华中科技大学-电气工程基础课件(熊银信)-第13章-电力系统防雷保护

HUST_CEEE第十三章电力系统防雷保护第一节雷电的放电过程和雷电参数第二节电力系统的防雷保护装置第三节架空输电线路的防雷保护第四节发电厂和变电站的防雷保护HUST_CEEE一、雷电放电过程雷云的带电过程：在5～12km高度的雷云主要是带正电荷，在1～5km高度的雷云主要是负电荷。当云中电荷密集中心的场强达到25～30kV/cm时，就可能引发雷电放电。雷云放电主要是在云间或云内进行，只有小部分是对地发生的，而且往往对地放电危害最大。75～90％左右的雷电流是负极性的。雷电放电方式：线状、片状和球状。图13-1雷电放电的光学照片和电流变化(a)负雷云下行雷的放电光学照片；(b)放电过程中雷电流的变化第一节雷电的放电过程和雷电参数根据云－地之间线状雷电的光学照片，如图13-1所示，由此可了解雷电放电的一般过程。一般一次雷击包括先导、主放电和余辉三个阶段。HUST_CEEE1．先导阶段雷云下部伸出微弱发光的放电通道向地面的发展是分级推进的，每一级的长度为25~50m，停歇时间为30~90s，下行的平均速度约为0.1~0.8m/s，此过程称为先导放电过程。2．主放电和迎面流注阶段当雷电先导接近地面时，会从地面较突起的部分发出向上的迎面先导（也称迎面流注），当不同极性的下行先导和迎面先导相遇时，就产生强烈的电荷中和过程，伴随雷鸣和闪电，出现极大的电流（数十至数百kA），这就是主放电阶段。3．余辉阶段在主放电过程结束后，云中残余电荷经过主放电通道流向大地，这一阶段称为余辉（余光）阶段。第一节雷电的放电过程和雷电参数HUST_CEEE雷电主放电的瞬间，虽然功率很大，但是雷电产生的能量却很小，即其破坏力虽然大，但是实际利用价值很小。以一次中等雷电为例，取雷云电位U为50MV，电荷Q为8C，则其能量为：W＝UQ/2＝55kW·h每平方km每年（雷暴日为40）的落雷次数可取2.8次，所以每平方km每年获得的雷电总能量为：W＝55×2.8＝154kW·h其平均功率仅为：P＝154×103/365/24＝17.58W但是，雷电主放电的瞬时功率P却很大，例如若雷电流I以50kA计算，压降以6kV/m计，雷云高度以1000m计，则主放电功率P可达到P＝50×6×1000＝300,000MW第一节雷电的放电过程和雷电参数HUST_CEEE二、雷电参数雷电参数是雷电过电压计算和防雷设计的基础，目前常采用的参数是建立在现有雷电观测数据的基础上总结出来的。1．雷暴日(Td)和雷暴小时(Th)雷暴日是指该地区一年四季中有雷电放电的天数。由于不同年份的雷暴日数变化较大，一般采用多年平均值——年平均雷暴日。一个小时以内听到一次及以上雷声就算一个雷暴小时。据统计，每一个雷暴日折合为3个雷暴小时。(2005名)2．地面落雷密度地面落雷密度γ表示每平方公里每雷暴日的地面受到的平均落雷次数。γ值与年平均雷暴日数Td有关。一般Td较大的地区，其γ值也较大。我国标准推荐采用CIGRE1980年提出关系式：Ng＝0.023Td1.3和γ＝0.023Td0.3式中，Ng为每年每平方km地面落雷数；Td为雷暴日数。线路年平均受雷击的次数：N＝γ×10h/1000×100×Td(次/100km·年)若取Td＝40，γ＝0.07，则N＝2.8次/100km·年。第一节雷电的放电过程和雷电参数HUST_CEEE3．雷电流幅值雷电流是指雷击于低接地阻抗（≤30Ω）的物体时流过该物体的电流，近似等于传播下来的电流入射波的2倍，计算公式如下：jjZZiZZZui0000022雷电流幅值I是表示雷电强度的指标，是最重要的雷电参数。雷电流幅值I是根据实测数据经整理得出的结果，图13-2所示曲线为我国目前在一般地区使用的雷电流幅值超过I的概率曲线。图13-2我国雷电流幅值概率曲线在年平均雷暴日大于20的地区，测得的雷电流幅值I的概率曲线可用下式表示：lgP＝－I/88在年平均雷暴日数只有20或更少的地区：lgP＝－I/44第一节雷电的放电过程和雷电参数HUST_CEEE4．雷电流的波前时间、陡度和波长据统计，雷电流的波前时间T1多在1~4s内，平均为2.6s左右，波长T2在20~100s内。雷电流波前的平均陡度为：＝I/2.6(kA/s)5．雷电流的极性和等值计算波形国内外实测结果表明，75～90％的雷电流是负极性，加之负极性的冲击过电压波沿线路传播时衰减小，因此，电气设备的防雷保护中一般均按负极性进行分析研究。在电力系统的防雷保护计算中，要求将雷电流波形用公式描述以便处理，经过简化和典型化后，可得以下三种常用的计算波形，如图13-3所示。第一节雷电的放电过程和雷电参数HUST_CEEE图13-3(a)为标准雷电流冲击波形，其波头部分可用双指数函数表示：i＝I(e－t－e－βt)图13-3(b)为斜角平顶波，其陡度可由给定的雷电流幅值I和波前时间T1确定。斜角波的数学表达式最简单，便于分析与雷电流波前有关的波过程。并且斜角平顶波用于分析发生在10s以内的各种波过程，有很好的等值性。图13-3(c)为等值半余弦波，雷电流波形的波前部分接近半余弦波，可用下式表示：i＝I(1－cosωt)/2式中，角频率ω＝π/T1。等值半余弦波多用于分析雷电流波前的作用。在设计特高杆塔时，采用等值半余弦波将使计算更加接近于实际且偏于从严。图13-3雷电流的等值波形（I-雷电流幅值）(a)标准冲击波形；(b)等值斜角波前；(c)等值半余弦波前第一节雷电的放电过程和雷电参数HUST_CEEE第二节电力系统的防雷保护装置防雷保护装置是指能使被保护物体避免雷击，而引雷于本身，并顺利地泄入大地的装置。最基本的有：一、避雷针二、避雷线三、避雷器四、防雷接地避雷针和避雷线可以防止雷电直接击中被保护物体，称作直击雷保护；避雷器可以防止沿输电线侵入变电站的雷电过电压波，称作侵入波保护；接地装置的作用是减少避雷针(线)或避雷器与大地(零电位)之间的电阻值，以达到降低雷电过电压幅值的目的。HUST_CEEE一、避雷针避雷针包括三部分：接闪器(避雷针的针头)、引下线和接地体。避雷针的保护原理是：当雷云放电时使地面电场畸变，在避雷针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，使雷电对避雷针放电，再经过接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击。先导放电朝地面发展到某一高度H后，才会在一定范围内受到避雷针的影响而对避雷针放电。H称为定向高度，与避雷针的高度h有关。根据模拟试验：当h≤30m时，H=20h；当h30m时，H≈600h。避雷针的保护范围(2006单)是由模拟试验确定的，只具有相对的意义。我国有关规程所推荐的保护范围是对应0.1％的绕击率而言的。所谓绕击系指雷电绕过避雷装置而击于被保护物体的现象。第二节电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE单支避雷针的保护范围近似一个圆锥体空间，如图13-4所示。它的侧面边界线实际上是曲线，工程上以折线代替曲线。图13-4单支避雷针的保护范围式中，h为避雷针的高度；p为高度修正系数，当h≤30m，p＝1；当30＜h≤120m时，。在被保护物高度hx水平面上，其保护半径rx为()2(1.52)2xxxxxxhrhhphhrhhph5.5/ph第二节电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE两支等高避雷针的保护范围如图13-5所示。两避雷针外侧的保护范围按单支避雷针的计算方法确定。两避雷针间的保护范围应按通过两避雷针顶点及保护范围上部边缘最低点O的圆弧确定，圆弧的半径为R0，O点高度h0按下式计算：h0＝h－D/7p图13-5两支等高避雷针的保护范围第二节电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE图13-6两支等高避雷针间保护范围一侧最小宽度（bx）与D/(haP)的关系(a)D/(haP)=0~7；(b)D/(haP)=5~7两避雷针间hx水平面上保护范围的一侧最小宽度bx应按图13-6确定。当bx＞rx时，取bx＝rx。求得bx后，可按图13-5绘出两避雷针间的保护范围。两避雷针间距离D与避雷针高h之比D／h不宜大于5。第二节电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE两支不等高避雷针的保护范围如图13-7所示。两避雷针内侧的保护范围，先按单避雷针法作出较高避雷针1的保护范围，与通过较低避雷针2的顶点作水平线交于点3。设点3为一假想等高避雷针的顶点，可按两支等高避雷针的方法作出避雷针2和3的联合保护范围。两避雷针外侧的保护范围仍按单支避雷针的计算方法确定。图13-7两支不等高避雷针的保护范围第二节电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE二、避雷线避雷线(即架空地线)的作用原理与避雷针相同，主要用于输电线路的保护，也可用来保护发电厂和变电站。单根避雷线的保护范围的长度与线路等长，而且两端还有其保护的半个圆锥体空间。单根避雷线的保护范围如图13-8所示，并按下式计算：0.47()2(1.53)2sxsxxsxsxxhrhhphhrhhph图13-8单根避雷线的保护范围当h≤30m时，θ=25第二节电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE两根等高避雷线的保护范围如图13-9所示。两根避雷线外侧的保护范围仍按单根避雷线的计算方法确定。两根避雷线间横截面的保护范围应由通过两根避雷线1、2及保护范围边缘最低点O的圆弧确定，O点的高度可按下式计算：h0＝hs－D/4P图13-9中的称为避雷线的保护角，是杆塔上避雷线的铅垂线与同杆塔处避雷线和边导线的连线间所组成的夹角，保护角愈小，避雷线就愈可靠地保护导线免受雷击。图13-9两根等高避雷线的保护范围（a）保护范围；（b）保护角单根避雷线的保护角一般在20～30o。220～330kV双避雷线线路，一般采用20o左右，500kV一般不大于15o；山区宜采用较小的保护角。第二节电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE三、避雷器避雷器是一种普遍采用的侵入波保护装置，它是一种过电压限制器。为了使避雷器能够达到预期保护效果，必须满足下面基本要求：第一，具有良好的伏秒特性，以易于实现合理的绝缘配合。第二，有较强的绝缘强度自恢复能力，以利于快速切断工频续流，使电力系统得以继续运行。避雷器一旦在冲击电压作用下放电，就造成系统对地短路。此后瞬即消逝的雷电过电压虽然已经过去，但工频电压却相继作用在避雷器上，使在其中开始通过工频短路接地电流。这样流过避雷器的短路接地电流通常称为工频续流，它以电弧放电的形式出现。避雷器应当具有自行切断工频续流、恢复绝缘强度的能力，要求工频续流在第一次经过零值时即应切断，使电力系统能够继续正常工作。以上两条要求适合于有间隙的避雷器，包括保护间隙、管式避雷器、带间隙阀式避雷器。其中阀式避雷器又包括普通阀式避雷器和磁吹阀式避雷器两种。无间隙金属氧化物避雷器（MOA）在工频下仍流过很小的泄漏电流，它没有灭弧问题，但相应地却产生了独特的热稳定问题。第二节电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE1．保护间隙保护设备中简单的形式是保护间隙，它由两个电极组成，并接在被保护设备的两端。常用的角形保护间隙如图13-10所示。它由主间隙1和辅助间隙2串联而成。辅助间隙是为了防止主间隙被外物短路误动作而设的。保护间隙的主要缺点是灭弧能力低，只能熄灭中性点不接地系统中不大的单相接地短路电流，因此在我国只用于10kV及以下的应用场合。图13-10角形保护间隙1-主间隙；2-辅助间隙第二节电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE2．管式避雷器管式避雷器的原理结构如图13-11所示。它由两个间隙串联组成。一个间隙F1装在产气管1内，称为内间隙。另一个间隙F2装在产气管外，称为外间隙。外间隙的作用是使产气管在正常运行时与工频电压隔离。管式避雷器的主要缺点有：（1）伏秒特性太陡，且放电分散性较大，难以和被保护设备实现合理的绝缘配合；图13-11管式避雷器1-产气管；2-胶木管；3-棒形电极；4-环形电极；5-储气室；6-动作指示器；F1、F2-内、外间隙（2）