雷电及防雷保护装置（高电压技术课件）

6-1雷电放电及雷电参数6-2避雷针和避雷线6-3避雷器6-4防雷接地第六章雷电参数及防雷设备大自然中的雷电现象大自然中的雷电现象6-1雷电放电及雷电参数1.先导放电2.主放电3.余辉放电迎面先导与下行先导相遇强烈中和速度快，持续时间极短（约50~100μs），电流极大（约几十到几百KA）（电闪、雷鸣）多重放电：一般雷云存在几个电荷中心，继而发生多次的放电（以后的雷电先导是连续的）分级发展，速度较慢，电流小残余电荷继续释放能量持续时间长一.雷电放电1.雷电通道波阻抗Z0一般约为200~300Ω2.雷电流国际上习惯把雷击于小接地阻抗（Z≈0或Z＜＜Z0

）物体时，流过该物体的电流定义为雷电流。

定义中的雷电流i恰好等于沿雷电通道而来的雷电流波（i0=συ）的两倍。二.雷电参数在我国，一般地区：对西北、内蒙地区：3.雷电流幅值I及概率分布①标准冲击波用于电力设备绝缘强度试验②斜角平顶波用于一般线路的防雷设计建议波头时间2.6μs，平均陡度α=③半余弦波用于设计特殊高塔4.雷电流波形5.极性90%左右为负极性雷雷暴日——该地区一年中能听到雷声的天数雷暴小时——该地区一年中能听到雷声的小时数。少雷区：＜15中雷区：15~40多雷区：＞40强雷区：≥906.雷暴日Td和雷暴小时Th7.地面落雷密度和输电线路落雷次数（1）地面落雷密度γ每一雷暴日、每平方公里地面遭受雷击的次数我国有关标准建议γ取为0.07次/（Km2.雷暴日）（2）输电线路落雷次数及计算三.雷电过电压及分类雷电过电压又称

——大气过电压还可称

——外部过电压大气过电压直击雷过电压感应雷过电压侵入波过电压高电压技术—雷电放电及雷电参数了解原子的结构及电离的概念学习目标知晓雷电参数及相关数据知晓雷电放电对电力系统的危害性及雷电过电压类型一般了解雷电放电的计算模型了解雷电放电的发展过程懂得分析计算线路年落雷次数01雷电放电0大自然中的雷电现象0大自然中的雷电现象0雷电科学发展简史17世纪欧洲发现了正电和负电。第一个将实验室人工产生的电（可称为地电）与闪电联系起来的是伦敦皇家学会馆长FrancisHauksbee，1706年他观察摩擦起电的放电不仅产生闪电，而且产生类似雷鸣的声音，认为其与雷电类似。著名的风筝试验（17世纪，富兰克林）：240米长的缠绕钢丝的麻绳上产生20cm的电火花，第一次向人们展示了雷电只不过是一种火花放电的秘密，通过大量实验取得卓越成就，建立了现代雷电学说，认为雷击是云层中大量阴电荷和阳电荷迅速中和而产生的现象。著名科学家GWRichman（高速摄影、自动录波、雷电定向定位等现代测量技术对雷电进行的观测研究，大大丰富了人们对雷电的认识。雷电过电压：造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一。巨大雷电流：有可能使被击物体炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损坏。雷电流热效应：雷电流很大但作用时间很短，因此产生局部高温，可使体积较小的金属熔化，雷电通道温度15000~20000℃，可引起森林火灾。雷电的机械效应：雷电电流通过物体，发热导致物体内的水分急剧蒸发，产生气体，气体膨胀的机械作用可使树木劈裂，器物的破裂和爆炸。0雷电的危害水滴分类起电理论0雷云的形成1先导放电阶段2主放电阶段3余辉放电阶段一.雷电放电213雷云中的电荷分布是不均匀的，当雷云中某个电荷密集中心的电场强度达到空气击穿场强（约25kV~30kV/cm）时，空气便开始电离，形成指向大地的一段电离的微弱导电通道。1.先导放电主放电完成后，云中剩余电荷沿着导电通道开始流向大地，这一阶段称放电的余辉阶段，电流数百安。

3.余辉放电先导靠近地面时，进入主放电阶段，强烈的电荷中和过程，伴随着雷鸣和闪光。主放电时间极短。电流幅值高达数十甚至数百千安。2.主放电一.雷电放电02雷电参数1.雷电活动频度——雷暴日及雷暴小时雷暴日是一年中有雷电的天数，在一天内只要听到雷声就算作一个雷暴日。雷暴小时是一年中有雷电的小时数，在一个小时内只要听到雷声就算作一个雷暴小时。2.地面落雷密度地面落雷密度（γ）这个参数表示在一个雷暴日中，每平方公里地面上的平均落雷次数。对雷暴日为40的地区，我国《标准》取γ=0.07（次/雷暴日.km2）。3.雷电通道波阻抗雷电通道长度数千米，主放电时如同导体，类似一条分布参数线路，具有某一等值波阻抗，称为雷道波阻抗。我国有关规程建议取Z0≈300Ω。4.雷电流的极性负极性雷约占75~90%，对设备危害大，故在防雷计算中一般均按负极性考虑。二.雷电参数5.雷电流幅值雷电流幅值是表示雷电强度的指标。据我国长期进行的大量实测结果，在一般地区雷电流幅值超过I的概率可用计算。

6.雷电流的波头（T1）、陡度a及波长（T2）我国采用2.6µs的固定波头长度。雷电流波头的平均陡度为：a=

(kA/µs)

7.雷电流的计算波形1）标准冲击波：2）斜角平顶波：其波前陡度a可由给定的雷电流幅值I和波头时间决定。3）半余弦波：i=

二.雷电参数1）标准冲击波用于电力设备绝缘强度试验2）斜角平顶波用于一般线路的防雷设计建议波头时间2.6μs，平均陡度α=3）半余弦波用于设计特殊高塔二.雷电参数在我国，一般地区：对西北、内蒙地区：二.雷电参数二.雷电参数地面落雷密度和输电线路落雷次数少雷区：＜15中雷区：15~40多雷区：＞40强雷区：≥9003雷电过电压及分类三.雷电过电压及分类雷电过电压又称大气过电压还可称外部过电压大气过电压直击雷过电压感应雷过电压侵入波过电压三.雷电过电压及分类高电压技术—避雷针与避雷线了解原子的结构及电离的概念学习目标知道避雷针、避雷线的保护范围及工程应用知道避雷针、避雷线的基本结构知道避雷针、避雷线的保护对象理解避雷针、避雷线的机理（实质）01避雷针的作用、原理一.避雷针的作用、原理1.作用防止被保护设备遭受直接雷击2.原理将雷电吸引到自身，并将其安全导入地中，使附近的建筑和设备免遭直接雷击实质上——引雷针！

独立避雷针

构架避雷针3.基本结构（1）针头又称接闪器，φ10~12mm、长1~2m的钢棒（2）引下线镀锌钢绞线、圆钢、扁钢（3）接地装置角钢或圆钢，长2.5m一.避雷针的作用、原理4.保护对象主要用于发电厂、变电所的直击雷保护一.避雷针的作用、原理02避雷针的保护范围二.避雷针的保护范围保护范围的定义：在保护范围内，遭受雷击的概率不超过0.1%hx水平面上保护范围的截面1.单支避雷针(1)当hx≥0.5h时

(2)当hx

＜0.5h时P——高度影响系数当h≤30m时,p=1；当30m＜h≤120m时,hx水平面上保护范围的截面h——避雷针的高度hx——被保护物高度rx——被保护物高度hx水平面上的保护半径二.避雷针的保护范围2.两支等高避雷针外侧的保护范围的确定方法同单支避雷针内侧的保护范围：两针间的距离两针保护范围上部边缘最低点的高度两针间hx水平面上一侧的保护范围最小处的最大保护宽度二.避雷针的保护范围03避雷线三.避雷线1.保护原理:与避雷针相同2.保护对象:主要用于输电线路的直击雷保护（避雷线又称“架空地线”）3.保护范围:带状区域，通常用保护角α表示。

保护角α——避雷线同外侧导线的连线与垂直线之间的夹角。α越小，防雷保护效果越好。一般线路的保护角为20°~30°三.避雷线高电压技术—避雷器了解原子的结构及电离的概念学习目标领会金属氧化物避雷器的优势知道对避雷器的基本要求了解避雷器的技术发展（基本类型）及适用范围熟知避雷器的工作原理理解避雷器的用途（实质）了解金属氧化物避雷器的技术参数知道阀型避雷器的基本结构及各组成部分的作用与要求能看懂常用金属氧化物避雷器的型号01避雷器的作用、保护原理一.避雷器的作用、保护原理限制沿线路侵入的雷电波（简称雷电侵入波）幅值的一种过电压保护装置。避雷器实质上是一个“放电器”，它与被保护设备并联。当过电压超过一定幅值时，避雷器先放电，从而限制了过电压的幅值，使与之并联的电气设备得到保护。1.作用：2.原理02对避雷器的基本要求电力工程系林建军编写二.对避雷器的基本要求1.具有良好的伏秒特性，便于绝缘配合。避雷器应及时动作、残压（雷电流在避雷器上所形成的压降）应尽量减小。避雷器的伏秒特性曲线应尽量平坦些。2.具有较强的绝缘自恢复能力，以免造成停电。避雷器应能迅速切断工频续流（由于工作电压的作用，当冲击过电压消失后，仍然有工频电弧电流通过避雷器），使系统尽快恢复正常运行，避免供电中断。3.不应产生高幅值的截波，以免损坏被保护设备的纵绝缘。03基本类型电力工程系林建军编写三.基本类型①保护间隙（10KV及以下配电线路中不太重要的保护）②管型避雷器（变电站进线段保护辅助手段输电线路上个别薄弱绝缘路段）③阀型避雷器（已淘汰）④氧化锌避雷器（简称MOA，性能最优越）电力工程系林建军编写避雷器保护原理示意图三.基本类型04保护间隙和管型避雷器四.保护间隙和管型避雷器实际上是一个具有较高灭弧能力的保护间隙！优缺点：请自行思考归纳优点：结构简单，价格低廉。缺点：（1）伏秒曲线太陡，难以和被保护设备实现合理的绝缘配合。（2）灭弧能力差，影响供电可靠性（3）动作后会产生截波，对变压器的纵绝缘不利。1.保护间隙（最原始、最简单的避雷器）2.管型避雷器(排气式避雷器)05阀型避雷器五.阀型避雷器-基本结构1）阀片电阻金刚砂(SiC)加粘合剂(水玻璃)焙烧制成。由多个阀片电阻串联组合体构成。伏安特性u＝Ciα

α—非线性系数，约0.21.基本结构(阀片电阻+火花间隙+绝缘外套)阀片电阻作用？1)为何需要阀片电阻？避免出现对绝缘不利的截波2)为何需要非线性特性？通过大电流时(雷电流)呈现低电阻，以限制避雷器的残压，提高了保护性能;通过小电流时（工频续流）呈现高电阻，以限制工频续流，提高了灭弧性能。正常时——与工作母线隔离;雷电侵入时——及时放电以泄放雷电能量A.极间距离小，电场近似于均匀电场，伏秒特性较平坦易于实现绝缘配合。B.短弧相对长弧而言，更易于切断，提高了间隙绝缘强度的恢复能力。2）火花间隙（1）作用（2）结构由多个火花间隙组成，单个电极是由黄铜材料冲压制成，中间用云母垫圈隔开，其厚度一般为0.5~1mm。（3）意义五.阀型避雷器-基本结构1.系统正常时，火花间隙将阀片电阻和工作母线隔离，以免由工作电压在阀片电阻中产生的电流使阀片电阻烧坏。2.工作过程3.雷电流消逝后，作用在阀片电阻上的电压即为工频电压，此时阀片电阻的阻值将自动变大，限制了工频续流以快速可靠灭弧。2.一旦工作母线上的过电压侵入且超过其击穿电压值时，火花间隙将被及时击穿并引导雷电流通过阀片电阻泄入大地。此时阀片电阻的阻值将自动变小以降低在其两端形成的压降（残压）。五.阀型避雷器-工作过程普通型磁吹型电站型(FZ)配电型(FS)电站型(FCZ)保护旋转电机型(FCD)：火花间隙并联均压电阻：无均压电阻电力工程系林建军编写3.类型电站型(FZ)配电型(FS)五.阀型避雷器-类型1）额定电压（Ue）正常工作时加在避雷器上的工频工作电压。它应与避雷器安装地点的电力系统的额定电压等级相同。2）灭弧电压（Umh）保证避雷器能够在工频续流第一次过零值时灭弧的条件下，允许加在避雷器上的最高工频电压。它应大于避雷器工作母线上可能出现的最高工频电压。根据实际运行经验，并从安全的角度考虑，系统可能出现已经存在单相接地故障而非故障相的避雷器又发生放电的情况。(1)≥110KV系统：Umh=80%Um(2)20~60KV系统：Umh=100%Um(3)≤10KV系统：Umh=110%Um其中，Um=KUNUm—系统最大工作线电压（kV）UN—系统标称线电压（KV）K—调压系数当UN≥330KV时，K=1.1当UN≤220KV时，K=1.15五.阀型避雷器-主要电气参数4.主要电气参数3）残压(UC)避雷器通过雷电流（波形通常取8/20μs）时在其两端的电压降。在防雷计算中，通常规定：

≤220KV系统取5KA下的残压（Uc5）作为避雷器的最大残压

≥330KV系统取10KA下残压（Uc10）作为避雷器的最大残压。4）工频放电电压(Ugf)指的是在工频电压作用下，避雷器将发生放电的电压值。由于间隙击穿的分散性，要规定一个上、下限。太高了将影响其保护性能，太低了避雷器通流容量有限则可能爆炸。5.冲击放电电压(uf)指的是在冲击电压作用下避雷器放电的电压（幅值）。通常Uf≈UC五.阀型避雷器-主要电气参数06氧化锌避雷器（MOA）以ZnO为主要材料，掺以其他微量金属氧化物。ZnO阀片具有很理想的非线性伏安特性，其非线性系数约为α≈0.015~0.05。2.MOA的工作原理1）在工作电压下，流经ZnO阀片的电流远小于1mA(主要成分为电容电流)，相当于绝缘体，不会使阀片烧坏，可不用串联间隙来隔离工作电压2）当作用在ZnO阀片上的电压超过某一值（起始动作电压U1mA）时，将发生“导通”，“导通”后ZnO阀片的电阻很小，残压与流过它的电流大小基本无关3）当作用电压降到动作电压以下时，ZnO阀片“导通“终止，又相当于绝缘体，因此不存在工频续流。无间隙、无续流六.金属氧化物避雷器-伏安特性、工作原理1.氧化锌阀片和伏安特性电力工程系林建军编写3.MOA的优越性（1）结构简单、体积小、重量轻，便于规模化生产（2）保护特性优越残压更低、在整个过电压作用期间均能释放能量，有良好的陡波响应特性，特别适合用于GIS、直流系统的保护。（3）耐重复动作能力强MOA只吸收冲击过电压能量，不需要吸收续流能量（4）通流容量大，可作为内部过电压的后备保护。（5）耐污性能好（采用硅像胶外套）六.金属氧化物避雷器-优越性额定电压的选择：1）3~10kV系统：Ur≥K(1.1Um);2）35~66kV系统：Ur≥KUmK—切除接地短路故障时间系数，K=1.25~1.3。通常：1）3~10kV系统：Ur≥1.4Um2）35~66kV系统：Ur≥1.3Um3）110kV及以上系统：Ur≥0.75~0.80Um(1)额定电压（有效值）考核避雷器热负荷的一个参数，反映了避雷器对一定幅值的暂态过电压的耐受能力。它是指在避雷器动作负载试验条件所规定的一系列试验中，允许施加在MOA上的最大工频电压有效值。(2)持续运行电压（有效值）在运行中允许持久施加在避雷器两端的工频电压有效值。它表征了MOA对长期作用的工频电压耐受能力。1）3~10kV系统：Uc≥1.1Um2）35~66kV系统：Uc≥Um3）

110kV及以上系统：Uc≥

选择MOA持续运行电压U时应满足：Um—系统最大工作线电压六.金属氧化物避雷器-主要电气参数(3)直流参考电压U1mA又可称为金属氧化物避雷器的起始动作电压，它处在伏安特性的拐点之处。(4)标称放电电流我国规定，常用的MOA标称放电电流有1、1.5、2.5、5、10、20KA6个等级，其波形参数为8/20μs。(5)工频耐受电压时间特性在规定条件下，对避雷器施加不同的工频电压，其不损坏或不发生热崩溃所相应的最大持续时间。(6)最大残压在避雷器所允许最大陡波冲击电流、雷电冲击电流及操作冲击电流下避雷器两端电压，它是表征避雷器保护水平的重要参数。电力工程系林建军编写六.金属氧化物避雷器-主要电气参数（7）压比MOA在标称电流下的残压与起始动作电压的比值。目前的产品水平约为1.6~2。（8）荷电率MOA上的持续运行电压峰值与起始动作电压之比。（9）保护比标称放电电流下的残压与最大持续运行电压峰值的比值。（10）保护水平避雷器的冲击放电电压和标称放电电压下的残压的总称，其值取它们之中的最大者。六.金属氧化物避雷器-主要电气参数序号避雷器型号避雷器额定电压kV系统标称电压kV持续运行电压kV直流1mA参考电压（不小于）kV陡波冲击电流残压（不大于）kV（峰值）雷击冲击电流残压（不大于）kV（峰值）操作冲击电流残压（不大于）kV（峰值）标称放电电流kA1HY5WS-17/50171013.62557.55042.552HY5WZ-17/45171013.62451.84538.353HY5WZ-51/134513540.87315413411454Y10W-100/260W10011079.6148297260226105Y1.5W-72/186W72110581031861741.56Y10W-200/520W204220159296594520452107Y1.5W-144/320W1442201162053202991.5氧化锌避雷器型号六.金属氧化物避雷器-主要电气参数，型号高电压技术—防雷接地了解原子的结构及电离的概念学习目标了解工程实用的防雷接地