第七章雷电及防雷保护装置

1、高电压工程系高电压工程系刘春刘春第9 9章章 雷电及防雷保护装置雷电及防雷保护装置大气过电压是由于雷电形成的。它是造成系统故障的主要原因之一9.1 9.1 雷云放电及雷电过电压雷云放电及雷电过电压 热气流上升，冷凝产生冰晶，冰晶碰撞分裂，导致带负电荷的较轻部分被风吹走，形成雷云；带正电荷的较重部分可能形成局部带正电的云区或者凝聚成水滴下降。 整块雷云可以有若干个电荷中心，负电荷位于雷云下 部，离地大约500-1000m。 雷云放电通常分为先导部分和主放电两个阶段。 图中为下行负雷闪的照片。 第一次放电结束后，多半还会有重复雷击。雷电放电的发展过程和雷电流的波形雷电放电

2、的发展过程和雷电流的波形9.1.2 9.1.2 雷击时的等值电路雷击时的等值电路主放电瞬间，可用开关S的闭合来模拟Z是被击物的阻抗。由于电荷运动形成电流，因此雷击点的电位发生突然变化uiZ雷电具有电流源的性质。当Z0时，i=2*i0;一般，Z0300-400 ，ZZ0，因此，也可认为i=2*i0i称为雷电流9.2 9.2 雷电参数及雷电活动规律雷电参数及雷电活动规律在雷电设计中，最关心的是雷电流波形、幅值分布及落雷密度等9.2.1 9.2.1 雷电流幅值和波形雷电流幅值和波形对于雷暴日数20的地区，我国现行推荐雷电流幅值概率为：的雷电流概率是幅值大于其中IIPP 88lg 对于雷暴日数20的地

3、区(除陕南以外的西边地区、内蒙古部分地区），我国现行推荐雷电流幅值概率为：44lgIP波形和极性波形和极性 我国防雷规程建议值为：2.6/50 s，平均陡度为 在保护计算中，可取双指数波，为简化计算，一般可取斜角平顶波。 但在特高塔的设计中，可取半余弦波头，表达式为：6 . 2Ia )cos1 (2tIiI为雷电流幅值；为角频率，=/f=1.2106s-1，f 为波头时间（2.6s）。 极性极性：75%-90%的雷为负极性雷，因此一般按照负极性雷进行研究。9.2.2 9.2.2 雷暴日和雷暴小时雷暴日和雷暴小时u年平均雷暴日和年平均雷暴小时是表征雷电活动频繁程度的指标。u雷暴日：一年中有雷电的

4、天数。在一天之内，只要听到雷声就算一个雷暴日。u雷暴小时：一年中有雷电的小时数。在一小时之内，只要听到雷声就算一个雷暴小时。u我国大部分地区的雷暴小时与雷暴日之比为3。u我国规程建议采用雷暴日作为计算单位。9.2.3 9.2.3 地面落雷密度和地面落雷密度和 输电线路落雷次数输电线路落雷次数 地面落雷密度反映了云地之间的放电。 地面落雷密度地面落雷密度：每平方公里每雷暴日的对地落雷次数，用表示。 e.g. 我国标准规定：对雷暴日T40的地区，=0.07次/km2雷暴日 输电线路的存在，改变了雷云地之间的电场分布，根据模拟试验和运行经验，输电线路每侧的引雷宽度为2h e.g. 对每100km的输

5、电线路，每年遭雷击的次数为：m:,h b )4(28. 01001000)4(单位平均对地高度是避雷线离，是两根避雷线之间的距次hbThbN9.3 9.3 避雷针和避雷线避雷针和避雷线防直击雷最常用的措施是装设避雷针（线）避雷针（线）的保护范围是按照99.9%的概率计算的。hrhx水平面上保护范水平面上保护范围的截面围的截面1. 5 hxh /2hx45oh5.5p 70pDhh避雷线的保护长度与线等长，因此适用与架空线路与大型建筑群。单根避雷线的保护范围两根避雷线的保护范围D5/D保护角是指避雷线与所保护的外侧导线之间的连线与经过避雷线的铅垂线之间的夹角 。保护角越小，避雷线对导线的屏蔽保护

6、作用就越好。有些国家还采用负保护角。pDhh09.4 9.4 避雷器避雷器 当发生绕击或者感应时，过电压波将沿线路传播入侵发电厂、变点站等。避雷器的要求：u 良好的伏秒特性：u 冲击系数：冲击放电电压与工频放电电压之比。u 冲击系数越小，伏秒特性越平缓，保护性能越好。u 绝缘自恢复能力u按发展历程看：1保护间隙、管型避雷器、普通阀式避雷器、磁吹避雷器、金属氧化物避雷器等。氧化锌（氧化锌（ZnOZnO）避雷器）避雷器ZnO避雷器又叫金属氧化物避雷器（MOA）。 ZnO避雷器由ZnO电阻片组成，具有优异的非线性伏安特性，因此可以取消火花间隙，实现无间隙无续流，且造价低廉。晶界层固有电容回路固有电感

7、晶界层电阻泄漏电阻本体电阻CRRRLCRRRLZnO（1） ZnO晶粒，粒径为10m左右，电 阻率为110cm；（2） 包围着ZnO晶粒的Bi2O3晶界层，厚 度为0.1m左右，电阻率大于 1010cm；（3） 零散分布于晶界层中的尖晶石 Zn7Sb2O12。ZnO电阻片的非线性特性主要取决于晶界层，在低电场下其电阻率很高；当层间电位梯度达到104105V/cm时，其电阻率急剧下降到低阻状态 ZnOZnO的伏安特性曲线的伏安特性曲线u区域为低电场区，电流密度与电场强度的开方成正比，非线性系数约为0.10.2；u区域为中电场区，晶界层电阻Rv减小，非线性系数大为下降，约为0.010.04；u区域

8、为高场强区，ZnO本体电阻R起主要作用，电流与电压成正比，伏安特性曲线向上翘。 ZnOZnO避雷器的主要优点：避雷器的主要优点：u无间隙无间隙 结构简单、重量轻、无电压分布不均、放电电压不稳定等，保护可靠性高u无续流无续流 不需吸收续流能量，动作负载轻；可承受多次重复雷击或者重复操作过电压u电气设备所受过电压可减低电气设备所受过电压可减低 在整个过电压阶段都有电流流过，因此降低了过电压幅值u通流容量大通流容量大 不受串联间隙被灼伤的制约，阀片的通流能力仅与本身通流能力有关。可并联进一步提高通流能力。u易于制成直流避雷器易于制成直流避雷器ZnOZnO避雷器的电气性能避雷器的电气性能u额定电压额定

9、电压 能短期耐受的最大工频电压有效值u最大持续运行电压最大持续运行电压 能长期持续运行的最大工频电压有效值u起始动作电压（参考电压、转折电压）起始动作电压（参考电压、转折电压） 开始进入动作状态的电压，通常为U1mAu压比压比 在8/20us的冲击电流规定值下，残压与起始动作电压之比。越小，非线性越好。u荷电率荷电率 最大场强工作电压与起始动作电压之比u工频耐受电压特性工频耐受电压特性 对工频过电压的耐受能力u保护比保护比 额定残压与最大长期工作电压峰值之比。越小，保护性能越好9.5 9.5 接地技术与接地装置接地技术与接地装置 接地接地：把地面上的电气设备的一部分经埋入地中（包含水泥和水）的

10、接地体（如金属棒、管、带、网等）与大地作电气连接，从而使接地点对地保持尽可能低的电位。9.5.1 9.5.1 接地和接地电阻的概念接地和接地电阻的概念u电工中“地地”的定义是地中不受入地电流的影响而保持着零电位的土地。 u将电气设备导电部分和非导电部分（例如电缆外皮）的某一节点通过导体与大地进行人为连接，使该设备与大地保持等电位的方法，称为接地接地。 接地装置原理图接地装置原理图u由于大地电阻率的存在，当有电流流过时，出现电场分布，相对与无穷远处的零电位点，接地体处有电位升高。u需要降低接地电阻值。u接地体有人工和天然的两类：人工是指专门为接地而设置的；自然的是指用于别的目的，也可兼做接地。9

11、.5.2 9.5.2 接地的分类接地的分类1） 工作接地工作接地 工作接地电阻一般为0.5 10 2） 保护接地保护接地 为保障人身安全而将设备外壳接地。 要求接触电位差和跨步电位差 通常保护电阻约为1103） 防雷接地防雷接地 目的是减小雷电流通过接地装置时的地电位升高。 火花效应火花效应：雷电流幅值大， , 使得土壤发生局部放电，接 地体的等效尺寸加大，因此电阻降低。 电感影响电感影响：雷电流等值频率高，使得接地体的电感阻抗加大， 阻碍电流向接地体远端流通，接地体不能得到充分 利用，因此接地体的电阻增加。 冲击系数冲击系数：Vt250gchRRE9.5.3 9.5.3 工程实用的接地装置工

12、程实用的接地装置一、典型接地体的接地电阻一、典型接地体的接地电阻 jn为电流密度（A/m2）； En为电场强度（V/m）； 为土壤电阻率（m）； 为土壤的介电常数（F/m）； C为接地体对无穷远处的电容（F） CQUdsDUdsEUdsjUIURnnn1( (一）垂直接地体一）垂直接地体单根垂直接地体的电阻：N跟垂直接地体并联时，总电阻为：称为接地体的利用系数。由于屏蔽效应，1。接地体间距离a与接地体长度l的比值越小，就越小，一般0.650.8。dllR4ln2nRR（二）（二） 水平接地体水平接地体L为接地体的总长度（m）；h为接地体埋设深度（m）；A为形状系数 由以上公式算出的是工频接地电阻值。 雷电流作用下冲击接地电阻的计算，还需要利用冲击系数 )(ln22AdhLLR（三）伸长接地体（三）伸长接地体u为了减小接地电阻，用很长的接地体。通常称这种接地体为伸长接地体。u由于雷电流的等值频率很高，接地体的自身电感会有很大影响，此时接地体表现出具有分布参数的传输线的阻抗特性。加上火花效应的出现，使