雷电与现代防雷技术

雷电与现代防雷技术基础第六章避雷器与避雷元器件避雷器，又叫做过电压限制器，它的作用是把已侵人电力线、信号传输线的雷电高电压限制在一定范围之内，保证用电设备不被高电压冲击击穿。常用的避雷器种类繁多，但归纳起来可分为为四大类:(1)阀型;(2)放电间隙型;(3)高通滤波型;(4)半导体型。根据用途分为两大类，即电力避雷器和电信避雷器。本章主要介绍电力避雷器和电信避雷器的基本工作原理、分类、应用。§6.1电力避雷器6.1.1避雷器的基本要求1、电力避雷器：用在电力输配线路上限制操作引起的内部过电压或雷电过电压的装置。2、一般工作原理：当作用电压超过电力避雷器的放电电压时，避雷器即先放电，限制了过电压；放电体结束，绝缘强度能自己恢复，保证电力设备正常运作。防雷器在纳秒内导通，将脉冲电压短路于地泄放，后又恢复为高阻状态，从而不影响用户设备的供电。设备当电网由于雷击出现瞬时脉冲电压时，防雷器在纳秒内导通。（1）伏秒特性：指电压与时间的对应关系。（2）工频续流：指雷电压或过电压放电结束，但工频电压仍作用在避雷器上，使其流过的工频短路接地电流。（3）绝缘强度自恢复能力：电气设备绝缘强度与时间的关系，即恢复到原来绝缘强度的快慢。（4）避雷器的额定电压：把工频续流第一次过零后，间隙所能承受的，不至于引起电弧重燃的最大工频电压，又称电弧电压。3、电力避雷器的涉及的几个指标4、对电力避雷器的基本要求（1）避雷器的伏秒特性的上限不得高于电气设备的伏特特性的下限。（2）要求避雷器间隙绝缘强度的恢复程度高于避雷器上恢复电压的增长程度。避雷器的伏秒特性电气设备的最高工频电压电气设备的伏秒特性绝缘强度恢复低于绝缘强度恢复高于避雷器恢复电压工频电压5、电力避雷器按放电类型分类：保护间隙，排气式避雷器、阀型避雷器，氧化锌避雷器。（3）辅助间隙的作用：为防止主间隙被外物短接而造成接地短路事故（2）主间隙采用角形，使工频续流电弧在自身电动力和热气流的作用下，易于上升被拉长而自行熄灭。1、结构：常见面形保护间隙避雷器6.1.2保护间隙主间隙辅助间隙（1）由主间隙和辅助间隙构成。（4）等效电路主间隙辅助间隙2、应用：常用于中性点不直接接地10KV以下的配电网络中，一般安装在高压熔断器的内侧，以减少变电所线路断器的跳闸次数。（5）主要不足点是强大的冲击电流会造成三相变压器的相间绝缘损坏。（1）由产气管、内部间隙，外部间隙三部分组成，并密封在瓷管内。（2）外部间隙的作用：使产气管在正常运作时隔离工作电压和内部电压。（3）内部间隙和产气管共同作用：产生高压气体吹动电弧，使工频续流第一次过零时熄灭。（4）等效电路2、应用：常用于输电线，大跨距，变电所进线段。而变电所内设备不用它来作防雷。（5）主要不足点是强大的冲击电流。6.1.3排气式避雷器1、结构6.1.4阀型避雷器1.结构：（1）由放电间隙和非线形电阻阀片组成，并密封在瓷管内。（2）放电间隙是由若干个标准单个放电间隙（间隙电容）串联而成，并联一组均压电阻，可提高间隙绝缘强度的恢复能力。（3）非线形电阻阀片也是由许多单个阀片串联而成，其静态伏安特性（如图），可限制工频续流，雷电流通过时，端部不会出现很高的电压，改善避雷器保护性能。（4）等效电路2、应用：目前常用的避雷器，主要分低压（FS），高压（FZ）两种阀型避雷器，可根据输电，配电网络的电压大小灵活选择使用。间隙电容均压电阻阀片电阻6.1.6复合磁吹阀型避雷器主要用在超高压系统的线路中。与普通阀型避雷器基本相同，增加磁吹放电间隙并采用高温阀片电阻，其灭弧性能和通流能力比阀型强。主要用在330KV以及超高压变电所的电气设备保护。6.1.5磁吹阀型避雷器等效电路阀片电阻主火花间隙辅助间隙均压电阻磁吹线圈等效电路主间隙并联间隙6.1.7氧化锌避雷器阀片由微小氧化锌晶粒为主要材料，加入一些金属氧化粉，经过加工成氧化锌电阻片。2、并联间隙氧化锌避雷器氧化锌电阻间隙3、串联间隙氧化锌避雷器氧化锌电阻4、全密封无间隙氧化锌避雷器1、伏安特性高压避雷器

高压避雷器参数规格型号

避雷器额定电压KV系统标准电压（有效值）KV持续运行电压（有效值）KV支流1mA参考电压（不小于)KV标称放电流下残压不大于KV陡波冲击残压（不大于）KV2ms操作通流容量电流A.18次Y5WS-17/50171012.726.05057.5100HY5WS-17/50171012.726.05057.5100Y5WS-12.7/5012.7106.626.05057.5100HY5WS-12.7/5012.7106.626.05057.5150规格型号

避雷器额定电压KV系统标准电压（有效值）KV持续运行电压（有效值）KV支流1mA参考电压（不小于)KV标称放电流下残压不大于KV陡波冲击残压（不大于）KV2ms操作通流容量电流A.18次Y5WS-10/301064.0153034.5100HY5WS-10/301064.0153034.5100Y5WZ-51/134513540.873134154400HY5WZ-51/134513540.873134154400低压避雷器（氧化锌）规格型号

避雷器额定电压KV系统标准电压（有效值）KV持续运行电压（有效值）KV支流1mA参考电压（不小于)KV标称放电流下残压不大于KV陡波冲击残压（不大于）KV2ms操作通流容量电流A.18次HY1.5W-0.5/2.60.50.380.421.22.6/75HY1.5W-0.28/1.30.28O.220.24O.61.3/75§6.2电信避雷器6.2.1概述1、电信避雷器：用在通信系统中，保护通信设备，限制雷击产生的高压浪涌或过电压的装置。2、特点：动作电压较低，无工频续流，响应时间快，体积小。3、主要性能指标及要求（1）静电放电电压，一般限定在250~500V范围；（2）动作电压，应不超过500~1000V（峰值）；（3）最小冲击次数放电次数峰值电流（A）波形（us）350005/1002010005/1005005010/1000（4）耐雷能力，即应尽可能高通过能量；（5）动作的对称性；（6）具有自动防止故障的特性；（7）漏电导和电容必须低；（8）对温度，湿度，腐蚀和灰尘的作用应进行检测。4、分类（按作用场合）：电源避雷器，天馈避雷器，信号避雷器。6.2.2电源避雷器1、作用：抑制雷电过电压波侵入电子设备2、电源避雷器特性要求（1）雷电通流容量大（可达10、40、100KA）；（2）对雷电过电压能量的吸收能力强（150KHz~20MHz），雷电残压低；（3）响应时间快（5~20ns）；（4）性能稳定。（1）动态断路器，热感断路器，压敏电阻组成。（2）增加气体放电管（3）压敏电阻，热感断路器，蠕缓放电火花隙动态断路器热感断路器压敏电阻气体放电管蠕缓放电火花隙4.有关参数（见教材表3.15）3、结构：采用氧化锌压敏电阻为主要元件，有三种基本电路构成形式。5、应用（1）电源避雷器的典型应用1─装置的电源;2─配电盘;3─总接地端或总接地连接带;4、4a、F─电源避雷器;5─电涌保护器的接地连接，5a或5b;6─需要保护的设备;7─剩余电流保护器，可位于母线的上方或下方;RA─本装置的接地电阻;RB─供电系统的接地电阻。L1L2L3PENN1RBRAI△27F4635a5b4a（2）TT系统中的应用（3）TN系统中的应用1─装置的电源;2─配电盘;3─总接地端或总接地连接带;4、F─电源避雷器;5─电涌保护器的接地连接，5a或5b;6─需要保护的设备;7─PE与N的连接带;RA─本装置的接地电阻;RB─供电系统的接地电阻。L1L2L3PENPEN1RBRA27F4635a5b1─装置的电源;2─配电盘;3─总接地端或总接地连接带;4、F─电源避雷器;5─电涌保护器的接地连接，5a或5b;6─需要保护的设备;7─剩余电流保护器;RA─本装置的接地电阻;RB─供电系统的接地电阻。L1L2L3PE1RBRA27F4635a5bI△开路或接（4）IT系统中的应用（5）在TN-C-S电源系统中的安装示意图LPZ=防雷保护区SEB=配电柜EBB=等电位连接排PENkWhEBBL1L2L3PENSEB电表

主配电柜

分配电柜 设备 避雷器避雷器避雷器EBBLPZ0LPZ1LPZ2（6）在TN—S电源系统中的安装示意图LPZ=防雷保护区SEB=配电柜EBB=等电位连接排PEkWhEBBL1L2L3NPESEB电表

主配电柜

分配电柜 设备 避雷器避雷器避雷器EBBLPZ0LPZ1LPZ2N

安装示例6.2.3天馈避雷器1、作用：抑制从天线及馈线上的感应雷及过电压，保护现代微电子器件组成的电子设备。3.目前专用的天馈避雷器（1）采用g/4短路线，信号带宽窄，但工作频率上限可达2GHz。2、简单天馈避雷器：常用锯齿状，针状的保护间隙结构，寿命与维护有关，长期不维护会起不到避雷作用。（2）并联电感和压敏电阻，带宽受电感限制，工作频率上限1GHz。（3）并接气体放电管，工作频率上限10GHz，但避雷效果有限。4）微带型和同轴型天馈避雷器，采用微波传输线原理设计，等效电路原理图，实质上等效为一个高通滤波器。高压隔直电容4、常用天馈避雷器的性能及参数（见教材表3.16）例某型号（1）插入损耗1dB

（2）驻波系数<1.2（3）工作频率DC~2000MHz（4）传输功率100W（5）雷电通流量（8/20us）100KATEK50N-MF-CO天馈线避雷器型号流通容量频率范围功率驻波系数插损通过能量连接头动作时间50N-MF-CO-A50KA125M-1GHz100W≤1.1to1≤0.1dB≤600μJN≤2.5nS宽广的频率范围极小的插入损耗多次抗雷击能力不受天气影响抑制通信号系统中各类信号线、控制数据线上的过电压，保护现代微电子器件组成的电子设备。用放电管和嵌位二极管组成混合型保安器。嵌位二极管动作灵敏，放电管通流能力大，相当于两级保护。6.2.4信号避雷器（保安器）3、电话避雷器1、作用2、根据使用场合分类电话避雷器，计算机及数据线避雷器，仪表与控制线避雷器。用三极气体放电管与嵌位二极管为主体构成，与电话避雷器基本相同，只是工作电压低于前者，相应动作电压也低于前者。主要参数：4、计算机及数据线避雷器5、仪表与控制线避雷器用气体放电管，箝位二极管，压敏电阻为主体构成。与电话避雷器基本相同，只是增加了一级压敏电阻保护，相当于三级保护。这主要是控制线电压比前面二种情况都高。信号电压12V；最大容许工作电压15V；额定电流100mA；最高放电电流10KA；动作时间<1ns；传输速率100Kb/s§6.3避雷元件6.3.1熔丝1、作用；保护设备不被大电流所损坏。2、分类：电源熔丝和线路熔丝。3、电源熔丝的指标：额定电流、熔断时间。4、线路熔丝的指标：冲击能力、耐工频能力。6.3.2气体放电管1、结构：由两个或三个相距一定距离的金属电极和玻璃或陶瓷外壳组成，管内充有一定压力的特殊气体。5、一般不单独用于防雷线路保护。2、工作过程：绝缘—点火—维持—恢复绝缘。3、两种放电状态（1）非自持放电：指放电需要外界电离剂支持。（2）自持放电：指放电不需要外界电离剂支持。自持放电的两个阶段：辉光放电和弧光放电辉光放电弧光放电4、主要参数：（1）点火电压：指直流或工频作用下，发生击穿的最低电压。（2）冲击点火电压：指电压变化很快，超过点火电压的某一值才发生击穿的电压。（3）延迟时间：工频延迟、冲击延迟例点火电压350V，1.5/40us的雷电压，冲击点火电压高达1000V。（4）伏秒特性：表征绝缘在过电压作用下抗击穿性能。5、主要优缺点（1）优点：通流容量宽，极间电容小，开断电阻大。（2）缺点：响应速度慢，存在续流，寿命较短。（5）遮断时间：雷电流消失到放电管内续流消失的时间。（6）伏安特性：6.3.3半导体防雷放电管一种是双向二端子闸流管，可看成无控制端的双向可控硅；另一种是血崩二极管。靠端电压升高击穿，击穿电压可低到1V，响应快，寿命长，仍存在续流，价格昂贵。6.3.4氧化锌压敏电阻一种非线性电阻，当电压升高到一定值后，电阻迅速下降，响应快，无续流，过载能力强，价格低廉，但寄生电容大。6.3.5PTC热敏电阻一种非线性电阻，具有优良自恢复性能，耐冲击，寿命长。§6.4多级SPD的配合问题6.4.1多级SPD的配合原则

电源线路多级SPD防护，主要目的是达到分级泄流，避免单级防护随过大的雷击电流而出现损坏概率高和产生高残压。通过合理的多级泄流能量配合，保证SPD有较长的使用寿命和设备电源端口的残压低于设备端口的耐雷电冲击电压，确保设备安全。1、多级SPD防护目的2、多级SPD的配合原则（1）对于开关型SPD1（第一级）至限压型SPD2（第二级）之间的线距应大于10m；

（2）限压型SPD2（第二级）至限压型SPD3（第三级）之间的线距应大于5m的规定。

安装多级电源SPD，由于各级SPD的标称导通电压和标称导通电流不同、安装方式及接线长短的差异，在设计和安装时如果能量配合不当，将会出现某级SPD不动作、泄流的盲点。当雷电高电压脉冲沿电源线路侵入时，为了保证各级SPD能够分级启动泄流，避免多级SPD间出现盲点，根据ITU、K20和IEC61312－3的规定，两级SPD间必须有一定的线距长度(即一定的感抗或加装退藕元件)来满足避免盲点的要求。

3、SPD安装的一般要求

SPD一般并联安装在各级配电柜(箱)开关之后的设备侧，它与负载的大小无关。串联型SPD在设计时，必须考虑负载功率不能超过串联型SPD的额定功率，并留有一定的余量。SPD连接导线应平直，导线长度不宜大于0.5m，其目的是降低引线上的电压，从而提高SPD的保护安全性能。

（1）电源系统安装多级避雷器线距的要求DEHNguardTyp275DEHN开关型避雷器与过压保护器配合的最小距离DEHNportBlitzstromableiterDEHNL1L2L3N高能量避雷器B级过压保护器C级线缆长度5m**如果PE线与主线在同一线缆中，则线缆长度要求15m6.4.2多级SPD的配合的电压和电流的确定对雷电流大小的估算：外来导电部件及电力线、通讯线，应估算在等电位连接点的各个局部雷电流。可按如下方法进行估算：总雷电流i的50%流入接地装置，其余的50%流入各设施。每一设施的雷电流为is/n，n为设施的个数。流入电缆的电流ii，则每根芯线的电流为iv=ii/m（m为芯线数）。对于屏蔽电缆，雷电流将沿屏蔽层流动。电话线等电位连接时应以5%的雷电流作为最小值来估算。1、SPD泄放的浪涌电流不超过自身的标称放电电流。问题：SPD标称放电电流是不是选择得愈高愈好？

放电间隙(SPD1)的引燃取决于MOV(SPD2)两端残压(Ures)及退耦元件两端(含连接线)的动态压降(UDE)之和。在触发放电之前，SPD间的电压分配如下:USG＝Ures＋UDE2、电压开关型和限压型SPD间的能量配合:（1）放电间隙两端的电压USG超过放电间隙动态放电电压时，SPD1就着火放电泄放雷电流，实现了能量配合。（2）后续防雷区的SPD只要线距满足规定要求或加装退藕元件，就能保证从末级到第一级逐级可靠启动泄流，确保多级SPD不出现盲点，达到最佳的能量配合效果。

国际电工委员会标准IEC61312“雷电电磁脉冲防护”将第一级防护的雷电威胁值定为200kA波形为10/350uS，超过该值的概率为1％就是说，99％雷电闪击都包括了。国标GB50343不作只使用一种波形的规定，宜兼顾各种不同意见，所以推荐等同使用两种波形的参数（另一种8/20us波形），不作强制性规定，仅仅作为不同波形条件下的推荐参数而己。3、第一级防护的雷电流值的计算例：供电线路为三相五相制的TN－S接地方式的一级防护的雷电流值的计算。

IEC61312－1：1995雷电流分配的有关条文中，已假定:全部雷电流i的50％输入LPS的接地装置，i的另一个50％全部进入建筑物的各种设施，并假定进入建筑物的金属设施，只是变压器低压侧的三相五相制，供电线路为TN－S接地方式。若第一级防护雷电威胁值规定为200kA，10/350us，则在供电线路中，每线荷载的雷电流为Im=Is/n＝(I/2)/n＝(200/2)/5=20kA。当用8/20us波形时，在单位能量相同的条件下，则用下面公式换算:4、第二级防护的雷电流值的计算第二级被保护设备的耐冲击电压由图查得为Up=4kV，在SPD未导通，电感两端的压降即为第二级被保护设备的耐冲击电压，即Up=UL=4kV电感压降的公式为:UL=L×(di2/dt2)式中：i2为流过SPD的雷电电流，即SPD承受的标称放电电流；t2为对应的雷电流波头时间。di2/dt2取平均陡度；导体自身电感量以最低为每米1uH计，则10m长导体的电感量为10uH；电感压降公式整理得:i2=UL(T2/L)=4×103[(8×10－6)/(10×10－6)]=3.2KA

从安全和可靠角度考虑，应增大SPD2的耐雷电冲击电流的裕度，通常第二级SPD的标称放电电流应不小于40kA。5、第三级防护的雷电流值的计算i2=UL(T2/L)=2.5×103[(8×10－6)/(10×10－6)]=2KA第三级SPD标称放电电流按确定第二级标称放电电流计算的方法。通常第三级SPD的标称放电电流不小于20kA。对于380V的工作电压，SPD的导通电压约为900V,SPD2的残压比一般在3-3.5之