ch2雷电及防雷装置

1、ch2雷电及防雷装置 -2- -3- 通常将雷电引起的电力系统过电压，称为大气过电压或者雷电过电压。 感应雷过电压 感应雷过电压是由于电磁场的剧烈变化，电磁耦合而产生的。 直击雷过电压 直击雷过电压则是由于流经被击物很大的雷电流所造成的。 大气 过电压 电力系统防雷的重点是直击雷防护 感应雷过电压一般不会超过 500kV，故对 35kV 及以下电压等级的绝缘是有 危险的，而对 110kV 以上的设备，绝缘最小冲击耐压水平通常已高于此值， 一般不会产生危害。 大气过电压对电力系统的危害： 在我国高压输电线路运行的总跳闸事故中，由雷击引起的跳 闸事故占4070。 发电厂和变电所 输电线路 直击雷或

2、侵入波可能造成发电厂或变电所内重要设备损坏 -4- 云的形成 平均电场强度：1.5kV/cm， 实测到在雷云雷击前的最大电场强度： 3.4kV/cm 稳定下雨时，大约只有 40V/cm。 水蒸汽水 太阳 水滴或冰晶 上升冷却 雷云带电 雷云带电的机制目前还不十分明确 强气流使云中水滴吹裂时，较大的水滴带正电，而较小的水滴带负电，小 水滴同时被气流携走，于是云的各个部分有不同的电荷。此外，水灾结冰 时，冰粒上会带正电，被风吹走的剩余的水将带负电。而且，带电过程也 可能和他们吸收离子、相互撞击或融合的过程有关。 雷云中的电荷分布往往并不均匀，形成若干个电荷密集中心，每个电荷中 心的电荷约为0.1-

3、10 C。 大气压下均匀空气间隙 的击穿场强： 30kV/cm -5- 大多数雷电是负极性的，当雷电发生时，通常自雷云向下(下行雷)开始发展 先导，先导接近地面形成末跃，最后形成主放电，最后是余辉放电阶段。 雷云放电 -6- 先导 当雷云中电场强度达到足以使空气绝缘破坏的强度时，空 气便开始电离，形成流注，流注的根部由于温度较高形成 热电离，这就是先导。该先导以逐级断续方式前进，即走 一段，停一会，再前进。每级长度约10-100m，平均50m。 停歇时间10-100s，平均50 s 。由于停歇，平均发展速度 只有(1-8)105m/s。 先导发展的模型 先导发展的照片 末跃 当先导发展到地面附

4、近，地面突起处可能 产生向上的迎面先导。先导头部与地面 （或迎面先导）之间的电场强度极高，间 隙迅速击穿，该过程称为末跃。 主放电 当迎面先导与下行先导相遇，发生强烈的中 和过程，出现极大的电流，称为主放电。 余辉放电阶段 主放电结束后，雷云中剩余的电荷继续沿主放电通道下移， 该过程放电电流较小，持续时间较长，称为余辉放电阶段。 -7- 雷电的能量和功率 雷电放电的瞬间功率极大，给人类造成了较大的损害，但能量却很小，无利 用价值。 以中等雷电为例，雷云电位为50MV计，电荷Q为8C，其能量为： 8 1 2 10 J=55kW h 2 WVQ 假定放电电流为50kA，弧道压降为6kV/m，雷云以

5、1000m高度计， 则主放电功率P可达： 50 6 1000300,000MWPUI -8- -9- 雷电活动强度-雷暴日及雷暴小时 赤道附近：100-150雷暴日 （海南岛以及雷州半岛） 长江流域与华北的某些地区：40雷暴日 西北地区：15雷暴日 雷暴日：是每年中有雷电的天数，在一天内只要听到雷声就算一个雷暴日。 雷暴小时是每年中有雷电的小时数，即在一个小时内只要听到雷声就算作一 个雷暴小时。 据统计，我国大部分地区一个雷暴日可折合为3个雷暴小时。 少雷区 15日40日90日多雷区雷电活动特殊强烈地区中雷区 -10- 全国53年（1954-2006）平均雷暴日数分布图 -11- 落雷密度 雷

6、暴日或雷暴小时仅表示某一地区雷电活动的强弱，它没有区分雷云之间放电 还是雷云与地面之间放电。实际上防雷需要知道有多少雷落到地面上，这就引 入了落雷密度，即每一个雷暴日、每平方公里对地面落雷次数 称为地面落雷 密度。我国有关规程建议取 = 0.015。但在土壤电阻率突变地带的低电阻率地 区，易形成雷云的向阳或迎风的山坡，雷云经常经过的峡谷，这些地区 值比 一般地区大得多，在选择发、变电站位置时应尽量避开这些地区。 雷电通道波阻抗（与雷电流大小有关） 主放电时，雷电通道如同一个导体，雷电流在导体中流动，因此，和普通导线 一样，对电流波呈现一定的阻抗，该阻抗叫做雷电通道波阻抗 Z0 。我国有关 规程

7、建议取 300 400。 雷电流的极性 负极性雷占绝大多数，约占 75 90 %。加之负极性的冲击过电压线路传播时 衰减小，对设备危害大，故防雷计算一般按负极性考虑。 负极性的冲击过电压线路传播时衰减小，原因何在？ -12- 雷电流幅值 雷击具有一定参数的物体（如后面将介绍的 避雷针、线路杆塔、地线或导线）时，流过 被击物的电流与被击物之波阻抗（Zj）有关， Zj 愈小，流过被击物电流愈大。 1 2f1f 12 2Z ii ZZ 电流波折射系数 当Zj 为零时，流经被击物的电流定义为“雷电流”。实 际上被击物阻抗不可能为零。规程规定，雷电流是指雷 击于Rj30的低接地电阻物体时，流过该物体的电

8、流。 lg 108 I p p雷电流超过I的概率 DL/T620-1997 交流电气装置的过电压保 护和绝缘配合 lg 88 I p 西北地区lg 44 I p -13- 雷电流的波头、陡度及波长 波头雷电冲击波的波头在 1 5 s 的范围内变化，多为 2.5 2.6 s 波长波长在 20 100 s 的范围内，多数为 50 s 左右 波头及波长的长度变化范围很大，工程上根据不 同情况的需要，规定出相应的波头与波长的时间 规程规定取雷电流波头时间为 2.6 s，波长对防雷计算结果几乎无影响， 为简化计算，一般可视波长为无限长。 线路防雷计算 冲击绝缘强度实验 1.2/50s 陡度= 幅值 波头

9、时间 雷电流的幅值与波头，决定了雷电流的上升陡度，也 就是雷电流随时间的变化率。可认为雷电流的陡度 与幅值 I 有线性的关系。一般认为陡度超过 50 kA/s 的雷电流出现的概率已经很小。 -14- 雷电流的波形 双指数冲击波 0( ) tt iI ee 双指数波形也用作冲击绝缘强度试验的标准电压波形。我国采用IEC标准： 波头 f = 1.2 s，波长 t = 50 s，记为 1.2/50 s。 斜角平顶波 用于防雷保护计算，雷电流波头 f 采用 2.6 s 等效余弦波 这种等值波形多用于分析雷电流波头的作用，因为用余弦函数波头计算雷 电流通过电感支路时所引起的压降比较方便。 (1 cos)

10、 2 I it -15- -16- 避雷针(线)的原理 当雷云的先导向下发展到离地 面一定高度H(定向高度)时，高出地面的避雷 针(线)顶端形成局部电场强度集中的空间，以至有可能产生局部游离而形成 向上的迎面先导，这就影响了下行先导的发展方向，使其仅对避雷针(线)放 电，从而使得避雷针(线)附近的物体受到保护，免遭雷击。 引雷：定向作用 泄放：使雷电流安全导入大地 为了使雷电流顺利地泄入大地，故要求避雷针(线)应有良好的接地装置。另 外，当强大的雷电流通过避雷针(线)流入大地时，必然在避雷针(线)上或接 地装置上产生幅值很高的过电压。为了防止避雷针(线)与被保护物之间的间 隙击穿（也称为反击）

11、，它们之间应保持一定的距离。 避雷针的结构： 接闪器 （直径10-12 mm圆钢） 引下线 （直径6 mm圆钢） 接地器 （多跟角钢打入地下并联后与 引下线相连) -17- 避雷针(线)的保护范围 在保护范围内被保护物不致遭受雷击。由于放电的路径受很多偶然因素影响， 因此要保证被保护物绝对不受雷击是非常困难的，一般采用 0.1% 的雷击概 率即可。 保护范围的确定： 避雷针(线)的保护范围是用模拟试验及运行经验确定的。模拟试验时，对避 雷针取定向高度H = 20h，对避雷线取H = 10h，h 为避雷针（线）模型的高 度。 单根避雷针的保护范围单根避雷针的保护范围： xxh ()rhhp xx

12、h (1.52)rhhp x /2hh x /2hh 30hm 30120mhm h 5.5/ph ph：高度 修正系数 h 1p -18- 两根等高避雷针的保护范围两根等高避雷针的保护范围 等高双避雷针联合保护的范围要比两针各自保护范围的和要大。避雷针的外侧 保护范围同单根避雷针一样；因为击于两针之间单针保护范围边缘外侧的雷， 可能被相邻避雷针吸引而击于其上，从而使两针间保护范围加大。 0h x0 x /7 1.5() hhDp bhh 两针间距离与针高之比 D / h 不宜大于5 多根等高避雷针的保护范围多根等高避雷针的保护范围 等高三针联合保护范围可以两针、两针地分别计算其联合保护范围。

13、 -19- 两根不等高避雷针的保护范围两根不等高避雷针的保护范围 首先按单个避雷针分别作出其保护范围，然后由低针 2 的顶点作水平线，与高 针 1 的保护范围边界交于点 3，点 3 即为一假想等高针的顶点，再求出等高避 雷针 2 和 3 的保护范围。 -20- 单根避雷线的保护范围单根避雷线的保护范围 避雷线比同高的避雷针引雷空间要小，又考虑到避雷线受风吹而摆动，因此 保护宽度也要取得小些，但其保护范围的长度与线路等长，两端还有其保护 的半个圆锥体空间。 xxh 0.47()rhhp xxh (1.53)rhhp x /2hh x /2hh -21- 两条等高避雷线的保护范围两条等高避雷线的保

14、护范围 0h /4hhDp 两线外侧的保护范围与单线时相同； 两线内侧的保护范围的横截面，由通过 两线及保护范围上部边缘最低点 0 的圆 弧确定。 0 点的高度 h0： 0 点高度； h： 避雷线的高度； D： 两根避雷线间的水平距离； Ph：高度修正系数，含义同前。 保护角保护角 用避雷线保护输电线路时，其保护范围用保护角 表示更为实用。所谓保护角是指避雷线的铅锤线 和避雷线与边导线连线之夹角。保护角越小，对 导线直击雷保护越可靠，即雷击导线的概率越小。 保护角 -22- -23- 避雷器是防止(雷电和操作)过电压损坏电力设备的保护装置。其实质是一个放电 器，当雷电入侵波或操作波超过某一电压

15、值后，避雷器将优先于与其并联的被 保护电力设备放电，从而限制了过电压，使与其并联的电力设备得到保护。避 雷器放电后，工频电流将沿原冲击电流的通道继续流过，此电流称为工频续流。 避雷器应能迅速切断续流，才能保证电力系统的安全运行。 对避雷器的基本要求： (1)过电压作用时，能先于被保护电力设备放电，限制过电压的幅值； (2)当雷电波或操作波过后，能迅速、可靠地切断工频续流。 目前使用的避雷器的类型： 保护间隙； 管式避雷器； 阀式避雷器 -24- 保护间隙保护间隙 保护间隙的伏秒特性的上包线(100%放电电压曲线)要低 于被保护设备的伏秒特性的下包线(0%放电电压曲线)。 1主间隙； 2辅助间隙

16、 优点： 结构简单、廉价 缺点： 保护效果差，伏秒特性与被保护设备很难配合；动作后产生的截波对变压器 的匝间绝缘有很大的威胁；熄弧效果差，需配以自动重合闸装置才能保证安 全供电。 -25- 管式避雷器管式避雷器 管式避雷器实质是一个熄弧能力较高的保护间隙。 s1主间隙；s2辅助间隙 优点： 比保护间隙灭弧能力强。 缺点： 伏秒特性太陡；放电分散性大且间隙 动作受大气条件的影响。 当雷电波使其内外间隙击穿后，冲击电流即被导入大地。 然后，在系统工频电压作用下，流过短路电流。此时，在电弧的高温作 用下，产气材料产生大量气体，压弧腔内压力急速升高，高压气体从喷口 猛烈喷出，使电弧在经过 1 3 个周

17、波后，工频电流过零时灭弧，从而解决 了保护间隙不能可靠地自动熄弧、使供电中断的缺点。 切断电流存在上下值： 电流太小则产气不足，电流太大则气压太高，产气管机械强度不够而发生 爆炸。 -26- 阀式避雷器阀式避雷器 针对管式避雷器的弱点，在放电间隙上串联(非线性)电阻得到阀式避雷 器，从而避免截波的产生；限制工频续流的值 阀式避雷器 普通阀式避雷器 磁吹阀式避雷器 金属氧化锌避雷器（无间隙） -27- 普通阀式避雷器 火 花 间 隙 单个火花间隙为均匀电场，其伏秒特性平 坦(冲击系数约等于1.1)，保护性能好。 阀式避雷器的火花间隙由多个短间隙构成，由于工频电弧被分成很多短 弧，易于熄灭(80

18、A)。通常单个间隙的工频放电电压有效值为 2.7 3.0kV。 在过电压作用时，云母垫圈与电极间的空气隙中发生电晕，如同对间隙 照射，缩短了间隙的放电时间。 切断比= 灭弧电压 间隙的工频耐压 在续流第一次经过零值保证不再重燃的条件下，允许作用在避雷器上的最 高工频电压称为灭弧电压。 避雷器的灭弧电压是由安装点可能出现的工频电压升高值决定的，它必须 大于这个升高值。而工频电压升高的幅值与系统中性点的接地情况、系统 的接线、系统的运行方式等因素有关。 我国有关规程规定，阀式避雷器的灭弧电压，在中性点直接接地的系统中， 应取设备最高运行线电压的 80%，而在中性点非直接接地系统中，取值不 应低于设

19、备最高运行线电压的 100%。 -28- 采用多个火花间隙串联时出现的特殊问题： 电压分布均匀性的问题 电压分布不均匀 原因 杂散电容 影响： 降低了冲击放电电压(有利) 使得避雷器灭弧能力降低，工频放电电压下降且不稳定 (不利因素) 解决措施： 并联电阻以提高间隙在工频电压下电压分布的均匀性，在冲击电压作用下， 串联间隙的电压分布主要决定于间隙的电容和各个间隙电极对地的杂散电容， 因此电压分布仍然是不均匀的。 冲击系数= 长时间耐压 50%冲击击穿电压 对多个间隙的高压避雷器，其冲击系 数kch 常小于1。(注意适用范围) -29- 非线性电阻 材料：电阻片是由金刚砂（SiC）粉末与 粘合剂

20、（如水玻璃等）模压成圆饼，在 320 温度下焙烧而成。 伏安特性：强非线性伏安特性 SiC颗粒电阻率很小，而氧化层电阻率随 外加电场强度改变，低场强时非常大而 高场时非常小； 颗粒间的气隙在高场强下放电 阀片的伏安特性 伏安特性可表示为： k uC i Ck：常数； ：非线性系数，0 1，其值愈小愈好，一般取 0.2 。 优点： 减小了截断波幅值； 限制了避雷器在流过大电流时的电压值 抑制了续流 -30- 残压：避雷器流过一定幅值(普通阀式避雷器为 5 kA)、一定波形(8/20 s)的冲 击电流时，在阀片电阻上产生的最大压降，称为残压 ur 。残压与灭弧电压之 比叫做保护比，当然保护比的值越

21、小越好。 磁吹阀式避雷器 提高避雷器切断工频续流值的方法之一是“磁 吹”，即利用磁场电弧的电动力作用，使电弧 拉长或旋转，以提高间隙灭弧能力。 降低设备的 绝缘水平 减小 避雷器残压 减少 阀片数 灭弧能力 下降 采取措施 提高灭弧能力 限流型间隙 续流电弧在在磁场的作用下被拉长吹入灭弧栅， 电弧通道中的导电粒子在腔体表面消失，电弧容 易熄灭。该间隙可切断约450 A左右的续流。 -31- 磁吹线圈并联小间隙 磁吹线圈有一定的电感，如果雷电流流过磁吹线圈，将产生很大的压降，致使 避雷器的残压升高。为限制避雷器的残压，磁吹线圈并联有一个小的辅助间隙， 在冲击电压作用下，间隙击穿，磁吹线圈上不存在

22、很大的电压降；在工频续流 期间，电流变小，间隙熄弧，工频续流流过磁吹线圈从而产生吹弧用的磁场。 金属氧化物避雷器（MOA） 材料：主要成分为氧化锌(ZnO)，另外还有氧化铋(Bi2O3)以及一些其他的金 属氧化物，经过煅烧、混料、造粒、成型、表面处理等工艺过程而制成。 微观结构：1为ZnO晶粒，其平均直径约为10 m， 电阻率约为1-10 cm。 2为主要由氧化铋构成的 粒界层(晶间层)，厚皮约为0.1 m 。3是杂散地分 布在粒界层内的尖晶石(Zn7Sb2O11)，其直径约为3 m。一般认为晶粒与粒界层之间存在势垒，造成 了ZnO阀片非常好的非线性。 主要特点：使用伏安特性的非线性非常好的Z

23、nO阀片，无气体间隙 。 -32- 金属氧化物避雷器的静态全伏 安特性曲线 不同的电流区段所用的试验电流 波形是不同的，以期能得到更接 近实际的、在不同类型的电压和 过电压下的压降与电流的关系。 金属氧化物阀片在正常工作电压下，通过的阻性电流很小，一般约为 10-15 A，接近绝缘状态。 作用于阀片上的电压升高时，电流加大。把通过阀片的阻性电流为1mA 时， 作用于避雷器上的电压 U1mA 为起始动作电压。 由于氧化锌阀片有良好的非线性特性，在通过 10 kA 冲击电流时残压与 U1mA 的比值一般不大于1.9，残压比(简称压比)越小，其保护性能越好。 -33- -34- -35- -36-

24、-37- 参考电流及参考电压 参考电流是用来决定交流参考电压及流过阀片的阻性电流的，其值应足够大， 以使测量结果几乎可不受寄生电容的影响；但其值又不能过大，以避免发热。 操作冲击电流与残压 操作冲击电流的波形我国取为30/80 s，一般为100-2000 A。此时的压降为操 作冲击残压。 雷电冲击电流与残压 雷电冲击电流的波形，我国取为8/20 s(标准)及1/5 s(陡波)。前者还用来区 分MOA的等级，故又称之为标称放电电流，为1-20 kA。 额定电压 避雷器两端之间允许施加的最大工频电压的有效值。它表征了避雷器对工频 过电压的耐受能力，其值应大于或等于避雷器安装处可能出现的最大工频过

25、电压。 持续运行电压 允许持久地施加于避雷器两端之间工频电压的有效值。它表征了避雷器对长 期工作电压的耐受能力，其值低于额定电压。 -38- 残压比 雷电冲击电流(8/20s)下的残压与参考电压的比。 残压比越小，保护性能越好，目前的产品水平，残压比在1.6-2.0之间。 荷电率 持续运行电压的峰值与参考电压的比。 荷电率一般为45%-75%。 荷电率越大，一定持续运行电压下的参考电压越低，过电压作用时越易动作， 保护性能越好，但在正常电压作用下，电压负荷高，易老化，运行寿命缩短。 反之，荷电率越小，保护性能变差，寿命延长。 保护比 雷电冲击电流下的残压与持续运行电压峰值之比。 保护比等于残压

26、比与荷电率的比值。保护比越小，保护性能越好。 -39- 金属氧化物避雷器的优点： 非线性系数值很小。在金属氧化物阀片中通过1mA 10kA这个范围内电流 时，值一般在 0.02 0.06 之间。在额定电压作用下，通过的电流极小，因此 可以做成无间隙避雷器。 保护性能好。它不需间隙动作，电压一旦升高，即可迅速吸收过电压能量， 抑制过电压的发展；有良好的陡度响应特性；无间隙的氧化物避雷器的性能几 乎不受温度、湿度、气压、污秽等环境条件的影响，因而性能稳定。 金属氧化物避雷器基本无续流，动作负载轻，耐重复动作能力强。伏安特性 是对称的，没有极性问题，可制成直流避雷器。 通流容量大。避雷器容易吸收能量

27、，没有串联间隙的制约，仅与阀片本身的 强度有关。同碳化硅（SiC）阀片比较，氧化物阀片单位面积的通流能力大 4 4.5 倍。因此用这样的阀片制成避雷器，不但可以限制大气过电压，完全可以 用来限制操作过电压，甚至可以耐受一定持续时间的短时（工频）过电压。 结构简单，尺寸小，易于大批量生产，造价低。 适用于多种特殊需要。金属氧化物避雷器耐污性能好，不会由于污秽或带电 清洗时改变外套表面电位分布而影响避雷器的性能。同时，由于阀片不受大气 环境影响，能适应于各种绝缘介质，所以也适用于高海拔地区和 SF6 全封闭组 合电器等多种特殊需要。 -40- -41- -42- 接地接地，就是把设备与电位参照点(

28、地球)作电气上的连接，使其对地保持一个低的 电位差。其办法是在大地表面土层中埋设金属电极，这种埋入地中并直接与大 地接触的金属导体，叫做接地体。连接接地体和设备、设施的接地端子的连线 称为接地线。接地体和接地线总称为接地装置。 接地按其目的可分四种： 工作接地工作接地：电力系统为了运行的需要，将电网某一点接地，其目的是为 了稳定对地电位与继电保护上的需要。 保护接地保护接地：为了保护人身安全，防止因电气设备绝缘劣化，外壳可能带 电而危及工作人员安全。 防雷接地防雷接地：导泄雷电流，以消除过电压对设备的危害。 静电接地静电接地：在可燃物场所的金属物体，蓄有静电后，往往爆发火花，以 致造成火灾。因

29、此要对这些金属物体（如贮油罐等）接地。 接地装置 接地体 接地线 -43- 接地电阻 大地不是理想导体，当接地电流流进大地时， 将在土层中产生压降，故接地体电位和无穷远 处的参考点电位并不相等。 E 0 0 ( ) ( ) x r x r Uxx dx 接地电阻/RU I 接地电阻过大的危害： 跨步电压 人在地面上行走时，两腿之间的电压过高，造成人身伤害 接触电压 当人触及电位升高的设备时，造成人身伤害 绝缘破坏 接地点电位升高可能造成接地点和其它部分之间放电 设备接地之后，电位并不就变为地电位，因为接地装置存在接地电阻 -44- 影响接地电阻的因素： 接地体的几何尺寸 土壤电阻率 半球形接地

30、体的接地电阻半球形接地体的接地电阻 设金属半球的半径为r0 ，经它注入大地的电流为I， 假定大地是电阻率（m）的均匀无限大半球体。 距球心r处，厚度为dr的半球层的电阻dR应为： 2 d d 2 r R r 00 2 0 d d 22 rr r RR rr 土壤总电阻 接地金属半球的电阻约等于0，接地电阻近似等于土壤电阻。显然，接地电 阻随土壤电阻率增大而增大，随着接地体尺寸的增大而减小。 半球形的接地体很不经济，一般电力系统的接地使用的是垂直接地体、水平 接地体以及它们的组合。 -45- 4 ln 2 l R ld (1)垂直接地体垂直接地体 式中:土壤电阻率，m； l: 接地体长度，m； d: 接地体直径，m。 (a) 单根； (b) 三根 对扁钢d = b/2 ，b是扁钢宽度；对角钢d = 0.84b，b是角钢每边宽度。 单根 接