8 雷電及防雷保護裝置課件

高電壓技術(shù)高電壓工程系林福昌，李化8雷電及防雷保護裝置第8章雷電及防雷保護裝置是造成電力系統(tǒng)故障的主要原因之一。8.1

雷云放電及雷電過電壓成因：摩擦起電。整塊雷云可以有若干個電荷中心，負(fù)電荷位于雷云下部，離地大約1-5km。第一次放電結(jié)束后，多半還會有重復(fù)雷擊。28雷電及防雷保護裝置雷電圖景－云閃放電路徑在云內(nèi)、云－云之間、云－空之間，閃電大部分為云閃38雷電及防雷保護裝置雷電圖景－地閃放電路徑在云－大地之間，危害最為直接、嚴(yán)重本課程中主要討論地閃48雷電及防雷保護裝置雷電放電發(fā)展過程58雷電及防雷保護裝置1.雷云下行先導(dǎo)、地面上行先導(dǎo)下行先導(dǎo)大地表面感應(yīng)出正電荷臨近下行先導(dǎo)的地面感應(yīng)電荷密度劇增，在場強集中處發(fā)出上行先導(dǎo)上行先導(dǎo)，亦稱迎面先導(dǎo)云內(nèi)放電，為下行先導(dǎo)輸送電荷上、下行先導(dǎo)相遇產(chǎn)生強烈放電，形成主放電通道68雷電及防雷保護裝置2.主放電－回?fù)糁鞣烹娡ǖ老蚶自品较虬l(fā)展，稱作回?fù)糁鞣烹娡ǖ镭炌ɡ自婆c大地，正負(fù)電荷中和，第一次放電完畢第一次放電完畢后殘留的等離子通道，為下一次放電提供了條件78雷電及防雷保護裝置3.后續(xù)放電殘留等離子通道下行先導(dǎo)迎面先導(dǎo)主放電主放電通道貫通云地88雷電及防雷保護裝置

98雷電及防雷保護裝置1.高、尖物體更易受雷擊正電荷向最接近下行先導(dǎo)的塔頂流動受塔頂正電荷的吸引，下行先導(dǎo)改變路徑向塔頂發(fā)展物體越高，受下行先導(dǎo)吸引越強烈，聚集的正電荷密度越大尖端越尖，越容易發(fā)生尖端放電從而發(fā)出迎面先導(dǎo)塔頂發(fā)出迎面先導(dǎo)108雷電及防雷保護裝置2.導(dǎo)體比絕緣體容易受到雷擊正電荷流向?qū)w頂端而不流向絕緣物下行先導(dǎo)向?qū)w頂端發(fā)展118雷電及防雷保護裝置2011年7月31日18:57:23128雷電及防雷保護裝置8.1.2雷擊時的等值電路主放電瞬間，可用開關(guān)S的閉合來模擬Z是被擊物的阻抗。由于電荷運動形成電流，因此雷擊點電位發(fā)生突然變化u＝iZ雷電具有電流源的性質(zhì)。當(dāng)Z＝0時，i=2*i0;一般，Z0＝300-400

，Z<<Z0，因此，也可認(rèn)為i=2*i0i稱為雷電流138雷電及防雷保護裝置8.2雷電參數(shù)及雷電活動規(guī)律在雷電設(shè)計中，最關(guān)心的是雷電流波形、幅值分布及落雷密度等8.2.1雷電流幅值和波形對于雷暴日數(shù)≥20的地區(qū)，我國現(xiàn)行推薦雷電流幅值概率為：對于雷暴日數(shù)<20的地區(qū)(除陜南以外的西邊地區(qū)、內(nèi)蒙古部分地區(qū)），我國現(xiàn)行推薦雷電流幅值概率為：148雷電及防雷保護裝置波形和極性我國防雷規(guī)程建議值為：2.6/50

s，平均陡度為

在保護計算中，可取雙指數(shù)波，為簡化計算，一般可取斜角平頂波。但在特高塔的設(shè)計中，可取半余弦波頭，表達式為：I為雷電流幅值；ω為角頻率，ω=π/τf=1.2

106s-1，τf

--為波頭時間（2.6s）。

極性：75%-90%的雷為負(fù)極性雷，因此一般按照負(fù)極性雷進行研究。158雷電及防雷保護裝置8.2.2雷暴日和雷暴小時年平均雷暴日和年平均雷暴小時是表征雷電活動頻繁程度的指標(biāo)。雷暴日：一年中有雷電的天數(shù)。在一天之內(nèi)，只要聽到雷聲就算一個雷暴日。雷暴小時：一年中有雷電的小時數(shù)。在一小時之內(nèi)，只要聽到雷聲就算一個雷暴小時。我國大部分地區(qū)的雷暴小時與雷暴日之比為3。我國規(guī)程建議采用雷暴日作為計算單位。168雷電及防雷保護裝置178雷電及防雷保護裝置8.2.3地面落雷密度和輸電線路落雷次數(shù)地面落雷密度反映了云－地之間的放電。

地面落雷密度：每平方公里每雷暴日的對地落雷次數(shù)，用

表示。

e.g.我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：對雷暴日T＝40的地區(qū)，

=0.07次/km2·雷暴日

輸電線路的存在，改變了雷云－地之間的電場分布，根據(jù)模擬試驗和運行經(jīng)驗，輸電線路每側(cè)的引雷寬度為2he.g.對每100km的輸電線路，每年遭雷擊的次數(shù)為：188雷電及防雷保護裝置

2004年湖南省每平方公里落雷數(shù)分布情況198雷電及防雷保護裝置雷電定位系統(tǒng)探測每平方公里分區(qū)的平均雷電密度圖208雷電及防雷保護裝置8.3避雷針和避雷線保護原理：在避雷針（線）的頂端形成局部場強集中的空間，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，避免被保護物體遭受雷擊。避雷針（線）必須高于被保護物，避雷針的頂部為尖狀。避雷針（線）與被保護設(shè)備電氣上是絕緣的避雷針的保護范圍：雷電繞擊率低于0.1%的范圍。繞擊：雷電繞開避雷裝置而擊中被保護物體。保護范圍具有相對意義，統(tǒng)計意義。不能保證保護范圍內(nèi)物體完全不受雷擊，保護范圍外物體也受保護。218雷電及防雷保護裝置8.3.1避雷針的保護范圍-折線法被保護物高度低時，保護半徑擴大；避雷針高度增加時，保護范圍擴大有限；工程上多采用兩支或多只避雷針以擴大保護范圍。當(dāng)h≤30m時，p=1；30m＜h≤120m時，；當(dāng)h＞120m時，按h=120m計算

228雷電及防雷保護裝置238雷電及防雷保護裝置電廠和變電站的面積較大，實際上都采用多支避雷針保護的方法。248雷電及防雷保護裝置擊距：30m、45m和60m，對應(yīng)的雷電流大小分別為5.4kA、10.1kA和15.8kA。擊距越小，雷電流越小，對應(yīng)的保護要求越高。8.3.1避雷針的保護范圍-滾球法（m）描述物體的引雷能力258雷電及防雷保護裝置268雷電及防雷保護裝置滾球法278雷電及防雷保護裝置288雷電及防雷保護裝置避雷線的保護長度與線等長，因此適用與架空線路與大型建筑群。單根避雷線的保護范圍兩根避雷線的保護范圍保護角是指避雷線與所保護的外側(cè)導(dǎo)線之間的連線與經(jīng)過避雷線的鉛垂線之間的夾角。保護角越小，避雷線對導(dǎo)線的屏蔽保護作用就越好。有些國家還采用負(fù)保護角。避雷線適用于輸電線路防雷（分布保護場合），在變電所里有時也在電氣主回路上空布置多條避雷線進行雷電防護。298雷電及防雷保護裝置8.4避雷器當(dāng)發(fā)生繞擊或者感應(yīng)時，過電壓波將沿線路傳播入侵發(fā)電廠、變電站等。避雷器的要求：良好的伏秒特性：沖擊系數(shù)：沖擊放電電壓與工頻放電電壓之比。沖擊系數(shù)越小，伏秒特性越平緩，保護性能越好。具有良好的非線性電阻特性按發(fā)展歷程看：保護間隙、管型避雷器、普通閥式避雷器、磁吹避雷器、金屬氧化物避雷器等。308雷電及防雷保護裝置保護間隙與排氣式避雷器保護間隙的滅弧能力很差（適用于短路電流?。?；間隙間的電場為極不均勻電場，又裸露在大氣環(huán)境中，受氣象條件的影響很大，因此伏秒特性很陡且分散性很大，將直接影響到它的保護效果；保護間隙擊穿后是直接接地，將會有截波產(chǎn)生，不能用來保護有繞組的設(shè)備

318雷電及防雷保護裝置排氣式避雷器滅弧能力與工頻續(xù)流的大小有關(guān)，續(xù)流太大產(chǎn)氣過多，管內(nèi)氣壓太高將使管子炸裂；續(xù)流太小產(chǎn)氣過少，管內(nèi)氣壓太小不足以滅弧;熄滅續(xù)流存在上下限

伏秒特性難以配合、動作后出現(xiàn)大幅值截波328雷電及防雷保護裝置閥型避雷器變電所防雷保護的重點對象是變壓器閥片的作用：通過電阻限制工頻續(xù)流，使之能在第一次過零時就熄弧理想的電阻：應(yīng)在大電流（沖擊電流）時呈現(xiàn)為小電阻以保證其上的壓降（殘壓）足夠低；而在沖擊電流過去之后，當(dāng)加在閥片上的電壓是電網(wǎng)的工頻電壓時，閥片應(yīng)呈現(xiàn)為大電阻以限制工頻續(xù)流，易于滅弧。閥片最好具有不隨沖擊電流變化的殘壓和大的通過電流的能力。閥片：碳化硅，u=Ciα

閥片的作用是：當(dāng)雷電流通過時，閥片呈低阻抗，在閥片上出現(xiàn)的電壓（稱為殘壓）受到限制。當(dāng)工頻續(xù)流通過時，由于電壓相對較低，閥片呈高阻值，因而限制了工頻續(xù)流，有利于滅弧。

越小，說明避雷器的非線性程度越高，殘壓越低，保護性能越好。磁吹閥型避雷器338雷電及防雷保護裝置為了使正常運行時的碳化硅電阻閥片沒有工頻電流，以避免閥片溫度過高，保證正常使用，閥片需要與火花間隙串聯(lián)使用火花間隙1－黃銅電極 2－云母墊圈3－間隙放電區(qū)圖8－14閥式避雷器單個火花間隙35kV~220kV絕緣水平也以避雷器5kA的殘壓作為絕緣配合的依據(jù)；330kV及更高電壓等級的電網(wǎng)，規(guī)定取10kA作為計算標(biāo)準(zhǔn)。348雷電及防雷保護裝置閥式避雷器類型（一）普通閥式避雷器沒有專門的滅弧裝置，滅弧能力和通流容量有限，不容許它們在延續(xù)時間較長的內(nèi)部過電壓作用下動作。（二）磁吹閥式避雷器采用滅弧能力較強的磁吹火花間隙和通流能力較大的高溫閥片利用磁場對電弧的電動力，迫使間隙中的電弧加快運動、旋轉(zhuǎn)或拉長，使弧柱中去電離作用增強，從而大大提高其滅弧能力358雷電及防雷保護裝置（1）額定電壓指正常工作時加在避雷器上的工頻工作電壓，它應(yīng)與避雷器安裝地點的電力系統(tǒng)的額定電壓等級相同。（2）滅弧電壓指保證避雷器能在工頻續(xù)流第一次過零時就熄滅電弧的條件下，允許加在避雷器兩端的最高工頻電壓。滅弧電壓應(yīng)大于避雷器工作母線上可能出現(xiàn)的最高工頻電壓，否則避雷器就可能因不能熄滅續(xù)流電弧而損壞。（3）沖擊放電電壓指在沖擊電壓作用下，避雷器放電的電壓值（幅值）。由于其伏秒特性應(yīng)低于被保護設(shè)備絕緣的沖擊擊穿電壓的伏秒特性，因此，通常給出的是上限值。（4）工頻放電電壓指工頻電壓作用下，避雷器將發(fā)生放電的電壓值。一般希望避雷器沖擊放電電壓與工頻放電電壓幅值之比（沖擊系數(shù)）接近于1，這樣避雷器的伏秒特性就比較平坦，有利于絕緣配合（5）殘壓指沖擊電流通過避雷器時，在閥片電阻上產(chǎn)生的電壓的峰值。我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分別為5kA（220kV及以下的避雷器）和10kA（330kV及以上的避雷器），電流波形則統(tǒng)一取為8/20μs。368雷電及防雷保護裝置（1）切斷比。

指避雷器工頻放電電壓的下限與滅弧電壓之比。因為間隙絕緣強度的恢復(fù)需要一個去游離過程，因此滅弧電壓總是低于工頻放電電壓。切斷比越接近于1，說明該火花間隙的絕緣強度恢復(fù)速度越快，滅弧能力越強。普通閥式避雷器的切斷比為1.8左右，磁吹避雷器約為1.4。（2）保護比。

指避雷器的殘壓與滅弧電壓之比。保護比越小，表明殘壓越低或滅弧電壓越高，意味著絕緣上受到的過電壓較小，而工頻續(xù)流又能很快被切斷，因而該避雷器的保護性能越好。普通閥式避雷器的保護比一般為2.4左右，磁吹避雷器一般不大于1.8。378雷電及防雷保護裝置氧化鋅（ZnO）避雷器ZnO避雷器又叫金屬氧化物避雷器（MOA）。ZnO避雷器由ZnO電阻片組成，具有優(yōu)異的非線性伏安特性，因此可以取消火花間隙，實現(xiàn)無間隙無續(xù)流，且造價低廉。（1）ZnO晶粒，粒徑為10μm左右，電阻率為1~10Ω·cm；（2）包圍著ZnO晶粒的Bi2O3晶界層，厚度為0.1μm左右，電阻率大于1010Ω·cm；（3）零散分布于晶界層中的尖晶石

Zn7Sb2O12。ZnO電阻片的非線性特性主要取決于晶界層，在低電場下其電阻率很高；當(dāng)層間電位梯度達到104~105V/cm時，其電阻率急劇下降到低阻狀態(tài)388雷電及防雷保護裝置硅橡膠復(fù)合外套避雷器398雷電及防雷保護裝置ZnO的伏安特性曲線區(qū)域Ⅰ為低電場區(qū)，電流密度與電場強度的開方成正比，非線性系數(shù)

約為0.1~0.2；區(qū)域Ⅱ為中電場區(qū)，晶界層電阻Rv減小，非線性系數(shù)α大為下降，約為0.01~0.04；－近似為直線區(qū)域Ⅲ為高場強區(qū)，ZnO本體電阻R起主要作用，電流與電壓成正比，伏安特性曲線向上翹。408雷電及防雷保護裝置ZnO避雷器的主要優(yōu)點：無間隙結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、無電壓分布不均、放電電壓不穩(wěn)定等，保護可靠性高無續(xù)流不需吸收續(xù)流能量，動作負(fù)載輕；可承受多次重復(fù)雷擊或者重復(fù)操作過電壓電氣設(shè)備所受過電壓可減低在整個過電壓階段都有電流流過，因此降低了過電壓幅值通流容量大

不受串聯(lián)間隙被灼傷的制約，閥片的通流能力僅與本身通流能力有關(guān)?？刹⒙?lián)進一步提高通流能力。易于制成直流避雷器418雷電及防雷保護裝置ZnO避雷器的參數(shù)額定電壓能短期耐受的最大工頻電壓有效值最大持續(xù)運行電壓

能長期持續(xù)運行的最大工頻電壓有效值起始動作電壓（參考電壓、轉(zhuǎn)折電壓）

開始進入動作狀態(tài)的電壓，通常為U1mA壓比在8/20us的沖擊電流規(guī)定值下，殘壓與起始動作電壓之比。越小，非線性越好。荷電率

持續(xù)運行電壓與起始動作電壓之比，老化工頻耐受電壓特性

對工頻過電壓的耐受能力（1.21000s；1.3100s；1.41s）保護比額定殘壓與最大長期工作電壓峰值之比。越小，保護性能越好428雷電及防雷保護裝置額定電壓和容許最大持續(xù)運行電壓為有效值，1mA參考電壓常在直流下測得ZnO避雷器的參數(shù)438雷電及防雷保護裝置ZnO避雷器的參數(shù)壓比：荷電率：壓比反映了避雷器伏安特性的非線性程度，壓比越小非線性程度越大、保護性能越好。荷電率反映了長期工作條件下避雷器承擔(dān)電壓負(fù)荷的輕重，荷電率較高時避雷器老化速度加快。448雷電及防雷保護裝置ZnO避雷器的優(yōu)劣評判 顯然避雷器A的非線性程度好于避雷器B，其保護性能也優(yōu)于避雷器B458雷電及防雷保護裝置468雷電及防雷保護裝置478雷電及防雷保護裝置8.5接地技術(shù)與接地裝置

接地：把地面上的電氣設(shè)備的一部分經(jīng)埋入地中（包含水泥和水）的接地體（如金屬棒、管、帶、網(wǎng)等）與大地作電氣連接，從而使接地點對地保持盡可能低的電位。8.5.1接地和接地電阻的概念電工中“地”的定義是地中不受入地電流的影響而保持著零電位的土地。將地面上的金屬物體或電氣回路的某一節(jié)點通過導(dǎo)體與大地相連，使該物體或節(jié)點與大地保持等電位，稱為接地。

接地電阻并不是金屬接地體自身的電阻，而是電流通過接地體流入大地土壤過程中土壤呈現(xiàn)的電阻。488雷電及防雷保護裝置接地裝置原理圖由于大地電阻率的存在，當(dāng)有電流流過時，出現(xiàn)電場分布，相對與無窮遠(yuǎn)處的零電位點，接地體處有電位升高。需要降低接地電阻值。接地體有人工和天然的兩類：人工是指專門為接地而設(shè)置的；自然的是指用于別的目的，也可兼做接地。接觸電位差跨步電位差498雷電及防雷保護裝置8.5.2接地的分類1）工作接地工作接地電阻一般為0.5

～10

2）保護接地

為保障人身安全而將設(shè)備外殼接地。通常保護電阻約為1~10

3）防雷接地目的是減小雷電流通過接地裝置時的地電位升高。

火花效應(yīng)：如果雷電流較大，則土壤中電流密度較大，造成土壤空隙承受壓降較大，如果土壤空隙中發(fā)生電火花擊穿，等價于在空隙上并聯(lián)了一個導(dǎo)體，宏觀上接地電阻降低。

電感影響：如果接地體比較長，在雷電流波頭部分其電抗較大，阻止了雷電流向接地體遠(yuǎn)端流