔽效應(yīng)時(shí)：有避雷線時(shí)，導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓§9-2輸電線路上的直擊雷過電壓和耐雷水平

雷直擊于有避雷線線路的情況可分為三種，即雷擊桿塔塔頂、雷擊避雷線檔距中間和雷繞過避雷線擊于導(dǎo)線——稱為“繞擊”。3種雷擊如圖所示：圖9-2-1有避雷線線路直擊雷的三種可能性1、塔頂電位考慮到雷擊點(diǎn)的阻抗較低故在計(jì)算時(shí)可略去雷電通道波阻的影響。由于避雷線的分流作用，流經(jīng)桿塔的電流將小于雷電流，即(9-2-1)式中：稱為分流系數(shù)，其值可由右圖的等值電路求出。（對(duì)于不同電壓等級(jí)一般長(zhǎng)度檔距的桿塔，值可由表9-2-3查得）§9-2輸電線路上的直擊雷過電壓和耐雷水平(續(xù))一.雷擊桿塔塔頂時(shí)的過電壓和耐雷水平塔頂電位可由下式計(jì)算

將代入，則塔頂電位的幅值為

（9-2-2）

式中：為雷電流幅值。§9-2輸電線路上的直擊雷過電壓和耐雷水平(續(xù))2、導(dǎo)線電位和線路絕緣上的電壓

由于避雷線與導(dǎo)線間的耦合作用，導(dǎo)線上將產(chǎn)生耦合電壓，此電壓與雷電流同極性。由于雷電通道電磁場(chǎng)的作用，在導(dǎo)線上尚有感應(yīng)過電壓，此電壓與雷電流異極性，故導(dǎo)線電位的幅值為

（9-2-3）

線路絕緣子串上兩端電壓為塔頂電位和導(dǎo)線電位之差，故線路絕緣上的電壓幅值為

以式（9-2-2）及代入，得

（9-2-4）§9-2輸電線路上的直擊雷過電壓和耐雷水平(續(xù))3、耐雷水平的計(jì)算

從式（9-2-4）可知，線路絕緣上電壓的幅值隨雷電流的增大而增大，當(dāng)大于絕緣子串沖擊閃絡(luò)電壓時(shí)，絕緣子串將發(fā)生閃絡(luò)，由于此時(shí)桿塔電位較導(dǎo)線電位為高，故此類閃絡(luò)稱為“反擊”。雷擊桿塔的耐雷水平可由等于線路絕緣子串的50%沖擊閃絡(luò)電壓時(shí)求得

（9-2-5）§9-2輸電線路上的直擊雷過電壓和耐雷水平(續(xù))二、雷擊避雷線檔距中央時(shí)的過電壓(了解)

三、繞擊時(shí)的過電壓和耐雷水平(了解)

§9-3

輸電線路的雷擊跳閘率(了解)一.架設(shè)避雷線

避雷線是超高壓輸電線路最基本的防雷措施，其主要目的是防止雷直擊導(dǎo)線。此外避雷線對(duì)雷電流還有分流作用，可以減少流入桿塔的雷電流，使塔頂電位下降；對(duì)導(dǎo)線有耦合作用，可以降低導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓。

§9-4輸電線路的防雷措施

我國(guó)規(guī)程規(guī)定，330kV及以上應(yīng)全線架設(shè)雙避雷線，220kV應(yīng)全線架設(shè)避雷線，110kV線路一般應(yīng)全線裝設(shè)避雷線,但在少雷區(qū)或運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明雷電活動(dòng)輕微的地區(qū)可不沿全線架設(shè)避雷線，保護(hù)角一般取20