第六章雷电及防雷设备

1、 雷电自然中最宏伟壮观的现象，也是最普遍的现象之一，它对人类的生活环境、工作条件等都造成了很大的影响，因此对雷电的研究和防护意义重大。 早在18世纪初，富兰克林等物理学家已经揭示了“闪电就是电”的本质，而随着物理学的进一步发展，人们对雷电这一自然现象有了更深刻的认识。第六章 雷电及防雷设备从电力工程的角度来看，最值得我们注意的两个方面是： 雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压，它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一产生巨大电流，使被击物体炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损坏。 雷电放电实质上是一种超长气隙的火花放电，它所产生的雷电流高达数十、甚至数百千安，从而会引起巨大

2、的电磁效应、机械效应和热效应。第一节 雷电放电和雷电过电压雷云的形成 雷电放电过程 雷电参数 雷电过电压的形成雷云的形成机理获得比较广泛认同的是水滴分裂起电理论：大水滴分裂成水珠和细微的水沫，出现电荷分离现象，大水珠带正电，小水沫带负电，细微水沫被上升气流带往高空，形成大片带负电的雷云。雷云下部局部正电荷区。一、雷云的形成 二、雷电放电过程三、雷电参数(一)雷电活动频度雷暴日及雷暴小时 雷暴日Td是一年中发生雷电的天数，以听到雷声为准，在一天内只要听到过雷声，无论次数多少，均计为一个雷暴日。 雷暴小时Th是一年中发生雷电放电的小时数，在一个小时内只要有一次雷电，即计为一个雷电小时。 一个雷暴日

3、折合三个雷暴小时。 雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关 Td 40，多雷区；90，强雷区 (二)地面落雷密度( )和雷击选择性 表示每平方公里地面在一个雷暴日受到的平均雷击次数。 我国标准对Td 40的地区，取 0.07 (三)雷道波阻抗（Z0） 雷电通道长度数千米，半径仅为数厘米，类似于一条分布参数线路，具有某一等值波阻抗，称为雷道波阻抗。 主放电过程可看作是一个电流波沿着波阻抗为Z0的雷道投射到雷击点的波过程。 我国有关规程建议取Z0 300 负极性雷击均占7590%，对设备绝缘危害较大,防雷计算中一般均按负极性考虑。(四)雷电的极性02II 88lgIPI(五)雷电流幅值

4、（ ） 0I 通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻( 30)的物体时流过雷击点的电流。它近似等于电流入射波 的两倍，即 I一般地区，雷电流幅值超过 的概率可按下式计算波前陡度的最大极限值一般可取50kA/us左右。(六)雷电流的波前时间、陡度及波长 雷电流的波前时间T1处于14us的范围内，平均为2.6us。波长T2 处于20100us的范围内，多数为40us左右。 我国防雷设计采用2.6/40us的波形；在绝缘的冲击高压试验中，标准雷电冲击电压的波形定为1.2/50us6 . 2Ia 雷电流波前的平均陡度 (kA/us)(0tteeIiati )(1Ttati)(11TtIaTi)cos1(2

5、tIi (七)雷电流的计算波形1、双指数波2、斜角波3、斜角平顶波 4、半余弦波在防雷计算中，按不同要求采用不同的计算波形(八)雷电的多重放电次数及总延续时间 有55的对地雷击包含两次以上的重复冲击；35次冲击者有25%；10次以上者有4%。平均重复冲击次数取3次。一次雷电总延续时间，有50%小于0.2s(九)放电能量 A=QU=107V20C20107W. .s，放电能量不大，但是在极短时间内放出的，因而功率很大。四、雷电过电压的形成 (一)雷电放电的计算模型(三)感应雷击过电压 雷击于线路附近大地或接地的线路杆塔顶部等，在绝缘的导线上引起感应过电压。AiUIR100AUI(二)直接雷击过电

6、压 雷击于地面上接地良好的物体雷击于导线或档距中央避雷线在先导放电阶段，虽然有束缚电荷的存在，但是由于负电荷移动较慢，故线路上产生的的电流较小，相应的电压也较小，可忽略。主放电阶段，负电荷迅速被中和，束缚的正电荷产生的电场使导线对地形成一定电压，而雷电流产生的磁通在导线也感应出一定电压。这两者之和就是感应雷击过电压，分别称为雷击过电压的静电分量和电磁分量。小 结获得比较广泛认同的雷云形成机理为水滴分裂起电理论。 雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的火花放电。其发展过程分为三个阶段：第一次主放电、箭状先导、第三次主放电。 从雷电过电压计算和防雷设计的角度来看，值得注意的雷电参数有雷暴日及雷暴小时

7、、雷电流幅值、雷电流的计算波形等。 感应雷击过电压的形成机理与直接雷击过电压完全不同。第二节 防雷保护装置避雷针和避雷线 保护间隙和避雷器 防雷接地现代电力系统中实际采用的防雷保护装置主要有：避雷针、避雷线、保护间隙、各种避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等等。一、避雷针和避雷线一、避雷针和避雷线 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）。 避雷针适宜用于变电所、发电场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伸展很广的保护对象。保护原理：避雷针（线）一般均高于被保护对象，它们的迎面先导往往开始得最早，发展得最快，最先影

8、响雷电下行先导的发展方向，使之击向避雷针（线），并顺利泄入地下，使处于它们周围的较低物体受到屏蔽保护、免遭雷击。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）率，绕击指的，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体的现象。我国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有关规程所推荐的保护范围对应于0.10.1的绕击率。的绕击率。 ( (一一) )单支避雷针单支避雷针()()2xxxhrhhPh(1.52 )()2xxxhrhh Phx

9、hxrh 避雷针高度避雷针高度 P 高度修正系数高度修正系数 - - 被保护物的高度被保护物的高度 - - 保护范围保护范围mh30当当 时时 P P1 1 mhm12030hP5 .5当当 时时( (二二) )多只避雷针（通过叠加求出联合保护范围）多只避雷针（通过叠加求出联合保护范围） 因此单根避雷线的保护半径要比单根避雷针的保护半径小得多0.47()()2xxxhrhhPh(1.53 )()2xxxhrhh Ph(三)单根避雷线 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上部边缘最低点O的圆弧来确定(四)两根等高避雷线 应用范围：仅用于不重要和单相接地不会导

10、致严重后果的场合。二、保护间隙和避雷器 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F的击穿电压Ub。缺点：1）伏秒特性很陡； 2）保护间隙没有专门的灭弧装置3）产生大幅值的截波。（一）保护间隙 （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。缺点：2）伏秒特性和产生截波方面与保护间隙相似,维护较麻烦。3）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。1）续流太小时不能灭弧，太大时产气过多，使管子爆裂。结构：主要由火花间隙F及与之串

11、联的工作电阻R两大部分组成。(三)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绝缘水平的基础。 (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能力较强的磁吹火花间隙和通流能力较大的高温阀片。1、旋弧型磁吹避雷器2、灭弧栅型磁吹避雷器特点： 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，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。 (五)金属氧化物避雷器（MOA）氧化锌(ZnO)，具有极其优异的非线性特性。优点：1）可省去串联火

12、花间隙，结构大大简单2）由于具有极好的非线性伏安特性，保护性能优越3）无续流、动作负载轻、能重复动作实施保护4）流通容量大，能制成重载避雷器5）耐污性好三、防雷接地三、防雷接地（一）接地一般概念 电工中“地”是指地中不受入地电流的影响而保持着零电位的土地。电气设备导电部分和非导电部分与大地的人为连接称为接地。电力系统的接地分为三类：1）工作接地：正常工作需要而设置的接地。0.5102）保护接地：为了保护人身安全金属接地。110 3）防雷接地：将雷电流顺利泄如地下，以减小它所引起的过电压。eeeIUReiiRRiReRi冲击接地电阻 ，工频或直流下的接地电阻 ，二者之比称为冲击系数 。i 的值一般小于1，但在接地体很长时也有可能大于1。 接地电阻Re等于从接地体到地下远处零位面之间的电压Ue与流过的工频或直流电流Ie之比。)18(ln2dllRenRRee)(ln22AhdLLRe 常见的一些接地体的工频接地电阻计算公式1、单根垂直接地体2、多根垂直接地体3、水平接地体(二)防雷接地及有关计算防雷接地所泄放的电流是冲击大电流。 接地体单位长度电感L0，压降L0di/dt很可观，使接地体变成非等电位物体。L0的影响使伸长接地体的冲击接地电阻Ri增大接地体周围会出现一个火花放电区，使冲击接地电阻Ri变小。两者对接地电阻的影响相反。看