高电压技术-第七章

第七章

雷电及防雷保护装置

主要内容雷电放电过程雷电参数防雷保护装置重点是：电压能量吸收器——避雷器7.1雷电过程与雷电参数

什么是雷电放电雷电放电:一种气体放电现象。路径达数千米，是一种超长间隙的火花放电。与实验室的长间隙火花放电有某些共同之处。但又具有重复雷击等特点。放电的条件：云中电荷密集处的场强达到：25~30kV/cm放电型式：线状雷电、片状雷电、球状雷电“云-地”之间的线状放电，是电力系统雷击危害的主因

雷电波形不同类型的雷电雷电过程（1）“云-地”之间的线状放电可分为三个阶段：先导放电、主放电、余辉（余光）放电先导放电：雷云下部伸出微弱发光的放电通道向地面发展分级推进。每级平均长度25~50m，两级之间停歇30~90uS，下行平均速度约为0.1~0.8m/uS。按雷云距地1km考虑，需要1.25~10ms。电流不大，仅数十到数百安主放电和迎面流注阶段。当先导放电接近地面时，地面场强增大，地面突出物将向上形成迎面先导（迎面流注）。上下先导放电相遇时，进入主放电阶段。出现强烈的电荷中和过程，伴随雷鸣和闪光。主放电时间极短，约50~100uS。发展速度50~100m/uS电流幅值大，达数十千安到数百千安余辉（余光）阶段。主放电后，云中剩余电荷沿导电通道流向大地。大部分电荷在这一阶段泄入大地。电流数百安，持续0.03~0.15S雷电过程（2）P168-7-11先导放电通道；2强游离区；3主放电通道30kV/cm多重雷击（1）雷云中有多个电荷中心，某电荷中心放电后电位为0，其余电荷中心与其有很大的电位差，将利用已有主放电通道再次对地放电。两次放电时间间隔约为0.03S。后续放电无分支、不分级，自上而下连续发展，称为箭状先导。第二次及以后放电电流较小，不超过30kA。重复雷击的持续时间，对正确选定自动重合闸时间至关重要多重雷击（2）多重雷击（3）雷电参数（1）雷电参数：是雷电过电压计算、防雷设计的基础。雷暴日（Td），雷暴小时（Th），地面落雷密度（γ）雷电流。雷电流幅值，雷电流的波前时间、波长、陡度，极性，等值计算波形雷道波阻抗雷暴日（Td），雷暴小时（Th），定义：一天（小时）内只要听到雷声就算一个~。每一个雷暴日大致相当于三个雷暴小时。雷暴日的分布与地理环境有关。我国标准：每年<=15雷暴日为少雷区；>40雷暴日为多雷区；>90为特殊强雷区防雷设计需要考虑没有区分雷云之间放电和云地之间放电，对电力系统不科学。只有落地雷对电力系统有影响雷电参数（2）地面落雷密度（γ）。每一雷暴日、每平方公里地面受到的平均落雷次数。根据统计，一般γ=0.07，但区域可能不平衡。变电站选址时应注意。雷电流幅值。波阻抗为0时，流经被雷击物体的电流，即原始雷电流的2倍。规程规定，为雷击接地电阻<30R时的电流。近似等于雷电流的2倍。表示雷电强度，也是雷击过电压的根源，最重要的雷电参数。雷电流幅值的概率分布曲线。雷电参数（3）雷电流的波前时间（T1），波长（T2）波前一般在1~4uS，平均为2.6uS。波长在20~100uS，我国规定40uS波长对防雷计算结果无影响，可视为无限长。雷电流的陡度：电流随时间变化率。陡度对过电压有直接影响。陡度在50kA/uS左右是最大极限值。平均陡度：雷电流的极性。75%~90%的雷电流是负极性。雷电防护中一般按负极性考虑。负极性雷电过电压波沿线路传播时衰减小雷电流的等值计算波形。标准冲击波形，斜角平顶波，等值半余弦波前雷道波阻抗。雷电通道在主放电时如同导体，具有等值波阻抗。一般取300R7.2防雷保护装置

防雷保护装置防雷保护装置（定义）：能使被保护物体避免雷击，引雷于自身并顺利泄入大地的装置。基本防雷保护装置分类：避雷针、避雷线、避雷器、防雷接地。避雷针、避雷线为直击雷保护措施，防止雷电直接击中被保护物体。避雷器为侵入波保护措施，防止雷电波沿输电线侵入变电站接地装置：减少避雷针（线）、避雷器与大地之间的电阻值，降低雷电过电压避雷针（线）的保护（1）保护原理：在避雷针（线）的顶端形成局部场强集中的空间，以影响雷电先导放电的发展方向，使雷电对避雷针（线）放电，避免被保护物体遭受雷击。避雷针（线）必须高于被保护物，避雷针的顶部为尖状。避雷针（线）与被保护设备电气上是绝缘的定向高度H。雷电先导放电发展到高度H后，才会在一定范围内受避雷针（线）的影响。避雷针：当避雷针高度h<=30m,H=20h。如h>30m,H=600m（课本有误）避雷线：当避雷线高度h<=30m,H=10h。h>30m,H=300m避雷针（线）的保护（2）避雷针的保护范围：雷电绕击率低于0.1%的范围。绕击：雷电绕开避雷装置而击中被保护物体。保护范围具有相对意义，统计意义。不能保证保护范围内物体完全不受雷击，保护范围外物体也受保护。避雷针、避雷线除对直击雷屏蔽外，还要防反击。反击：强大的雷电流通过避雷针入地时，在避雷针或接地装置上产生过电压，可能引起避雷针与被保护物体之间间隙击穿关于避雷针富兰克林于1750年发明避雷针。避雷针的发明不仅是使人类生活上免除了自然灾害，而且在哲学上和科学上也是一件大事高压锅的泄气阀电容器上的十字我国对避雷针的应用也很早建筑物单支避雷针的保护范围保护范围是一个以避雷针为轴线的曲线圆锥体侧面为曲线，工程上以折线代替类似于伞状rx=(h-hx)p hx>=h/2rx=(1.5h-2hx)p hx<h/2h——避雷针高度hx——被保护物高度rx——保护半径p——高度修正系数：当h<=30m,p=1；当30<h<=120m,p=被保护物高度低时，保护半径扩大2倍避雷针高度增加时，保护范围扩大有限（速度下降）工程上多采用两支或多只避雷针以扩大保护范围。

等高双避雷针的联合保护范围联合保护范围：大于两针各自保护范围的和外侧保护范围与单针相同。两针之间保护范围扩大h0为两针连线上的保护范围边缘的最低点（或者最小保护高度）bx为两针之间被保护物高度为hx时的最小保护宽度（对应中点）。应仔细观察正面、侧面和俯视图，理解其含义为达到联合保护效果，两避雷针间距离D不宜大于5h

D：两针距离P：高度修正系数不等高双避雷针的联合保护范围两针外侧按单针计算两针之间先做高针范围，由低针顶点作水平线交于点3假想点3有一等高（低针）避雷针，按等高双针方法计算其联合保护范围避雷线保护（1）避雷线。即架空地线。保护原理与避雷针相同。用途：主要是输电线路保护，也可用于发电厂和变电所。保护范围：长度与线路等长，两端各附加半个圆锥体空间横截面与避雷针类似单避雷线的保护范围：rx=0.47(h-hx)p hx>=h/2rx=(h-1.53hx)p hx<h/2参数含义与避雷针相同横截面中，避雷线和避雷针的保护范围谁小，为什么？避雷线保护（2）等高双避雷线的保护范围外侧与单根相同内侧，保护范围上部边缘为圆弧，其最低点O为工程上多用保护角表示避雷线对架空输电线的保护程度。保护角：避雷线的铅垂线与避雷线和边导线连线的夹角保护角越小，雷击概率越小

一般取α

＝20o－30o220－300kV≈20o500kV<15o落雷密度大地区、山区宜采用较小保护角避雷器保护避雷器：与被保护设备并联运行，过电压时先动作，泄放能量、限制过电压、保护电气设备一种过电压限制器，实质上是过电压能量的吸收器分类：有间隙，无间隙（如金属氧化物避雷器MOA）。有间隙避雷器包括：保护间隙、管式避雷器、带间隙阀式避雷器对有间隙避雷器的技术要求：过电压时，先于被保护设备放电。即需要二者的全伏秒特性配合具有一定的熄弧能力，以便电流第一次过零时可靠地切断工频续流工频续流：避雷器放电时，冲击电流过后，工频电流将沿冲击电流通道继续通过。对无间隙避雷器的技术要求：具有长时间的工频稳定性和过电压下的热稳定性正常时，即承受长期工作电压和各种过电压。过电压时残压小于被保护设备的冲击绝缘强度不存在熄弧问题。有间隙避雷器和电气设备的伏秒特性配合保护间隙保护间隙有棒形、球形、羊角形常用角形形式，使工频续流电弧在电动力和上升热气流作用下向上运动并拉长，利于自行熄弧。放电后电弧熄灭是靠短路电流过零时的自然熄弧特点简单、价廉短路电流较大时可能发生电弧的重燃，产生过电压，危及设备绝缘一般不能避免供电中断多用于3~10kV配电系统。

管型避雷器有两个串联的间隙主要特点：利用电弧燃烧时产生的热量使产气管里的产气材料（纤维、塑料、橡胶等）产生气体纵吹电弧，使电弧熄灭。很少使用，只用于输电线路个别地段的保护。伏秒特性陡峭，放电分散性大，动作产生截波，受外界大气条件影响外间隙内间隙保护间隙、管型避雷器的特点优点：结构简单、价廉。缺点：熄弧能力低，易使断路器跳闸；与被保护设备伏秒特性不易配合；不均匀电场，放电分散性大，伏秒特性陡动作后有截波，威胁绕组绝缘不能保护主变和发电机等重要设备只能用于线路保护和进线段的保护需其它设备配合使用带间隙的阀式避雷器——结构阀型避雷器主要由火花间隙和阀片（非线性电阻）组成火花间隙→接近均匀电场kch=1.1避雷器间隙就是由多个火花间隙串联而成。火花间隙放电电压稳定、分散性小具有平坦的伏秒特性和较高的灭弧性能。非线性电阻：过电压高、电流增大时，阀片电阻降低，避雷器上电压降低，增加保护效果，同时避免截波；过电压消失后，电阻增大，降低工频续流。MOV的非线性远优于SiC阀片MOV工频续流不到mA，比SiC低7个数量级

带间隙的阀式避雷器——工作过程和分类正常时，间隙将阀片和工作导线分开，避免阀片长期受热过电压时，间隙击穿，冲击电流通过阀片流入大地。由于阀片的非线性，残压得到限制，有利于设备保护。过电压消失后，阀片电阻增大，减小工频续流，有利于熄弧

按通流容量的分类普通阀型避雷器（低温阀片）：通流容量较小，只能用于35－220kV变电站内作雷电过电压保护用，在内部过电压下不能动作。磁吹式避雷器（高温阀片）：通流容量大可用于超高压变电站内，除作雷电过电压的保护外，还可作为内部过电压的后备保护。目前磁吹避雷器已被MOA代替，但通流容量仍相同带间隙的阀式避雷器——主要参数（1）额定电压：工频工作电压，电网额定电压3、6、10、35、60、110、220、330、500kV灭弧电压：指避雷器能可靠灭弧的最大工频作用电压。最重要的参数。应大于可能出现的最大工频电压80％避雷器：110kV及以上中性点直接接地系统：健全相电压可达系统最高工作（线）电压的80％100％避雷器：10－35kV经消弧线圈接地系统：健全相电压可达系统最高运行（线）电压的100％110％避雷器：3、6、10kV中性点绝缘系统：健全相电压可达系统最高运行（线）电压的110％工频放电电压，工频作用下放电电压。为躲过内部过电压，除限定上限值，还须限定下限值。非直接接地系统内部过电压≯4.0倍最大相电压。直接接地系统内部过电压≯3.0倍最大相电压。带间隙的阀式避雷器——主要参数（2）冲击放电电压：雷电或操作冲击电压下的放电电压，常指伏秒特性上限值。它应与残压基本相等残压：雷电流通过避雷器时在阀片电阻上产生的压降220kV及以下系统雷电流取5kA超高压系统雷电流取10kA流通容量：允许通过放电泄漏电流的次数。包括冲击流通容量和工频流通容量保护水平：避雷器上可能出现的最大冲击电压的峰值。IEC，国标：残压、冲击放电电压、陡波放电电压/1.15，三者中的最大值

带间隙的阀式避雷器——主要参数（3）切断比：K=工频放电电压（下限）/灭弧电压。K愈小，越接近1，间隙的绝缘性能愈好，灭弧性能越好保护比：β=避雷器残压/灭弧电压。β愈小愈好。残压低，绝缘上的过电压小工频续流能很快被切断冲击系数：冲击放电电压与工频放电电压之比。越接近1越好，伏秒特性平坦，易于绝缘配合冲击放电电压≌残压>工频放电电压>灭弧电压无间隙氧化锌避雷器（MOA）MOA主要元件是金属氧化物非线性电阻片。主要成份是氧化锌（ZnO），俗称为氧化锌避雷器无间隙氧化锌避雷器的技术参数（1）额定电压：能较长期耐受的最大工频电压。相当于带间隙阀式避雷器中的灭弧电压在短时电压升高时能正常工作。此时，避雷器负载较重。容许最大持续运行电压（MCOV）：能长期持续运行的最大工频电压。一般应等于系统的最高工作相电压此时，避雷器负载较小。起始动作电压（参考电压或转折电压）：避雷器从小电流上升区到大电流平坦区的转折点。可认为避雷器此时进入动作状态，一般以1mA电流时的电压U1mA作为起始电压。无间隙氧化锌避雷器的技术参数（2）荷电率（AVR）：=容许最大持续运行电压峰值/参考电压或：=容许最大持续运行电压峰值/起始动作电压影响MOA老化和保护水平的重要指标荷电率高时，保护性能好，但会加速老化。反之，寿命长，但保护性能差。AVR从正常相电压下提高30%，1年老化相当于20年。保护比：=标称放电电流下的残压/参考电压或：标称放电电流下的残压/起始电压标称放电电流：8/20uS下的5kA，10kA，20kA保护比反映避雷器保护水平的高低，越小越好。目前世界最高水平：1.55，我国：1.60无间隙氧化锌避雷器的技术优点结构简化。省去了串联火花间隙。保护性能优越。潜力大。没有放电时延，陡波响应好。无续流。动作负载轻，能重复动作次数大。通流容量大。可实现重载避雷器。耐污性能好。没有串联间隙，可避免瓷套表面污染带来的间隙放电电压不稳定问题。各种避雷器的作用示意图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—被保护电器设备防雷接地接地（定义）

：将地面上的金属物或电气回路某节点，通过导体与大地保持等电位“防雷在于接地”。各种防