电气工程概论第八章

1、 第八章第八章 过电压及其防护过电压及其防护 电气工程概论电气工程概论主要内容主要内容概述概述1内部过电压及其防护内部过电压及其防护2电力系统防雷保护电力系统防雷保护3电力系统绝缘配合电力系统绝缘配合4第一节第一节 概述概述电压 由于直由于直接雷击或接雷击或雷电感应雷电感应而引起的而引起的过电压过电压 由于电由于电力系统内力系统内部能量的部能量的转化或传转化或传递引起的递引起的过电压过电压TextText 外部过电压外部过电压内部过电压内部过电压第一节第一节 概述概述v过电压保护的目的过电压保护的目的v 为了防止电气设备绝缘遭受过电压的破坏。内部过电为了防止电气设备绝缘遭受过电压的破坏。内部过

2、电压和外部过电压发生的原因不同，变化的特性和防护的方压和外部过电压发生的原因不同，变化的特性和防护的方法也不相同。法也不相同。v 对于内部过电压，要了解它产生的原因及其特性，然对于内部过电压，要了解它产生的原因及其特性，然后针对性地采取相应措施，以防止其危害。后针对性地采取相应措施，以防止其危害。v 对于外部过电压，则要设法防止它侵入电气设备，并对于外部过电压，则要设法防止它侵入电气设备，并应采取相应的措施将它尽可能降低到对电气设备的绝缘不应采取相应的措施将它尽可能降低到对电气设备的绝缘不致造成损坏的程度。致造成损坏的程度。第二节第二节 内部过电压及其防护内部过电压及其防护一、操作过电压一、操

3、作过电压v操作过电压操作过电压 因操作引起的暂态电压升高。因操作引起的暂态电压升高。v电力系统中常见的操作过电压有：电力系统中常见的操作过电压有： 中性点绝缘电网中的电弧接地过电压；中性点绝缘电网中的电弧接地过电压； 切除电感性负载（空载变压器、消弧线圈、并联电抗器、电动切除电感性负载（空载变压器、消弧线圈、并联电抗器、电动机等）过电压；机等）过电压； 切除电容性负载（空载长线路、电缆、电容器组等）过电压；切除电容性负载（空载长线路、电缆、电容器组等）过电压； 空载线路合闸空载线路合闸( (包括重合闸包括重合闸) )过电压以及系统解列过电压等。过电压以及系统解列过电压等。(一一) 空载变压器的

4、分闸过电压空载变压器的分闸过电压v1.1.切空载变压器过电压产生的机理切空载变压器过电压产生的机理 断路器截断电流后，电感中的电流可以以电容为回路断路器截断电流后，电感中的电流可以以电容为回路继续流通，对电容进行充电，将电感中的磁能转化为电容继续流通，对电容进行充电，将电感中的磁能转化为电容中的电能。中的电能。 如果截流发生在某一瞬时值如果截流发生在某一瞬时值I0I0时，电容上的电压为时，电容上的电压为U0U0此时变压器的总储能此时变压器的总储能W W为为 WWLWC(LTI02CTU02)/2 (8-1) 按能量不灭定律，当磁能全部转化为静电电能时，电按能量不灭定律，当磁能全部转化为静电电能

5、时，电容上的电压将达其最大值容上的电压将达其最大值UTm，即，即 WCTUTm2/2(LTI02CTU02)/2 (8-2)( (一一) ) 空载变压器的分闸过电压空载变压器的分闸过电压 由截流而引起的变压器上的过电压可达由截流而引起的变压器上的过电压可达 (8-3) 截流值愈大则过电压愈高，当截流发生在励磁电流的幅值截流值愈大则过电压愈高，当截流发生在励磁电流的幅值ImIm（即（即I I0 0ImIm，U U0 00 0）时，有）时，有 (8-4)2200TmTTUUI L CTmmTTUILC( (一一) ) 空载变压器的分闸过电压空载变压器的分闸过电压( (一一) ) 空载变压器的分闸过

6、电压空载变压器的分闸过电压v 电流在幅值截断后，电感中的电流电流在幅值截断后，电感中的电流iLiL和电容上的电压（也和电容上的电压（也即电感上的电压）即电感上的电压）uCuC的波形。如不计衰减，的波形。如不计衰减，i iL L和和u uC C可写成可写成 iLImcos0t (8-5) (8-6)式中式中Cm0mTT0sinsinuUtIL Ct01TTL C( (一一) ) 空载变压器的分闸过电压空载变压器的分闸过电压v2.2.切空载变压器过电压的影响因素及其限制措施切空载变压器过电压的影响因素及其限制措施v （1 1）断路器性能。）断路器性能。 通过在断路器的主触头上并联高值电阻（线性或非

7、线性），能通过在断路器的主触头上并联高值电阻（线性或非线性），能 有效地降低这种过电压。有效地降低这种过电压。v （2 2）变压器参数和结构。变压器的）变压器参数和结构。变压器的LTLT愈大，愈大，CTCT愈小，过愈小，过电压愈高。电压愈高。 从变压器绕组连接方式角度，采用纠结式绕组以及增加静电屏蔽从变压器绕组连接方式角度，采用纠结式绕组以及增加静电屏蔽等措施增大变压器的对地电容等措施增大变压器的对地电容CT，可以限制这种过电压；从变压器，可以限制这种过电压；从变压器铁心角度，采用优质导磁材料，减小变压器的励磁电感铁心角度，采用优质导磁材料，减小变压器的励磁电感LT或励磁电流或励磁电流I0也可

8、有效地限制这种过电压。也可有效地限制这种过电压。 （二）空载长线路的操作过电压（二）空载长线路的操作过电压v 电网中用断路器切、合空载长线路、电缆以及电容器电网中用断路器切、合空载长线路、电缆以及电容器组也是一种常见的常规或故障操作方式。它们都涉及在电组也是一种常见的常规或故障操作方式。它们都涉及在电流为零（也就是在电压为峰值）时断开小电容电流。在这流为零（也就是在电压为峰值）时断开小电容电流。在这种操作过程中也会产生过电压，并且可能波及整个电网。种操作过程中也会产生过电压，并且可能波及整个电网。 v 切空载线路时电弧在触头间的每次重燃实质上就等于切空载线路时电弧在触头间的每次重燃实质上就等于

9、空载线路的一次合闸空载线路的一次合闸（二）空载长线路的操作过电压（二）空载长线路的操作过电压v1.1.切除空载长线路过电压的产生过程及限制措施切除空载长线路过电压的产生过程及限制措施 在电路切除前，可认为在电路切除前，可认为 电容电压电容电压uC和电源电动和电源电动 势势e近似相等，而流过近似相等，而流过 断口的工频电流断口的工频电流iC超前超前 电源电压电源电压90。 L是电源与是电源与 线路的等值电感线路的等值电感 C是线路的等值电容是线路的等值电容 通常通常L1/（ C）或）或C1/（ 2L0）。）。2 2电感上电压与电容上电压之间的差值必定等于电源电压。电感上电压与电容上电压之间的差值

10、必定等于电源电压。3 3电容越大，电容越大，1/C就越小，曲线就越小，曲线1的的 角变小，角变小，U0就变大，产生铁磁谐振所就变大，产生铁磁谐振所需要的电源电压升高的激发因素就越大。因此需要的电源电压升高的激发因素就越大。因此C值太大时，出现铁磁谐振值太大时，出现铁磁谐振的可能性将减小。的可能性将减小。4 4在铁磁谐振时，在铁磁谐振时，L和和C上的电压都不会象线性谐振时那样趋于无限大，而是上的电压都不会象线性谐振时那样趋于无限大，而是有一定的数值。有一定的数值。UL由铁心的饱和程度决定，而由铁心的饱和程度决定，而UC等于等于UL加上电源电压。加上电源电压。5 5铁磁谐振的产生虽需由电源电压大于

11、铁磁谐振的产生虽需由电源电压大于U0来激发，但当激发过去后电源电压来激发，但当激发过去后电源电压降到正常值时，铁磁谐振过电压仍可能继续存在，即谐振状态可能自保持。降到正常值时，铁磁谐振过电压仍可能继续存在，即谐振状态可能自保持。6 6在铁磁谐振发生前，即在铁磁谐振发生前，即m点以前，感抗大于容抗，电路是感性的。但在谐点以前，感抗大于容抗，电路是感性的。但在谐振发生以后，即突变到振发生以后，即突变到n点以后，容抗已大于感抗，此时电路变为容性。点以后，容抗已大于感抗，此时电路变为容性。7 7在交流电路中即使只有一个非线性电感在交流电路中即使只有一个非线性电感L单独存在，电流波形也会发生畸单独存在，

12、电流波形也会发生畸变。变。（三）铁磁谐振（三）铁磁谐振v2.2.限制和消除铁磁谐振过的措施限制和消除铁磁谐振过的措施 主要措施有：主要措施有：v 改善电磁式电压互感器的励磁特性，或改用电容式电压互感器；改善电磁式电压互感器的励磁特性，或改用电容式电压互感器；v 在电压互感器开口三角形绕组中接入阻尼电阻，或在电压互感器一次在电压互感器开口三角形绕组中接入阻尼电阻，或在电压互感器一次绕组的中性点对地接入电阻；绕组的中性点对地接入电阻；v 在有些情况下，可在在有些情况下，可在10kV10kV及以下的母线上装设一组三相对地电容器，及以下的母线上装设一组三相对地电容器，或用电缆段代替架空线路段，以增大对

13、地电容，从参数搭配上避开谐或用电缆段代替架空线路段，以增大对地电容，从参数搭配上避开谐振；振；v 在特殊情况下，可将系统中性点临时经电阻接地或直接接地，或投入在特殊情况下，可将系统中性点临时经电阻接地或直接接地，或投入消弧线圈，也可以按事先规定投入某些线路或设备以改变电路参数，消弧线圈，也可以按事先规定投入某些线路或设备以改变电路参数，消除谐振过电压。消除谐振过电压。（四）电力系统中常见谐振过电压及其防治（四）电力系统中常见谐振过电压及其防治谐振过电压谐振过电压谐振过电压中性点不接地系统中中性点不接地系统中电压互感器饱和过电压电压互感器饱和过电压断线谐振过电压断线谐振过电压中性点接地系统中中性

14、点接地系统中电压互感器饱和电压互感器饱和过电压过电压传递过电压传递过电压超高压系统中超高压系统中谐振过电压谐振过电压（四）电力系统中常见谐振过电压及其防治（四）电力系统中常见谐振过电压及其防治v1.1.断线谐振过电压断线谐振过电压 电力系统运行中，常会出现导线断落、断路器非全相动作电力系统运行中，常会出现导线断落、断路器非全相动作或严重的不同期操作、熔断器的一相或两相熔断等故障，或严重的不同期操作、熔断器的一相或两相熔断等故障，造成系统的非全相运行。造成系统的非全相运行。 为了限制断线过电压，除了加强线路巡视与检修，预防发为了限制断线过电压，除了加强线路巡视与检修，预防发生断线外，常采取的措施

15、有：生断线外，常采取的措施有：v 不采用熔断器，减少三相断路器的不同期操作，尽量使三相同期；不采用熔断器，减少三相断路器的不同期操作，尽量使三相同期；v 在中性点接地的系统中，操作中性点不接地的变压器时，将变压器中在中性点接地的系统中，操作中性点不接地的变压器时，将变压器中性点临时接地。性点临时接地。（四）电力系统中常见谐振过电压及其防治（四）电力系统中常见谐振过电压及其防治v2.2.中性点不接地系统中电压互感器饱和过电压中性点不接地系统中电压互感器饱和过电压 在中性点不接地的在中性点不接地的6 635kV35kV配电网络中，由于电压互感器配电网络中，由于电压互感器饱和而产生的内部过电压事故最

16、为频繁，严重地影响供电饱和而产生的内部过电压事故最为频繁，严重地影响供电安全。安全。 采取措施：采取措施：v （1 1）选用励磁特性较好的电磁式电压互感器或只使用电容式电压互）选用励磁特性较好的电磁式电压互感器或只使用电容式电压互感器。感器。v （2 2）在零序回路中接入阻尼电阻：在电压互感器的开口三角绕组中）在零序回路中接入阻尼电阻：在电压互感器的开口三角绕组中短时接入电阻；在电压互感器一次绕组的中性点对地接入电阻。短时接入电阻；在电压互感器一次绕组的中性点对地接入电阻。v （3 3）在个别情况下可在）在个别情况下可在10kV10kV及以下的母线上装设一组三相对地电容及以下的母线上装设一组三

17、相对地电容器或利用电缆段代替架空线路段，减小对地容抗，有利于避免谐振。器或利用电缆段代替架空线路段，减小对地容抗，有利于避免谐振。v （4 4）特殊情况下，可将电网中性点改为暂时经电阻接地或直接接地）特殊情况下，可将电网中性点改为暂时经电阻接地或直接接地也可以采用临时的倒闸措施来改变电路参数，如投入事先规定好的某也可以采用临时的倒闸措施来改变电路参数，如投入事先规定好的某些线路或设备等，以消除谐振过电压。些线路或设备等，以消除谐振过电压。v （5 5） 禁止只使用一相或两相电压互感器接在相线与地线间，以保证禁止只使用一相或两相电压互感器接在相线与地线间，以保证三相对地阻抗的对称性，避免中性点位

18、移或产生谐振。三相对地阻抗的对称性，避免中性点位移或产生谐振。 （四）电力系统中常见谐振过电压及其防治（四）电力系统中常见谐振过电压及其防治v3.3.中性点接地系统中电压互感器饱和过电压中性点接地系统中电压互感器饱和过电压 在在110kV110kV、220kV220kV中性点接地系统中，电压互感器饱和过电中性点接地系统中，电压互感器饱和过电压出现在用断口间具有并联电容的断路器切空载线路时。压出现在用断口间具有并联电容的断路器切空载线路时。v 4.4.传递过电压传递过电压 当系统中发生不对称接地故障或断路器不同期操作时，当系统中发生不对称接地故障或断路器不同期操作时，可能出现明显的零序工频电压分

19、量，通过静电和电磁耦合可能出现明显的零序工频电压分量，通过静电和电磁耦合在相邻输电线路之间或变压器绕组之间会产生工频电压传在相邻输电线路之间或变压器绕组之间会产生工频电压传递现象，从而危及低压侧电气设备绝缘的安全；若与接在递现象，从而危及低压侧电气设备绝缘的安全；若与接在电源中性点的消弧线圈或电压互感器等铁磁元件组成谐振电源中性点的消弧线圈或电压互感器等铁磁元件组成谐振回路，还可能产生线性谐振或铁磁谐振传递过电压。回路，还可能产生线性谐振或铁磁谐振传递过电压。（四）电力系统中常见谐振过电压及其防治（四）电力系统中常见谐振过电压及其防治v5.5.超高压系统中的谐振过电压超高压系统中的谐振过电压v

20、 由于超高压系统电压高、传输距离长，往往装有串联、并由于超高压系统电压高、传输距离长，往往装有串联、并联补偿装置，这些集中的电容、电感元件使网络增加了谐联补偿装置，这些集中的电容、电感元件使网络增加了谐振的可能性。主要有非全相切合并联电抗器时的工频传递振的可能性。主要有非全相切合并联电抗器时的工频传递谐振，串、并联补偿网络的分频谐振以及空载线路合闸于谐振，串、并联补偿网络的分频谐振以及空载线路合闸于发电机变压器单元接线时引起的高频谐振等发电机变压器单元接线时引起的高频谐振等。v （1 1）在电抗器中性点接入小电抗，只要参数选择恰当，可以有效地）在电抗器中性点接入小电抗，只要参数选择恰当，可以有

21、效地避免工频谐振，降低断开相的工频传递电压。避免工频谐振，降低断开相的工频传递电压。v （2 2）在实际电力系统中最容易发生的高次谐波谐振是二次及三次谐）在实际电力系统中最容易发生的高次谐波谐振是二次及三次谐波，五次谐波也有可能。波，五次谐波也有可能。v （3 3）理论上简单的铁磁谐振回路中就可能产生各种不同分频谐振。）理论上简单的铁磁谐振回路中就可能产生各种不同分频谐振。但试验表明，最常见的是但试验表明，最常见的是1/31/3分频谐振。分频谐振。v （4 4）高压及超高压系统中采用电容式电压互感器也可能产生分频谐）高压及超高压系统中采用电容式电压互感器也可能产生分频谐振过电压。振过电压。三、

22、工频电压升高三、工频电压升高v 合闸后合闸后0.1s0.1s时间内出现的电压升高叫作操作过电压。时间内出现的电压升高叫作操作过电压。v 0.1s0.1s至至1s1s时间内，由于发电机自动电压调整器的惰性，发时间内，由于发电机自动电压调整器的惰性，发电机电动势电机电动势EE尚保持不变，在尚保持不变，在EE的基础上再加上空载线的基础上再加上空载线路的电容效应所引起的工频电压升高，总称暂态工频电压路的电容效应所引起的工频电压升高，总称暂态工频电压升高。升高。v 2 23s3s以后，系统进入稳定状态，这时的工频电压升高为以后，系统进入稳定状态，这时的工频电压升高为稳态工频电压升高。稳态工频电压升高。v

23、 工频电压升高的主要原因：工频电压升高的主要原因： 空载长线路的电容效应、不对称接地故障、发电机突然甩负荷等。空载长线路的电容效应、不对称接地故障、发电机突然甩负荷等。三、工频电压升高三、工频电压升高v1.1.空载长线路电容效应引起的工频电压升高空载长线路电容效应引起的工频电压升高v 对于一般电压等级的输电线路，传输距离不太长时，可以对于一般电压等级的输电线路，传输距离不太长时，可以用集中参数用集中参数T T型或型或型等值电路表示。型等值电路表示。v 对于超高压空载长线路，由于输电线路电压等级高，传送对于超高压空载长线路，由于输电线路电压等级高，传送距离长达几百距离长达几百kmkm。研究这种空

24、载长线路电容效应引起的工。研究这种空载长线路电容效应引起的工频电压升高时，就需要采用分布参数模型。频电压升高时，就需要采用分布参数模型。v 为了限制空载长线路的工频电压升高，通常采用并联电抗为了限制空载长线路的工频电压升高，通常采用并联电抗器来补偿线路电容电流以削弱电容效应。器来补偿线路电容电流以削弱电容效应。三、工频电压升高三、工频电压升高v2.2.不对称短路引起的工频电压升高不对称短路引起的工频电压升高 不对称短路是输电线路最常见的故障形式，当发生单相或不对称短路是输电线路最常见的故障形式，当发生单相或两相接地短路时，短路电流的零序分量会使健全相出现工两相接地短路时，短路电流的零序分量会使

25、健全相出现工频电压升高。频电压升高。v 接地系数接地系数 健全相的最高对地工频电压有效值与无故障时对地电压有效值之比，健全相的最高对地工频电压有效值与无故障时对地电压有效值之比，用符号用符号K K表示。表示。 三、工频电压升高三、工频电压升高v系统的零序电抗系统的零序电抗X X0 0则因系统中性点接地方式的不则因系统中性点接地方式的不同而有较大的差别同而有较大的差别v 对中性点不接地系统，对中性点不接地系统，X X0 0取决于线路的容抗，故为取决于线路的容抗，故为负值负值。 3 310kV10kV系系统统X X0 0/ /X X1 1值在值在2020的范围内，单相接地时健全相上的工频电压升的范

26、围内，单相接地时健全相上的工频电压升高可达高可达1.11.1倍额定电压。单相接地故障时，健全相电压接近等于额定倍额定电压。单相接地故障时，健全相电压接近等于额定电压。电压。 采用采用110避雷器。避雷器。v 对中性点经消弧线圈接地对中性点经消弧线圈接地353560kV60kV系统，按补偿度可以分为两种情况。系统，按补偿度可以分为两种情况。欠补偿方式时，欠补偿方式时，X X0 0为很大的容抗，为很大的容抗，| |X X0 0/ /X X1 1| |；过补偿方式时，；过补偿方式时，X X0 0为很大的感抗，为很大的感抗，| |X X0 0/ /X X1 1| |。单相接地故障时，健全相的工频电压。

27、单相接地故障时，健全相的工频电压升高不大于升高不大于1.41.4倍相电压，即倍相电压，即0.80.8倍额定电压倍额定电压U UN N，故采用，故采用8080避雷器避雷器。v 330kV330kV及以上系统输送距离较长，计及长线路的电容效应时，线路末及以上系统输送距离较长，计及长线路的电容效应时，线路末端工频电压升高可能超过系统最高电压的端工频电压升高可能超过系统最高电压的8080，因而根据安装位置分，因而根据安装位置分成电站型避雷器（成电站型避雷器（8080避雷器避雷器）及线路型避雷器（）及线路型避雷器（9090避雷器避雷器）。）。 三、工频电压升高三、工频电压升高v3.3.甩负荷引起的工频电

28、压升高甩负荷引起的工频电压升高 当输电线路重负荷运行时，由于某种原因（例如发生短路当输电线路重负荷运行时，由于某种原因（例如发生短路故障）线路末端断路器突然跳闸甩掉负荷，是造成工频电故障）线路末端断路器突然跳闸甩掉负荷，是造成工频电压升高的另一重要原因，通常称作甩负荷效应。压升高的另一重要原因，通常称作甩负荷效应。 影响工频电压升高的因素：影响工频电压升高的因素：v 断路器跳闸前输送负荷的大小；断路器跳闸前输送负荷的大小；v 空载长线路的电容效应；空载长线路的电容效应；v 发电机励磁系统及电压调节器的特性，原动机调速器及制动设备的惰发电机励磁系统及电压调节器的特性，原动机调速器及制动设备的惰性

29、，等等。性，等等。第三节第三节 电力系统防雷保护电力系统防雷保护雷电的放电过程和雷电参数雷电的放电过程和雷电参数1电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置2架空输电线路的防雷保护架空输电线路的防雷保护3发电厂和变电站的防雷保护发电厂和变电站的防雷保护4一、雷电的放电过程和雷电参数一、雷电的放电过程和雷电参数 根据实测结果：根据实测结果：v在在512km高度的雷云主要是带正电荷高度的雷云主要是带正电荷v在在15km高度的雷云主要是负电荷。高度的雷云主要是负电荷。v雷云中的电荷分布常常是非常不均匀的，雷云中的电荷分布常常是非常不均匀的，通常形成多个电荷密集中心。通常形成多个电荷密集中心。v当云

30、中电荷密集中心的场强达到当云中电荷密集中心的场强达到2530kV/cm时，就可能引发雷电放电。时，就可能引发雷电放电。v7590左右的雷电流是负极性的。左右的雷电流是负极性的。（一）雷电放电过程（一）雷电放电过程（二）雷电参数（二）雷电参数雷电参数雷电参数（二）雷电参数（二）雷电参数 1 1雷暴日和雷暴小时雷暴日和雷暴小时v雷暴日（或雷暴小时）是指该地区一年四季中有雷暴日（或雷暴小时）是指该地区一年四季中有雷电放电的天数（或小时数），记为雷电放电的天数（或小时数），记为T Td d（或（或T Th h）v雷暴小时可用来区别不同地区每个雷暴日内雷电雷暴小时可用来区别不同地区每个雷暴日内雷电活动持

31、续时间的差别。据统计，一个雷暴日折合活动持续时间的差别。据统计，一个雷暴日折合3 3个雷暴小时。个雷暴小时。v我国年平均雷暴日分布，西北少于我国年平均雷暴日分布，西北少于2525日，长江以日，长江以北北25254040日；长江以南日；长江以南40408080日，南方大于日，南方大于 8080日日v平均雷暴日数超过平均雷暴日数超过9090日的地区称为强雷区，超过日的地区称为强雷区，超过4040日的称为多雷区，不足日的称为多雷区，不足1515日的称为少雷区。日的称为少雷区。（二）雷电参数（二）雷电参数 2 2地面落雷密度地面落雷密度v表示每个雷暴日每平方公里地面受到的平均落雷表示每个雷暴日每平方公

32、里地面受到的平均落雷次数，记为次数，记为 。vN Ng g0.023 0.023 T Td d1.3 1.3 (8-14)(8-14) 式中，式中，N Ng g为每年每平方千米地面落雷数；为每年每平方千米地面落雷数；T Td d为雷暴日数。为雷暴日数。v地面落雷密度为地面落雷密度为 0.023 T0.023 Td d0.30.3 (8-15) (8-15)（二）雷电参数（二）雷电参数 3 3雷电流幅值雷电流幅值v雷电流是指雷击于低接地阻抗（雷电流是指雷击于低接地阻抗（3030）的物体）的物体时流过该物体的电流，近似等于传播下来的电流时流过该物体的电流，近似等于传播下来的电流入射波的入射波的2

33、2倍。雷电流幅值倍。雷电流幅值I I是表示雷电强度的指是表示雷电强度的指标。标。（图（图8-15 8-15 我国雷电流幅值概率曲线）我国雷电流幅值概率曲线）v在年平均雷暴日大于在年平均雷暴日大于2020的地区，测得的雷电流幅的地区，测得的雷电流幅值值I I的概率曲线可用下式表示的概率曲线可用下式表示 lg PI/88 (8-17) 式中，式中，P P为雷电流超过幅值为雷电流超过幅值I I（kAkA）出现的概率。）出现的概率。v在年平均雷暴日数只有在年平均雷暴日数只有2020或更少的地区或更少的地区 lg PI/44 (8-18)（二）雷电参数（二）雷电参数 4 4雷电流的波前时间、波长和陡度雷

34、电流的波前时间、波长和陡度v雷电流的波前时间雷电流的波前时间T T1 1多在多在1 14 4 s s内，平均为内，平均为2.62.6 s s左右，波长左右，波长T T2 2在在2020100100 s s内。我国规定在防雷设内。我国规定在防雷设计中采用计中采用2.62.64040 s s的波形，波长对防雷计算结的波形，波长对防雷计算结果几乎没有影响，为简化计算，一般可视波长为果几乎没有影响，为简化计算，一般可视波长为无限长。无限长。 v雷电流波前的上升陡度对过电压有直接影响，定雷电流波前的上升陡度对过电压有直接影响，定义雷电流的平均陡度为义雷电流的平均陡度为 I /2.6 (kA/s) (8-

35、19) 式中，式中， 是雷电流陡度（是雷电流陡度（kA/kA/ s s），一般认为），一般认为50 kA/50 kA/ s s左右是陡度的最大极限值。左右是陡度的最大极限值。（二）雷电参数（二）雷电参数 5雷电流的极性和等值计算波形雷电流的极性和等值计算波形 斜角平顶波斜角平顶波标准雷电流冲击波标准雷电流冲击波 等值半余弦波等值半余弦波3i iI I (1 (1coscostt)/2 )/2 式中，式中，为角频率，为角频率，/ /T T1 1。多用于分析雷电流波前多用于分析雷电流波前的作用，用余弦函数波的作用，用余弦函数波前计算雷电流通过电感前计算雷电流通过电感支路时所引起压降比较支路时所引起

36、压降比较方便。在设计特高杆塔方便。在设计特高杆塔时，这种波形将使计算时，这种波形将使计算更加接近于实际且偏于更加接近于实际且偏于从严。从严。2陡度陡度 可由给定的雷电可由给定的雷电流幅值流幅值I I和波前时间和波前时间T T1 1确定。确定。斜角波的数学表达式最斜角波的数学表达式最简单，便于分析与雷电简单，便于分析与雷电流波前有关的波过程。流波前有关的波过程。用于分析发生在用于分析发生在1010 s s以内的各种波过程，有以内的各种波过程，有很好的等值性。很好的等值性。1i iI I ( e ( e t te ett) ) 式中，式中，I I为雷电流幅值（为雷电流幅值（kAkA）；）； 、 为

37、时间常数；为时间常数；t t为作用时间。为作用时间。这种表示是与实际雷电这种表示是与实际雷电波形最为接近的等值计波形最为接近的等值计算波形，但比较繁琐。算波形，但比较繁琐。二、电力系统的防雷保护装置二、电力系统的防雷保护装置能使被保护物体避免雷击能使被保护物体避免雷击而引雷于本身，并顺利地而引雷于本身，并顺利地泄入大地的装置。泄入大地的装置。（一）避雷针（一）避雷针v避雷针包括三部分：避雷针包括三部分：接闪器接闪器( (避雷针的针头避雷针的针头) )、引下引下线线和和接地体接地体v避雷针的保护原理避雷针的保护原理: :雷云放电时使地面电场畸变，雷云放电时使地面电场畸变，在避雷针的顶端形成局部在

38、避雷针的顶端形成局部 场强集中的空间以影响雷场强集中的空间以影响雷 电先导放电的发展方向，电先导放电的发展方向， 使雷电对避雷针放电，再使雷电对避雷针放电，再 经过接地装置将雷电流引经过接地装置将雷电流引 入大地，从而使被保护物入大地，从而使被保护物 体免遭雷击。体免遭雷击。（一）避雷针（一）避雷针v单支避雷针的保护范围近似一个圆锥体空间，如图单支避雷针的保护范围近似一个圆锥体空间，如图8-178-17所示。它的侧面边界线实际上是曲线，工程上所示。它的侧面边界线实际上是曲线，工程上以折线代替曲线。以折线代替曲线。在被保护物高度在被保护物高度h hx x水平面上的保护半径水平面上的保护半径r r

39、x x为为 r rx x( (h hh hx x) )p p h hx xh h/2/2 r rx x(1.5(1.5h h2 2h hx x) )p p h hx xh h/2/2式中，式中，h h为避雷针的高度；为避雷针的高度；p p为高度修正系数为高度修正系数当当h h30m30m，p p1 1；当当3030h h120m120m时；时；当当h h30m30m，取，取h h120m120m时的时的p p值。值。5.5/ph（一）避雷针（一）避雷针v两避雷针间的保护范围应按通过两避雷针顶点及保两避雷针间的保护范围应按通过两避雷针顶点及保护范围上部边缘最低点护范围上部边缘最低点O O的圆弧确

40、定，圆弧半径为的圆弧确定，圆弧半径为R R0 0，O O点高度点高度h h0 0按下式计算按下式计算 h h0 0h hD D/(7/(7p p) )式中，式中，D D为两避雷针间的距离（为两避雷针间的距离（m m）；）；h h0 0为两避雷针间的保护范围上部边缘最低点为两避雷针间的保护范围上部边缘最低点O O高度（高度（m m）（二）避雷线（二）避雷线v避雷线避雷线( (即架空地线即架空地线) )的作用原理与避雷针相同，由的作用原理与避雷针相同，由三部分组成：三部分组成： 悬挂在空中的水平接地导线（接闪器）悬挂在空中的水平接地导线（接闪器） 接地引下线接地引下线 接地体接地体v避雷线主要用于

41、保护输电线路，也可用来保护发电避雷线主要用于保护输电线路，也可用来保护发电厂和变电站。厂和变电站。（二）避雷线（二）避雷线v单根避雷线的保护范围的长度与线路等长，而且两单根避雷线的保护范围的长度与线路等长，而且两端还有其保护的半个圆锥体空间。端还有其保护的半个圆锥体空间。v单根避雷线的保护范围按下式计算单根避雷线的保护范围按下式计算 r rx x0.47(0.47(h hS Sh hx x) )p p，当，当h hx xh hS S/2/2时时 r rx x( (h hS S1.531.53h hx x) )p p，当，当h hx xh hS S/2/2时时（二）避雷线（二）避雷线v两根避雷线

42、间横截面的保护范围应由通过两根避雷两根避雷线间横截面的保护范围应由通过两根避雷线线1 1、2 2及保护范围边缘最低点及保护范围边缘最低点O O的圆弧确定，的圆弧确定，O O点的点的高度为高度为 h h0 0h hS SD D/(4/(4p p) ) 式中，式中，h h0 0为两根避雷线间保护范围上部边缘最低点为两根避雷线间保护范围上部边缘最低点O O的高度（的高度（m m）；）；D D为两根避雷线间的水为两根避雷线间的水平距离（平距离（m m）；）；h hS S为避雷线的高度（为避雷线的高度（m m）；）；p p为高度修正系数。为高度修正系数。v所谓保护角所谓保护角 是指杆塔上避雷线的铅垂线与

43、避雷线是指杆塔上避雷线的铅垂线与避雷线和边导线的连线间的夹角。显然，保护角越小，避和边导线的连线间的夹角。显然，保护角越小，避雷线就越可靠地保护导线免受雷击。雷线就越可靠地保护导线免受雷击。v单根避雷线的保护角不能太小，一般在单根避雷线的保护角不能太小，一般在20203030o o。220220330kV330kV双避雷线线路，一般采用双避雷线线路，一般采用2020o o左右，左右，500kV500kV一般不大于一般不大于1515o o；山区宜采用较小的保护角。；山区宜采用较小的保护角。（二）避雷线（二）避雷线（三）避雷器（三）避雷器v避雷器就是一种普遍采用的侵入波保护装置，它是避雷器就是一种

44、普遍采用的侵入波保护装置，它是一种过电压限制器。早期主要用来限制由线路传入一种过电压限制器。早期主要用来限制由线路传入的雷电过电压的幅值，后来发展到用来限制某些小的雷电过电压的幅值，后来发展到用来限制某些小能量的操作过电压。近年来已拓宽到线路防雷和深能量的操作过电压。近年来已拓宽到线路防雷和深度限制操作过电压的领域中，故也可称为过电压限度限制操作过电压的领域中，故也可称为过电压限制器，简称限压器。制器，简称限压器。v为了使避雷器能够达到预期保护效果，必须满足下为了使避雷器能够达到预期保护效果，必须满足下面基本要求：面基本要求： （1 1）具有良好的伏秒特性，以易于实现合理的绝）具有良好的伏秒特

45、性，以易于实现合理的绝缘配合。缘配合。 （2 2）有较强的绝缘强度自恢复能力，以利于快速）有较强的绝缘强度自恢复能力，以利于快速切断工频续流，使电力系统得以继续运行。切断工频续流，使电力系统得以继续运行。（三）避雷器（三）避雷器 有间隙的避雷器有间隙的避雷器 1.1.保护间隙保护间隙 2.2.管式避雷器管式避雷器 3.3.带间隙阀式避雷器带间隙阀式避雷器避雷器避雷器 无间隙金属氧化无间隙金属氧化物避雷器物避雷器（MOA）普通阀式避雷器普通阀式避雷器磁吹阀式避雷器磁吹阀式避雷器（三）避雷器（三）避雷器v1 1保护间隙和管式避雷器保护间隙和管式避雷器v保护间隙是一种最简单的限压器，它由两个电极组保

46、护间隙是一种最简单的限压器，它由两个电极组成，并接在被保护设备的两端。当雷电波侵入时，成，并接在被保护设备的两端。当雷电波侵入时，间隙先击穿，线路接地，从而使电气设备得到保护间隙先击穿，线路接地，从而使电气设备得到保护v应用：在我国只用于应用：在我国只用于10kV10kV及以下场合。及以下场合。 优点优点最简单的限压最简单的限压缺点缺点灭弧能力低灭弧能力低（三）避雷器（三）避雷器v管式避雷器则是一个置于具有灭弧能力的产气管内管式避雷器则是一个置于具有灭弧能力的产气管内的保护间隙。的保护间隙。v应用：目前只是用作变电站进线段保护的辅助手段应用：目前只是用作变电站进线段保护的辅助手段用来保护容量小

47、的变电站及输电线路上薄弱绝缘路用来保护容量小的变电站及输电线路上薄弱绝缘路段。段。 优点优点具有灭弧能力具有灭弧能力缺点缺点伏秒特性太陡，且放电分散性较大，难以和被伏秒特性太陡，且放电分散性较大，难以和被保护设备实现合理的绝缘配合；放电间隙动作保护设备实现合理的绝缘配合；放电间隙动作后工作导线直接接地，会产生高幅值的截波，后工作导线直接接地，会产生高幅值的截波，对变压器的纵绝缘不利。对变压器的纵绝缘不利。（三）避雷器（三）避雷器v2 2阀式避雷器阀式避雷器v阀式避雷器由装在密封瓷套中的阀式避雷器由装在密封瓷套中的放电间隙组放电间隙组和和非线非线性电阻性电阻( (阀片阀片) )组成。组成。v阀式

48、避雷器的工作原理：阀式避雷器的工作原理：在电力系统正常工作时，间隙在电力系统正常工作时，间隙将电阻阀片与工作母线隔离，以免由母线的工作电压在电将电阻阀片与工作母线隔离，以免由母线的工作电压在电 阻阀片中产生的电流烧坏阀片。当避雷器上过电压的瞬时阻阀片中产生的电流烧坏阀片。当避雷器上过电压的瞬时值达到放电间隙的冲击放电电压时，间隙击穿，过电压波值达到放电间隙的冲击放电电压时，间隙击穿，过电压波即被截断，由于间隙放电的伏秒特性低于被保护设备的冲即被截断，由于间隙放电的伏秒特性低于被保护设备的冲击耐压强度，使被保护设备得到保护。间隙击穿后，冲击击耐压强度，使被保护设备得到保护。间隙击穿后，冲击电流通

49、过阀片流入大地，由于阀片的非线性特性，电流愈电流通过阀片流入大地，由于阀片的非线性特性，电流愈大电阻愈小，故在阀片上产生的压降大电阻愈小，故在阀片上产生的压降( (称为残压称为残压) )将得到限将得到限制，此残压应比被保护设备绝缘的冲击强度低制，此残压应比被保护设备绝缘的冲击强度低2525 4040，设，设备就得到了保护。备就得到了保护。 （三）避雷器（三）避雷器 普普通通阀阀式式避避雷雷器器 残压较高，其工频续流在残压较高，其工频续流在707080A80A，采用多个串，采用多个串联的平板间隙即可将续流切断。但其熄弧完全依靠联的平板间隙即可将续流切断。但其熄弧完全依靠间隙的自然熄弧能力，其次阀

50、片的热容量有限，不间隙的自然熄弧能力，其次阀片的热容量有限，不能承受较长持续时间的内过电压冲击电流的作用。能承受较长持续时间的内过电压冲击电流的作用。 有较平坦的伏秒特性，动作时不会形成截断波，有较平坦的伏秒特性，动作时不会形成截断波，所以可用作变电站中的变压器等重要设备的保护。所以可用作变电站中的变压器等重要设备的保护。磁磁吹吹阀阀式式避避雷雷器器 利用磁场使电弧运动来加强去游离，以提高间利用磁场使电弧运动来加强去游离，以提高间隙灭弧能力。隙灭弧能力。 能切断幅值为能切断幅值为300/450A300/450A（旋弧型（旋弧型/ /灭弧栅型）左灭弧栅型）左右的工频续流，且避雷器的残压能得到显著

51、的降低，右的工频续流，且避雷器的残压能得到显著的降低，因此广泛用于电压较高的如保护变电站用的磁吹阀因此广泛用于电压较高的如保护变电站用的磁吹阀式避雷器中。式避雷器中。（三）避雷器（三）避雷器v3 3无间隙氧化锌避雷器无间隙氧化锌避雷器v氧化锌电阻片具有非常优异的非线性伏安特性，可氧化锌电阻片具有非常优异的非线性伏安特性，可以取消阀式避雷器中的串联火花间隙，实现避雷器以取消阀式避雷器中的串联火花间隙，实现避雷器无间隙无续流，而且造价低廉所以也称为金属氧化无间隙无续流，而且造价低廉所以也称为金属氧化物电阻片，以此制成的避雷器也称为金属氧化物避物电阻片，以此制成的避雷器也称为金属氧化物避雷器雷器(M

52、OA)(MOA)。 （三）避雷器（三）避雷器v氧化锌（氧化锌（ZnOZnO）阀片与碳化硅（）阀片与碳化硅（S Si iC C）阀片伏安特性）阀片伏安特性曲线的比较曲线的比较 （三）避雷器（三）避雷器 1保护性能优越保护性能优越2无续流，动作负载轻，耐重复动作能力强无续流，动作负载轻，耐重复动作能力强3通流容量大通流容量大4性能稳定，抗老化能力强性能稳定，抗老化能力强氧化锌避雷器的优点氧化锌避雷器的优点氧化锌避雷器的主要参数氧化锌避雷器的主要参数1234567 额定电压额定电压 持续运行持续运行电压电压起始动作起始动作电压电压压比压比荷电率荷电率保护比保护比工频耐工频耐受伏秒受伏秒特性特性（四）

53、防雷接地（四）防雷接地v各种防雷保护装置（避雷针、避雷线和避雷器）都各种防雷保护装置（避雷针、避雷线和避雷器）都必须配以合适的接地装置，将雷电流泄入大地，才必须配以合适的接地装置，将雷电流泄入大地，才能有效地起到保护作用。能有效地起到保护作用。v接地电阻接地电阻R R是电流是电流I I经接地电极流入大地时，接地体经接地电极流入大地时，接地体对地电压对地电压U U与电流与电流I I之比值，即之比值，即R RU U/ /I I 。忽略接地。忽略接地体的金属电阻、接地引下线的电阻、接地体与土壤体的金属电阻、接地引下线的电阻、接地体与土壤的接触电阻等，则接地电阻主要是指接地体与零电的接触电阻等，则接地

54、电阻主要是指接地体与零电位之间土壤的电阻。位之间土壤的电阻。 （四）防雷接地（四）防雷接地v冲击接地电阻计算冲击接地电阻计算 冲击接地电阻冲击接地电阻R Ri i与工频接地电阻与工频接地电阻R Re e的比值的比值i i为接地为接地体的冲击系数，即体的冲击系数，即 i i R Ri i/ /R Re e (8-26) (8-26) 式中，式中，ii的值一般小于的值一般小于1 1，当采用伸长接地体时，可能会因电感效应而大于，当采用伸长接地体时，可能会因电感效应而大于1 1。在工程实。在工程实际中，经常利用式（际中，经常利用式（8-268-26）通过）通过ii和和ReRe计算计算RiRi。工频接地

55、电阻工频接地电阻ReRe工频电流工频电流IeIe作用时呈现的电阻作用时呈现的电阻冲击接地电阻冲击接地电阻RiRi冲击电流作用时呈现的电阻冲击电流作用时呈现的电阻 接地电阻接地电阻三、架空输电线路的防雷保护三、架空输电线路的防雷保护 直击雷过电压直击雷过电压雷电直接击中杆塔、避雷电直接击中杆塔、避雷线或导线引起的线路雷线或导线引起的线路过电压过电压雷电过电压雷电过电压 感应雷过电压感应雷过电压雷击线路附近大地，由雷击线路附近大地，由于电磁感应在导线上产于电磁感应在导线上产生的过电压生的过电压绕击绕击反击反击三、架空输电线路的防雷保护三、架空输电线路的防雷保护耐雷水平耐雷水平I I0 0指雷击时线

56、路绝缘不发生冲指雷击时线路绝缘不发生冲击闪络的最大雷电流幅值击闪络的最大雷电流幅值耐雷水平愈高，线路耐雷性能愈耐雷水平愈高，线路耐雷性能愈好好雷击跳闸率雷击跳闸率我国以我国以4040雷暴日、雷暴日、l00kml00km长线长线路雷击跳闸次数路雷击跳闸次数跳闸率愈高，耐雷性能愈差跳闸率愈高，耐雷性能愈差额定电压额定电压UN / kV35356666110110220220330330500500耐雷水平耐雷水平I I0 0 / kA / kA2020303030306060404075757575110110100100150150125125175175雷电流超过雷电流超过I I0 0的的概率

57、概率P PIoIo / % / %59594646464621213535141414145.65.67.37.32.02.03.83.81.01.0注注 表中表中I I0 0较大的数值适用于多雷区或重要性较大的线路或变电站的进线保护段。较大的数值适用于多雷区或重要性较大的线路或变电站的进线保护段。三、架空输电线路的防雷保护三、架空输电线路的防雷保护 1 1 使线路发生短路接地故障，雷电过电压的作用时间虽使线路发生短路接地故障，雷电过电压的作用时间虽然很短然很短( (数十微秒数十微秒) )，但导线对地，但导线对地( (避雷线或杆塔避雷线或杆塔) )发生闪络发生闪络以后，工频电压将沿此闪络通道继

58、续放电，进而发展成为以后，工频电压将沿此闪络通道继续放电，进而发展成为工频电弧接地。此时继电保护装置将会动作使线路断路器工频电弧接地。此时继电保护装置将会动作使线路断路器跳闸，影响正常送电。跳闸，影响正常送电。 2 形成雷电波侵入变电站，在变电站内经历复杂的折反形成雷电波侵入变电站，在变电站内经历复杂的折反射过程，可能使电力设备承受很高的过电压，以致破坏设射过程，可能使电力设备承受很高的过电压，以致破坏设备绝缘，造成停电事故。备绝缘，造成停电事故。降低杆塔降低杆塔接地电阻接地电阻 采用中性采用中性点经消弧点经消弧线圈接地线圈接地安装线路避雷器安装线路避雷器装设自动装设自动重合闸重合闸三、架空输

59、电线路的防雷保护三、架空输电线路的防雷保护综合防雷措施综合防雷措施四、发电厂和变电站的防雷保护四、发电厂和变电站的防雷保护v发电厂是生产电能的场所，变电站是电力系统的发电厂是生产电能的场所，变电站是电力系统的枢纽，一旦发生雷害事故，将造成大面积停电；枢纽，一旦发生雷害事故，将造成大面积停电；同时，电气设备的绝缘如受损坏，则需更换或修同时，电气设备的绝缘如受损坏，则需更换或修复，而且更换或修复的时间往往很长，将造成很复，而且更换或修复的时间往往很长，将造成很大的影响。因此，发电厂和变电站的防雷保护要大的影响。因此，发电厂和变电站的防雷保护要求十分可靠。求十分可靠。v发电厂和变电站的雷害情况有：发

60、电厂和变电站的雷害情况有： 1. 1.雷电直接击于发电厂和变电站；雷电直接击于发电厂和变电站； 2. 2.输电线路上发生感应雷过电压或直接落雷，雷输电线路上发生感应雷过电压或直接落雷，雷电电 波沿导线侵入变电站或发电机。波沿导线侵入变电站或发电机。（二）发电厂和变电站的直击雷防护（二）发电厂和变电站的直击雷防护v避雷针的装设分为：避雷针的装设分为：独立避雷针独立避雷针和和构架避雷针构架避雷针v独立避雷针独立避雷针 设避雷针在高度为设避雷针在高度为h处的电位为处的电位为uA，接地装置上的电位为，接地装置上的电位为uB，则，则 uAiRi L0h di/dt (kV)(8-27) uBiRi (k