高电压技术第4章电力系统大气过电压及防护

1、第四章 电力系统大气过电压及防护雷闪过电压大气过电压，也叫雷闪过电压：是由于雷电引起的电力系统过电压。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，从而会引起巨大的电磁效应、机械效应、热效应，在电力系统中产生很高的雷电过电压，是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因。雷闪过电压雷闪过电压可分为直击雷过电压和感应雷过电压。直击雷过电压：是由于流经被击物很大的雷电流造成的；感应雷过电压：是由于电磁场剧烈改变而产生的过电压。雷闪放电雷电放电包括雷云对大地放电和云间放电两种情况。按其发展的方向，雷电可分为下行雷和上行雷。下行雷是在雷云中产生并向大地发展的；上行雷则是

2、由接地物体顶部激发起，并向雷云方向发展的。雷电的极性是按照从雷云流入大地的电荷的符号决定的，大量的实测表明，不论地质情况如何，90左右的雷电是负极性的。4.1.1 雷闪放电及雷电参数 下行的负极性雷对地放电可分为三个主要阶段：先导放电主放电余辉放电1.雷电先导放电过程：雷云的带电机理有多种解释，如对流起电、温差起电、冻结起电、融化起电等。（负极性雷）雷云中的电荷一般不是在云中均匀分布的，而是集中在几个带电中心。测量数据表明，雷云的上部带正电荷、下部带负电荷，正电荷云层分布在大约510KM高空，负电荷云层分布在15KM高度。因为在距离地面45KM的高空，气温较低，水分均变成冰晶，与空气摩擦时也会

3、起电，冰晶带负电，空气带正电。带正电的气流向上运动，使雷云的上部充满正电荷，而带负电的冰晶下降到雷云下部时，融化成为带负电的水滴。1.雷电先导放电过程：雷电先导放电的路径服从于统计规律，在所有可能放电的方向中，最主要的方向决定于最大电场强度。（1）雷雨云中的电荷积集到一定密度，首先从云中某处产生空气的电离而形成下行先导流注，高空先导流注放电的方向是随机的，不受地面物体的影响。1.雷电先导放电过程：（2）雷雨云下面的地面和地面建筑物受雷云电荷的静电感应，产生出与雷电异号的电荷，并使各地面建筑物表面的电场强度增强。当下行先导流注发展到某种高度，即所谓雷电定位高度H1处时，大气电场开始被地面建筑物感

4、应电场所歪曲，雷电先导向歪曲后的最大电场强度方向发展。先导通道发展具有“定向性”，或者说雷击具有“选择性”。1.雷电先导放电过程：（3）当下行先导流注行进到雷击高度H2后，某一个或几个地面建筑物表面电场强度达到了击穿空气的数值，该地面建筑物就会产生迎面先导流注，它向上发展与下行先导流注汇合，然后就产生强烈的主放电，该地物就遭到了雷击。在这一过程中，地面建筑物表面的电场强度表征了该地面建筑物某处遭受雷击危险性的大小.（迎面先导很大程度上影响下行先导的发展方向）1.雷电先导放电过程：先导通道是分级向下发展的，每级先导发展的速度很快，但每发展到一定长度就有一个间歇。所以它的平均发展速度很慢，出现的电

5、流不大。先导放电的不连续性称为分级先导，历时。当先导通道的头部与迎面先导上的异号感应电荷或与大地之间距离较小，在下行先导的极高电位下，可使剩余的空气间隙击穿，便形成放电的第二阶段，即主放电阶段.2.雷电的主放电阶段先导通道头部与大地短接，这就是主放电阶段的开始。主放电开始阶段游离出来的电子迅速入大地，留下的正离子中和了该处先导通道中的负电荷。2.雷电的主放电阶段剩余间隙中形成的新通道，由于其游离程度比先导通道强烈得多，正负电荷密度比先导通道中大很多，很大的导电性。主放电的发展速度很快，出现极大的脉冲电流，并产生强烈的光和热使空气急剧膨胀震动，出现闪电和雷鸣。放电间隙中的新通道好似一个良导体把大

6、地电位带到初始主放电通道的上端，使该处的电位接近于大地，而先导通道其余部分中的电荷仍留在原处未变，这些先导电荷所造成的电场也未变，这样，就在初始主放电通道上端与原先导通道下端的交界处出现了极大的场强，形成强烈的游离，也就是说将该段先导通道改变成更高电导的主放电通道，所以说主放电是从地面向云发展的。2.雷电的主放电阶段主放电发展速度极大，根据统计，约在光速的范围内。离地越高，速度就越小。主放电通道到达云端时，主放电结束.2.雷电的主放电阶段主放电的延续时间一般不超过100s，其放电电流幅值可达几十KA甚至几百KA。电流的瞬时值是随着主放电向高空发展而逐渐减小的，形成雷电流冲击波形。主放电时，通道

7、突发地明亮，发生巨大的雷响，沿着雷电流通道流过很大的雷电流，且由于电流突然增加，使被雷击点周围的磁场发生很大变化。这就是主放电过程会造成雷电放电具有最大的破坏作用的原因.主放电完成后，云中的剩余电荷沿着雷电流通道继续流向大地，形成余辉放电。与余辉放电阶段相对应的电流是逐渐衰减的，约为100010A，持续时间较长，约为几ms。3余辉放电阶段气象科普动画雷电4.1.1.2 雷电参数雷电特点：雷击具有冲击性s），电压、电流会迅速上升（1亿伏、几十万安），电能达到2500kWh。雷电具有重复性云中可能同时存在几个放电中心，放电的平均数是3。雷击具有选择性雷云附近，因静电感应而产生的电荷的分布的特点是：

8、地面上弯曲的部分比平坦的电荷多而密集，容易将带异性电荷的雷云拉过来，对其放电，造成定向雷击。 4.1.1.2 雷电参数雷电与气象、地形、地质等许多自然因素有关，具有很大的随机性，所以用来表征雷电特性的参数带有统计的性质。4.1.1.2 雷电参数1. 雷电通道波阻抗主放电时，雷闪通道是一导体，故可看作和普通导线一样，对电流波呈一定的阻抗，沿闪击通道运动的电压波 u0 与电流波 i0 的比值 就叫雷电通道波阻抗（取300400）2.雷电流的波形标准冲击波：波头、陡度及波长主放电时电流波形的波前部分接近半余弦波斜角平顶波：规程建议的取值规程建议：一般线路防雷设计，波头形状取为斜角波波头长度：雷电流平

9、均上升陡度：等值余弦波：设计特殊高塔时，取半余弦波头3. 雷电流的幅值雷击于具有分布参数特性的避雷针、线路杆塔、地线或导线，流经被击物时的电流( iZ )与被击物的波阻抗( Zj )有关。Zj越大，iZ越小；Zj越小，iZ越大。当被击物阻抗 Zj 为零时，流经被击物的电流定义为“雷电流” iL。实际上，把雷击小于接地电阻（30）的物体时，流过物体的电流等同于雷电流。雷电流幅值：3. 雷电流的幅值雷电流iL是一个非周期冲击波，是随机变量，根据大量实测得到其概率分布规律。平均雷暴日大于20的一般地区：3. 雷电流的幅值平均雷暴日小于20的一般地区，雷电活动较弱，雷电流幅值概率：3. 雷电流的幅值例

10、：当IL =100kA时，P=11.9%。表明每100次雷电中，大约有12次雷电流超过100kA。可知：IL =300kA的概率很小。 4.雷暴日与雷暴小时（反映雷电活动强度）雷暴日：一年中有雷电的日数，一天听到雷声就作为一个雷暴日。雷暴小时：一年中有雷暴的小时数，一小时内听到雷声就作为一个雷暴小时。据统计，我国大部分地区雷暴小时与雷暴日的比值约为3。5.地面落雷密度和输电线路落雷次数地面落雷密度：每一雷暴日、每平方公里地面遭受雷击的次数。以表示.有关规程建议为 0.015 次/(Km2雷暴日）N=h-避雷线或导线对地平均高度N落雷次数，次/（100km年）若平均雷暴日T取为40，则对于架空线

11、路来说，由于其高出地面有引雷作用，根据模拟试验和运行经验，一般高度的线路，其等值受雷面的宽度为10h(h为线路的平均高度，m），也就是说线路两侧各5h宽的地带为等值受雷面积。显然，线路愈长则受雷面积愈大。若线路经过地区的平均雷暴日数为T，则每年每100km一般高度的线路的落雷次数为:5.地面落雷密度和输电线路落雷次数5.地面落雷密度和输电线路落雷次数4.1.2.雷电冲击波过电压和伏秒特性4.1.2.1.标准波形:是根据电力系统中大量实测得到的雷电过电压波形制订的.经过和两点的直线构成的斜角为波前半峰值几个参数波头时间 ： =(1.2 30%)s波长时间 : =(50 20%)s标准波形通常用符

12、号 表示 4.1.2.2 放电时延(1).气体间隙击穿要满足两个条件： a.一定的电压幅值 b.一定的电压作用时间图表示冲击电压作用下，空气间隙的击穿电压波形。设经过时间t1后，电压由零升到间隙的静态击穿电压u0时，间隙并不能立即击穿，需要经过一定的时间间隔t1，到达t2时，才能完成击穿。放电需要阴极附近出现有效电子，从t1开始到间隙出现第一个有效电子为止所需的时间ts称为统计时延。(2).统计时延ts通常把电压达间隙的静态击穿电压开始到间隙中出现第一个有效电子为止所需的时间。（具有分散性）影响因素：统计时延ts和外加电压大小，照射强度等很多因素有关。ts随间隙上外施电压的增加而减小，这是因为

13、间隙中出现的自由电子转变为有效电子的概率增加的缘故。若用紫外线等高能射线照射间隙，使阴极释放出更多的电子，就能减少ts，利用球隙测量冲击电压时，有时需采用这一措施。(3).放电形成时延tf从第一个有效电子到间隙完成击穿所需的时间。包括从电子崩，流注到主放电的发展所需的时间。（具有分散性）(4).放电时延tL tL=ts+tf放电时延主要取决于tf，特别当间隙距离较大时，tf 较长。若增加间隙上的电压，则电子的运动速度及游离能力都会增大，从而使tf 减小。气体间隙在冲击电压作用下击穿所需全部时间：t=t1+ts+tf其中：t1 ：达到静态击穿电压的时间ts+tf ：放电时延tL4.1.2.3.

14、50%冲击放电电压U50%50%冲击放电电压与静态放电压的比值称为绝缘的冲击系数放电概率为50%时的冲击放电电压pu击u50%50%U0工频静态击穿电压的幅值4.1.2.4 伏秒特性（1）间隙的伏秒特性曲线：同一波形、不同幅值的冲击电压下，间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线。用途：工程上常用伏秒特性曲线来表征间隙在冲击电压下的击穿特性。(2) 曲线求取方法伏秒特性可用实验方法求取。对于某一间隙施加冲击电压，并保持其为标准冲击电压波形不变，逐级升高冲击电压幅值，得到间隙的放电电压u和放电时间t的关系，则可绘出伏秒特性，如图所示。(3) 电极间隙电场分布对曲线的影响 不均匀电场由于平均击穿

15、电场强度较低,而且流注总是从强场区向弱场区发展,放电速度受到电场分布的影响,所以放电时延长,分散性大,其伏秒特性曲线在放电时间还相当大时,随时间减小而明显地上翘,曲线比较陡. 均匀或稍不均匀电场则相反,由于击穿时平均场强较高,流注发展较快,放电时延较短,其伏秒特性曲线较平坦.(4) 实际意义S1被保护设备的伏秒特性曲线，S2保护设备的绝缘伏秒特性曲线图4-7所示S2总是低于S1，说明在同一过电压作用下，总是保护设备的绝缘先击穿，从而限制了过电压的幅值，这时保护设备可对被保护设备起到可靠的保护作用。但若S2与S1相交，虽然在放电时间长的情况下保护设备有保护作用，但在放电时间很短时，保护设备绝缘的

16、击穿电压已高于被保护设备绝缘的击穿电压，被保护设备可能先击穿，此时保护设备起不到保护作用。 伏秒特性是防雷设计中实现保护设备和被保护设备间绝缘配合的依据。为了使被保护设备得到可靠的保护,被保护设备绝缘的伏秒特性曲线的下包线必须始终高于保护设备的伏秒特性曲线的上包线. 五、防雷保护设备 避雷针主要用来防护直击雷过电压。 由接闪器、接地引下线、接地体组成。它应比被保护的设备高，将雷电吸引到针尖，并安全地导入大地，从而保护设备。避雷线主要用来防护直击雷过电压。 其接闪器由悬挂在线路上的接地导线组成。 避雷针避雷针采用圆钢或焊接钢管。针长1m以下，圆钢直径不小于12mm，钢管直径不小于20 mm；针长

17、12 m时，圆钢直径不小于16 mm，钢管直径不小于25 mm。装在烟囱顶端时，圆钢直径不小于20 mm，它通常安装在构架，支柱或建筑物上。避雷针的下端要经引下线与接地装置连接。避雷针的功能实质上是引雷作用。由于避雷针安装在高度高于被保护物，因此当雷电先导临近地面时，它能使雷电场畸变，改变雷电先导的通道方向，吸引到避雷针本身，然后经与避雷针相连接的引下线和接地装置将雷电流泄放到大地中去，使被保护物免受直接雷击。避雷针能否有效的对保护物进行保护，被保护物是否在其有效的保护范围内是很重要的。避雷针的保护范围，就是指避雷针下方免受直接雷击的安全空间。保护范围计算方法：折线法、滚球法避雷线避雷线的功能

18、和原理与避雷针基本相同，它架设在架空线路的上面，以保护架空线路或其它物体（包括建筑物）免遭直接雷击。由于避雷线既是架空，又是接地，因此它又称为架空地线。避雷线一般采用截面积不小于35 mm的镀锌钢绞线。主要用来防护雷电侵入波过电压和内部过电压。避雷器因与保护设备并联，当线路上出现危及设备绝缘的雷电过电压时，避雷器的电阻急剧降低，使过电压对地放电，从而保护绝缘。两个基本要求：1、当过电压超过一定值时，避雷器先于被保护的设备动作，经导线将其接地以限制过电压。2、在过电压过去之后，能迅速地截断工频续流，使系统正常运行，避免供电的中断。 避雷器 三大防雷设备有雷击发生时，可以采取以下措施加强保护：远离

19、建筑物的避雷针及其接地引下线，这样做是为了防止雷电反击和跨步电压伤人。 远离各种天线、电线杆、高塔、烟囱、旗杆，如有条件，应进入有防雷设施的建筑物或金属壳的汽车、船只，带帆布的篷车、拖拉机、摩托车等在雷雨发生时是比较危险的，应尽快远离。 尽量离开山丘、海滨、河边、池塘边，尽量离开孤立的树木和没有防雷装置的孤立建筑物，铁围栏、铁丝网、金属晒衣绳边也很危险。 雷雨天气尽量不要在旷野行走，外出时应穿塑料材质等不浸水的雨衣，不要骑在牲畜上或自行车上行走；不要用金属杆的雨伞，不要把带有金属杆的工具如铁锹、锄头扛在肩上。 个人防雷小知识：有雷击发生时，可以采取以下措施加强保护：人在遭受雷击前，会突然有头发

20、竖起或皮肤颤动的感觉，这时应立刻躺倒在地，或选择低洼处蹲下，双脚并拢，双臂抱膝，头部下俯，尽量降低自身位势、缩小暴露面。 如果雷雨天气你呆在室内，并不表示万事大吉，你必须关好门窗，防止球形雷窜入室内造成危害；把电视机室外天线在雷雨天与电视机脱离，而与接地线连接；尽量停止使用电器，拔掉电源插头；不要打 和手机；不要靠近室内金属设备（如暖气片、自来水管、下水管）；不要靠近潮湿的墙壁。 4.2 输电线路的防雷保护4.2 输电线路的防雷保护输电线路的感应雷过电压输电线路的直击雷过电压输电线路的防雷措施衡量输电线路防雷性能的两个指标：耐雷水平：雷击线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值,以KA为单位。雷击跳

21、闸率：雷暴日T=40情况下，每100km线路每年由雷击引起跳闸次数。这是衡量线路防雷性能的综合指标。4.2.1.输电线路的感应雷过电压4.2.1.输电线路的感应雷过电压感应雷过电压的产生感应雷过电压的计算感应雷过电压的产生 雷击线路附近大地时，雷电通道周围空间电场发生急剧变化，在导线上由于电磁感应产生感应雷过电压。包括静电分量、电磁分量。感应雷过电压 由于先导通道中电荷产生的静电场突然消失引起的感应过电压称为静电分量。主放电时，雷电通道中雷电流在通道周围建立了强大的电磁场，此磁场的剧烈变化也使导线感应出很高的电压。这种由于先导通道中雷电流产生的磁场变化而引起的感应过电压称为电磁分量。感应雷过电

22、压 因主放电通道与线路几乎垂直，互感不大，电磁感应较弱，所以导线上的感应过电压主要由静电分量决定。感应过电压的幅值与雷电流大小、雷电通道与线路间的距离、导线的悬挂高度等因素有关。由于雷击地面时，雷击点的自然接地电阻较大，所以雷电流幅值一般不超过100KA。实测表明，感应过电压一般不超过500KV，对35KV及以下的水泥杆线路会引起闪络事故；对110KV及以上的线路，由于绝缘水平较高，一般不会引起闪络事故。感应雷过电压的特点 感应过电压极性与直击雷过电压（雷电流）极性相反；三相导线会同时产生过电压，其值相差很小，只能引起对地闪络；感应过电压有较长的持续时间，波头较缓。1.感应过电压的计算(1).

23、导线上方无避雷线当雷击点离线路的距离大于65米时，导线上的感应雷过电压最大值按下式计算：S : 雷击点与线路的垂直距离 mIL : 雷电流幅值 KAhd : 导线悬挂的平均高度 mUg ：感应过电压最大值 KV(2).导线上方挂有避雷线K为避雷线与导线间的耦合系数，线间距离愈近，耦合系数K就愈大。由于避雷线的屏蔽作用，可使导线上的感应电压降低，降低的数值约为KU。(3).雷击线路杆塔时，导线上的感应过电压雷击线路杆塔时，由于雷电通道产生的电磁场迅速变化，将在导线上感应出与雷电流极性相反的过电压。无避雷线： 有避雷线： : 感应过电压系数 KV/m （约等于雷电流平均陡度）4.2.2.输电线路的

24、直击雷过电压和耐雷水平1.雷直击导线（绕击）时的过电压2.雷击杆塔塔顶4.2.2.输电线路的直击雷过电压和耐雷水平1.雷直击导线（绕击）时的过电压作用于线路绝缘上的电压最大值 Ug=100I 。用绝缘的50%冲击闪络电压U50%代替Ug，那么 IL 就能代表引起绝缘闪络的雷电流幅值，通常称为线路在这情况下的耐雷水平。 IL = U50%/100绕击率Pa：对平原地区：对山区地区： 山区的绕击率为平原的3倍，或保护角增大8减少绕击率：减小保护角，降低杆塔高度保护角：避雷线的铅垂线与避雷线和边导线连线的夹角。 2.雷击杆塔塔顶流经杆塔的电流：杆塔的分流系数，1塔顶电位：用IL（斜角平顶波）代替di

25、/dt，杆塔顶电位幅值可写成：绝缘子串A端电位的幅值（与雷电流同极性）导线感应电压的幅值（与雷电流极性相反）绝缘子串上的总电压幅值若UABU50%，绝缘子串闪络。雷击杆顶的耐雷水平：工程上常以降低杆塔的接地电阻Rch、提高耦合系数K作为提高耐雷水平的主要手段。雷电线路的雷电流超过线路的耐雷水平时，线路的绝缘发生冲击闪络，由于冲击闪络时间很短，继电保护装置不会跳闸；雷电流消失后，工作电压产生的工频电弧继续存在，会引起跳闸，发生停电事故。雷电冲击闪络不会全部转为稳定的工频续弧，有一定概率。建弧率：冲击闪络转变为稳定工频电弧的概率。冲击闪络能否转变为稳定的工频电弧，主要取决于工频弧道中的平均电场强度

26、E，还取决于闪络瞬间工频电压的瞬时值以及去游离强度等。 4.2.3 输电线路的防雷措施4.2.3 输电线路的防雷措施雷电流线路耐雷水平：绝缘子闪络，引起停电事故；雷电流线路耐雷水平：冲击波沿线路向变电站侵入，危害变电站设备的绝缘。设计防雷方案时要全面考虑各种因素，采取合理的保护措施。4.2.3 输电线路的防雷措施防雷设计遵循的原则（四道防线）：防止雷击导线：加避雷线；雷击线路后，防止线路绝缘闪络：改善杆塔接地电阻、适当增加线路绝缘，避免冲击闪络；发生冲击闪络后，防止产生稳定的工频电弧：增加线路绝缘，使用继电保护装置；产生工频续弧时，防止供电中断：自动重合闸设备、减少停电时间；使用双回路供电。4.2.3 输电线路