高电压技术 第8章 雷电及防雷装置

1、雷电及防雷设备 教学目标 1.了解雷电放电过程，掌握雷电放电的计算模型和雷电参数的统计数据； 2.掌握避雷针（线）的保护原理。了解避雷针（线）的保护范围； 3.掌握避雷器的保护原理、基本类型和电气参数； 4.掌握金属氧化物避雷器的优越保护性能； 5.掌握接地、接地装置、接地电阻的定义，了解各类接地体接地电阻的计算。教学重点 雷电放电的计算模型和雷电参数的统计数据；避雷针（线）、避雷器的保护原理；金属氧化物避雷器的保护性能优越性。雷电放电过程雷电放电的基本过程1先导放电通道2强游离区3主放电通道先导放电阶段-主放电阶段余辉阶段先导放电阶段 雷云中的负电荷逐渐积聚，同时在附近地面上感应出正电荷。当

2、雷云与大地之间局部电场强度超过大气游离临界场强时，就开始有局部放电通道自雷云边缘向大地发展。这一放电阶段陈为先导放电。先导放电通道具有导电性，因此雷云中的负电荷沿通道分布，并且继续向地面延伸，地面上的感应正电荷也逐渐增多，如图（a）所示。主放电阶段 先导通道发展临近地面时，由于局部空间电场强度的增加，常在地面突起处出现正电荷的先导放电向天空发展，这种先导称为迎面先导。当线到达地面或与迎面先导相遇以后，就在通道端部因大气强烈游离而产生高密度的等离子区，此区域自下而上迅速传播，形成一条高导电率的等离子体通道，使先导通道以及雷云中的负电荷与大地的正电荷迅速中和，这就是主放电过程，如图（c）、（d）所

3、示。 与先导放电和主放电阶段对应的电流变化同时表示在图中。先导放电发展的平均速度较低，约为1.5105m/s，表现出的电流不大，约为数百安。由于主放电的发展速度很快，约为2107m/s 1.5108m/s，所以出现甚强的脉冲电流，可达几十甚至二、三百千安。发生多重放电 一般为2-3次，最多可达40多次。雷电放电的计算模型 下行负闪电 主放电计算模型从电源性质看，相当于一个电流源的作用过程：1.开关S闭合前后对应不同的雷电放电阶段（先导放电和主放电），A点电位发生变化，从零突升到 u = i Z2.先导放电通道具有分布参数特征，称为雷电通道，其波阻抗为Z0(300 )3.主放电过程，自雷云通过雷

4、电通道向地面传播的电磁波(u0、i0)到达A点 由图得出其彼德逊等值电路： 国际上定义雷击小接地阻抗物体时，流过该物体的电流定义为雷电流雷电流源被击电路Z Z0 2i0A雷电参数的统计数据雷电流的波形和极性极性：75%-90%为负，因此电气设备的防雷保护和绝缘配合通常都取负极性的雷电冲击波进行研究分析。波形参数：波头时间为1-5s；波长时间为20-100s，平均50s。我国在防雷保护中采用的波形：2.6/50s。雷电流陡度：取 （kV/s）雷电流幅值出现的概率： ， 表示等于大于对于幅值的雷电流出现的概率。雷电放电的重复冲击次数和总持续时间 根据世界各地约6000个实测记录的统计，即55%的落

5、雷包含两次以上的冲击，3-5次的冲击占25%，10次以上占4%，平均重复3次，最高纪录可达42次。雷电日和雷电小时雷电日：一年中有雷电活动的天数，一天中只要听见一次以上雷声算一个雷日。雷电小时：每个雷电日内雷电活动的持续时间，一个小时内只要听见一次以上雷声就算一个雷电小时。过去认为海拔越高，雷电越少，其实我国西藏的雷电日达40天。不足15日为少雷区，超过40的为多雷区，超过90的为强雷区。 地面落雷密度地面落雷密度：每个雷电日每平方公里地面上的平均落雷次数。表示雷云对地放电的频数和强烈程度。我国取=0.015，国外取值在0.1-0.2之间。雷电流的等值波形 (a)标准冲击波形 (b)等值斜角波

6、 (c)等值余弦波波形标准冲击波标准冲击波形如图(a)所示，可由双指数式表示等值斜角波 又叫三角波，如图(b)。在简化防雷计算中采用。波前陡度： 波尾可以是无限长或有限长。等值余弦波 雷电流的等值余弦波如图(c)所示。 ， 用于分析雷电流波头的作用效果，在大跨越、特殊高塔线路防雷设计中采用。因为采用余弦函数的波头计算雷电流通过电感支路所引起的压降比较方便。此时最大陡度出现在波头中间的0.5tf处。球形雷在国际建筑物防雷标准和我国的建筑物防雷设计规范均没有对球雷的防护作出规定。但据有关部门统计，球雷事故还是不少的，球状闪电约占闪电统计总数的13.7。尽管国内外科技人员对球状闪电的形成机理尚无一致

7、的观点，但对其性质、状态和危害还是比较清楚的。球雷(即球状闪电)是一种橙色或红色的类似火焰的发光球体，偶尔也有黄色、蓝色或绿色的。大多数火球的直径在l0-l00cm左右。球雷多在强雷暴时空中普通闪电最频繁的时候出现。球雷通常沿水平方向以1-2m/s的速度上下滚动，有时距地面0.5-lm，有时升起2-3m。它在空中漂游的时间可由几秒到几分钟。球雷常由建筑物的孔洞、烟囱或开着的门窗进入室内，有时也通过不接地的门窗铁丝网进入室内。最常见的是沿大树滚下进入建筑物并伴有嘶嘶声。球雷有时自然爆炸，有时遇到金属管线而爆炸。球雷遇到易燃物质(如木材、纸张、衣物、被褥等)则造成燃烧，遇到可爆炸的气体或液体则造成

8、更大的爆炸。有的球雷会不留痕迹地无声消失，但大多数均伴有爆炸声且响声震耳，爆炸后偶尔有硫磺、臭氧或二氧化碳气味。球雷火球可辐射出大量的热能，因此它的烧伤力比破坏力要大。避雷针和避雷线的保护范围避雷针（线）的保护原理当雷云放电接近地面时它使地面电场发生畸变。在避雷针（线）的顶端，形成局部电场集中的空间，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针（线）放电，再通过接地引下线和接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击。定向高度H：当先导放电向地面发展到某一高度H以后，才会在一定范围内受到避雷针（线）的影响，对避雷针（线）放电：当 时， ； 当 时， 。 保护范围：具有0.1%左右雷击概

9、率的空间范围单根避雷针的保护范围两根避雷针的保护范围等高情况；不等高情况三根及以上避雷针的保护范围避雷线的保护范围避雷器保护原理和基本类型避雷器的保护原理 作用：用以限制由线路传来的雷电过电压或由操作引起的内部过电压的一种电器设备。 原理：并联连接在被保护设备附近，当作用电压超过避雷器的放电电压时，避雷器先放电，限制了过电压的发展，从而保护了其他电气设备免遭击穿损坏。它实质上是一种放电器。1-保护间隙2-排气式避雷器3-阀型避雷器4-氧化锌避雷器5-被保护电器设备 基本要求：（1）具有良好的伏秒特性，以易于实现合理的绝缘配合。（2）应有较强的绝缘强度自恢复能力，以利于快速切断工频续 流，使系统

10、得以继续运行 工频续流：过电压消失后，间隙中仍有由工作电压所产生的工频电弧电流。基本类型 避雷器发展经历：从放电间隙到氧化锌避雷器：保护间隙；管型（排气式）避雷器；阀型避雷器；氧化锌避雷器开发年代保护装置类型19世纪780年代棒型放电间隙和熔丝19世纪末角形保护间隙，防止雷击损坏设备绝缘而造成事故20世纪20年代铝避雷器，氧化膜避雷器20世纪30年代管式避雷器，主要用于发电厂、变电所进线和线路的保护20世纪40年代SiC避雷器，用于交直流系统发变电设备的保护，40年代至50年代迅速发展，并一直应用至今20世纪50年代SIC磁吹避雷器，复合式避雷器20世纪60年代ZnO压敏电阻，用于电子设备的保

11、护20世纪70年代ZnO避雷器，用于交直流电力系统发、变电设备的保护，正逐渐取代SiC避雷器20世纪80年代合成绝缘ZnO避雷器，用于发、变电设备保护外，还包括线路防雷及深度限制操作过电压等保护间隙和管型避雷器 保护间隙：由主间隙和辅助间隙组成，辅助间隙防止主间隙被外物短路而误动作。保护间隙的灭弧能力低，只能熄灭中性点不接地系统不大的单相接地短路电流，有截波产生。只在10kV以下的配电网中使用。 管型避雷器：由内间隙和外间隙组成。外间隙的作用是正常运行时使产气管与工频电压隔离。产气管：由纤维、塑料或橡胶等在电弧高温作用下易于产生气体的材料制成。保护间隙和管型避雷器缺点：1.伏秒特性太陡，难于实

12、现绝缘配合；2.放电间隙动作后工作导线直接接地，形成辅助很高的冲击波，微机变压器的绝缘；3.有截波产生；4.运行维护麻烦；5.用于个别地段的保护：变电站进线段，大跨距和交叉档距处。阀型避雷器主要结构 火化间隙：由多个单个火花间隙组成，易于切断工频续流及防止电弧重燃。单个间隙电场近似均匀场。1.正常工作时，将电阻阀片与工作母线隔离，以免母线的工作电压在电阻阀片中产生的电流使阀片烧坏。2.出现过电压且其幅值超过间隙放电电压时，间隙击穿，冲击电流通过阀片和接地装置流入大地，在阀片上的压降称为残压，其值应低于设备的冲击耐压值。电阻阀片：由SiC（金刚砂）加结合剂（水玻璃等）在300 -500烧结而成。

13、一支避雷器采用多个阀片串联。电阻值与流过的电流有关，应具有非线性特性：冲击电流阶段 电阻值小，相应电阻阀片上的残压低；工频续流阶段 电阻值大，使间隙能在续流第一次过零时熄弧。伏安特性： C为与阀片材料和尺寸有关的常数；为非线性系数，与阀片材料有关，约为0.2。火花间隙串联SiC非线性电阻的阀型限压装置的特点：1.采取有效措施（改善电场和预放电）使放电间隙的伏秒特性比较平坦2.由于电阻非线性，避免动作时出现很陡的截波阀型避雷器的电气参数 额定电压 正常工作时加在避雷器之上的工频工作电压。 灭弧电压 为了确保避雷器在工频续流第一次过零时灭弧所允许施加的最低工频电压。灭弧电压应大于避雷线工作母线上可

14、能出现的最大工频电压，否则避雷器可能因为不能熄弧而爆炸。 工频放电电压 避雷器发生放电的工频电压值，是衡量避雷器火花间隙绝缘强度的指标，避雷器工频放电电压的上限值。 冲击放电电压 冲击电压作用下避雷器的放电电压幅值。通常给出的是上限值(不大于)。 残压 雷电流流过避雷器时在阀片上产生的电压降。 保护比 残压与灭弧电压之比，保护比越小，保护性能越好。金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器（Metal Oxide Surge Arresters，简写为MOA）金属氧化物非线性电阻片（Metal Oxide Varistors简写为MOV）是MOA的主要元件MOV的主要成份是氧化锌（ZnO），因此，俗称M

15、OV为氧化锌阀片，MOA为氧化锌避雷器 ZnO非线性电阻阀片(MOV)的基本构成和微观结构 MOV以ZnO材料为主体（占总摩尔数的90%以上），添加Co2O3、MnO2、Bi2O3、Sb2O3等金属氧化物，在1250C的高温下烧结而成。 不同厂家及研究机构的添加物成分不完全相同，当添加物含量超过0.001mol时开始呈现非线性。ZnO晶粒 是结构的主体，晶粒中固溶有微量的Co、Mn等元素，晶粒直径由数微米至100m，晶粒的电阻率较低，约为0.5-2.7cm。晶界层 晶界层包围在ZnO晶粒外，将各晶粒隔开，其厚度为202000埃由多种添加物组成，主要成分是Bi2O3，也包含有微量的锌和其他金属氧

16、化物。 电阻片具有明显的压敏特征，其电阻率在低电场下约为1010-1011cm。当层间电位梯度达104-105V/cm时，其电阻骤然下降，此时，由晶界层所决定的高阻状态过渡至由晶粒电阻决定的低阻状态。 具有电介质的特性，其相对介电常数为1000-2000，因此氧化锌电阻片具有较大的固有电容。尖晶石 尖晶石晶粒，零星分散在氧化锌晶粒之间，其粒径约为3m，是氧化锌和氧化锑为主组成的复合氧化物（Zn7Sb2O12）。其作用是在烧结过程中，抑制ZnO晶粒的过分长大，以免晶界层减少，非线性特性变差。ZnO 阀片的非线性UI 特性 氧化锌阀片的伏安特性 ZnO与SiC非线性电阻的伏安特性的比较对于整个 U

17、-I 特性， 并不是一个常数，它随电流变化而变化，且与测量时的环境温度有着密切关系：低电场区（小电流区） 0.10.2中电场区（非线性区） 0.0150.05高场强区（饱和区） 0.1ZnO非线性电阻在工作电压作用下的泄漏电流比SiC电阻小得多，只为A数量级，可以视为无续流。因此，可以做成不带串联间隙的避雷器。氧化锌无间隙避雷器的优良性能 残压低，具有优异的保护性能保护性能优越无续流，结构简单，耐重复动作能力强 通流容量大，吸收过电压能量的能力强性能稳定，抗老化能力强适应多种特殊需要适宜于大批量生产，造价低 ZnO避雷器的基本电气参数额定电压 允许施加的最大工频电压有效值，即要耐受短时工频过电

18、压，对应SiC的灭弧电压。最大持续运行电压 允许长期连续施加的最大工频电压有效值，决定避雷器长期工作的老化性能。起始动作电压 从小电流区进入大电流区的电压，直流1mA参考电压。残压 包括三种放电电流波形下的残压：陡波(1/5s)、雷电冲击波(8/20s)、操作冲击波(30/60s)。通流容量 短时持续时间(4/10s)大电流(10-65kA)作用两次。长持续时间(0.5-3.2ms)方波电流(150-1500A)多次。评价ZnO避雷器性能优劣的指标保护水平雷电保护水平 雷电冲击残压和陡波冲击残压除以1.15中的较大者操作保护水平 操作冲击残压压比 U10kA / U1mA U10kA ：8/2

19、0s标称冲击放电电流下的残压荷电率 最大持续运行电压峰值与起始动作电压之比。保护比 压比与荷电率之比，标称放电电流下的残压与最大持续运行电压峰值。接地装置接地、接地装置、接地电阻的定义接地 将地面上的金属物体或电气回路的某一节点通过导体与大地相连，使该物体或节点与大地经常保持等电位。接地装置 包括引线在内的埋设在地中的一个或一组金属体或由金属导体组成的金属网。接地电阻的定义 接地点的电位U(相对无穷远处零电位)与通过接地极流入地中电流I的比值。接地电阻的特性 1.接地电阻与土壤特性及接地体的几何尺寸有关。2.接地电阻包括接地引线的电阻、接地引线与接地装置的接触电阻、接地体本身的电阻、接地体和土

20、壤间的接触电阻及土壤的散流电阻。3.土壤的散流电阻比其它四种电阻大得多，因此可以近似地认为接地电阻等于散流电阻。工频接地电阻冲击接地电阻 时变暂态电阻，接地装置的冲击电压幅值与通过其流入地中的冲击电流的幅值的比值。 典型接地体及其工频接地电阻的计算通过求解恒定电流场分析得到接地装置的电阻（土壤的散流电阻）半球接地体 为土壤电阻率（m）；r0为接地体的球半径。垂直接地体式中l是接地体长度，d是接地直径（m）多根并联： 为接地利用系数，0.65-0.8。水平接地体 式中L是接地体总长度（m），h是接地体的埋设深度（m），A表示因受屏蔽影响使接地电阻增加的系数。接地网 式中L是接地体（包括水平和垂直）的总长度（m）；S是接地网的总面积（m2）。 接地的分类 工作接地110kV及以上的电力系统中采用中性点接地的运行方式。接地目的：降低作用在设备绝缘上的电压，因此设备的绝缘水平也可 以降低，即达到缩小设备绝缘尺寸、降低设备造价的目的。在正常情况下，流过接地装置的电流为系统的不平衡电流，而在系统发生短路故障时将有数十千安的短路电路流过接地装置，持续时间0.5s左右