高电压技术第7章_雷电放电(最终)

1、第七章 雷电放电及防雷保护装置 7.1 雷电放电和雷电过电压 雷电科学发展历史雷电科学发展历史 4雷电科学的建立雷电科学的建立 著名的风筝试验（著名的风筝试验（1717世纪，富兰克林）：世纪，富兰克林）： 240240米长的缠绕钢丝的麻绳上产生米长的缠绕钢丝的麻绳上产生20cm20cm的电的电 火花火花 高速摄影、记录示波器、雷电定向定位仪等高速摄影、记录示波器、雷电定向定位仪等 现代化测量技术现代化测量技术 一一 雷电放电过程雷电放电过程 4基本过程：先导放电阶段基本过程：先导放电阶段 ；主放电阶段；主放电阶段 1 先导放电通道；先导放电通道；2 强游离区；强游离区；3 主放电通道主放电通道

2、 30kV/cm 4分级先导：多次先导分级先导：多次先导 主放电的重复过程，主放电的重复过程， 每次间歇时每次间歇时 间为几十毫秒，放电次数一般为间为几十毫秒，放电次数一般为2323次，最多为次次，最多为次 u雷电放电由带电荷的雷云引起雷电放电由带电荷的雷云引起 u大多数的放电发生在雷云之间不危险大多数的放电发生在雷云之间不危险 u少数的放电发生在雷云和大地之间危险少数的放电发生在雷云和大地之间危险 u对地放电的雷云大多数带负电荷，实测对地放电的雷云大多数带负电荷，实测75759090 u 理解以下几点：理解以下几点： 雷云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放雷云对地放电的实质是雷云电荷向

3、大地的突然释放 从电源性质看，相当于一个电流源的作用过程从电源性质看，相当于一个电流源的作用过程 人们能够测知的电量，重要是流过被击物体的电流人们能够测知的电量，重要是流过被击物体的电流 二二 雷电参数雷电参数 u 雷电活动频率雷暴日及雷暴小时雷电活动频率雷暴日及雷暴小时 u 地面落雷密度地面落雷密度 u 雷道波阻抗雷道波阻抗 u 雷电流幅值雷电流幅值 u 雷电流的计算波形雷电流的计算波形 三三 雷电放电的计算模型雷电放电的计算模型 4开关开关S S闭合前后对应不同的闭合前后对应不同的 雷电放电阶段（先导放电和雷电放电阶段（先导放电和 主放电），主放电），A A点电位发生变点电位发生变 化，从

4、零突升到化，从零突升到u=iZu=iZ 4先导放电通道具有分布参数先导放电通道具有分布参数 特征，称为雷电通道，其波特征，称为雷电通道，其波 阻抗为阻抗为Z(300Z(300 ) ) 4主放电过程，自雷云通过雷主放电过程，自雷云通过雷 电通道向地面传播的电磁波电通道向地面传播的电磁波 （u u0 0、i i0 0）到达）到达A A点点 4由由c c图得出其彼德逊等值电图得出其彼德逊等值电 路路 三三 雷电放电的计算模型雷电放电的计算模型 能够测知的电量，主要是流过被击物的电流。跟据计算模能够测知的电量，主要是流过被击物的电流。跟据计算模 型（电流源模型）推出雷电波的参数型（电流源模型）推出雷电

5、波的参数 国际上定义雷击小接地阻抗物体时，流过该物体的电流定国际上定义雷击小接地阻抗物体时，流过该物体的电流定 义为雷电流义为雷电流 0 0 0 0 22i ZZ Z ii 2i0Z0 Z A 雷电流源雷电流源 被击电路被击电路 四四 感应过电压感应过电压 v在雷电放电的先导阶段（假设为负先导），线路处于雷在雷电放电的先导阶段（假设为负先导），线路处于雷 云及先导通道与大地构成的电场之中。由于静电感应，云及先导通道与大地构成的电场之中。由于静电感应， 最靠近先导通道的一段导线上感应形成形成束缚电荷最靠近先导通道的一段导线上感应形成形成束缚电荷 v主放电开始以后，先导通道中的负电荷自下而上被迅速

6、主放电开始以后，先导通道中的负电荷自下而上被迅速 中和。相应电场迅速减弱，使导线上的正束缚电荷迅速中和。相应电场迅速减弱，使导线上的正束缚电荷迅速 释放，形成电压波向两侧传播释放，形成电压波向两侧传播 v由于主放电的平均速度很快，导线上的束缚电荷的释放由于主放电的平均速度很快，导线上的束缚电荷的释放 过程也很快，所以形成的电压波过程也很快，所以形成的电压波u uiZiZ幅值可能很高。这幅值可能很高。这 种过电压就是感应过电压的静电分量种过电压就是感应过电压的静电分量 感应雷电过电压与相邻导线间的过电压的区别感应雷电过电压与相邻导线间的过电压的区别 v感应雷电过电压的极性与雷云的极性相反，相邻导

7、线感应雷电过电压的极性与雷云的极性相反，相邻导线 间的感应过电压的极性与感应源同极性间的感应过电压的极性与感应源同极性 v感应雷电过电压发生在主放电阶段，相邻导线间的感感应雷电过电压发生在主放电阶段，相邻导线间的感 应过电压与感应源同时发生应过电压与感应源同时发生 v感应雷电过电压的波前平缓、波长较长感应雷电过电压的波前平缓、波长较长 v感应雷电过电压在三相导线上同时发生，且数值相等感应雷电过电压在三相导线上同时发生，且数值相等 7.2 防雷保护装置 一一 避雷针和避雷线避雷针和避雷线 4 基本原理基本原理 4 保护范围保护范围 4 绕击率绕击率 一一 避雷针和避雷线避雷针和避雷线 电力系统中

8、需要安装直接雷击防护装置，广泛电力系统中需要安装直接雷击防护装置，广泛 采用的即为避雷针和避雷线（又称架空地线）。采用的即为避雷针和避雷线（又称架空地线）。 避雷针适宜用于变电所、发电厂这样相对集中避雷针适宜用于变电所、发电厂这样相对集中 的保护对象；避雷线适宜用于象架空线路那样的保护对象；避雷线适宜用于象架空线路那样 伸展很广的保护对象。伸展很广的保护对象。 基本原理基本原理 当雷云放电接近于地面时它使地面电场发生畸变，当雷云放电接近于地面时它使地面电场发生畸变， 在避雷针（线）的顶端，形成局部电场强度集中的在避雷针（线）的顶端，形成局部电场强度集中的 空间，以影响雷电先导放电的发展方向，引

9、导雷电空间，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电 向避雷针（线）放电，再通过接地线和接地装置将向避雷针（线）放电，再通过接地线和接地装置将 雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击 保护范围保护范围 保护范围：表示避雷装置的保护效能，保护范围保护范围：表示避雷装置的保护效能，保护范围 是相对的，每一个保护范围都有规定的绕击（概）是相对的，每一个保护范围都有规定的绕击（概） 率，绕击指的是雷电绕过避雷装置而击中被保护物率，绕击指的是雷电绕过避雷装置而击中被保护物 体的现象。我国有关规程所推荐的保护范围对应于体的现象。我国有关规程所推荐的保护范围对应于 0

10、.10.1的绕击率。的绕击率。 (一)单支避雷针 h h 避雷针高度避雷针高度 P P 高度修正系数高度修正系数 当当h30mh30m时时,P,P1 1 当当30m30mh120mh120m时时,P,P r rx x- - 被保护物的高度被保护物的高度 h hx x- - 保护范围保护范围 h 5.5 Phhr xx )( Phhr xx )25 . 1 ( ）（ 2 h h x ）（ 2 h h x （二）两支等高避雷针（通过叠加求出联合保护范围） 避雷线的保护范围避雷线的保护范围 u保护线路保护线路 我国一般我国一般110kV110kV以上线路采用避雷线以上线路采用避雷线 35kV35kV

11、线路的进线段线路的进线段 国外，如日本配电线路也用国外，如日本配电线路也用 u保护保护500kV500kV大型超高压发变电站大型超高压发变电站 （三）单根避雷线（三）单根避雷线 Phhr xx )(47.0 Phhr xx )53. 1( ）（ 2 h h x ）（ 2 h h x 因此单根避雷线的保护半因此单根避雷线的保护半 径要比单根避雷针的保护半径要比单根避雷针的保护半 径小得多径小得多 ( (四四) )两根等高避雷线两根等高避雷线 两线外侧的保护范围按单根避雷线方法确两线外侧的保护范围按单根避雷线方法确 定；两线内侧的保护高度由两线及保护范围定；两线内侧的保护高度由两线及保护范围 上部

12、边缘最低点上部边缘最低点O O的圆弧来确定。的圆弧来确定。 二二 避雷器的基本原理避雷器的基本原理 u避雷器是用以限制由线路传来的雷电过电压或由操作引避雷器是用以限制由线路传来的雷电过电压或由操作引 起的内部过电压的一种电气设备起的内部过电压的一种电气设备 u避雷器的保护原理与避雷针不同。它实质上是一种放电避雷器的保护原理与避雷针不同。它实质上是一种放电 器，并联连接在被保护设备附近，当作用电压超过避雷器，并联连接在被保护设备附近，当作用电压超过避雷 器的放电电压时，避雷器即先放电，限制了过电压的发器的放电电压时，避雷器即先放电，限制了过电压的发 展，从而保护了其他电气设备免遭击穿损坏展，从而

13、保护了其他电气设备免遭击穿损坏 1. 1. 保护间隙保护间隙 2. 2. 管式（排气式）避雷器管式（排气式）避雷器 3. 3. 阀型避雷器阀型避雷器 4. 4. 氧化锌避雷器氧化锌避雷器 避雷器有以下四种类型：避雷器有以下四种类型： 1 1 保护间隙保护间隙 2 2 排气式避雷器排气式避雷器 3 3 阀型避雷器阀型避雷器 4 4 氧化锌避雷器氧化锌避雷器 5 5 被保护电器设备被保护电器设备 避雷器保护作用原理示意避雷器保护作用原理示意 u具有良好的伏秒特性，以易于实现合理的绝缘配合具有良好的伏秒特性，以易于实现合理的绝缘配合 u应有较强的绝缘强度自恢复能力，以利于快速切断工应有较强的绝缘强度

14、自恢复能力，以利于快速切断工 频续流，使系统得以继续运行频续流，使系统得以继续运行 避雷器的基本要求避雷器的基本要求 (a) (b) (c) 1 1电气设备的伏秒特性，电气设备的伏秒特性， 2 2避雷器的伏秒特性避雷器的伏秒特性 避雷器与电气设备的伏秒特性配合图避雷器与电气设备的伏秒特性配合图 （一）（一） 保护间隙保护间隙 保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压 比后者低，使过电压波被限制到保护间隙的击比后者低，使过电压波被限制到保护间隙的击 穿电压穿电压U Ub b。 缺点：缺点： 1 1）伏秒特性很陡；）伏秒特性很陡； 2 2）保护间隙没有专门的灭弧

15、装置）保护间隙没有专门的灭弧装置 3 3）产生大幅值的截波。）产生大幅值的截波。 应用范围：仅用于不重要和单相接地不会导应用范围：仅用于不重要和单相接地不会导 致严重后果的场合。致严重后果的场合。 （二）管式避雷器（亦称排气式避雷器） 它实质上是一只具有较强灭弧能力的保护间隙，其基它实质上是一只具有较强灭弧能力的保护间隙，其基 本元件为装在消弧管内的火花间隙，在安装时再串接本元件为装在消弧管内的火花间隙，在安装时再串接 一只外火花间隙。一只外火花间隙。 缺点：缺点： 1 1）续流太小时不能灭弧，太大时产气过多，使管子爆裂）续流太小时不能灭弧，太大时产气过多，使管子爆裂 2 2）伏秒特性和产生截

16、波方面与保护间隙相似）伏秒特性和产生截波方面与保护间隙相似, ,维护较麻维护较麻 烦烦 应用范围：仅安装在输电线路上绝缘比较薄弱的地方应用范围：仅安装在输电线路上绝缘比较薄弱的地方 和用于变电所、发电厂的进线段保护中。和用于变电所、发电厂的进线段保护中。 ( (三三) ) 普通阀式避雷器普通阀式避雷器 变电所的防雷保护主要依靠阀式避雷器，它在变电所的防雷保护主要依靠阀式避雷器，它在 电力系统过电压保护和绝缘配合中都起着重要电力系统过电压保护和绝缘配合中都起着重要 的作用，它的保护特性是选择高电压电力设备的作用，它的保护特性是选择高电压电力设备 绝缘水平的基础。绝缘水平的基础。 结构：主要由火花

17、间隙结构：主要由火花间隙F F及与之串联的工作电及与之串联的工作电 阻阻R R两大部分组成。两大部分组成。 特点： 对工作电阻的首位要求是它应具有良好的非线对工作电阻的首位要求是它应具有良好的非线 性伏安特性，即在冲击大电流下，阻值应很小，性伏安特性，即在冲击大电流下，阻值应很小， 让冲击电流顺利泄入地下，且残压不高；在工让冲击电流顺利泄入地下，且残压不高；在工 频电流下，阻值要变大，以利灭弧。频电流下，阻值要变大，以利灭弧。 (四)磁吹式避雷器 与普通阀式避雷器类似，主要区别采用了灭弧与普通阀式避雷器类似，主要区别采用了灭弧 能力较强的磁吹火花间隙和通流能力较大的高能力较强的磁吹火花间隙和通

18、流能力较大的高 温阀片。温阀片。 1 1、旋弧型磁吹避雷器、旋弧型磁吹避雷器 2 2、灭弧栅型磁吹避雷器、灭弧栅型磁吹避雷器 (五)金属氧化物避雷器（MOA） 氧化锌氧化锌(ZnO)(ZnO)，具有极其优异的非线性特性。，具有极其优异的非线性特性。 优点：优点： 1 1）可省去串联火花间隙，结构大大简单）可省去串联火花间隙，结构大大简单 2 2）由于具有极好的非线性伏安特性，保护性能）由于具有极好的非线性伏安特性，保护性能 优越优越 3 3）无续流、动作负载轻、能重复动作实施保护）无续流、动作负载轻、能重复动作实施保护 4 4）流通容量大，能制成重载避雷器）流通容量大，能制成重载避雷器 5 5

19、）耐污性好）耐污性好 保护间隙和管型避雷器在间隙击穿后，保护保护间隙和管型避雷器在间隙击穿后，保护 回路再也没有限流元件，保护动作都要造成接回路再也没有限流元件，保护动作都要造成接 地故障或相间短路故障，保护作用增多电力系地故障或相间短路故障，保护作用增多电力系 统故障率，影响电力系统的正常、安全运行。统故障率，影响电力系统的正常、安全运行。 应用氧化锌避雷器，从根本上避免保护作用产应用氧化锌避雷器，从根本上避免保护作用产 生接地故障或相间短路故障，且不用自动重合生接地故障或相间短路故障，且不用自动重合 闸装置就能减少线路雷害停电事故。闸装置就能减少线路雷害停电事故。 避雷器发展经历：从放电间

20、隙到氧化锌避雷器避雷器发展经历：从放电间隙到氧化锌避雷器 悬挂式避雷器应用于变电站 避雷器应用于室避雷器应用于室 内变电站入口处内变电站入口处 三三 防雷接地防雷接地 4 工作接地工作接地 4 保护接地保护接地 4 防雷接地防雷接地 1 1 工作接地工作接地 交流电力系统根据中性点是否接地而分为中性点接交流电力系统根据中性点是否接地而分为中性点接 地系统和中性点绝缘系统，另外还有中性点通过电地系统和中性点绝缘系统，另外还有中性点通过电 阻或电感接地的中性点非有效接地系统阻或电感接地的中性点非有效接地系统 定义：我国在定义：我国在110kV110kV及以上的电力系统中多采用中及以上的电力系统中多

21、采用中 性点接地的运行方式，其目的是为了降低电力设备性点接地的运行方式，其目的是为了降低电力设备 的绝缘水平的绝缘水平 目的：降低作用在设备绝缘上的电压，因此设备的目的：降低作用在设备绝缘上的电压，因此设备的 绝缘水平也可以降低，即达到缩小设备绝缘尺寸、绝缘水平也可以降低，即达到缩小设备绝缘尺寸、 降低设备造价的目的降低设备造价的目的 在正常情况下，流过接地装置的电流为系统的不平在正常情况下，流过接地装置的电流为系统的不平 衡电流，而在系统发生短路故障时将有数十千安的衡电流，而在系统发生短路故障时将有数十千安的 短路电路流过接地装置，持续时间短路电路流过接地装置，持续时间0.5s0.5s左右左

22、右 2 2 保护接地保护接地 在电气设备发生故障时，电气设备的外壳将带在电气设备发生故障时，电气设备的外壳将带 电，如果这时人接触设备外壳，将产生危险。电，如果这时人接触设备外壳，将产生危险。 因此为了保证人身安全，所有电气设备的外壳因此为了保证人身安全，所有电气设备的外壳 必须接地，这种接地称为保护接地必须接地，这种接地称为保护接地 当电气设备的绝缘损坏而使外壳带电时，流过当电气设备的绝缘损坏而使外壳带电时，流过 保护接地装置的故障电流应使相应的继电保护保护接地装置的故障电流应使相应的继电保护 装置动作，切除故障设备，另外也可以通过降装置动作，切除故障设备，另外也可以通过降 低接地电阻保证外

23、壳的电位在人体安全电压值低接地电阻保证外壳的电位在人体安全电压值 之下，从而避免因电气设备外壳带电而造成的之下，从而避免因电气设备外壳带电而造成的 触电事故触电事故 3 3 防雷接地防雷接地 为了防止雷电对电力系统及人身安全的危害，为了防止雷电对电力系统及人身安全的危害， 一般采用避雷针、避雷线及避雷器等雷电防护一般采用避雷针、避雷线及避雷器等雷电防护 设备设备 雷电防护设备都必须与合适的接地装置相连，雷电防护设备都必须与合适的接地装置相连， 以将雷电流导入大地，这种接地称为防雷接地以将雷电流导入大地，这种接地称为防雷接地 流过防雷接地装置的雷电流幅值很大，可以达流过防雷接地装置的雷电流幅值很

24、大，可以达 到数百千安，但持续的时间很短，一般只有数到数百千安，但持续的时间很短，一般只有数 十微秒十微秒 接地的功能接地的功能 4降低电力设备绝缘水平降低电力设备绝缘水平 4确保电力系统安全运行确保电力系统安全运行 输电线路杆塔接地装置的接地电阻必须降低到一定值，输电线路杆塔接地装置的接地电阻必须降低到一定值， 以降低雷击输电线路杆塔时的塔顶电位与导线的电位以降低雷击输电线路杆塔时的塔顶电位与导线的电位 差小于绝缘子串的差小于绝缘子串的50%50%冲击放电电压来保证线路的正常冲击放电电压来保证线路的正常 运行运行 4 确保人身安全确保人身安全 当电气设备绝缘损坏或老化而使外壳带电时，保护当电

25、气设备绝缘损坏或老化而使外壳带电时，保护 接地能够保证接触设备外壳的人员的人身安全接地能够保证接触设备外壳的人员的人身安全 另外发变电站接地装置通过降低接地电阻和采取均另外发变电站接地装置通过降低接地电阻和采取均 压措施来保证接触电压满足人身安全要求压措施来保证接触电压满足人身安全要求 4检测接地故障检测接地故障 近年来为了保证人身和财产安全，低压线路采用漏近年来为了保证人身和财产安全，低压线路采用漏 电断路器等各种故障保护装置。如果线路的一点产电断路器等各种故障保护装置。如果线路的一点产 生接地故障，为了使保护装置动作，则必须产生足生接地故障，为了使保护装置动作，则必须产生足 够大的接地故障

26、电流。为确保满足该条件，则在降够大的接地故障电流。为确保满足该条件，则在降 压变压器二次侧中性点接地，该接地可以称为接地压变压器二次侧中性点接地，该接地可以称为接地 故障检测用的接地故障检测用的接地 对中性点接地的线路，如果电气设备外壳不接地，对中性点接地的线路，如果电气设备外壳不接地， 当由于绝缘破坏等原因使设备外壳带电时，通过杂当由于绝缘破坏等原因使设备外壳带电时，通过杂 散电容构成回路产生的电流将不足以使保护设备可散电容构成回路产生的电流将不足以使保护设备可 靠动作，因此应将设备外壳接地靠动作，因此应将设备外壳接地 4功能接地功能接地 有些设备在功能上即有加以接地的必要性。例如阴有些设备在功能上即有加以接地的必要性。例如阴 极保护利用电化学防止金属的腐蚀，为了使防蚀电极保护利用电化学防止金属的腐蚀，为了使防蚀电 流流入土壤或水中，则应在系统中进行接地。另外流流入土壤或水中，则应在系统中进行接地。另外 为了保证计算机及其它电子设备的正常工作，必须为了保证计算机及其它电子设备的正常工作，必须 采用具有稳定电位的基准点，该基准点通过接地来采用具有稳定电位的基准点，该基准点通过接地来 实现。实现。 4作业用接地作业用接地 在停电作用时，需要采用接地来泄放线路中的