高电压工程09T

1、第九章第九章 雷电参数及防雷装置雷电参数及防雷装置高电压工程基础高电压工程基础 主讲教师：田翠华2 雷电是一种可怖而又壮观的自然现象，我国东周时雷电是一种可怖而又壮观的自然现象，我国东周时庄子庄子上有记述：上有记述：“阴阳分争故为电，阳阴交争故为雷，阴阳错行，阴阳分争故为电，阳阴交争故为雷，阴阳错行，天地大骇，于是有雷、有霆。天地大骇，于是有雷、有霆。” 人们对雷电现象的科学认识始于人们对雷电现象的科学认识始于18世纪中叶，著名科学家有世纪中叶，著名科学家有富兰克林（富兰克林（Franklin）、）、MB罗蒙诺索夫（罗蒙诺索夫（Jiomohocob）、）、LB黎赫曼（黎赫曼（Phxmah）等，

2、如著名的富兰克林风筝实验，第）等，如著名的富兰克林风筝实验，第一次向人们揭示了雷电只不过是一种一次向人们揭示了雷电只不过是一种火花放电火花放电的秘密，他们通的秘密，他们通过大量实验取得卓越成就，建立了现代雷电学说，认为雷击是过大量实验取得卓越成就，建立了现代雷电学说，认为雷击是云层中大量负电荷和正电荷迅速中和而产生的现象。特别是利云层中大量负电荷和正电荷迅速中和而产生的现象。特别是利用高速摄影、自动录波、雷电定向定位等现代测量技术对雷电用高速摄影、自动录波、雷电定向定位等现代测量技术对雷电进行的观测研究，大大丰富了人们对雷电的认识。进行的观测研究，大大丰富了人们对雷电的认识。3 能产生雷电的带

3、电云层称为雷云。雷云的形成主要是含水汽的空气的热对流效应。太阳的热辐射使地面部分水分化为蒸汽，含水蒸汽的空气受到炽热的地面烘烤而上升，会产生向上的热气流。热气流每上升10km，温度下降约10，热气流与高空冷空气相遇形成雨滴、冰雹等水成物，水成物在地球静电场的作用下被极化，形成热雷云。雷云的形成4雷云的形成过程是综合性的。 强气流将云中的水滴吹裂时，较大的残滴带正电，较小的水珠带负电，小水珠被气流带走，于是云的各部分带有不同的电荷，这是水滴破裂效应。 水在结冰时，冰粒会带正电，没有结冰的被风吹走小水珠将带负电，这是水滴结冰效应。5最后形成带正电的云粒子在云的上部，而负电的水成物在云的下部，或者带

4、负电的水成物以雨或雹的形式下降到地面。当上面所讲的带电云层一经形成，就形成雷云空间电场。由此可见，雷电的成因源于大气的运动。 6 作用于电力系统的雷电过电压最常见的（约90%）是由带负电的雷云对地放电引起，称为负下行雷，下面以负下行雷为例分析雷电放电过程。负下行雷通常包括若干次重复的放电过程，而每次可以分为先导放电、主放电和余辉放电三个阶段。 先导放电阶段 主放电阶段 余辉放电阶段雷电放电过程8 一、雷电放电的三个阶段一、雷电放电的三个阶段 先导放电：先导放电： E 30kV/cm E 30kV/cm 主放电主放电: :（约（约5050 100s 100s ）电流极大电流极大（ 数十上百千安）

5、数十上百千安） 余辉放电余辉放电: :v特点：特点：电流不大电流不大（数百安）（数百安）持续时间较长持续时间较长（ 0.030.03 0.15s0.15s）v特点：特点：存在时间极短存在时间极短9 负雷云下行雷的过程负雷云下行雷的过程(a)(a)负下行雷的光学照片描绘图负下行雷的光学照片描绘图 (b)(b)放电过程中雷电流的变化过程放电过程中雷电流的变化过程10雷电参数 雷电放电受气象条件、地形和地质等许多自然因素影响，带有很大的随机性，因而表征雷电特性的各种参数也就具有统计的性质。 主要的雷电参数有： 雷暴日及雷暴小时、地面落雷密度、主放电通道波阻抗、雷电流极性、雷电流幅值、雷电流等值波形、

6、雷电流陡度等。 111.雷暴日及雷暴小时 雷暴日Td 是指该地区平均一年内有雷电放电的平均天数，单位d/a 。雷暴小时Th 雷暴小时是指平均一年内的有雷电的小时数，单位h/a。雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关Td 15 中雷区 40，多雷区；90，强雷区( (衡量雷电活动频繁的程度衡量雷电活动频繁的程度) ) 标准雷暴日：标准雷暴日：4040122 雷电流 雷击小接地阻抗（小于30欧姆）物体时，流过该物体的电流定义为雷电流。其基本参数有雷电流的幅值、波形、波头时间、陡度和极性lg88IP lg44Ip 幅值 (Td20)峰值等于或大于50kA的雷电流出现的概率为27% (Td

7、20)主放电通道波阻抗 300欧姆13电流的波形和最大陡度电流的波形和最大陡度 0()ttiIee波形1(1 cos)2iIt 雷电冲击试验和防雷设计中常用的雷电流等值波形有双指数波、斜角波和半余弦波三种。雷电流的等值波形雷电流的等值波形(a)(a)双指数波双指数波 (b)(b)斜角波斜角波 (c)(c)半余弦波半余弦波14t t: : 波头时间（波前时间）波头时间（波前时间）: : 波长（半峰值时间）波长（半峰值时间） 1 1 4 s 4 s 平均平均2.6 s2.6 s 2 02 0100 s 100 s 多为多为40 s40 s 15雷电流陡度 雷电流陡度是指雷电流随时间上升的速度。雷电

8、流陡度越大，对电气设备造成的危害也越大。雷电流陡度的直接测量更为困难，常常根据一定的幅值、波头和波形来推算。DL/T 6201997标准取波头形状为斜角波，波头按2.6 考虑，雷电流陡度 。计算雷电流冲击波波头陡度出现的概率可用下列经验公式计算： 或36logaaP36a10aP6 . 2Ia sIitt16 平顶斜角波平顶斜角波陡度陡度 a= I/a= I/t t= I/2.6 = I/2.6 kA /s kA /s 防雷设计中取防雷设计中取 t / /2.6 / 40 s 2.6 / 40 s t17 当雷云电荷为负时，所发生的雷云放电为负极性放电，雷电流极性为负；反之，雷电流极性为正。实

9、测统计资料表明，不同的地形地貌，雷电流正负极性比例不同，负极性所占比例在75%90%之间，因此，防雷保护都取负极性雷电流进行研究分析。雷电流极性183. 地面落雷密度 表征雷云对地放电的频繁程度以地面落雷密度来表示，是指每一雷暴日每平方公里地面遭受雷击的次数。地面落雷密度和雷暴日的关系式为： 0.3d023. 0TDL/T 6201997标准取 为基准，则40dT07. 0 实测统计得实测统计得: :0.07 0.07 次次/ /平方公里平方公里雷暴日雷暴日(4 )0.07100 400.28(4 )1000dbhNS Tbh 4. 4.线路每百公里每年的雷击次数线路每百公里每年的雷击次数N

10、N19防雷保护设备 雷电放电作为一种强大的自然力的爆发是难以制止的，产生的雷电过电压可高达数百至数千kV，如不采取防护措施，将引起电力系统故障，造成大面积停电。 目前人们主要是设法去躲避和限制雷电的破坏性，基本措施就是加装避雷针、避雷线、避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等防雷保护装置。 避雷针、避雷线用于防止直击雷过电压，避雷器用于防止沿输电线路侵入变电所的感应雷过电压。20 避雷针（线）的作用避雷针（线）的作用: :引雷引雷 、泄雷、泄雷 引 下 线6 m m接 地 体 接 闪 器 1 0 1 2 m m219.2.1 避雷针和避雷线保护范围 避雷针防雷原理 避雷针

11、是明显高出被保护物体的金属支柱，其针头采用圆钢或钢管制成，其作用是吸引雷电击于自身，并将雷电流迅速泄入大地，从而使被保护物体免遭直接雷击。避雷针需有足够截面的接地引下线和良好的接地装置，以便将雷电流安全可靠地引入大地。 222. 避雷针的保护范围 表示避雷针的保护效能，通常采用保护范围的概念，只具有相对意义。避雷针的保护范围是指被保护物体在此空间范围内不致遭受直接雷击。我国使用的避雷针的保护范围的计算方法，是根据小电流雷电冲击模拟试验确定，并根据多年运行经验进行了校验。保护范围是按照保护概率99.9%确定的空间范围（即屏蔽失效率或绕击率0.1%）。23（1） 单支避雷针 ()()2xxxhrh

12、hPh单支避雷针的保护范围如图所示: 单支避雷针的保护范围单支避雷针的保护范围(1.52)()2xxxhrhhPh24 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。O点为假想避雷针的顶点，其高度按下式计算： (2)两支等高避雷线高度为高度为h h的两支等高避雷针的保护范围的两支等高避雷针的保护范围 pDhh7O 式中：Oh 两针间保护范围上部边缘最低点高度，mD 两避雷针间的距离，m。25 (3)两支不等高避雷针两支不等高避雷针的保护范围如图所示。 两支不等高避雷针的保护范围两支不等高避雷针的保护范围26(4)多支等高避雷针 由于发电

13、厂或变电所的面积较大，实际上都采用多支等高避雷针保护。三支等高避雷针所形成的三角形的外侧保护范围分别按两支等高避雷针的计算方法确定。四支及以上等高避雷针所形成的四角形或多角形，可先将其分成两个或数个三角形，然后分别按三支等高避雷针的方法计算。 27 三支等高避雷针在hx水平面上的保护范围如图（a）所示，图（b）所示为四支等高避雷针在hx水平面上的保护范围。三、四支等高避雷针在三、四支等高避雷针在h hx x水平面上的保护范围水平面上的保护范围(a)(a)三支等高避雷针在三支等高避雷针在h hx x水平面上的保护范围水平面上的保护范围(b)(b)四支等高避雷针在四支等高避雷针在h hx x水平面

14、上的保护范围水平面上的保护范围282 避雷线防雷原理及保护范围 避雷线，通常又称架空地线，简称地线。避雷线的防雷原理与避雷针相同，主要用于输电线路的保护，也可用来保护发电厂和变电所，近年来许多国家采用避雷线保护500kV大型超高压变电所。用于输电线路时，避雷线除了防止雷电直击导线外，同时还有分流作用，以减少流经杆塔入地的雷电流从而降低塔顶电位，避雷线对导线的耦合作用还可以降低导线上的感应雷过电压。 292hhxphhr)(47. 0 xx2hhxphhr)53. 1(xx 单根避雷线的保护范围如图所示，在hx水平面上每侧保护范围的宽度按下列公式计算：当时 时 式中：rxhx水平面上每侧保 护范

15、围的宽度，m；hx被保护物的高度，m；h避雷线的高度，m。单根避雷线的保护范围单根避雷线的保护范围避雷线的保护范围比避雷针小，因为其对雷云先导的畸变作用小于避雷针的缘故30pDhh4O0h 两根等高平行避雷线的保护范围如图所示。两线外侧的保护范围按单根避雷线的计算方法确定。两线间各横截面的保护范围由通过两避雷线1、2点及保护范围边缘最低点O的圆弧确定。O点的高度应按下式计算：式中：两避雷线间保护范围上部边缘最低点的高度，m； D两避雷线间的距离，m。两根平行避雷线的保护范围两根平行避雷线的保护范围31 表示避雷线对导线的保护程度，工程中常用保护角来表示，如图所示。保护角是指避雷线和外侧导线的连

16、线与避雷线的垂线之间的夹角。保护角愈小，避雷线就愈可靠地保护导线免遭雷击。一般=20 30，这时即认为导线已处于避雷线的保护范围之内。避雷线的保护角避雷线的保护角绕击？电气几何模型？329.3 避雷器 避雷器是专门用以限制线路传来的雷电过电压或操作避雷器是专门用以限制线路传来的雷电过电压或操作过电压的一种防雷装置。过电压的一种防雷装置。避雷器实质上是一种过电压限制避雷器实质上是一种过电压限制器器，与被保护的电气设备并联连接，当过电压出现并超过，与被保护的电气设备并联连接，当过电压出现并超过避雷器的放电电压时，避雷器先放电，从而限制了过电压避雷器的放电电压时，避雷器先放电，从而限制了过电压的发展

17、，使电气设备免遭过电压损坏。的发展，使电气设备免遭过电压损坏。 避雷器的常用类型有：避雷器的常用类型有：保护间隙、排气式避雷器（常保护间隙、排气式避雷器（常称管型避雷器）、阀式避雷器和金属氧化物避雷器（常称称管型避雷器）、阀式避雷器和金属氧化物避雷器（常称氧化锌避雷器）四种氧化锌避雷器）四种。33第三节 避雷器n一 基本要求避雷器就是一种普遍采用的侵入波保护装置，它是一种过电压限制器。 n基本要求：（1）保护装置的冲击放电电压Ub(i)应低于被保护设备绝缘的冲击耐压值。n（2）放电间隙应有平坦的伏秒特性曲线和尽可能高的灭弧能力。34一、保护间隙一、保护间隙 优点：结构简单、价廉。优点：结构简单

18、、价廉。 缺点：保护效果差，与被保护设备的伏秒特性不易配合；缺点：保护效果差，与被保护设备的伏秒特性不易配合；动作后产生的动作后产生的截波截波，对变压器匝间绝缘有很大的威胁。因此，对变压器匝间绝缘有很大的威胁。因此它往往与其它防护措施配合使用。分散性大。它往往与其它防护措施配合使用。分散性大。仅用于I0kV 以下的配电网中 保护间隙常用双羊角状间隙，取其保护间隙常用双羊角状间隙，取其有电弧上吹特性，我国常用于有电弧上吹特性，我国常用于3 10kV电网中。保护间隙有一定的限制过电压电网中。保护间隙有一定的限制过电压效果，但不能避免供电中断。效果，但不能避免供电中断。工频续流？工频续流？过电压消失

19、后，由工频电压形成的工频电弧继续流过间隙过电压消失后，由工频电压形成的工频电弧继续流过间隙35二、管型避雷器二、管型避雷器外间隙外间隙内间隙内间隙1产气管；产气管；2胶木管套；胶木管套；3棒电极；棒电极；4环形电极；环形电极；5贮气室；贮气室；6动作指示器动作指示器 能熄灭的续流具有一定的上限和下限。 排气式避雷器的主要缺点：1) 伏秒特性太陡，放电分散性较大，难以和被保护设备实现合理的绝缘配合2) 排气式避雷器动作后会产生高幅值的截波，对变压器的纵绝缘不利 线路保护，变电站的进线段保护 36三、阀型避雷器三、阀型避雷器 当过电压达到间隙动作电压，间隙动作，冲击电流经阀当过电压达到间隙动作电压

20、，间隙动作，冲击电流经阀片流入大地；之后，阀片仅受到工频电压作用，由于非线性片流入大地；之后，阀片仅受到工频电压作用，由于非线性关系，阀片电阻值增高，使流过的工频续流受到限制，并在关系，阀片电阻值增高，使流过的工频续流受到限制，并在第一次过零瞬间，由间隙将此续流切断。第一次过零瞬间，由间隙将此续流切断。注意注意：避雷器从间隙击穿到工频续流被切断不超过半个周波，：避雷器从间隙击穿到工频续流被切断不超过半个周波，因此电网在整个过程均保持正常供电。因此电网在整个过程均保持正常供电。 37 普通阀式避雷器（普通阀式避雷器（火花间隙、非线性电阻火花间隙、非线性电阻）单个火花间隙的结构单个火花间隙的结构a

21、.保证间隙中保证间隙中的电场为均匀的电场为均匀电场，伏秒特电场，伏秒特性平缓；性平缓；b.电电晕可缩短间隙晕可缩短间隙放电时间放电时间 阀片的伏安特性阀片的伏安特性kuC i多个短间隙串联易多个短间隙串联易于切断工频续流。于切断工频续流。（复合与散热）（复合与散热） 多个间隙串联电压分布多个间隙串联电压分布不均匀，使避雷器灭弧不均匀，使避雷器灭弧能力降低。可使用并联能力降低。可使用并联电阻使电压分布均匀。电阻使电压分布均匀。 a. 当电流增大时，阀片呈现当电流增大时，阀片呈现低阻值，使避雷器上电压降低阻值，使避雷器上电压降低，增加了避雷器的保护效低，增加了避雷器的保护效果。果。b. 希望在工频

22、电压升高希望在工频电压升高后流过间隙阀片的续流不超后流过间隙阀片的续流不超过规定值，此时阀片呈现的过规定值，此时阀片呈现的电阻要有足够的数值。电阻要有足够的数值。 普通阀式避雷器（普通阀式避雷器（火花间隙、非线性电阻火花间隙、非线性电阻）优点：伏安特性较平坦，灭弧能力强缺点：有工频续流39灭弧电压灭弧电压：对于有间隙避雷器，续流第一次经过零值保证：对于有间隙避雷器，续流第一次经过零值保证不重燃的条件下，允许作用在避雷器上的最高工频电压。不重燃的条件下，允许作用在避雷器上的最高工频电压。切断比切断比：避雷器间隙的工频放电电压（下限）与续流过零：避雷器间隙的工频放电电压（下限）与续流过零后间隙所能

23、承受的最大工频电压（灭弧电压）之比，其值后间隙所能承受的最大工频电压（灭弧电压）之比，其值越小越好。越小越好。残压残压：流过避雷器的冲击电流一定幅值（普通阀式避雷器流过避雷器的冲击电流一定幅值（普通阀式避雷器为为 5kA），一定波形（），一定波形（8/20 s），在阀片电阻上产生的最），在阀片电阻上产生的最大压降。大压降。保护比保护比：残压与灭弧电压之比，保护比的值越小越好。：残压与灭弧电压之比，保护比的值越小越好。 40 磁吹阀式避雷器磁吹阀式避雷器 提高避雷器切断工频续流值的方法之一是提高避雷器切断工频续流值的方法之一是“磁吹磁吹”，即，即利用磁场电弧的电动力作用，使电弧拉长或旋转，以提高

24、间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。隙灭弧能力。 1电极；电极；2灭弧盒；灭弧盒；3分路电阻；分路电阻；4灭弧栅；灭弧栅；5主间隙；主间隙；6磁吹线圈；磁吹线圈；7辅助间隙辅助间隙 间隙由一对角形电极间隙由一对角形电极 1 组成，组成，磁场是轴向的，续流电弧被轴向磁场是轴向的，续流电弧被轴向磁场力拉长，吹入灭弧栅磁场力拉长，吹入灭弧栅 4，电，电弧最终长度可达起始长度的数十弧最终长度可达起始长度的数十倍，灭弧盒倍，灭弧盒2 用陶瓷或云母、玻用陶瓷或云母、玻璃等材料制成，电弧在灭弧栅中璃等材料制成，电弧在灭弧栅中受到强烈的去游离作用，因而电受到强烈的去游离作用，因而

25、电弧电阻很大，能起到限制续流的弧电阻很大，能起到限制续流的作用，故称为限流间隙，它可切作用，故称为限流间隙，它可切断断 450A 左右的续流。左右的续流。 41 金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器(MOA)出现于出现于20世纪世纪70年代，因其性年代，因其性能比碳化硅避雷器更好，现在已在全世界得到广泛应用。金能比碳化硅避雷器更好，现在已在全世界得到广泛应用。金属氧化物避雷器的阀片是由以氧化锌（属氧化物避雷器的阀片是由以氧化锌（ZnO）为主要原料，）为主要原料，并添加其它微量的氧化铋（并添加其它微量的氧化铋（Bi2O3）、氧化钴（）、氧化钴（Co2O3）、氧）、氧化锰（化锰（MnO2）、氧化锑（）

26、、氧化锑（Sb2O3）、氧化铬（）、氧化铬（Cr2O3）等金）等金属氧化物作添加剂。属氧化物作添加剂。 金属氧化物避雷器的结构非常简单，仅由相应数量的氧化金属氧化物避雷器的结构非常简单，仅由相应数量的氧化锌阀片密封在瓷套内组成，所以也称氧化锌避雷器。锌阀片密封在瓷套内组成，所以也称氧化锌避雷器。 金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器（MOA）42金属氧化物避雷器有一系列优点：金属氧化物避雷器有一系列优点：非线性系数非线性系数值很小值很小。在额定电压作用下，通过的电流极。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。小，因此可以做成无间隙避雷器。保护性能好保护性能好。它不需间隙动作，电

27、压一旦升高，即可迅。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；性能稳定。应特性；性能稳定。金属氧化物避雷器基本金属氧化物避雷器基本无续流无续流，动作负载轻，耐重复动，动作负载轻，耐重复动作能力强。作能力强。通流容量大通流容量大。避雷器容易吸收能量，没有串联间隙的制。避雷器容易吸收能量，没有串联间隙的制约，仅与阀片本身的强度有关。同碳化硅（约，仅与阀片本身的强度有关。同碳化硅（SiC）阀片比较，）阀片比较，氧化物阀片单位面积的通流能力大氧化物阀片单位面积的通流能力大 4 4.5 倍。倍。结构简单

28、，尺寸小，易于大批量生产，造价低。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适用于多种特殊需要。43氧化锌阀片具有极好的非线性伏安特性，如图所示，可分氧化锌阀片具有极好的非线性伏安特性，如图所示，可分为小电流区、非线性区和饱和区。为小电流区、非线性区和饱和区。 氧化锌阀片的伏安特性氧化锌阀片的伏安特性ciu 5.MOA5.MOA避雷器的电气参数避雷器的电气参数1) 1) 额定电压额定电压 施加到避雷器端子间的最大容许施加到避雷器端子间的最大容许工频电压工频电压(kV,(kV,有效值有效值) )等于系统发生单相接地时健全相上等于系统发生单相接地时健全相上短时工频电压升高短时工频

29、电压升高beU2)2)残压残压 u uresres放电电流通过避雷器时在端子间的放电电流通过避雷器时在端子间的最大电压值最大电压值( (kV 峰值峰值) )220kV220kV及以下系统及以下系统 u u5 5330kV330kV及以上系统及以上系统 u u10103)3)持续运行电压持续运行电压u uc c允许持久地施加在避雷器端子间的允许持久地施加在避雷器端子间的工频电压有效值工频电压有效值应大于系统的最高运行相电压应大于系统的最高运行相电压R1mAu U4)4)参考电压参考电压u urefref直流参考电压直流参考电压: :在直流参考电流在直流参考电流( (1mA1mA) )下测出的避雷

30、器上的下测出的避雷器上的电压电压 荷电率荷电率 AVRAVRR1mA c2 Uc2AVRuu1mA直流参考电压持续运行电压峰值所以所以 应根据具体电网确定合理的荷电率应根据具体电网确定合理的荷电率AVR AVR 持续运行电压持续运行电压Uc Uc 保护性能下降保护性能下降AVR AVR 单位阀片上的负荷单位阀片上的负荷加速老化加速老化499.4 防雷接地防雷接地接地接地：就是把设备与电位参照点的大地作电气上的连接，：就是把设备与电位参照点的大地作电气上的连接，使其对地保持一个低的电位差。使其对地保持一个低的电位差。 办法办法：在大地表面土层中埋设金属电极，这种埋入地中：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，有时也称并直接与大地接触的金属导体，叫做接地体，有时也称为接地装置。为接地装置。 工作接地：为了运行的需要，将电网某一点接地，其工作接地：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。目的是为了稳定对地电位与继电保护上的需要。保护接地：为了保护人身安全，防止因电气设备绝缘保护接地：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。劣化，外壳可能带电而危及工作人员安全。防雷接地：导泄雷电流，消除过电压对设备的危害。防雷接地：导泄雷电