雷电及防雷装置课件

§8雷电及防雷装置§8-1雷电参数§8-2避雷针、避雷线的保护范围§8-3避雷器§8-4接地装置

1§8雷电及防雷装置§8-1雷电参数1§8-1雷电参数

一、等值电路

雷电流：雷击于接地阻抗为零的物体时流经接地体的电流。国际规定接地体阻抗小于30Ω。实际上可将雷击物体看成一个入射波为/2(为雷电流)的电流波沿一条波阻抗为雷通道波阻抗的通道向被击物体传播的过程。彼得逊等值电路如图（8-1-3）所示或看成电流形式的彼得逊等值电路。2§8-1雷电参数一、等值电路2

式(8-1-2)

因为为雷通道电流的两倍。

二、雷电流波形波形用峰值、波前时间和半峰值时间来表示（大多为负极性雷）。如5kA,2.6/50μs即表示波前时间为2.6μs,半峰值时间为50μs,峰值为5kA的电流。3

式(8-1-2)

因为为雷通道电流的两倍。二、雷

电气设备的雷击试验和防雷设计时将雷电流波形等值为可用公式表示的典型波形。常用的雷电流等值波形有双指数波、斜角波、半余弦波等。①双指数波形（标准波形）（图a)（8-1-6）②斜角波(为简化计算)(图b）③对波前范围,较近似的为半余弦波(图c)（8-1-7）

4电气设备的雷击试验和防雷设计时将雷电流波形等值为可用

三、雷暴日与雷暴小时

雷暴日：一年中有雷电流活动的日数。凡是有雷电活动的一天，不管雷电次数多少都记为1。

雷暴小时：一年中有雷电的小时数。一个小时中有听到雷声就为一个雷暴小时。

以上的定义表述该地区雷电活动的频率程度。我国雷电活动分布是沿海强于内陆，南方强于北方，东方强于西方。四、地面落雷密度和输电线路落雷次数

地面落雷密度：每一雷暴日每平方千米地面遭受雷击的次数，以γ表示。5

三、雷暴日与雷暴小时

雷暴日：一年中有雷电流活动的日§8-2避雷针、避雷线的保护范围对直击雷的防护措施通常是装设避雷针或避雷线。避雷针(线)高于被保护的物体，其作用是吸引雷电击于自身，并将雷电流迅速泄入大地，从而使避雷针(线)附近的物体得到保护。

避雷针（线）的保护范围可以通过模拟试验并结合运行经验来确定。由于雷电放电受很多偶然因素的影响，因此要保证被保护物体绝对不遭受直击雷的危害是不现实的。通常，保护范围是指具有0.1%左右雷击概率的空间范围。6§8-2避雷针、避雷线的保护范围对直击雷的防护措施通常是装一、避雷针的保护范围:1、单支避雷针——避雷针的高度；——被保护物体的高度；p——高度影响系数，7一、避雷针的保护范围:——避雷针的高度；72、两支等高避雷针一般两避雷针之间距离与针高之比D/h不宜大于5。82、两支等高避雷针一般两避雷针之间距离与针高之比D/h不宜大3、两支不等高避雷针两针外侧的保护范围仍按单针的方法确定。两针内侧的保护范围按以下方法确定：先按单针作出高针1的保护范围，然后经过较低针2的顶点作水平线与之交于点3，再设点3为一假想针的顶点，作出2和3两等高避雷针的保护范围。93、两支不等高避雷针两针外侧的保护范围仍按单针的方法确定。两4、避雷线（又称架空地线）的保护范围

避雷线一般用于输电线路的直击雷保护，常用保护角的大小赖表示其对导线的保护程度。保护角是指避雷线和边相导线的连线与经过避雷线的垂直线之间的夹角。雷击导线的概率随保护角的减小而降低。104、避雷线（又称架空地线）的保护范围10§8-3避雷器

避雷器是由保护间隙发展而来，主要作用是限制过电压以保护电气设备。其类型只要有保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器等几种。保护间隙和管型避雷器主要用于限制大气过电压，一般用于配电系统、输电线路和发、变电所进线段的保护。阀型避雷器用于变电所和发电厂的保护，在220KV及以下系统主要用于限制大气过电压，在超高压系统中还用来限制内过电压或作内过电压的后备保护。11§8-3避雷器避雷器是由保护间隙发展而来，主要作一、保护间隙与管型避雷器⑴保护间隙

缺点：对工频续流的灭弧能力较差。

用途：常用于配电系统、线路和发、变电所进线段对大气过电压的保护。12一、保护间隙与管型避雷器⑴保护间隙

缺点：对工频续⑵管型避雷器

结构：两个相互串联的间隙构成，一个用于隔离过电压,一个用于灭弧。实质上是一个具有较高熄弧能力的保护间隙。

原理：雷击时内外间隙均被击穿，过电压消失后，工频续流由续流电弧高温使管内材料产生的气体熄灭。

缺点：①伏秒特性分散性大，与设备不能较好配合。

②动作后工作母线直接接地形成截波，对变压器纵绝缘不利。

用途：与保护间隙相近。13⑵管型避雷器结构：两个相互串联的间隙构成，一个用于隔离二、阀型避雷器

1.结构：由间隙与线性电阻(阀片)串联。

2.原理：正常工作时，间隙将电阻阀片与母线电阻隔离，使电阻受到较好保护。(老化、劣化)

当系统电压过大时，间隙击穿，冲击电流通过阀片流入大地，由于阀片的非线性特性，故在阀片上产生的压降(称为残压)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。当过电压消失后，正常电压工作，电压小，电阻大，工频续流小，使间隙能在工频续流第一次经过零值时就将电流熄灭。

阀型避雷器分为普通型和磁吹型两类，由熄弧能力决定。3.用途：变电所、发电厂的保护；220KV及以下限制大气过电压；超高压系统中用于限制内过电压。14二、阀型避雷器1.结构：由间隙与线性电阻(阀片)串联。

三、氧化锌避雷器结构：省去串联火花间隙，非线性电阻采用阀片（主要成分为，还掺入多种微量金属化合物）。

阀片的伏安特性可分为小电流区、非线性区和饱和区。

低压时电阻极大，电压达到一定值时电阻迅速下降，非线性特性较强烈。正常电压下电流还小于阀片的间隙。15三、氧化锌避雷器结构：省去串联火花间隙，非线性电阻采用

原理：过电压时，阀片电阻迅速下降，能量通过阀片入地，被保护设备承受的是残压。过电压过去后，正常电压时：阀片电阻迅速上升，流过电流极子正常运行。为了减少氧化锌避雷器的老化，常采用并联或串联间隙的方法。（正常情况下承压小）

特点：①可做成无间隙的。因此，无防污问题，气压的影响，陡坡响应特性。

②无续流。正常工作下为绝缘体，电流小，在大电流长时间重复冲击后特性稳定。

③保护性能优越。具有优异的伏安特性，可降低残压。（大电流下电压）

④通流容量大，适于限制操作过电压和直接系统的过电压。16原理：过电压时，阀片电阻迅速下降，能量通§8-4接地装置一、接地和接地电阻的概念

接地：将地面上的金属物体或电气回路中的某一节点通过导体与大地相连，使该物体或节点与大地保持等电位。接地分为工作接地（小于110KV，星形接线）、保护接地(设备安全)、防雷接地三种。

接地电阻：接地点处的电位与接地电流的比值。接地电阻是表征接地装置功能的一个重要的电气参数。严格地说，接地电阻包括四个组成部分：接地引线电阻、接地体本身的电阻、接地体与土壤间的过渡电阻和大地的溢流电阻。

17§8-4接地装置一、接地和接地电阻的概念17二、三种接地1、保护接地

为了人身安全，将电气设备的金属外壳接地。接触电压:人所立的地点与接地设备之间的电位差。(取人手摸设备的1.8m高处，人脚离设备的水平距离为0.8m)

跨步电压:人的两脚着地点之间的电位差.(取跨距为0.8m)18二、三种接地1、保护接地

为了人身安全，将电气设备的2、工作接地

电力系统正常运行需要的，如系统的中性点接地。

3、防雷接地

针对防雷而设计的接地，目的是减少雷电流通过接地装置时的地电位升高。

三、工程实用的接地装置(了解)工程实用的接地体主要由扁钢、圆钢、角钢或钢管组成，埋于地表面下0.5～1m处，水平接地体多用扁钢，或者用直径不小于6mm的圆钢；垂直接地体一般用角钢或钢管。1、典型接地体的接地电阻2、输电线路的防雷接地3、发电厂和变电所的防雷接地192、工作接地

电力系统正常运行需要的，如系统的中性点第九章输电线路的防雷保护

输电线路上出现的大气过电压有两种：一种是雷直击于线路引起的，称为直击雷过电压；另一种是雷击线路附近地面，由于电磁感应引起的，称为感应雷过电压。

耐雷水平：雷击线路时绝缘不发生闪络的最大雷电流的幅值，以kV为单位。

雷击跳闸率：每100km线路每年由雷击引起的跳闸次数称为“雷击跳闸串”，这是衡量线路防雷性能的综合指标。20第九章输电线路的防雷保护

输电线路上§9-1输电线路上的感应雷过电压一、雷击线路附近大地时的线路上的感应雷过电压二、雷击线路杆塔时导线上的感应雷过电压21§9-1输电线路上的感应雷过电压一、雷击线路附近大地时的§9-2输电线路上的直击雷过电压

和耐雷水平雷直击于有避雷线线路的情况可分为三种，即雷击杆塔塔顶、雷击避雷线档距中间和雷绕过避雷线击于导线——称为“绕击”。3种雷击如图所示：22§9-2输电线路上的直击雷过电压

和耐雷水平雷直击于有避雷一、雷击杆塔塔顶时的过电压和耐雷水平1、塔顶电位

考虑到雷击点的阻抗较低故在计算时可略去雷电通道波阻的影响。由于避雷线的分流作用，流经杆塔的电流将小于雷电流，即(9-2-1)式中：称为分流系数，其值可由右图的等值电路求出。（对于不同电压等级一般长度档距的杆塔，值可由表9-2-3查得）23一、雷击杆塔塔顶时的过电压和耐雷水平1、塔顶电位23塔顶电位可由下式计算

将代入，则塔顶电位的幅值为

（9-2-2）

式中：为雷电流幅值。

24塔顶电位可由下式计算

将2、导线电位和线路绝缘上的电压

由于避雷线与导线间的耦合作用，导线上将产生耦合电压，此电压与雷电流同极性。由于雷电通道电磁场的作用，在导线上尚有感应过电压，此电压与雷电流异极性，故导线电位的幅值为

（9-2-3）

线路绝缘子串上两端电压为塔顶电位和导线电位之差，故线路绝缘上的电压幅值为

以式（9-2-2）及代入，得

（9-2-4）252、导线电位和线路绝缘上的电压

由于避雷线与导线间的耦合作用3、耐压水平的计算

从式（9-2-4）可知，线路绝缘上电压的幅值随雷电流的增大而增大，当大于绝缘子串冲击闪络电压时，绝缘子串将发生闪络，由于此时杆塔电位较导线电位为高，故此类闪络称为“反击”。雷击杆塔的耐压水平可由等于线路绝缘子串的50%冲击闪络电压时求得

（9-2-5）263、耐压水平的计算

从式（9-2-4）可知，线路绝缘上电压的二、雷击避雷线档距中央时的过电压(了解)

三、绕击时的过电压和耐雷水平(了解)

§9-3输电线路的雷击跳闸率(了解)27二、雷击避雷线档距中央时的过电压(了解)

三、绕击时的过电压一、架设避雷线

避雷线是超高压输电线路最基本的防雷措施，其主要目的是防止雷直击导线。此外避雷线对雷电流还有分流作用，可以减少流入杆塔的雷电流，使塔顶电位下降；对导线有耦合作用，可以降低导线上的感应过电压。

我国规程规定，330kV及以上应全线架设双避雷线，220kV应全线架设避雷线，110kV线路一般应全线装设避雷线,但在少雷区或运行经验证明雷电活动轻微的地区可不沿全线架设避雷线，保护角一般取20º~30º，对330kV及220kV双避雷线线路，一般采用20º左右。§9-4输电线路的防雷措施28一、架设避雷线

避雷线是超高压输电线路最基本的防雷措施二、降低杆塔接地电阻

对于一般高度的杆塔，降低杆塔接地电阻是提高线路耐雷水平防雷反击的有效措施。

三、架设耦合地线

在降低杆塔接地电阻有困难时，可以采用在导线下方架设地线的措施，其作用是增加避雷线与导线间的耦合作用以降低绝缘子串上的电压，耦合地线还可增加对雷电流的分流作用。

四、采用不平衡绝缘方式

不平衡绝缘的原则是使两回路的绝缘子串片数有差异，这样，雷击时绝缘串片数少的回路先闪络，闪络后的导线相当于地线，增加了对另一回路导线的耦合作用，提高了另一回路的耐雷水平以保证继续供电，一般两回路绝缘水平的差异为倍的相电压(峰值)。29二、降低杆塔接地电阻

对于一般高度的杆塔，降低杆塔接五、架设自动重合闸

雷击造成的闪络大多能在跳闸后自行恢复绝缘性能。

六、采用消弧线圈接地方式

接地故障的电弧能消除或抑制,提高耐雷水平。

七、装设管型避雷器

在线路交叉处和在高杆塔上架设管型避雷器以限制过电压。

八、加强绝缘30五、架设自动重合闸

雷击造成的闪络大多能在跳闸后自行§8雷电及防雷装置§8-1雷电参数§8-2避雷针、避雷线的保护范围§8-3避雷器§8-4接地装置

31§8雷电及防雷装置§8-1雷电参数1§8-1雷电参数

一、等值电路

雷电流：雷击于接地阻抗为零的物体时流经接地体的电流。国际规定接地体阻抗小于30Ω。实际上可将雷击物体看成一个入射波为/2(为雷电流)的电流波沿一条波阻抗为雷通道波阻抗的通道向被击物体传播的过程。彼得逊等值电路如图（8-1-3）所示或看成电流形式的彼得逊等值电路。32§8-1雷电参数一、等值电路2

式(8-1-2)

因为为雷通道电流的两倍。

二、雷电流波形波形用峰值、波前时间和半峰值时间来表示（大多为负极性雷）。如5kA,2.6/50μs即表示波前时间为2.6μs,半峰值时间为50μs,峰值为5kA的电流。33

式(8-1-2)

因为为雷通道电流的两倍。二、雷

电气设备的雷击试验和防雷设计时将雷电流波形等值为可用公式表示的典型波形。常用的雷电流等值波形有双指数波、斜角波、半余弦波等。①双指数波形（标准波形）（图a)（8-1-6）②斜角波(为简化计算)(图b）③对波前范围,较近似的为半余弦波(图c)（8-1-7）

34电气设备的雷击试验和防雷设计时将雷电流波形等值为可用

三、雷暴日与雷暴小时

雷暴日：一年中有雷电流活动的日数。凡是有雷电活动的一天，不管雷电次数多少都记为1。

雷暴小时：一年中有雷电的小时数。一个小时中有听到雷声就为一个雷暴小时。

以上的定义表述该地区雷电活动的频率程度。我国雷电活动分布是沿海强于内陆，南方强于北方，东方强于西方。四、地面落雷密度和输电线路落雷次数

地面落雷密度：每一雷暴日每平方千米地面遭受雷击的次数，以γ表示。35

三、雷暴日与雷暴小时

雷暴日：一年中有雷电流活动的日§8-2避雷针、避雷线的保护范围对直击雷的防护措施通常是装设避雷针或避雷线。避雷针(线)高于被保护的物体，其作用是吸引雷电击于自身，并将雷电流迅速泄入大地，从而使避雷针(线)附近的物体得到保护。

避雷针（线）的保护范围可以通过模拟试验并结合运行经验来确定。由于雷电放电受很多偶然因素的影响，因此要保证被保护物体绝对不遭受直击雷的危害是不现实的。通常，保护范围是指具有0.1%左右雷击概率的空间范围。36§8-2避雷针、避雷线的保护范围对直击雷的防护措施通常是装一、避雷针的保护范围:1、单支避雷针——避雷针的高度；——被保护物体的高度；p——高度影响系数，37一、避雷针的保护范围:——避雷针的高度；72、两支等高避雷针一般两避雷针之间距离与针高之比D/h不宜大于5。382、两支等高避雷针一般两避雷针之间距离与针高之比D/h不宜大3、两支不等高避雷针两针外侧的保护范围仍按单针的方法确定。两针内侧的保护范围按以下方法确定：先按单针作出高针1的保护范围，然后经过较低针2的顶点作水平线与之交于点3，再设点3为一假想针的顶点，作出2和3两等高避雷针的保护范围。393、两支不等高避雷针两针外侧的保护范围仍按单针的方法确定。两4、避雷线（又称架空地线）的保护范围

避雷线一般用于输电线路的直击雷保护，常用保护角的大小赖表示其对导线的保护程度。保护角是指避雷线和边相导线的连线与经过避雷线的垂直线之间的夹角。雷击导线的概率随保护角的减小而降低。404、避雷线（又称架空地线）的保护范围10§8-3避雷器

避雷器是由保护间隙发展而来，主要作用是限制过电压以保护电气设备。其类型只要有保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器等几种。保护间隙和管型避雷器主要用于限制大气过电压，一般用于配电系统、输电线路和发、变电所进线段的保护。阀型避雷器用于变电所和发电厂的保护，在220KV及以下系统主要用于限制大气过电压，在超高压系统中还用来限制内过电压或作内过电压的后备保护。41§8-3避雷器避雷器是由保护间隙发展而来，主要作一、保护间隙与管型避雷器⑴保护间隙

缺点：对工频续流的灭弧能力较差。

用途：常用于配电系统、线路和发、变电所进线段对大气过电压的保护。42一、保护间隙与管型避雷器⑴保护间隙

缺点：对工频续⑵管型避雷器

结构：两个相互串联的间隙构成，一个用于隔离过电压,一个用于灭弧。实质上是一个具有较高熄弧能力的保护间隙。

原理：雷击时内外间隙均被击穿，过电压消失后，工频续流由续流电弧高温使管内材料产生的气体熄灭。

缺点：①伏秒特性分散性大，与设备不能较好配合。

②动作后工作母线直接接地形成截波，对变压器纵绝缘不利。

用途：与保护间隙相近。43⑵管型避雷器结构：两个相互串联的间隙构成，一个用于隔离二、阀型避雷器

1.结构：由间隙与线性电阻(阀片)串联。

2.原理：正常工作时，间隙将电阻阀片与母线电阻隔离，使电阻受到较好保护。(老化、劣化)

当系统电压过大时，间隙击穿，冲击电流通过阀片流入大地，由于阀片的非线性特性，故在阀片上产生的压降(称为残压)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。当过电压消失后，正常电压工作，电压小，电阻大，工频续流小，使间隙能在工频续流第一次经过零值时就将电流熄灭。

阀型避雷器分为普通型和磁吹型两类，由熄弧能力决定。3.用途：变电所、发电厂的保护；220KV及以下限制大气过电压；超高压系统中用于限制内过电压。44二、阀型避雷器1.结构：由间隙与线性电阻(阀片)串联。

三、氧化锌避雷器结构：省去串联火花间隙，非线性电阻采用阀片（主要成分为，还掺入多种微量金属化合物）。

阀片的伏安特性可分为小电流区、非线性区和饱和区。

低压时电阻极大，电压达到一定值时电阻迅速下降，非线性特性较强烈。正常电压下电流还小于阀片的间隙。45三、氧化锌避雷器结构：省去串联火花间隙，非线性电阻采用

原理：过电压时，阀片电阻迅速下降，能量通过阀片入地，被保护设备承受的是残压。过电压过去后，正常电压时：阀片电阻迅速上升，流过电流极子正常运行。为了减少氧化锌避雷器的老化，常采用并联或串联间隙的方法。（正常情况下承压小）

特点：①可做成无间隙的。因此，无防污问题，气压的影响，陡坡响应特性。

②无续流。正常工作下为绝缘体，电流小，在大电流长时间重复冲击后特性稳定。

③保护性能优越。具有优异的伏安特性，可降低残压。（大电流下电压）

④通流容量大，适于限制操作过电压和直接系统的过电压。46原理：过电压时，阀片电阻迅速下降，能量通§8-4接地装置一、接地和接地电阻的概念

接地：将地面上的金属物体或电气回路中的某一节点通过导体与大地相连，使该物体或节点与大地保持等电位。接地分为工作接地（小于110KV，星形接线）、保护接地(设备安全)、防雷接地三种。

接地电阻：接地点处的电位与接地电流的比值。接地电阻是表征接地装置功能的一个重要的电气参数。严格地说，接地电阻包括四个组成部分：接地引线电阻、接地体本身的电阻、接地体与土壤间的过渡电阻和大地的溢流电阻。

47§8-4接地装置一、接地和接地电阻的概念17二、三种接地1、保护接地

为了人身安全，将电气设备的金属外壳接地。接触电压:人所立的地点与接地设备之间的电位差。(取人手摸设备的1.8m高处，人脚离设备的水平距离为0.8m)

跨步电压:人的两脚着地点之间的电位差.(取跨距为0.8m)48二、三种接地1、保护接地

为了人身安全，将电气设备的2、工作接地

电力系统正常运行需要的，如系统的中性点接地。

3、防雷接地

针对防雷而设计的接地，目的是减少雷电流通过接地装置时的地电位升高。

三、工程实用的接地装置(了解)工程实用的接地体主要由扁钢、圆钢、角钢或钢管组成，埋于地表面下0.5～1m处，水平接地体多用扁钢，或者用直径不小于6mm的圆钢；垂直接地体一般用角钢或钢管。1、典型接地体的接地电阻2、输电线路的防雷接地3、发电厂和变电所的防雷接地492、工作接地

电力系统正常运行需要的，如系统的中性点第九章输电线路的防雷保护

输电线路上出现的大气过电压有两种：一种是雷直击于线路引起的，称为直击雷过电压；另一种是雷击线路附近地面，由于电磁感应引起的，称为感应雷过电压。

耐雷水平：雷击线路时绝缘不发生闪络的最大雷电流的幅值，以kV为单位。

雷击跳闸率：每100km线路每年由雷击引起的跳闸次数称为“雷击跳闸串”，这是衡量线路防雷性能的综合指标。50第九章输电线路的防雷保护

输电线路上§9-1输电线路上的感应雷过电压一、雷击线路附近大地时的线路上的感应雷过电压二、雷击线路杆塔时导线上的感应雷过电压51§9-1输电线路上的感应雷过电压一、雷击线路附近大地时的§9-2输电线路上的直击雷过电压

和耐雷水平雷直击于有避雷线线路的情况可分为三种，即雷击杆塔塔顶、雷击避雷线档距中间和雷绕过避雷线击于导线——称为“绕击”。3种雷击如图所示：52§9-2输电线路上的直击雷过电压

和耐雷水平雷直击于有避雷一、雷击杆塔塔顶时的过电压和耐雷水平1、塔顶电位

考虑到雷击点的阻抗较低故在计算时可略去雷电通道波阻的影响。由于避雷线的分流作用，流经杆塔的电流将小于雷电流，即(9-2-1)式中：称为分流系数，其值可由右图的等值电路求出。（对于不同电压等级一般长度档距的杆塔，值可由表9-2-3查得）53一、雷击杆塔塔顶时的过电压和耐雷水平1、塔顶电位23塔顶电位可由下式计算

将代入，则塔顶电位的幅值为

（9-2-2）

式中：为雷电流幅值。

54塔顶电位可由下式计算

将2、导线电位和线路绝缘上的电压

由于避雷线与导线间的耦合作用，导线上将产生耦合电压，此电压与雷电流同极性。由于雷电通道电磁场的作用，在导线上尚有感应过电压，此电压与雷电流异极性，故导线电位的幅值为

（9-2-3）

线路绝缘子串上两端电压为塔顶电位和导线电位之差，故线路绝缘上的电压幅值为

以式（9-2-2）及代