输电线路和变电站的防雷保护

输电线路和变电站的防雷保护主要内容1雷电放电过程及雷电参数2防雷保护装置3输电线路的防雷保护4发电厂和变电所的防雷保护5变压器的防雷保护6直配电机的防雷保护7高压输电线路和变电站雷电防护的现状与发展1雷电放电过程及雷电参数1雷电放电过程及雷电参数雷电是自然中最宏伟壮观的现象也是最普遍的现象之一，它对人类的生活环境、工作条件等都造成了很大的影响，因此对雷电的研究和防护意义重大。早在18世纪初，富兰克林等物理学家已经揭示了闪电就是电的本质。例如著名的风筝实验，第一次向人们揭示了雷电只不过是一种大气火花放电现象的秘密。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。从电力工程的角度来看，最值得我们注意的两个方是：雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压，它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一产生巨大电流，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。本节主要内容：1.1、雷电放电的过程1.2、雷电参数1.3、雷击时计算雷电流的等值电路1雷电放电过程及雷电参数1.1雷电放电的过程水滴分裂起电理论：大水滴分裂成水珠和细微的水沫，出现电荷分离现象，大水珠带正电，小水沫带负电，细微水沫被上升气流带往高空，形成大片带负电的雷云。雷云的底部大多是带负电荷，在地面上感应出大量的正电荷。带有大量不同极性的雷云之间、雷云对地之间就形成了强大的电场。雷云中的电荷分布当空间电场强度超过大气电离的放电的临界电场强度时，就会发生云间或对大地的火花放电。放电通道的电流可达几十或几百千安。雷电放电的基本过程1－先导放电通道；2－强电离区；3－主放电通道雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的火花放电l－先导；r－主放电；v－发展方向雷电放电类型流经物体的电流波与被击物体的波阻抗有关当Zj=0时，流经被击物体的电流定义为雷电流jLZZZZi00.22流经被击物体的电流：022iiLL彼德逊法则Li.0雷电流通道的波阻抗Z0的数值通常取为300欧1.2雷击时计算雷电流的等值电路研究表明：雷电放电的先导通道具有分布参数的特性，可认为它是一个具有电感、电容等均匀分布参数的导电通道，称为雷电通道，其波阻抗为Z0雷电流波：jLZZZZii00雷云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放；从电源性质来看，这相当于一个电流源的作用过程；雷电放电的物理过程虽然很复杂，但从地面感受到的实际效果和防雷保护实际工程角度，可以把它看成是一个沿者固定波阻抗的雷电通道向地面传播电磁波的过程。可依据此建立计算模型。在雷电放电的过程中，人们能够测知的电量，是雷击地面时流过被击物体的电流i，然后再根据计算模型反推雷电波的电流。注意理解：若：Z＜＜Z0时，iZ≈iL国际上都习惯把雷击于低接地阻抗（≤30欧姆）物体时，流过该物体的电流称为雷电流。应特别注意：定义中的雷电流iZ恰好等于沿雷电通道传播而来的雷电流波的两倍。因此，在防雷保护计算的彼德逊等值电路中，等值电流源通常直接用电流源来表示，如图5.3。Li.0jLZZZZii00研究表明：雷电放电的先导通道具有分布参数的特性，可认为它是一个具有电感、电容等均匀分布参数的导电通道，称为雷电通道，其波阻抗为Z0雷电流波：2Li.0彼德逊法则雷击大地时的电流022iiLL•为评价某地区雷电活动的强度，常用该地区多年统计所得到的平均出现雷暴日或雷暴小时来估计的•在一天内或一小时内只要听到雷声就作为一个雷电日Td或一个雷电小时Th•由于不同年份的雷电日数变化很大，所以均采用多年平均值——年平均雷电日(1)、雷暴日及雷暴小时1.3雷电参数雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关少雷区：Td15多雷区：Td40强雷区：Td90ThN100100010单位：次/100公里•年我国规程规定，对Td=40的地区，取次/平方公里.雷电日地面落雷密度γ：指每个雷电日每平方公里的地面上的平均落雷次数（单位：次/平方公里•雷电日）(2)、地面落雷密度和输电线路落雷次数0.015若一般高度的线路的等值受雷面的宽度为10h(h为线路平均高度(m))，则输电线路年平均遭受雷击的次数：主放电过程可看作是一个电流波沿着波阻抗为Z0的雷电通道传播到雷击点的波过程。雷电通道长度数千米，半径仅为数厘米，类似于一条分布参数线路，具有某一等值波阻抗，称为雷电通道波阻抗。我国有关规程建议取Z0≈300Ω(3)、雷电通道的波阻抗(4)、雷电的极性雷电的极性由雷云电荷的极性决定，负极性雷击均占75～90%，对设备绝缘危害较大，防雷计算中一般均按负极性考虑。(5)、雷电流的幅值通常定义雷电流为雷IL击于低阻接地电阻(≤30Ω)的物体时流过雷击点的电流。它近似等于电流入射波I0的两倍，即02IIL一般地区，雷电流幅值超过I的概率可按下式计算(6)、雷电流的波前时间、陡度及波长雷电流的波前时间T1处于1～4µs的范围内，平均为2.6µs。波长T2处于20～100µs的范围内，多数为50µs左右。我国防雷设计采用2.6/50µs的波形；在绝缘的冲击高压试验中，标准雷电冲击电压的波形定为1.2/50µs88lgLIP(Td≥20)雷电流波前的平均陡度为(kA/µs)(7)、雷电流的计算波形在防雷计算中，按不同要求采用不同的计算波形a、双指数波b、斜角波c、斜角平顶波d、半余弦波2防雷保护装置2防雷保护装置2.1避雷针和避雷线2.2避雷器2.3防雷接地现代电力系统中实际采用的防雷保护装置主要有：避雷针、避雷线、保护间隙、各种避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等等。2防雷保护装置避雷针–保护原理：当雷云放电时使地面电场畸变，在避雷针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2.1、避雷针和避雷线避雷针保护范围()()2xxxhrhhPh(1.52)()2xxxhrhhPhhP5.5h≤30m，P＝130mh≤120m，h–避雷针高度P–高度修正系数hx-被保护物的高度rx-保护范围单支避雷针的保护范围是一个以避雷针为轴的近似锥体的空间。保护范围：由模拟试验确定。保护范围是按保护概率99.9%确定的。它只有相对的意义，不能认为在保护范围内的物体就完全不受雷直击，在保护范围外的物体就完全不受保护。避雷针保护第一要对直击雷屏蔽，第二要防止反击。避雷线作用原理同避雷针，主要用于输电线路的保护，也可用于保护发电厂和变电所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在架空输电线路上多采用保护角α来表示避雷线的保护程度保护角：避雷线的铅垂线与避雷线和边导线连线的夹角，α越小，雷击导线的概率越小，对导线的屏蔽保护越可靠避雷线保护范围避雷线保护范围单根避雷线的保护半径要比单根避雷针的保护半径小。0.47()()2xxxhrhhPh(1.53)()2xxxhrhhPh2.2避雷器避雷器的作用是限制过电压。它的保护原理与避雷针不同。它实质上是一个放电器，并联连接在被保护设备附近，当作用电压超过避雷器的放电电压时，避雷器即先放电，从而限制过电压的发展，从而保护了其它电气设备免遭击穿损坏。避雷器的类型主要有保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器。对避雷器的基本技术要求过电压作用时，避雷器先于被保护电力设备放电，这需要由两者的伏秒特性的配合来保护。避雷器应具有一定的熄弧能力，以便可靠地切断在某次过零时的工频续流，使系统恢复正常。2.2避雷器（1）保护间隙与管型避雷器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。缺点：伏秒特性很陡；保护间隙没有专门的灭弧装置产生大幅值的截波应用范围：仅用于不重要和单相接地不会导致严重后果的场合。应用范围：仅安装在输电线路上绝缘比较薄弱的地方和用于变电所、发电厂的进线段保护中。管型避雷器实质上是一只具有较强灭弧能力的保护间隙，其基本元件为装在消弧管内的火花间隙，在安装时再串接一只外火花间隙。缺点：工频续流太小时不能灭弧，太大时产气过多，使管子爆裂；伏秒特性和产生截波方面与保护间隙相似，维护较麻烦；（1）保护间隙与管型避雷器变电所的防雷保护主要依靠阀式避雷器，它在电力系统过电压保护和绝缘配合中都起着重要的作用，它的保护特性是选择高电压电力设备绝缘水平的基础。结构：主要由火花间隙1及与之串联的工作电阻2(阀片)两大部分组成。（2）阀型避雷器火花间隙：电压分布(并联电阻并联在火花间隙上，起均压作用)作用隔离工作电压，避免电阻阀片长期流过电流；伏秒特性平坦，易与被保护设备伏秒特性配合；工频续流电弧被分割成许多短弧，使电弧容易熄灭。电阻阀片：阀片电阻的伏安特性u=Ciα；(α：非线性系数)作用避免出现对绝缘不利的截波；限制工频续流以利于熄弧；限制作用于被保护设备上的冲击电压。基本元件（2）阀型避雷器特点：对工作电阻(阀片)的首位要求是它应具有良好的非线性伏安特性，即在冲击大电流下，阻值应很小，让冲击电流顺利泄入地下，且残压不高；在工频电流下，阻值要变大，限制工频续流，以利于电弧熄灭。避雷器的相关参数和术语额定电压：指正常工作时加在避雷器上的工频工作电压灭弧电压：指保证避雷器能够在工频续流第一次经过零值时灭弧条件下，允许加在避雷器上的最高工频电压。残压：雷电流流过避雷器时在阀片电阻上产生的电压降。我国规定流过避雷器的雷电流大小为5kA(330kV及以上为10kA)的残压作为设计依据。工频续流：过电压消失后，由工作电压产生的工频电弧电流；通流容量：避雷器耐受通过电流的能力；氧化锌(ZnO)，具有极其优异的非线性特性。（3）.金属氧化物避雷器小电流区域非线性区域饱和区域特点：取消了火花间隙，结构非常简单；伏安特性平坦，保护性能好；(α：0.01～0.04)无续流，作动作负载轻，重复动作能力强；通流容量大；耐污性能好(1).接地接地是指将地面上的金属物体或电气回路中的某一节点，通过导体与大地相连，使该物体或节点与大地经常保持等电位。电力系统的接地分为三类：工作接地：根据系统正常运行要求设置。如三相系统的中性点接地，其作用是稳定电网的对地电位，以降低电气设备的绝缘水平。（0.5-10Ω）保护接地：为保障人身安全而将电气设备金属外壳等接地，它在故障条件下才发挥作用（1-10Ω）防雷接地：用来将雷电流顺利泻入大地，以减小引起的过电压（1-30Ω）2.3防雷接地(2).接地电阻接地电阻Re等于从接地体到地下远处零位面之间的电压Ue与流过的工频或直流电流Ie之比。冲击接地电阻，工频或直流下的接地电阻，二者之比称为冲击系数。当雷电流流过接地装置时，接地体和土壤所呈现的响应不同于工频响应，即冲击接地电阻一般不等于工频接地电阻火花效应和电感效应αi的值一般小于1，但在接地体很长时也有可能大于1。接触电压(U1)：站立点与接地设备之间的电压（1.8m高，0.8m水平距离）；跨步电压(U2)：人的两脚之间的电位差（0.8m水平距离）。流过人体电流危险值（10mA）大地并不是理想导体，具有一定的电阻率。因此，在外界的作用下若内部一旦有电流，大地也就不再保持等电位。当地面上被强制流进的电流从一点注入时，进入大地的电流将以电流场的形式向周围远处扩散。埋于地下的一组人工接地导体，其功用是减小接地电阻，以降低雷电流通过避雷针（线）或避雷器时的过电压。垂直接地体水平接地体接地网)18(ln2dllRe)(ln22AdhllRe)1(nlLSBRe3、接地装置输电线路的防雷接地：在每一基杆塔下一般都有接地装置，并通过引线与避雷线相连，其目的是使击中避雷线的雷电流流过较低的接地电阻而进入大地；发电厂和变电站的防雷接地：根据安全和