1、高電壓技術,高電壓工程系 何正浩 ,第9章 雷電及防雷保護裝置,大氣過電壓是由于雷電形成的。它是造成系統(tǒng)故障的主要原因之一 9.1 雷云放電及雷電過電壓,2,雷電是由積雨云、積雪云形成的,由于強大的垂直氣流作用，積雨云中的小冰晶，小水滴互相碰撞、摩擦，從而使云塊帶上了不同性質(zhì)的電荷。 當帶有異種電荷的云塊互相接觸時，便產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象，這就是閃電。 閃電一般分為“云閃”和“地閃” 。 放電后，被加熱膨脹的空氣又很快冷卻收縮，這樣被振蕩的空氣就會發(fā)出聲音，便是我們通常聽到的雷聲。,3,4,美國有一位電力工程師在一個雨天慘遭雷電擊中，他獲救生還，卻從此不畏寒冷，每天感到暖烘烘的，即使是在隆冬，他仍

2、是只需穿著T恤短褲；如果是夏季，他就要把一袋袋的冰塊放進浴缸，浸冰水浴消暑。,5,印度曾有一位因患白內(nèi)障而雙目失明的長者，由于突然一聲炸雷，使其腦子振動了約四分鐘，隨后他的兩眼重見光明。后來科學家們發(fā)現(xiàn)，由于患者處于雷擊的有效磁場內(nèi)，磁場作用使不溶性蛋白質(zhì)變?yōu)榭扇苄缘鞍踪|(zhì)，清除了眼內(nèi)障礙而復明。,6,整塊雷云可以有若干個電荷中心，負電荷位于雷云下 部，離地大約500-1000m。 雷云放電通常分為先導部分和主放電兩個階段。 圖中為下行負雷閃的照片。 第一次放電結(jié)束后，多半還會有重復雷擊。,7,8,9.1.2 雷擊時的等值電路,主放電瞬間，可用開關S的閉合來模擬 Z是被擊物的阻抗。 由于電荷運動

3、形成電流，因此雷擊點的電位發(fā)生突然變化uiZ,雷電具有電流源的性質(zhì)。 當Z0時，i=2i0; 一般，Z0300-400 ，ZZ0，因此，也可認為i=2i0 i 稱為雷電流,9,雷暴日和雷暴小時,年平均雷暴日和年平均雷暴小時是表征雷電活動頻繁程度的指標。 雷暴日：一年中有雷電的天數(shù)。 在一天之內(nèi)，只要聽到雷聲就算一個雷暴日。 雷暴小時：一年中有雷電的小時數(shù)。 在一小時之內(nèi)，只要聽到雷聲就算一個雷暴小時。 我國大部分地區(qū)的雷暴小時與雷暴日之比為3。 我國規(guī)程建議采用雷暴日作為計算單位。,10,地球上每天約有1800次雷暴,云南勐臘年均雷暴日數(shù)達123.7天（最多148天） 海南儋縣122.5天（最

4、多139天） 雷州市年均雷暴日數(shù)84.7天 印尼爪哇茂物的年均雷暴日數(shù)322天,11,12,地面落雷密度和輸電線路落雷次數(shù),地面落雷密度反映了云地之間的放電。 地面落雷密度：每平方公里每雷暴日的對地落雷次數(shù)，用表示。 我國標準規(guī)定，對雷暴日T=40的地區(qū)， =0.07次/平方公里雷暴日。 輸電線路的存在，改變了雷云地之間的電場分布，根據(jù)模擬試驗和運行經(jīng)驗，輸電線路每側(cè)的引雷寬度為2h e.g. 對每100km的輸電線路，每年遭雷擊的次數(shù)為：,13,9.2 雷電參數(shù)及雷電活動規(guī)律,在雷電設計中，最關心的是雷電流波形、幅值分布及落雷密度等 9.2.1 雷電流幅值和波形 對于雷暴日數(shù)20的地區(qū)，我國

5、現(xiàn)行推薦雷電流幅值概率為：,I 為雷電流幅值（kA）； P為幅值大于I 的雷電流概率。 例如，當雷擊時，出現(xiàn)幅值大于50kA雷電流的概率為33%，大于88kA的概率為10%。,14,9.2 雷電參數(shù)及雷電活動規(guī)律,15,對于雷暴日數(shù)20的地區(qū)(除陜南以外的西北地區(qū)、內(nèi)蒙古部分地區(qū)），我國現(xiàn)行推薦雷電流幅值概率為：,波形和極性,波形 我國防雷規(guī)程建議值為：2.6/50 s，平均陡度為: 在保護計算中，可取雙指數(shù)波，為簡化計算，一般可取斜角平頂波。 在特高塔的設計中，取半余弦波頭：,I為雷電流幅值；為角頻率，=/f=1.2106s-1，f 為波頭時間（2.6s）。,極性： 75%-90%的雷為負極

6、性雷，因此一般按照負極性雷進行研究。,16,9.3 避雷針和避雷線,防直擊雷最常用的措施是裝設避雷針（線） 避雷針（線）的保護范圍是按照99.9%的概率計算的。,17,9.3 避雷針和避雷線,18,避雷線的保護長度與線等長，因此適用與架空線路與大型建筑群。,單根避雷線的保護范圍,兩根避雷線的保護范圍,19,保護角是指避雷線與所保護的外側(cè)導線之間的連線與經(jīng)過避雷線的鉛垂線之間的夾角 。 保護角越小，避雷線對導線的屏蔽保護作用就越好。 有些國家還采用負保護角。,20,9.4 避雷器,當發(fā)生繞擊或者感應時，過電壓波將沿線路傳播入侵發(fā)電廠、變點站等。 避雷器的要求： 良好的伏秒特性： 沖擊系數(shù)越小，伏

7、秒特性越平緩，保護性能越好。 沖擊系數(shù)：沖擊放電電壓與工頻放電電壓之比。 絕緣自恢復能力 按發(fā)展歷程看： 保護間隙管型避雷器普通閥式避雷器 磁吹避雷器金屬氧化物避雷器等。,21,氧化鋅（ZnO）避雷器,ZnO避雷器又叫金屬氧化物避雷器（MOA）。 ZnO避雷器由ZnO電阻片組成，具有優(yōu)異的非線性伏安特性，因此可以取消火花間隙，實現(xiàn)無間隙無續(xù)流，且造價低廉。,22,ZnO的伏安特性曲線,區(qū)域為低電場區(qū) 電流密度與電場強度的開方成正比，非線性系數(shù)約為0.10.2； 區(qū)域為中電場區(qū)， 晶界層電阻Rv減小，非線性系數(shù)大為下降，約為0.010.04； 區(qū)域為高場強區(qū)， 本體電阻R起主要作用，電流與電壓成

8、正比，伏安特性曲線向上翹。,23,氧化鋅（ZnO）,（1） ZnO晶粒，粒徑為10m左右，電 阻率為110cm； （2） 包圍著ZnO晶粒的Bi2O3晶界層，厚 度為0.1m左右，電阻率大于 1010cm； （3） 零散分布于晶界層中的尖晶石 Zn7Sb2O12。 ZnO電阻片的非線性特性主要取決于晶界層，在低電場下其電阻率很高；當層間電位梯度達到104105V/cm時，其電阻率急劇下降到低阻狀態(tài),24,ZnO避雷器的主要優(yōu)點：,無間隙 結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、無電壓分布不均、放電電壓不穩(wěn)定等，保護可靠性高 無續(xù)流 不需吸收續(xù)流能量，動作負載輕；可承受多次重復雷擊或者重復操作過電壓 電氣設備所受過電壓可減低 在整個過電壓階段都有電流流過，因此降低了過電壓幅值 通流容量大 不受串聯(lián)間隙被灼傷的制約，閥片的通流能力僅與本身通流能力有關?？刹⒙?lián)進一步提高通流能力。 易于制成直流避雷器,25,ZnO避雷器的電氣性能,額定電壓 能短期耐受的最大工頻電壓有效值 最大持續(xù)運行電壓 能長期持續(xù)運行的最大工頻電壓有效值 起始動作電壓（參考電壓、轉(zhuǎn)折電壓） 開始進入動