第8章_雷电及防雷保护设备

相关规程与手册：《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》《交流电气装置的接地》《220～500kV变电所设计技术规程》《导体和电器选择设计技术规定》《110～750kV架空输电线路设计技术规程》电力工程高压送电线路设计手册电气工程电气设计手册，一次部分1第八章雷电及防雷装置2雷电放电实质上是一种超长气隙的火花放电，它所产生的雷电流高达数十、甚至数百千安，从而会引起巨大的电磁效应、机械效应和热效应，在电力系统中产生很高的雷电过电压，是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一。3§8.1雷电参数§8.2避雷针、避雷线的保护范围§8.3避雷器§8.4接地装置4按雷电发展的方向，雷电可分为上行雷和下行雷。下行雷是在雷云中产生并向大地发展的；上行雷是由接地物体顶部激发起，并向雷云方向发展的。对地放电的雷云绝大多数（75－90）％是带负电荷，所以入地雷电流多为负极性。雷闪放电过程与长间隙极不均匀电场放电过程一样，主要有先导放电、主放电和余辉放电三个阶段。§8.1雷电参数5根据高速摄影照片绘制的多重雷电放电过程示意图如图所示6（一）雷电放电的等值电路主放电过程产生的正电荷沿先导通道向上运动去中和通道中的负电荷，而产生的负电荷则沿雷击点流过被击物，形成极大的主放电电流。研究表明，先导通道具有分布参数的特征，其波阻抗用Z0表示。7σ—先导通道中电荷的线密度；vL—主放电速度。则可将先导放电的发展看作是一根均匀分布电荷的长导线自雷云向大地延伸，而将先导头部接近地面时气隙被击穿看作是开关突然合闸。8当雷击于避雷针、线路杆塔、架空地线或导线等具有分布参数特性的物体时，雷击放电过程可用右图表示。9则流经被击物体的电流iZ为Z——为被击物的波阻抗或雷击点与大地零电位参考点间的集中参数阻抗。即流经被击物体的电流iZ与被击物体的波阻抗Z有关。Zvi00LZZZσ（1）10当Z=0时，流经被击物的电流被定义为“雷电流”，用i表示。由前述可知i=σvL。实际上被击物的波阻抗不可能为零，故国际上通常将雷击于接地阻抗小于30Ω的物体时流过该物体的电流当成是雷电流i。则上式可改写为zzz00Zii（2）11式（2）的等值电路如下图12通道向被击物体传播的过程。其计算模型及彼德逊等值电路如图所示。从地面感受到的实际效果出发，可将雷击物体看作是一个入射波为i/2的电流波沿一条波阻抗为Z0的13（二）雷电参数雷电放电与气象、地形、地质等许多自然因素有关，具有很大的随机性，所以用来表征雷电特性的参数就带有统计的性质。1.雷电活动频度—雷暴日Td与雷暴小时Th雷暴日：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：在一个小时内只要听到雷声就算作一个雷暴小时。14中国雷暴日分布我国把年平均雷暴日不超过15的定为少雷区，超过40的地区定为多雷区，超过90的地区为强雷区。在防雷设计中，我国标准雷暴日数取为40。152.地面落雷密度γ表示在一个雷暴日中，每平方公里地面上的平均落雷次数。一般Td较大的地区，其γ值也较大。对雷暴日为40的地区，我国《标准》取γ=0.07（次/雷暴日·km2）3.雷电流的极性负极性雷约占75~90%。164.雷电流幅值DL/T620-1997“交流电气装置的过电压保护和绝缘配合”给出了我国年平均雷暴日20地区雷电流幅值概率分布公式：式中：I——雷电流幅值，kA；P——幅值大于I的雷电流出现的概率。对雷电活动较弱的地区改用下式计算：88lgIP（3）44lgIP（4）175.雷电流的波前时间、波长、陡度1T2Ts50/6.2我国在防雷设计中取)/(6.2skAI波前的平均陡度：sT4~1:1sT100~20:2实测表明：18从雷电放电过程可知，雷电流的波形是一个冲击波，在极短的时间内(一般只有几微秒)达到峰值，此后几十微秒内缓慢衰减，最后的低电流部分可以维持最长到达毫秒级。标准双指数波斜角波头半余弦波头T1-波头时间，从0到峰值的时间；T2-波尾时间，从0到衰减后的半峰值时间通常T1的值大致为1~4μs，平均值取2.6μs，T2的值大约为50μs。因此，我国规程推荐采用T1/T2=2.6/50μs的雷电流波形。)(0tteeIi)()(111TtIaTiTtati)cos1(2tIi6.雷电流极性及计算波形19小结雷电放电实质上是一种超长气隙的火花放电，下行的负极性雷通常可分为三个主要阶段：先导放电、主放电、余辉放电。雷电流的基本参数包括雷电流的幅值、陡度、波形和极性。与气象、地形、地质等许多自然因素有关，具有很大的随机性。20§8.2避雷针、避雷线的保护范围避雷针（线）由接闪器、引下线和接地体三部分构成：21在一定高度的避雷针（线）下面，有一个安全区域，在这个区域中物体遭受雷击的概率很小（约0.1%左右），这个安全区域称为避雷针（线）的保护范围。避雷针（线）的保护范围通过模拟试验并结合运行经验确定。22一、避雷针的保护范围1.单支避雷针23当hx≥h/2时,当hx＜h/2时，式中rx—避雷针在高度hx水平面上的保护半径，m。P—高度影响系数。当h≤30m时,p=1；当30m＜h≤120m时,。phphhraxx)(phhrx)25.1(xhp5.5（6）（7）242.两支等高避雷针（1）两针外侧的保护范围按单支针的计算方法确定。（2）两针间的保护范围可通过两针顶点及保护范围上部边缘的最低点o的圆弧确定。25两支等高避雷针的保护范围O点为假想避雷针的高度，O点的高度为：PDhhO7式中hO—两针间保护范围上部边缘最低点高度，m；D—两避雷针间的距离，m；P—高度影响系数。26两支等高避雷针的保护范围两等高(h)避雷针间保护范围的一侧最小宽度(bx)与的关系PhDa(a);(b)7~0PhDa7~5PhDaxxrb当时，取。求得bx后，可绘出两针间的保护范围。两针间的距离与针高之比D/h不宜大于5。xxrb27由于两针之间的空间电场比单针情况下更均匀，雷电难以击到离针脚较近的两针之间的地面上，由折线法得出的两支等高避雷针的联合保护范围在两针之间比两支单针的保护范围之和更大。三针及三针以上的多针联合保护范围，最终都可以转化为多个两针的情况，可分别验算其保护范围，只要在被保护物最大高度水平面上各相邻避雷针间保护范围的一侧最小宽度，则以避雷针为顶点形成的面积都可受到保护。0xb28二、避雷线的保护范围1.单根避雷线的保护范围当hx≥h/2时当hx＜h/2时Phhr)(47.0xxP)53.1(xxhhr式中rx——每侧保护范围的宽度，m。292.两根等高避雷线的保护范围两根避雷线外侧的保护范围按单根避雷线的计算方法来确定。两避雷线之间横截面的保护范围由通过两避雷线1、2点及保护上部边缘最低点O的圆弧确定。O点的高度按下式计算式中：ｈ——避雷线的高度，ｍ。h0——两避雷线间保护范围上部边缘最低点高度，m；D——两避雷线间距离，m；PDhh403031避雷线用于输电线路保护当避雷线用于输电线路保护时，对其下方的导线的保护性能与保护角α有很大关系。保护角α是指避雷线与导线的连线与通过避雷线的铅垂线之间的夹角。导线在避雷线的外侧称保护角为正，反之保护角为负。保护角越小，雷电绕击导线的可能性越小。只要两避雷线间的距离不超过避雷线与中间导线高差的5倍，中间导线就能受到可靠保护。32小结避雷针（线）由接闪器、引下线和接地体三部分构成，是防止直击雷的保护设备。其保护范围是指雷击概率约为0.1%的空间范围，使用时应使被保护设备处于避雷针（线）的保护范围之内。避雷针（线）应有良好的接地装置。3334§8.3避雷器避雷器的作用：限制由线路传来的雷电过电压或由操作引起的内部过电压以保护电气设备的绝缘。其保护性能对被保护设备绝缘水平的确定有直接的影响。对避雷器的要求：（1）具有良好的伏秒特性、较小的冲击系数，从而易于实现合理的绝缘配合；（2）具有较强的快速切断工频续流，快速自动恢复绝缘强度的能力。35带状伏秒特性曲线曲线配合不好曲线配合好绝缘配合曲线按发展历程看：保护间隙、管型避雷器、普通阀式避雷器、磁吹避雷器、金属氧化物避雷器等。36一、保护间隙和管式避雷器1.保护间隙保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压比后者低，使过电压波被限制到保护间隙F的击穿电压Ub。37缺点：1）伏秒特性很陡；2）保护间隙没有专门的灭弧装置；3）产生大幅值的截波。应用范围：10kV以下配电系统、线路、变电所进线段的保护。38避雷器的分类—管式避雷器管式避雷器实质上是一个具有较高熄弧能力的保护间隙，其基本元件为安装在产气管内的火花间隙。管式避雷器由两个串联间隙组成，一个间隙装在管内称为灭弧间隙S1，另一个间隙在管外称为外间隙S2，管子由绝缘的产气材料做成。当间隙上出现雷电过电压时，两个间隙均被击穿，雷电流被释放入地。过电压消失后有工频续流流过，工频续流的高温使产气管的纤维材料气化，管内气压增加到几十个大气压，高压气体将从环形电极的中心孔急速喷出，对电弧形成强烈的纵吹作用，使电弧电流在工频电流过零时熄灭。外间隙S2的作用是在正常工作时隔离系统电压与产气管S1。避雷器的分类—管式避雷器管式避雷器的灭弧能力是由工频续流的大小决定的，续流太大产生气体过多，管内气压太高，会使管子炸裂；续流太小产气过少，管内气压太小灭弧能力又不够。因此管式避雷器所能熄灭的续流有一定的上下限，通常在型号中表示，如GXS35/1-5型号的避雷器表示：其额定电压为35kV，可熄灭的工频续流的上下限分别为5kA和1kA。虽然管式避雷器在灭弧能力上比保护间隙有改进，但避免不了气体间隙放电固有的缺点(伏秒特性太陡；放电分散性大，放电特性易受大气条件影响；会产生高幅值的截波；运行维护麻烦等)，因此，管式避雷器目前仅用于保护输电线路的个别弱绝缘地段，如大跨越和交叉跨越处，或与电缆段配合，用于直配电机的侵入波防护。像变压器这样的重要电气设备的防雷保护要求保护装置的伏秒特性平坦，且不产生截波，因此保护间隙或管式避雷器不能满足要求。阀式避雷器与管式避雷器相比，保护性能有很大的改进，是最初广泛应用于220kV及以下系统的防雷保护设备。阀式避雷器由装在密封瓷套中的非线性电阻阀片和火花间隙串联组成，其中非线性电阻阀片的材料主要成分是碳化硅（SiC，亦称金刚砂），添加结合剂后在300~350℃的温度下烧结成圆饼状的阀片，许多阀片串联成阀片电阻。二、阀式避雷器41工作原理：当系统正常工作时，间隙将阀片电阻与工作母线隔离，以免由于工作电压在阀片电阻中产生的电流使阀片烧坏。当系统中出现雷电过电压且其峰值超过间隙的放电电压时，火花间隙迅速击穿，雷电流通过阀片流入大地，从而使作用于设备上的电压幅值受到限制。42当过电压消失后，间隙中将流过工频续流，由于受到阀片电阻的非线性特性的限制，工频续流远较冲击电流为小，使间隙能在工频续流第一次经过零值时将电流切断，使系统恢复正常工作。43（一）普通阀型避雷器普通阀型避雷器有配电型（FS）和电站型（FZ）两类。1.火花间隙普通阀型避雷器的火花间隙由很多个短间隙串联而成44间隙绝缘强度恢复的快慢与工频续流的大小有关，我国生产的FS和FZ型避雷器，当工频续流分别不大于50A和80A（峰值）时，能够在续流第一次过零时使电弧熄灭。避雷器动作后，工频续流电弧被间隙的电极分割成许多个短弧，靠极板上复合与散热作用，去游离程度较高，更易于切断工频续流。45当多个间隙串联使用时，间隙的电极对地和高压端有寄生电容存在，使间隙上的电压分布不均匀和不稳定。这样，将使避雷器的灭弧能力降低、工频放电电压也下降且不稳定。为了解决这个问题，对FZ系列避雷器可采用分路电阻使电压分布均匀。分路电阻的作用：改善间隙上的工频电压分布，以提高灭弧电压和工频放电电压。46在工频电压作用下，由于间隙的等值容抗大于分路电阻，所以电压分布主要取决于并联电阻值。只要电阻选取合适，可使电压分布得以改善。在冲击电压作用下，由于其等值频率很高，间隙上的电