防雷保护设备

1、2.2 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、避雷器等防雷保护装置。l 避雷针、避雷线用于防止直击雷过电压l 避雷器用于防止沿输电线路侵入变电所的感应雷过电压。本节内容：2.2.1 避雷针防雷原理及保护范围2.2.2 避雷线防雷原理及保护范围 2.2.3 避雷器工作原理及常用种类 返回返回2.2.1 避雷针防雷原理及保护范围1 避雷针防雷原理l 避雷针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

2、制成l 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。l 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。 2. 避雷针的保护范围l 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。l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。l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。l 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%）。（1） 单支避雷针 ()()2xxxhrhh Ph单支避雷针的保护范围如下图所示 单支避

3、雷针的保护范围(1.52)()2xxxhrhh PhP:高度影响系数hPmhmPmh5 . 5,120301,30 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h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。 (3)两支不等高避雷针两支不等高避雷针的保护范围l 从低针顶点作一水平线，与高针交于3点；l 以3针为一假想避雷针，作出低针2和3之间的保护范围2.2.2 避雷线（地线）防雷原理及保护范围l避

4、雷线的防雷原理与避雷针相同，主要用于输电线路的保护l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。l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l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。 2hhxphhr)(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水平面上每侧保范围的宽度，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pDhh4O0h 两根等高平行避

5、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： ：两避雷线间保护范围上部边缘最低点的高度，m； D：避雷线间的距离，m。 两根平行避雷线的保护范围l避雷线对导线的保护程度，工程中常用保护角来表示。l保护角是指避雷线和外侧导线的连线与避雷线的垂线之间的夹角。l保护角愈小，避雷线就愈可靠地保护导线免遭雷击。l一般=2030，即认为导线已处于避雷线的保护范围之内。避雷线的保护角返回返回保护角2.2.3 避雷器工作原理及常用种类l 避雷针(线)不能完全避免设备不受雷击;从输电

6、线路上也可能有危及设备绝缘的过电压波传入发电厂和变电所。l 避雷器实质上是一种过电压限制器，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，从而限制了过电压的发展，使电气设备免遭过电压损坏。l 避雷器的常用类型有：保护间隙、管型避雷器、阀式避雷器和金属氧化物避雷器。1.对避雷器的基本要求l绝缘强度的合理配合 避雷器与被保护设备的伏秒特性应有合理的配合。在绝缘强度的配合中，要求避雷器的伏秒特性比较平直、分散性小。l绝缘强度的自恢复能力 避雷器一旦在冲击电压作用下放电，就造成对地短路。随之工频短路电流（工频续流）要流过此间隙，避雷器应当具有自行截断工频续流，恢复绝缘

7、强度的能力，使电力系统得以继续正常工作2.保护间隙 保护间隙是一种简单的避雷器，按其形状可分为：角型、棒形、环形和球型等，常用角形保护间隙如图所示。角型保护间隙1角型电极 2主间隙 3支柱绝缘子 4辅助间隙 5电弧的运动方向作用原理： 当雷电侵入波要危及它所保护的电气设备的绝缘时，间隙首先击穿，工作母线接地，避免了被保护设备上的电压升高，从而保护了设备。优缺点： 优点：结构简单、制造方便 缺点： l 伏秒特性曲线比较陡，绝缘配合不理想；l 间隙动作后会形成截波；l 熄弧能力低，需配合自动重合闸使用；应用范围： 仅用于不重要和单相接地不会导致严重后果的场合。 排气式避雷器1产气管 2棒形电极 3

8、环形电极 S1内间隙 S2外间隙3 管形避雷器（排气式避雷器）l 排气式避雷器实质上是一种具有较高熄弧能力的保护间隙l内间隙固定装在管内，管子由纤维、塑料或橡胶等产气材料制成l其电极一端为棒形电极2，另一端为环形电极3。l 由于产气材料在泄漏电流作用下会分解，因此管子不能长时间接在工作电压上，正常运行靠外间隙来隔离工作电压。 结构组成作用原理l 当排气式避雷器受到雷电波入侵时，内外间隙同时击穿，雷电流经间隙流入大地；l过电压消失后，在工作电压作用下，流经间隙的工频续流电弧的高温使管内产气材料分解出大量气体，管内压力升高，气体从开口孔喷出，从而使工频续流在第一次经过零值时就熄灭。特点l工频续流太

9、大，产气过多，易使管子炸裂；l续流太小，产气不足以熄弧l对工频续流有上下限要求，需在型号中说明5135GXWG:管形X:线路用W：产气材料为纤维35：额定电压为35kV1-5：最大、最小续流（kA)优缺点l 熄弧能力比保护间隙要强l但伏秒特性较陡且放电分散性大，且会形成截波，并受大气条件影响较大应用范围： 只用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。 4.阀式避雷器l 保护间隙和管形避雷器动作时会产生截波，伏秒特性陡，不能用来承担主变、发电机及变电站内重要设备的保护任务，必须对其加以改进。l 阀式避雷器是由装在密封瓷套中的多组火花间隙和多组非线性电阻阀片串联组成。它分普

10、通型和磁吹型两大类。（1）普通阀式避雷器a) 工作原理l系统正常工作时，间隙将电阻阀片与工作母线隔离，以免由工作电压在阀片电阻中产生电流使阀片烧坏。 l当系统中出现过电压且其幅值超过间隙放电电压时，间隙击穿，冲击电流通过阀片流入大地，由于间隙放电的伏秒特性低于被保护设备的冲击耐压，设备得到保护。l由于阀片的非线性特性，其电阻在流过大的冲击电流时变得很小，故阀片上产生的残压将得到限制，使其低于被保护设备的冲击耐压，设备得到保护；l 当过电压消失后，工频续流受阀片的非线性特性限制而很小，从而可在第一次过零时就将电弧切断，而使继电保护来不及动作。b) 火花间隙 电极由黄铜圆盘冲压而成，两电极间以云母

11、垫圈隔开形成间隙，间隙距离为0.51.0mm，单个间隙的工频放电电压约为2.73.0kV(有效值)。 单个火花间隙结构1黄铜电极 2云母垫圈火花间隙作用原理：l 间隙电场近似均匀电场,而过电压作用时云母垫圈与电极之间的缝隙中产生电晕，对间隙产生照射作用，使间隙的放电时间缩短，故其伏秒特性曲线平缓，放电分散性也较小l 避雷器动作后，工频续流被分割成许多短弧，利用短间隙的自然熄弧能力使电弧熄灭，且不易重燃。c) 阀片（非线性电阻） 阀片用碳化硅颗料,以陶料粘合剂低温（300-350）焙烧而成。其伏安特性如下图 i1工频续流 u1工频电压 i2雷电流 u2避雷器残压C：常数,与阀片材料、尺寸有关：非

12、线性系数,与阀片材料有关阀片的作用l 限制工频续流,保证火花间隙可靠熄弧l 当雷电过电压击穿时，不至于突然下降而形成截断波基本结构和工作原理与普通阀式避雷器相同,不同点在于l采用了磁吹式火花间隙，从而提高了灭弧能力。 l阀 片 为 碳 化 硅 通 过 高 温(1350-1390）焙烧而成,通流容量很大（2）磁吹阀式避雷器（3）阀式避雷器的主要参数额定电压： 避雷器两端子间允许的最大工频电压的有效值灭弧电压： 保证能够在工频续流第一次经过零值时灭弧的条件下允许加在避雷器上的最高工频电压。 灭弧电压应当大于避雷器工作母线上可能出现的最高工频电压，否则将不能保证续流灭弧而使阀片烧坏。 工频放电电压：

13、 在工频电压作用下，避雷器将发生放电的电压值 冲击放电电压： 指预放电时间为1.5-20微秒的冲击放电电压 即在冲击电压作用下避雷器动作的最小电压幅值 一般低于被保护设备冲击绝缘水平的20%-25%残压： 指雷电流通过避雷器时在阀片电阻上产生的压降 残压应低于被保护设备冲击绝缘水平的20%-25%，太低容易产生截波。保护比： 指避雷器残压与灭弧电压之比保护比愈小，说明残压愈低或灭弧电压愈高，显示保护性能愈好。 5. 金属氧化物避雷器l 间隙的存在会使放电电压受避雷器内部气压的变化而变化, 不能用在高原地区。l金属氧化物避雷器(MOA)出现于20世纪70年代，其结构非常简单，仅由相应数量的氧化锌

14、阀片密封在瓷套内组成，也称氧化锌避雷器。l 金属氧化物避雷器的阀片是由以氧化锌（ZnO）为主要原料，并添加其它微量的氧化铋（Bi2O3）、氧化钴（Co2O3）、氧化锰（MnO2）、氧化锑（Sb2O3）、氧化铬（Cr2O3）等金属氧化物作添加剂。 （1）氧化锌阀片的伏安特性i1mA:小电流区,非线性指数较高,0.1-0.2左右1mAi3kA:饱和区，随电压增长电流增长不快若10kA下阀片的残压相同，则SiC阀片流过的电流达到100-400A，必须加间隙ZnO阀片则只有10-5A的数量级，可不加间隙 （2）氧化锌阀片的优点l可做成无间隙 正常工作条件下，流过ZnO阀片的电流很小,不会烧坏阀片l无续

15、流 正常工作电压下流过阀片的电流极小,相当于一个绝缘体,不存在工频续流l保护性能优越 在过电压作用的全部过程中都有电流,吸收过电压能力强l通流容量大 单位面积通流容量比SiC阀片大4-4.5倍,可用来限制操作过电压（3）氧化锌避雷器的电气参数最大持续运行电压： 允许持续加在避雷器两端的最大工频电压的有效值。取决于系统最大工作相电压额定电压： 避雷器两端子间允许的最大工频电压的有效值参考电压（起始动作电压U1mA)： 位于伏安特性曲线中由小电流区上升部分进入大电流区平坦部分的转折处。残压： 放电电流通过避雷器时，两端之间出现的电压峰值压比： 在波形为8/20us的冲击电流规定值（如10kA)作用下的残压与参考电压之比。 压比越小,表示非线性越好,流过大电流时的残压越低，保护性