高电压技术-第七章 雷电及防雷保护装置

1、第七章第七章雷电及防雷保护装置雷电及防雷保护装置 主要内容主要内容雷电放电过程雷电放电过程雷电参数雷电参数防雷保护装置防雷保护装置重点是：电压能量吸收重点是：电压能量吸收器器避雷器避雷器7.1 雷电过程与雷电参数雷电过程与雷电参数 什么是雷电放电什么是雷电放电 雷电放电雷电放电:一种气体放电现象。路径达数千米，是一种超长一种气体放电现象。路径达数千米，是一种超长间隙的火花放电。间隙的火花放电。与实验室的长间隙火花放电有某些共同之处。与实验室的长间隙火花放电有某些共同之处。但又具有重复雷击等特点。但又具有重复雷击等特点。放电的条件：云中电荷密集处的场强达到：放电的条件：云中电荷密集处的场强达到：

2、2530kV/cm放电型式：线状雷电、片状雷电、球状雷电放电型式：线状雷电、片状雷电、球状雷电“云云-地地”之间的线状放电，是电力系统雷击危害的主因之间的线状放电，是电力系统雷击危害的主因 雷电波形雷电波形不同类型的雷电不同类型的雷电雷电过程雷电过程 （1）“云云-地地”之间的线状放电可分为三个阶段：先导放电、主放之间的线状放电可分为三个阶段：先导放电、主放电、余辉（余光）放电电、余辉（余光）放电 先导放电先导放电：雷云下部伸出微弱发光的放电通道向地面发展：雷云下部伸出微弱发光的放电通道向地面发展分级推进。每级平均长度分级推进。每级平均长度2550m，两级之间停歇，两级之间停歇3090uS，下

3、行平，下行平均速度约为均速度约为0.10.8m/uS。按雷云距地。按雷云距地1km考虑，需要考虑，需要1.2510ms。电流不大，仅数十到数百安电流不大，仅数十到数百安主放电和迎面流注阶段主放电和迎面流注阶段。当先导放电接地地面时，地面场强。当先导放电接地地面时，地面场强增大，地面突出物将向上形成迎面先导（迎面流注）。上下增大，地面突出物将向上形成迎面先导（迎面流注）。上下先导放电相遇时，进入主放电阶段。先导放电相遇时，进入主放电阶段。出现强烈的电荷中和过程，伴随雷鸣和闪光。出现强烈的电荷中和过程，伴随雷鸣和闪光。主放电时间极短，约主放电时间极短，约50100uS。发展速度。发展速度50100

4、m/uS电流幅值大，达电流幅值大，达数十千安到数百千安数十千安到数百千安余辉（余光）阶段余辉（余光）阶段。主放电后，云中剩余电荷沿导电通道流。主放电后，云中剩余电荷沿导电通道流向大地。向大地。大部分电荷在这一阶段泄入大地。电流数百安，持续大部分电荷在这一阶段泄入大地。电流数百安，持续0.030.15S雷电过程雷电过程 （2）P168-7-11 先导放电通道；2 强游离区；3 主放电通道30kV/cm多重雷击（多重雷击（1） 雷云中有多个电荷中心，某电荷中心放电后电位为雷云中有多个电荷中心，某电荷中心放电后电位为0，其余电荷中心与其有很大的电位差，将利用已，其余电荷中心与其有很大的电位差，将利用

5、已有主放电通道再次对地放电。有主放电通道再次对地放电。两次放电时间间隔约为两次放电时间间隔约为0.03S。后续放电无分支、不分级，自上而下连续发展，称后续放电无分支、不分级，自上而下连续发展，称为为箭状先导箭状先导。第二次及以后放电电流较小，不超过第二次及以后放电电流较小，不超过30kA。重复雷击的持续时间，对正确选定自动重合闸时间重复雷击的持续时间，对正确选定自动重合闸时间至关重要至关重要 多重雷击（多重雷击（2）多重雷击（多重雷击（3）雷电参数（雷电参数（1） 雷电参数：是雷电过电压计算、防雷设计的基础。雷电参数：是雷电过电压计算、防雷设计的基础。雷暴日（雷暴日（Td），雷暴小时（），雷暴

6、小时（Th），地面落雷密度（），地面落雷密度（）雷电流。雷电流幅值，雷电流的波前时间、波长、陡度，极性，等雷电流。雷电流幅值，雷电流的波前时间、波长、陡度，极性，等值计算波形值计算波形雷道波阻抗雷道波阻抗雷暴日（雷暴日（Td），雷暴小时（），雷暴小时（Th），定义：一天（小时）内），定义：一天（小时）内只要听到雷声就算一个只要听到雷声就算一个。每一个雷暴日大致相当于三个雷暴小时。每一个雷暴日大致相当于三个雷暴小时。雷暴日的分布与地理环境有关。雷暴日的分布与地理环境有关。我国标准：每年我国标准：每年40雷暴日为多雷区；雷暴日为多雷区；90为为特殊强雷区特殊强雷区防雷设计需要考虑防雷设计需要考虑没

7、有区分雷云之间放电和云地之间放电，对电力系统不科学。没有区分雷云之间放电和云地之间放电，对电力系统不科学。只有落地雷对电力系统有影响只有落地雷对电力系统有影响 雷电参数（雷电参数（2）地面落雷密度（地面落雷密度（）。每一雷暴日、每平方公里地）。每一雷暴日、每平方公里地面受到的平均落雷次数。面受到的平均落雷次数。根据统计，一般根据统计，一般=0.07，但区域可能不平衡。，但区域可能不平衡。变电站选址时应注意。变电站选址时应注意。雷电流幅值。波阻抗为雷电流幅值。波阻抗为0时，时，流经被雷击物体的电流，即流经被雷击物体的电流，即原始雷电流的原始雷电流的2倍。倍。规程规定，为雷击接地电阻规程规定，为雷

8、击接地电阻30R时的电流。近似等于雷电时的电流。近似等于雷电流的流的2倍。倍。表示雷电强度，也是雷击过电表示雷电强度，也是雷击过电压的根源，最重要的雷电参数。压的根源，最重要的雷电参数。雷电流幅值的概率分布曲线。雷电流幅值的概率分布曲线。雷电参数（雷电参数（3）雷电流的波前时间（雷电流的波前时间（T1），波长（），波长（T2）波前一般在波前一般在14uS，平均为，平均为2.6uS。波长在波长在20100uS，我国规定，我国规定40uS波长对防雷计算结果无影响，可视为无限长。波长对防雷计算结果无影响，可视为无限长。雷电流的陡度：电流随时间变化率。雷电流的陡度：电流随时间变化率。陡度对过电压有直接

9、影响。陡度在陡度对过电压有直接影响。陡度在50kA/uS左右左右是最大极限值。是最大极限值。平均陡度：平均陡度：雷电流的极性。雷电流的极性。75%90%的雷电流是负极的雷电流是负极性。雷电防护中一般按负极性考虑。性。雷电防护中一般按负极性考虑。负极性雷电过电压波沿线路传播时衰减小负极性雷电过电压波沿线路传播时衰减小雷电流的等值计算波形。雷电流的等值计算波形。标准冲击波形，斜角平顶波，等值半余弦波前标准冲击波形，斜角平顶波，等值半余弦波前雷道波阻抗。雷电通道在主放电时如同导体，雷道波阻抗。雷电通道在主放电时如同导体，具有等值波阻抗。一般取具有等值波阻抗。一般取300R uSkA/.62Ittee

10、ItIcos1217.2 防雷保护装置防雷保护装置 防雷保护装置防雷保护装置 防雷保护装置防雷保护装置（定义）（定义） ：能使被保护物体避免雷击，：能使被保护物体避免雷击，引雷于自身并顺利泄入大地的装置。引雷于自身并顺利泄入大地的装置。基本防雷保护装置分类：避雷针、避雷线、避雷器、基本防雷保护装置分类：避雷针、避雷线、避雷器、防雷接地。防雷接地。避雷针、避雷线为直击雷保护措施，防止雷电直接击中避雷针、避雷线为直击雷保护措施，防止雷电直接击中被保护物体。被保护物体。避雷器为侵入波保护措施，防止雷电波沿输电线侵入变避雷器为侵入波保护措施，防止雷电波沿输电线侵入变电站电站接地装置：减少避雷针（线）、

11、避雷器与大地之间的电接地装置：减少避雷针（线）、避雷器与大地之间的电阻值，降低雷电过电压阻值，降低雷电过电压 避雷针（线）的保护（避雷针（线）的保护（1） 保护原理：在避雷针（线）的顶端形成局部保护原理：在避雷针（线）的顶端形成局部场强集中的空间，以影响雷电先导放电的发场强集中的空间，以影响雷电先导放电的发展方向，使雷电对避雷针（线）放电，避免展方向，使雷电对避雷针（线）放电，避免被保护物体遭受雷击。被保护物体遭受雷击。避雷针（线）必须高于被保护物，避雷针的避雷针（线）必须高于被保护物，避雷针的顶部为尖状。顶部为尖状。避雷针（线）与被保护设备电气上是绝缘的避雷针（线）与被保护设备电气上是绝缘的

12、定向高度定向高度H。雷电先导放电发展到高度。雷电先导放电发展到高度H后，后，才会在一定范围内受避雷针（线）的影响。才会在一定范围内受避雷针（线）的影响。避雷针：当避雷针高度避雷针：当避雷针高度h30m,H=600m（课本有误）（课本有误）避雷线：当避雷线高度避雷线：当避雷线高度h30m,H=300m避雷针（线）的保护（避雷针（线）的保护（2） 避雷针的保护范围：雷电绕击率低避雷针的保护范围：雷电绕击率低于于0.1%的范围。的范围。绕击：雷电绕开避雷装置而击中被保绕击：雷电绕开避雷装置而击中被保护物体。护物体。保护范围具有相对意义，统计意义。保护范围具有相对意义，统计意义。不能保证保护范围内物体

13、完全不受雷击，不能保证保护范围内物体完全不受雷击，保护范围外物体也受保护。保护范围外物体也受保护。避雷针、避雷线除对直击雷屏蔽外，避雷针、避雷线除对直击雷屏蔽外，还要防反击。还要防反击。反击：强大的雷电流通过避雷针入地反击：强大的雷电流通过避雷针入地时，在避雷针或接地装置上产生过电时，在避雷针或接地装置上产生过电压，可能引起避雷针与被保护物体之压，可能引起避雷针与被保护物体之间间隙击穿间间隙击穿关于避雷针关于避雷针富兰克林于富兰克林于1750年发明避雷针。年发明避雷针。避雷针的发明不仅是使人类生活上免除了自然灾害，而且在避雷针的发明不仅是使人类生活上免除了自然灾害，而且在哲学上和科学上也是一件

14、大事哲学上和科学上也是一件大事高压锅的泄气阀高压锅的泄气阀电容器上的十字电容器上的十字我国对避雷针的应用也很早我国对避雷针的应用也很早建筑物建筑物单支避雷针的保护范围单支避雷针的保护范围 保护范围是一个以避雷针为轴线的曲线圆锥体保护范围是一个以避雷针为轴线的曲线圆锥体侧面为曲线，工程上以折线代替侧面为曲线，工程上以折线代替类似于伞状类似于伞状rx=(h-hx)p hx=h/2rx=(1.5h-2hx)p hxh/2h避雷针高度避雷针高度hx被保护物高度被保护物高度rx保护半径保护半径p高度修正系数：高度修正系数： 当当h=30m, p=1； 当当30h=h/2rx=(h-1.53hx)p hx

15、h/2参数含义与避雷针相同参数含义与避雷针相同横截面中，避雷线和避雷针的横截面中，避雷线和避雷针的保护范围谁小，为什么？保护范围谁小，为什么？避雷线保护（避雷线保护（2）等高双避雷线的保护范围等高双避雷线的保护范围 外侧与单根相同外侧与单根相同内侧，保护范围内侧，保护范围 上部边缘为圆弧，上部边缘为圆弧， 其最低点其最低点O为为工程上多用工程上多用保护角保护角表示避雷表示避雷线对架空输电线的保护程度。线对架空输电线的保护程度。保护角：避雷线的铅垂线与避保护角：避雷线的铅垂线与避雷线和边导线连线的夹角雷线和边导线连线的夹角保护角越小，雷击概率越小保护角越小，雷击概率越小 一般取一般取 20o30

16、o220300kV 20o500kV 工频放电电压工频放电电压灭弧电压灭弧电压针对制造厂家针对用户反映避雷器的保护能力切断比保护比无间隙氧化锌避雷器（无间隙氧化锌避雷器（MOA）MOA 主要元件是金属氧化物非线主要元件是金属氧化物非线性电阻片。性电阻片。主要成份是氧化锌（主要成份是氧化锌（ZnO），俗称为），俗称为氧化锌避雷器氧化锌避雷器无间隙氧化锌避雷器的技术参数无间隙氧化锌避雷器的技术参数 （1）额定电压：能额定电压：能较长期较长期耐受的最大工频电压。耐受的最大工频电压。相当于带间隙阀式避雷器中的灭弧电压相当于带间隙阀式避雷器中的灭弧电压在短时电压升高时能正常工作。在短时电压升高时能正常工

17、作。此时，避雷器负载较重。此时，避雷器负载较重。容许最大持续运行电压（容许最大持续运行电压（MCOV）：能）：能长期持续长期持续运行的最大工频电压。运行的最大工频电压。一般应等于系统的最高工作相电压一般应等于系统的最高工作相电压此时，避雷器负载较小。此时，避雷器负载较小。起始动作电压（参考电压或转折电压）：避雷器起始动作电压（参考电压或转折电压）：避雷器从小电流上升区到大电流平坦区的转折点。从小电流上升区到大电流平坦区的转折点。可认为避雷器此时进入动作状态，可认为避雷器此时进入动作状态，一般以一般以1mA电流时的电压电流时的电压U1mA作为起始电压。作为起始电压。无间隙氧化锌避雷器的技术参数无

18、间隙氧化锌避雷器的技术参数 （2）荷电率（荷电率（AVR）：）：=容许最大持续运行电压峰值容许最大持续运行电压峰值/参考电压参考电压或：或：=容许最大持续运行电压峰值容许最大持续运行电压峰值/起始动作电压起始动作电压影响影响MOA老化和保护水平的重要指标老化和保护水平的重要指标荷电率高时，保护性能好，但会加速老化。反之，寿命荷电率高时，保护性能好，但会加速老化。反之，寿命长，但保护性能差。长，但保护性能差。AVR从正常相电压下提高从正常相电压下提高30%，1年老化相当于年老化相当于20年。年。保护比：保护比：=标称放电电流下的残压标称放电电流下的残压/参考电压参考电压或：标称放电电流下的残压或

19、：标称放电电流下的残压/起始电压起始电压标称放电电流：标称放电电流：8/20uS下的下的5kA，10kA，20kA保护比反映避雷器保护水平的高低，越小越好。保护比反映避雷器保护水平的高低，越小越好。目前世界最高水平：目前世界最高水平：1.55，我国：，我国：1.60无间隙氧化锌避雷器的技术优点无间隙氧化锌避雷器的技术优点 结构简化。结构简化。省去了串联火花间隙。省去了串联火花间隙。保护性能优越。潜力大。保护性能优越。潜力大。没有放电时延，陡波响应好。没有放电时延，陡波响应好。无续流。动作负载轻，能重复动作次数大。无续流。动作负载轻，能重复动作次数大。通流容量大。通流容量大。可实现重载避雷器。可

20、实现重载避雷器。耐污性能好。耐污性能好。没有串联间隙，可避免瓷套表面污染带来的间隙放电电没有串联间隙，可避免瓷套表面污染带来的间隙放电电压不稳定问题。压不稳定问题。各种避雷器的作用示意图各种避雷器的作用示意图 1 保护间隙保护间隙 2 排气式避雷器排气式避雷器 3 阀型避雷器阀型避雷器 4 氧化锌避雷器氧化锌避雷器 5 被保护电器设备被保护电器设备防雷接地防雷接地 接地接地（定义）（定义） ：将地面上的金属物或电气回路某节：将地面上的金属物或电气回路某节点，通过导体与大地保持等电位点，通过导体与大地保持等电位 “防雷在于接地防雷在于接地”。各种防雷保护装置都必须配合以合适的接地装置。各种防雷保

21、护装置都必须配合以合适的接地装置。接地分类：接地分类：工作接地：根据系统正常运行要求而接地。（工作接地：根据系统正常运行要求而接地。（0.510）如三相系统的中性点接地，双极直流输电凶的中点接地等如三相系统的中性点接地，双极直流输电凶的中点接地等保护接地：为保障人身安全而将电气设备金属外壳等接保护接地：为保障人身安全而将电气设备金属外壳等接地，它在故障条件下才发挥作用。（地，它在故障条件下才发挥作用。（110）。）。防雷接地：用来将雷电流顺利泄入大地，以减小雷电流防雷接地：用来将雷电流顺利泄入大地，以减小雷电流引起的地电位升高。（引起的地电位升高。（130），），如杆塔接地和变电站接地。如杆塔接地和变电站接地。作用介于工作接地和保护接地之间。作用介于工作接地和保护接地之间。 大地不是良导体大地不是良导体大地有一定大地有一定的电阻率的电阻率接地电阻接地电阻=接地点电接地点电位位/电流电流注入接地电注入接地电流后，大地流后，大地的电位分布的电位分布接触电压接触电压跨步电压跨步电压防雷接地装防雷接地