第八章雷电及防雷装置.

1第八章雷电及防雷装置2§8-1雷电参数3雷电放电描述雷电放电由带电荷的雷云引起大多数的放电发生在雷云之间——不危险少数的放电发生在雷云和大地之间——危险对地放电的雷云大多数带负电荷，实测90％理解以下几点：雷云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放被击物体的电位取决于雷电流和被击物体阻抗的乘积从电源性质看，相当于一个电流源的作用过程人们能够测知的电量，主要是流过被击物体的电流4一、雷电放电的等值电路开关S闭合前后对应不同的雷电放电阶段（先导放电和主放电）。先导放电通道具有分布参数特征，称为雷电通道，其波阻抗为z0(300)主放电过程，自雷云通过雷电通道向地面传播的电磁波（u0、i0）到达A点由c图得出其彼德逊等值电路5能够测知的电量，主要是流过被击物的电流。国际上定义雷击小接地阻抗物体时，流过该物体的电流定义为雷电流。ZZZiiL00Z0iLZ0ZA雷电流源被击电路3000Zi6二、雷电流的波形雷电流的波形和极性90%左右为负极性波形参数波头时间：1~5s波长时间：20~100s，平均50s，大于50s的为18~30%我国在防雷保护中采用的波形：2.6/50s55%的落雷包含两次以上冲击，3~5次冲击占25%，10次以上占4%，平均重复3次，最高纪录可达42次7雷电流幅值的累积概率分布现行标准：陕南以外的西北地区及内蒙古：雷电流的平均陡度和幅值线性相关88/lgLIP44/lgIP8三、雷电参数雷暴日（雷暴小时）：一年中有雷电的日数（小时数）。不足15日为少雷区，超过40的为多雷区，超过90的为强雷区。地面落雷密度：每一雷暴日每平方千米地面遭受雷击的次数。Td：雷暴日数我国取=0.07(40雷电日)，国外一般取0.1~0.29输电线路落雷次数：每100km输电线路每年遭受雷击的次数。dThbN10010004[次/（100km•年）]式中：h为避雷线的平均高度（m）；b为两避雷线之间的距离（m）。10§8-2避雷针避雷线的保护范围11为了让电力设备的的绝缘能够承受高达数十万伏、甚至数兆伏的过电压，通常装设各种防雷保护装置。在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。12一、单支避雷针hhxhah/21.5hhx水平面上保护范围的截面当hx≥h/2时：rx=(h-hx)Phx≤h/2时：rx=(1.5h-2hx)Ph—避雷器的高度（m）P—高度修正系数当h≤30m时P=1300mh≤120m时,hhP5.53013二、两支等高避雷针这时的保护范围不是两支避雷针的保护范围简单相加而是有所扩大。R0D/7POhahhxrxh0h/2O’D1.5hh0hxbx1.5h0O—O’截面bxbx两支等高避雷针的联合保护范围14两针之间的保护范围可利用下式求得式中h—避雷针的高度；h0—两针间联合保护范围上部边缘的最低点的高度；2bx—在在高度hx的水平面上，保护范围的最低宽度；一般两针间的距离D不宜大于5h。)(5.1070xxPDhhbhh15三、两支不等高避雷针和两支等高避雷针类似。16四、三支或更多支避雷针17五、单根避雷线hhxhah/2hhrxrxrx单根避雷线的保护范围(当h≤30m时,θ=25o)•当hx≥h/2rx=0.47(h-hx)P•当hxh/2rx=(h-1.53hx)P18六、两根等高避雷线这时的保护范围如图所示hhxhah/2h0D/2R012OrxhD两根等高避雷线的联合保护范围19•保护架空线输电线路的避雷线保护范围还有一种更简单的表达方式，即采用它的保护角α。•所谓保护角系指避雷线和边相导线的连线与经过避雷线的铅垂线之间的夹角，保护角越小，避雷线对导线的屏蔽保护作用越有效。20线路的保护角20~30o即可认为导线处于避雷线的保护范围内220~330kV：20o500kV：15o21§8-3避雷器22避雷器是用以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的一种电气设备。避雷器的保护原理与避雷针不同。它实质上是一种放电限压器。避雷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，限制了过电压的发展，从而保护了其他电气设备免遭击穿损坏。23具有良好的伏秒特性，以易于实现合理的绝缘配合应有较强的绝缘强度自恢复能力，以利于快速切断工频续流，使系统得以继续运行避雷器的基本要求24(a)(b)(c)1——电气设备的伏秒特性；2——避雷器的伏秒特性3——电气设备上可能出现的最高工频电压避雷器与电气设备的伏秒特性配合251.保护间隙2.管式（排气式）避雷器3.阀型避雷器4.氧化锌避雷器避雷器的分类26避雷器保护作用原理示意1—保护间隙2—排气式避雷器3—阀型避雷器4—氧化锌避雷器5—被保护电气设备27保护间隙没有专门的灭弧装置，可和自动重合闸配合使用管型避雷器带有产气式灭弧管，可以熄灭更大的工频电弧主要的缺陷：动作时产生很陡的截波，对如电机和变压器等高压设备的纵绝缘造成严重危害间隙放电的伏秒特性很陡，很难用来保护伏秒特性比较平坦的设备绝缘（如SF6为绝缘介质的电气设备）1.保护间隙2.管式避雷器283、带有串联放电间隙和SiC非线性电阻的阀型避雷器放电间隙的伏秒特性比较平坦电阻非线性避免了动作时出现很陡的截波阀型避雷器的两种类型：磁吹放电间隙，提高灭弧能力复合式避雷器，降低冲击残压（雷电过电压下一部分SiC电阻被并联的间隙短接）29金属氧化物避雷器（MetalOxideSurgeArresters，简写为MOA）MOA的主要元件是金属氧化物非线性电阻片（MetalOxideVaristors—简写为MOV）MOV的主要成份是氧化锌（ZnO），俗称MOV为氧化锌阀片，MOA为氧化锌避雷器4、氧化锌避雷器30根据作用电场强度的大小可分为三个区域ZnO阀片的非线性U—I特性31氧化锌避雷器的基本工作原理氧化锌避雷器（MOA）是将相应数量的氧化锌电阻片（MOV）密封在瓷套或其他绝缘体内而组成32ZnO和SiC非线性电阻片的U－I特性的比较33氧化锌无间隙避雷器的优良性能保护性能优越无续流，结构简单，耐重复动作能力强通流容量大，吸收过电压能量的能力强性能稳定，抗老化能力强适应多种特殊需要适宜于大批量生产，造价低34额定电压：允许施加的最大工频电压有效值最大持续运行电压：允许长期连续施加的工频电压有效值起始动作电压（参考电压）：U1mA残压通流容量ZnO避雷器的主要技术参数保护水平压比：（例：U10kA/U1mA）荷电率：最大持续运行电压峰值与参考电压之比保护比：压比/荷电率35避雷器应用于室内变电站入口处36§8-3接地装置37接地装置分类工作接地如：变压器中性点接地保护接地如：电气设备外壳接地防雷接地如：避雷针、避雷线接地38接地电阻的定义接地电阻为接地体的地电位升高与通过接地体流入地中电流的比值，与土壤特性及接地体的几何尺寸有关。rIv2002rIvR39接地电阻计算)(4ln2dllR)(Lln22AdhLR)(2SR垂直接地体水平接地体接地网40第九章输电线路的防雷保护41雷击输电线路的方式42雷击输电线路的后果发生短路接地故障雷电波侵入变电所，破坏设备绝缘，造成停电事故43输电线路的雷电过电压及防护直击雷过电压：雷电直接击中杆塔、避雷线或导线引起的线路过电压感应雷过电压：雷击线路附近大地，由电磁感应在导线上产生的过电压（只对35kV以下线路有危险）衡量线路防雷性能的优劣耐雷水平：线路遭受雷击所能耐受不至于引起闪络的最大雷电流（kA）雷击跳闸率：每100km线路每年因雷击引起的跳闸次数44§9-1输电线路的感应雷过电压45一、雷击线路附近大地时线路上的感应雷过电压ShIUi25)1()1('kUhhkUUidbii考虑避雷线的耦合影响时：46雷击塔顶时迅速向上发展的主放电引起周围空间电磁场的突然变化，会在导线上感应出与雷电流极性相反的电压，以静电感应分量为主为感应雷过电压系数，有避雷线时，导线上的感应过电压二、雷击线路杆塔时导线上的感应雷过电压diahU6.2LIiUkUi)1('47§9-2输电线路的直击雷过电压和耐雷水平48一、雷击塔顶时过电压和耐雷水平49耐雷水平：]6.2)6.2()[1(%501dgtchhLRkUI式中：β为分流系数；k为耦合系数；hd为导线高度。50二、雷击避雷线档时的过电压一般只要满足如下经验公式，不会发生击穿。（m）1012.0lS51三、绕击时的过电压及耐雷水平绕击耐雷水平绕击线路的耐雷水平很低500kV线路27.4kA220kV—12kA110kV—7kA110kV以上线路要求全线架避雷线绕击率：平原线路：山区线路：100%502UI9.386lghP35.386lghP52§9-3输电线路的雷击跳闸率53建弧率：冲击电弧转变为工频稳定电弧的概率。100km年的雷击次数（40个雷电日）：275.010)145.4(E)4(28.0bhbNE：绝缘子串的平均运行电压梯度。54N次中击中塔顶引起线路跳闸次数g为击杆率,P1为雷电流幅值超过雷击杆塔的耐雷水平的概率绕击导线的跳闸率Pa为绕击率,P2为雷电流幅值超过绕击耐雷水平的概率线路跳闸率：11NgPn22PNPn21nnn55§9-4输电线路的防雷措施561、架设避雷线防止雷击导线减少经杆塔入地电流，降低塔顶电位降低感应过电压110kV以上应全线架设避雷线保护角：避雷线和外侧导线的连线与垂线之间的夹角，保护角越小，对绕击雷的保护效果越好，110kV保护角20～30º，500kV负保护角572、降低杆塔接地电阻土壤电阻率低的地区，应充分利用铁塔、钢筋混凝土杆的自然接地电阻土壤电阻率高的地区，可采用多根放射形接地体或连续伸长接地体以及垂直接地电极等措施583、架设耦合地线：在降低杆塔接地电阻有困难时，在导线下方架设一条接地线。它具有分流作用，又加强了避雷线对导线的耦合。运行经验表明，该措施可降低雷击跳闸率50％左右4、采用消弧线圈接地方式：适用110kV及以下电压等级电网，可使大多数雷击单相闪络接地故障被消弧线圈消除，不至发展为持续工频电弧。我国的运行经验表明，该措施可使雷击跳闸率降低1/3左右595、加强绝缘：对个别大跨越、高杆塔，落雷机会多等情况，可增加绝缘子片数6、采用不平衡绝缘方式：针对同杆并架双回线路，一回普通绝缘，一回加强绝缘7、装设自动重合闸装置：我国110kV及以上线路重合闸成功率达75～95％608、安装线路避雷器：作用原理——实质上是一种放电器，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，避雷器先放电，限制了过电压的发展基本要求：良好的伏秒特性，实现合理的绝缘配合好的绝缘强度自恢复能力，利于快速切断工频续流，使电力系统得以继续运行硅橡胶护套氧化锌线路避雷器已取得良好应用效果61日本总结77kV各种防雷措施的效果，统计出：增加绝缘、架设耦合地线、减少杆塔接地电阻，可使雷击跳闸次数分别降至62%、56%、45%，安装MOA后可消除雷击跳闸事故62线路避雷器的投资较大，难以普遍采用建议优先安装在下列条件杆塔：山区线路易击段、易击点的杆塔山区线路接地电阻超过100Ω且发生过闪络的杆塔水电站升压站出口线路接地电阻大的杆塔大跨越高杆塔多雷区双回线路易击段、易击点的一回线路上636465作业：第九章补充：1、①说明避雷线的作用。②为什么降低接地电阻、架设耦合地线可以降低线路的雷击掉闸率，后者用于什么情况？