1、高電壓技術,第五章 雷電放電及防雷保護裝置,第一節(jié) 雷電放電和雷電過電壓 第二節(jié) 防雷保護裝置,本章主要內容,第一節(jié) 雷電放電和雷電過電壓,雷電放電在電力系統(tǒng)中的危害 雷電過電壓：造成電力系統(tǒng)絕緣故障和停電事故的主要原因之一； 巨大雷電流：有可能使被擊物體炸毀、燃燒、使導體熔斷或通過電動力引起機械損壞。 雷電的熱效應：雷電流很大但作用時間很短，因此只能產生局部高溫，可使體積較小的金屬熔化。雷電通道溫度1500020000，可引起森林大火 雷電的機械效應：雷電流流過物體，發(fā)熱導致物體內的水分急劇蒸發(fā)，產生氣體，氣體膨脹的機械作用可使樹木劈劈裂，器物的的破裂、爆炸。,雷云的形成,第一節(jié) 雷電放電和

2、雷電過電壓,大水滴分裂成水珠和細微的水沫，出現(xiàn)電荷分離現(xiàn)象，大水珠帶正電，小水沫帶負電，細微水沫被上升氣流帶往高空，形成大片帶負電的雷云。 帶正電的水珠，形成雨水落向地面，或者懸浮在云中，形成雷云下部局部正電荷區(qū),雷云的形成機理獲得比較廣泛認同的是水滴分裂起電理論,第一節(jié) 雷電放電和雷電過電壓,雷電放電過程,雷電放電的本質是一種超長氣隙的不均勻放電（先導放電）,對地先導放電雷云中的負電荷積聚，同時在地面上感應出正電荷，當雷云與大地之間局部電場強度超過大氣擊穿場強時，開始有局部放電通道自雷云邊緣向大地發(fā)展。 先導放電通道具有導電性，因此雷云中的負電荷沿通道分布，且繼續(xù)向地面延伸，地面上的感應正電

3、荷也逐漸增多,第一節(jié) 雷電放電和雷電過電壓,迎面先導形成 先導通道發(fā)展臨近地面時，由于局部空間電場強度的增加，常在地面突起處出現(xiàn)正電荷的先導放電向天空發(fā)展，這種先導稱為迎面先導,第一節(jié) 雷電放電和雷電過電壓,主放電階段 當先導通道到達地面或與迎面先導相遇以后，就在通道端部因大氣強烈電離而產生高密度的等離子區(qū) 此區(qū)域自下而上迅速傳播，形成一條高導電率的等離子體通道，使先導通道以及雷云中的負電荷與大地的正電荷迅速中和，貫穿大地和雷云之間,第一節(jié) 雷電放電和雷電過電壓,雷電參數(shù),雷電活動頻度雷暴日Td及雷暴小時Th,雷暴日Td 一年中發(fā)生雷電的天數(shù)，以聽到雷聲為準，在一天內只要聽到過雷聲，無論次數(shù)多

4、少，均計為一個雷暴日。 雷暴小時Th 一年中發(fā)生雷電放電的小時數(shù)，在一個小時內只要有一次雷電，即計為一個雷電小時。 一個雷暴日折合三個雷暴小時。 Td 40，多雷區(qū) Td 90，強雷區(qū),第一節(jié) 雷電放電和雷電過電壓,地面落雷密度( )和雷擊選擇性,地面落雷密度 表示每平方公里地面在一個雷暴日受到的平均雷擊次數(shù) 我國標準對Td 40的地區(qū)，取 0.07 易擊區(qū) 空曠地區(qū)：雷擊高的物體 山區(qū)：有時山頂物體，有時迎風面 與地質條件有關：地質有礦物質,第一節(jié) 雷電放電和雷電過電壓,雷道波阻抗,雷道波阻抗的概念 雷電通道長度數(shù)千米，半徑僅為數(shù)厘米，類似于一條分布參數(shù)線路，具有某一等值波阻抗，稱為雷道波阻

5、抗。 主放電過程可看作是一個電流波沿著波阻抗為Z0的雷道投射到雷擊點的波過程。 我國有關規(guī)程建議取Z0 300,雷電的極性,負極性雷擊均占7590%，對設備絕緣危害較大，防雷計算中一般均按負極性考慮。,第一節(jié) 雷電放電和雷電過電壓,雷電流幅值（I）,雷電流的定義 雷電流為雷擊于低接地電阻( 30)的物體時流過雷擊點的電流。表示雷電強度 雷電流幅值大小 雷電流幅值超過I的概率P 一般地區(qū) 少雷區(qū),忽略Z,第一節(jié) 雷電放電和雷電過電壓,雷電流的波前時間、陡度及波長,波前時間T1：14us的范圍內，平均為2.6us。 波長（半峰值時間）T2： 20100us的范圍內，多為40us左右 陡度： 最大極

6、限值一般可取50 kA/us左右,雷電流的計算波形,雙指數(shù)波 斜角波 斜角平頂波 半余弦波,第一節(jié) 雷電放電和雷電過電壓,雷電的多重放電次數(shù)及總延續(xù)時間,重復放電次數(shù) 重復放電兩次以上的占55 重復放電35次占25% 重復放電10次以上的占4% 平均重復沖擊次數(shù)取3次。 一次雷電總延續(xù)時間 小于0.2s占50% 大于0.62s的只占5%,第一節(jié) 雷電放電和雷電過電壓,雷電的放電能量和功率,雷電的瞬時功率很大，但能量卻很小 假設雷云電位107V，放電電荷Q=20C，其能量為55kWh 但能量是在極短時間內放出的，因而功率很大。 雷電能量的消耗方式 小部分使空氣發(fā)生電離、激勵和光輻射 大部分使雷道

7、周圍空氣突然膨脹、產生巨響,第一節(jié) 雷電放電和雷電過電壓,雷電過電壓的形成,雷電放電計算模型,S閉合前（先導放電）A點電位為0 先導放電通道具有分布參數(shù)特征，稱為雷電通道，其波阻抗為Z0(300) S閉合后（主放電），A點電位突升到u=i Z 主放電過程，自雷云通過雷電通道向地面?zhèn)鞑サ碾姶挪?u0、i0)到達A點,計算模型,主放電,先導放電,u0,i0,第一節(jié) 雷電放電和雷電過電壓,雷電放電彼德遜等值電路,注意：實際中可測量的是流過Ri的雷電流幅值I，則有 入射波幅值I0 A點電壓幅值,第一節(jié) 雷電放電和雷電過電壓,直擊雷過電壓典型算例, 雷擊于地面上接地良好的物體,已知：i0，Z0=300，

8、接地電阻Ri=15。求流過A點的電流i,第一節(jié) 雷電放電和雷電過電壓, 雷擊于導線或檔距中央的避雷線,已知：雷電流幅值I，雷電通道Z0，線路阻抗Z。求A點的電流IA、電壓UA,第一節(jié) 雷電放電和雷電過電壓,感應雷擊過電壓,現(xiàn)象：雷擊于線路附近大地或接地的線路桿塔頂部等，在絕緣的導線上引起感應過電壓。,雷擊點與電力線路之間的距離s65m的情況下 雷擊于塔頂?shù)染o靠導線的接地物體, 無避雷線的導線上感應過電壓的計算,I雷電流幅值 hc導線平均對地高度 s雷擊點與線路之間距離,a感應過電壓系數(shù)；近似等于雷電流平均波前陡度,第一節(jié) 雷電放電和雷電過電壓, 有避雷線的導線上感應過電壓的計算,雷擊點與電力線

9、路之間的距離s65m的情況下 雷擊于塔頂?shù)染o靠導線的接地物體,hg避雷線平均對地高度 k0 避雷線和導線間的 耦合系數(shù) hc導線平均對地高度 s雷擊點與線路之間距離,返回,第二節(jié) 防雷保護裝置,避雷針和避雷線,避雷針,作用：直擊雷保護,避雷針的保護原理 實質上是引雷作用，它能對雷電場產生一個附加電場(由雷云對避雷針產生靜電感應引起的)使雷電場畸變，而將雷云的放電通道吸引到避雷針本身，由避雷針及與它相連的引下線和接地體將雷電流安全導入大地，使附近建筑物和設備免受直接雷擊。,保護范圍：具有0.1%繞擊率的空間范圍,第二節(jié) 防雷保護裝置, 單支避雷針保護范圍計算,避雷針在被保護物高度hx水平面上的保

10、護半徑rx，按下式計算：,保護范圍的確定（設避雷針高度為h） 從針頂向下作45的斜線，構成錐形保護空間的上部 從距針底各方向1.5h處向避雷針0.75h高處作連接線，與45斜線相交，交點以下的斜線構成保護空間下部,注意： p為高度影響系數(shù),第二節(jié) 防雷保護裝置, 兩支等高避雷針保護范圍計算,兩針外側保護范圍按單針保護的計算方法確定 兩針之間在hx水平面的保護范圍,上部邊緣最低點O的高度,在0-0截面hx高度兩側的水平保護寬度,第二節(jié) 防雷保護裝置,避雷線,作用：直擊雷保護,避雷線的保護原理 對架空輸電線路的導線進行屏蔽，將雷云對架空線路的放電引向自身并泄人大地，使線路導線免遭直接雷擊,保護線路

11、 我國一般110kV以上線路采用避雷線 35kV線路的進線段 保護500kV大型超高壓發(fā)變電站,第二節(jié) 防雷保護裝置,第二節(jié) 防雷保護裝置, 單支避雷線保護范圍計算,h 避雷線的高度 hx被保護物高度 ha避雷線的有效高度 rx避雷線每側保護半徑,單根避雷線的保護范圍是一個屋脊式保護空間(=25) 避雷針在被保護物高度hx水平面上的保護半徑rx，按下式計算：,注意： p為高度影響系數(shù),第二節(jié) 防雷保護裝置, 兩支避雷線保護范圍計算,兩線外側保護范圍按單根避雷線保護的計算方法確定 兩線之間保護范圍,上部邊緣最低點O的高度,保護角 保護角越小，避雷線對導線的屏蔽作用越有效 220330kV 20

12、500kV：15,第二節(jié) 防雷保護裝置,避雷器,避雷器作用與保護原理,作用：用以限制由線路傳來的雷電過電壓或由操作引起的內部過電壓的一種電器設備 原理：并聯(lián)連接在被保護設備附近，當作用電壓超過避雷器的放電電壓時，避雷器先放電，限制了過電壓的發(fā)展，從而保護了其他電氣設備免遭擊穿損壞。它實質上是一種放電器,第二節(jié) 防雷保護裝置,避雷器的基本要求 系統(tǒng)正常工作時隔離導線與大地 動作時限制雷電侵入波 應有較強的絕緣強度自恢復能力，以利于快速切斷工頻續(xù)流，使系統(tǒng)得以繼續(xù)運行 工頻續(xù)流過電壓消失后，間隙中仍有由工作電壓所產生的工頻電弧電流。若不及時切斷，會使設備與大地短接，從而使斷路器跳閘，導致停電 動作

13、后不產生截波 截波電壓在瞬間由很大的幅值突然下降為零的波 具有良好的伏秒特性，易于實現(xiàn)合理的絕緣配合,第二節(jié) 防雷保護裝置,避雷器與電氣設備的伏秒特性配合圖,1電氣設備的伏秒特性 2避雷器的伏秒特性 3電器設備上可能出現(xiàn)的最高工頻電壓,第二節(jié) 防雷保護裝置,避雷器的種類, 保護間隙,當供電系統(tǒng)遭到大氣過電壓時，保護間隙S1作為一個薄弱環(huán)節(jié)首先擊穿，并將雷電流釋放到地中。從而保護了設備的絕緣。,輔助間隙S2的作用是為了防止主間隙被異物短路引起誤動作。,結構 保護間隙是最簡單的防雷保護裝置，它由主間隙S1、輔助間隙S2和支持瓷瓶組成。,優(yōu)點 構造簡單，成本低廉，維護方便,保護原理,第二節(jié) 防雷保護

14、裝置,缺點 伏秒特性很陡 滅弧能力差，無法及時切除工頻續(xù)流，易導致斷路器跳閘、供電中斷 產生大幅值的截波，危及變壓器的絕緣（看教材）,應用范圍 僅用于不重要和單相接地不會導致嚴重后果的場合。并且多與自動重合閘裝置配合使用,第二節(jié) 防雷保護裝置, 管式避雷器,結構 實質上是一只具有較強滅弧能力的保護間隙，其基本元件為裝在消弧管內的火花間隙，在安裝時再串接一只外火花間隙。,滅弧原理 工頻續(xù)流電弧的高溫使管內產氣材料分解大量的氣體，由環(huán)形電極的開口噴出，形成強烈的縱吹，使得電弧熄滅,第二節(jié) 防雷保護裝置,缺點 工頻續(xù)流太小時不能滅弧，太大時產氣過多，使管子爆裂 伏秒特性很陡 產生大幅值的截波，危及變

15、壓器的絕緣,應用范圍 僅安裝在輸電線路上絕緣比較薄弱的地方和用于變電所、發(fā)電廠的進線段保護中。,第二節(jié) 防雷保護裝置, 閥式避雷器,結構 火化間隙：由多個單元間隙組成，易于切斷工頻續(xù)流及防止電弧重燃 電阻閥片：由SiC（金剛砂）加結合劑（水玻璃等）在300500oC燒結而成。一支避雷器采用多個閥片串聯(lián),第二節(jié) 防雷保護裝置,火化間隙的作用 正常工作時：將電阻閥片與工作母線隔離，以免母線的工作電壓在電阻閥片中產生的電流使閥片燒壞 出現(xiàn)過電壓且其幅值超過間隙放電電壓時：間隙擊穿，沖擊電流通過閥片和接地裝置流入大地,第二節(jié) 防雷保護裝置,閥片電阻的作用 電阻值與流過的電流有關，應具有非線性特性 沖擊

16、電流階段電阻值小 能使沖擊電流迅速流入大地； 同時在閥片上產生低于設備的沖擊耐壓值的殘壓。使得當雷電波消失后，設備上所承受的電壓不會瞬時降為零，防止了截波的產生 工頻續(xù)流階段電阻值大 限制了工頻續(xù)流的幅值，保證火花間隙可靠滅弧,第二節(jié) 防雷保護裝置, 金屬氧化物避雷器（又稱氧化鋅避雷器）,結構 無間隙，是將相應數(shù)量的氧化鋅電阻片（MOV）密封在瓷套或其他絕緣體內而組成,氧化鋅電阻的特點 ZnO電阻具有優(yōu)異的非線性，不僅殘壓大大降低，而且有可能取消火化間隙，避免放電間隙帶來的一系列問題，替代傳統(tǒng)的碳化硅避雷器,第二節(jié) 防雷保護裝置,ZnO和SiC非線性電阻片的UI 特性的比較（看教材）,第二節(jié)

17、防雷保護裝置,氧化鋅避雷器的優(yōu)點 殘壓低，具有優(yōu)異的保護性能 無續(xù)流，結構簡單，耐重復動作能力強 通流容量大，吸收過電壓能量的能力強 性能穩(wěn)定，抗老化能力強 適宜于大批量生產，造價低,第二節(jié) 防雷保護裝置,防雷接地,接地的相關概念,接地 將地面上的金屬物體或電氣回路的某一節(jié)點通過導體與大地相連，使該物體或節(jié)點與大地經常保持等電位,接地裝置 包括引線在內的埋設在地中的一個或一組金屬體或由金屬導體組成的金屬網(wǎng),接地電阻的定義 接地點的電位U(相對無窮遠處零電位)與通過接地極流入地中電流I的比值,第二節(jié) 防雷保護裝置,電力系統(tǒng)的接地的分類,適用范圍：110kV及以上的電力系統(tǒng)中采用中性點接地的運行方式。 接地目的：降低作用在設備絕緣上的電壓，因此設備的絕緣水平也可以降低，即達到縮小設備絕緣尺寸、降低設備造價的目的。 要求阻值：0.510, 工作接地,第二節(jié) 防雷保護裝置,適用范圍：電氣設備發(fā)生故障時，電氣設備的外殼將帶電，如果這時人接觸設備外殼，將產