7.雷电放电及防雷保护装置

第七章雷电放电及防雷保护装置•雷电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，而随着物理学的进一步发展，人们对雷电这一自然现象有了更深刻的认识。•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面是：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；（着重探讨）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。第一节雷电放电和雷电过电压雷云的形成雷电放电过程雷电参数雷电过电压的形成一、雷云的形成•雷云的形成机理获得比较广泛认同的是水滴分裂起电理论：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。•雷云下部局部正电荷区。•探测气球所测得的云中电荷分布表明，在雷云的顶部往往充斥着正电荷。（另外一种起电机理解释）在离地面4~5km的高空，大气温度经常处于-10~-20℃，因而此处的水分已变成冰晶，它们与空气摩擦时也会起电，冰晶带负电、空气带正电。带正电的气流携带着冰晶碰撞时造成的细微碎片向上运动，使雷云的上部充满正电荷，而带负电的大粒冰晶下降到云的下部时，因此处气温已在0℃以上，冰晶融化为带负电的水滴。•整块雷云可以有若干个电荷中心，负电荷中心位于雷云的下部、距地面500~10000m的范围内。直接击向地面的放电通常从负电荷中心边缘开始。二、雷电放电过程•雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的火花放电。图负雷云下行雷的过程(a)负下行雷的光学照片描绘图(b)放电过程中雷电流的变化过程三、雷电参数•(一)雷电活动频度雷暴日及雷暴小时•雷暴日Td是一年中发生雷电的天数，以听到雷声为准，在一天内只要听到过雷声，无论次数多少，均计为一个雷暴日。•雷暴小时Th是一年中发生雷电放电的小时数，在一个小时内只要有一次雷电，即计为一个雷电小时。•一个雷暴日折合三个雷暴小时。•雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关•Td15，少雷区；Td40，多雷区；Td90，强雷区•(二)地面落雷密度()和雷击选择性•表示每平方公里地面在一个雷暴日受到的平均雷击次数。•我国标准对Td＝40的地区，取＝0.07•(三)雷道波阻抗（Z0）•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，称为雷道波阻抗。•主放电过程可看作是一个电流波沿着波阻抗为Z0的雷道投射到雷击点的波过程。•我国有关规程建议取Z0≈300Ω•(四)雷电的极性•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。•(五)雷电流幅值（）•通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻(≤30Ω)的物体时流过雷击点的电流。它近似等于电流入射波的两倍，即。•一般地区，雷电流幅值超过的概率可按下式计算II88lgIP0I02II•(六)雷电流的波前时间、陡度及波长•雷电流的波前时间T1处于1～4us的范围内，平均为2.6us。波长T2（半峰值时间）处于20～100us的范围内，多数为40us左右。•我国防雷设计采用2.6/40us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1.2/50us。•我国规定波前时间T1=2.6us•雷电流波前的平均陡度(kA/us)•波前陡度的最大极限值一般可取50kA/us左右。•(八)雷电的多重放电次数及总延续时间•有55％的对地雷击包含两次以上的重复冲击；3～5次冲击者有25%；10次以上者有4%。平均重复冲击次数取3次。•一次雷电总延续时间，有50%小于0.2s。•(九)放电能量•放电能量其实不大，但是在极短时间内放出的，因而所对应的功率很大。雷电放电就象把原先产生雷云时所吸收的能量在一瞬间返还给大自然。雷电放电的种类直击雷感应雷传导雷直击雷直击雷：雷直接击于被击物上，被击物可能是建筑物、树木或人等。雷电流：雷流过低接地电阻（小于30欧）被击物时的电流。我国测得的最大雷电流幅值为300KA。传导雷传导雷：又称入侵波，是雷击于导线后，雷电流沿导线传播、并入侵被保护设备。传导雷是造成低压电器设备损坏的主要雷害之一。感应雷感应雷：由于电磁感应形成的电压升高。感应雷幅值一般不超过500KV，对110KV及以上的线路不能构成威胁。感应雷也是造成低压电器设备损坏的主要雷害之一。四、雷电过电压的形成1.直击雷过电压雷击地面由先导放电转变为主放电的过程可以用一根已充电的垂直导线突然与被击物体接通来模拟。图雷击大地时的计算模型(a)模拟先导放电(b)模拟主放电(c)主放电通道电路(d)等值电路2.感应雷过电压由于雷云对地放电过程中，放电通道周围空间电磁场的急剧变化，会在附近线路的导线上产生过电压。在雷云放电的先导阶段，先导通道中充满了电荷，如图（a）所示当先导到达附近地面时，主放电开始，先导通道中的电荷被中和，与之相应的导线上的束缚电荷得到释放，以波的形式向导线两侧运动，如图（b）所示。图感应雷过电压的形成(a)先导放电阶段（b）主放电阶段•在先导放电阶段，虽然有束缚电荷的存在，但是由于负电荷移动较慢，故线路上产生的的电流较小，相应的电压也较小，可忽略。主放电阶段，负电荷迅速被中和，束缚的正电荷产生的电场使导线对地形成一定电压，而雷电流产生的磁通在导线也感应出一定电压。这两者之和就是感应雷击过电压，分别称为雷击过电压的静电分量和电磁分量。••感应雷击过电压与相邻导线间的感应电压有很大的不同：•（1）感应雷击过电压的极性一定与雷云的极性相反，而相邻导线间的感应电压的极性一定与感应源相同。•（2）这种感应过电压一定要在雷云及其先导通道中的电荷被中和后，才能出现，而相邻导线间的感应电压却与感应源同生同灭。•（3）感应雷击过电压的波前平缓（T1=数微妙到数十微妙）、波长较长（T2=数百微妙）。•（4）感应雷击过电压在三相导线上同时出现，且数值基本相等，故不会出现相间电位差和相间闪络；如幅值较大，也只可能引起对地闪络。•以上是没有避雷线的情况，如果在导线上方装有接地的避雷线，由于它的电磁屏蔽作用，会使导线上的感应过电压降低，因为在导线的附近出现了带地电位的避雷线，会使导线的对地电容C增大，另一方面，避雷线位于导线之上，吸引了一部分电力线，使导线上感应出来的束缚电荷Q减少。导线的对地电压为:U=Q/C•显然Q的减少和C的增大将使电压U降低。•另一方面，从电磁感应的角度来看，装设避雷线相当于在“导线—大地”回路的近旁增加了一个“避雷线—大地”短路环，因而部分抵消导线上的电磁感应电动势，所以感应雷击过电压的电磁分量会受到削弱。第二节防雷保护装置避雷针和避雷线保护间隙和避雷器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。•一、避雷针和避雷线•电力系统中需要安装直接雷击防护装置，广泛采用的即为避雷针和避雷线（又称架空地线）。•避雷针适宜用于变电所、发电厂这样相对集中的保护对象；避雷线适宜用于象架空线路那样伸展很广的保护对象。•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。•保护范围：表示避雷装置的保护效能，保护范围是相对的，每一个保护范围都有规定的绕击（概）率，绕击指的是雷电绕过避雷装置而击中被保护物体的现象。我国有关规程所推荐的保护范围对应于0.1％的绕击率。•避雷针的基本构成：•一个独立避雷针由接闪器、接地引下线和接地装置组成。接闪器是指避雷针最上端1~2m长的一段，一般由直径不小于12mm的圆钢或直径不小于20mm的焊接钢管制成。接地引下线是连接接闪器和接地装置的一段导体，采用直径不小于8mm的圆钢或截面积不小于48mm2、厚度不小于4mm的扁钢制作。接地装置是接地体和接地线的总和，是为了降低接地电阻而完成的接地整体。。既然避雷针的实质是引雷装置，所以接闪器没有必要作得很复杂、不用分叉、也不用采用镀银等。•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双根等高避雷针保护范围单根避雷针保护范围x/2hhxxh()rhhp当时：当时：x/2hhxxh(1.52)rhhp0hx0x/71.5()hhDpbhh双根不等高避雷针保护范围单根避雷线保护范围两平行避雷线保护范围避雷线保护角•单支避雷针的保护范围是一个以其本体为轴线的曲线圆锥体，像一座圆帐篷。它的侧面边界线实际上是曲线，但我国规程建议近似地用折线来拟合，以简化计算。•不难看出：最大的保护半径即为地面上（hx=0）的保护半径rg=1.5h。•从h越高、修正系数P越小可知：为了增大保护范围，而一味的提高避雷针的高度并非良策，合理的解决办法应是采用多支（等高或不等高）避雷针做联合保护。•单根避雷线的保护半径要比单根避雷针的保护半径小得多，这是因为它的引雷空间要比同样高度的避雷针小。二、保护间隙和避雷器•避雷器的作用是限制过电压以保护电气设备。•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•避雷器的种类：•保护间隙：用于限制大气过电压。一般用于配电•管型避雷器：系统、线路和发、变电所进线段保护•阀型避雷器：发电厂、变电所保护；220kV以下用于限制大气过电压，超高压系统用于限制内过电压或做内过电压后备保护•金属氧化物避雷器（MOA）：二、保护间隙和避雷器避雷器的理论依据：感应雷或入侵波作用在被保护设备上时，可能使设备的绝缘破坏，如何来保护设备免受危险电压的破坏呢？气体间隙的放电现象—如右图所示，两个间隙在同一个冲击电压的作用下，如果间隙2总是先于间隙1放电，即间隙2的伏秒特性完全位于间隙1的伏秒特性曲线的下面，并且要有足够低的残压，那么先放电的间隙2就能保护后放电的间隙1，即间隙1是被保护设备，间隙2是保护设备。于是发明了第一种避雷器—保护间隙。避雷器要保护被保护物的基本条件就是避雷器总要先于被保护设备放电，并且要有足够低的残压。（一）保护间隙保护间隙当雷电波入侵时：间隙先击穿、工作母线接地过电压消失后：间隙中仍有由工作电压所产生的工频电弧电流——续流缺点：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。•通常把间隙的电极做成角型，它有助于使工频电弧在电动力和上升热气流的作用下，向上运动并拉长，以利于电弧的自熄。为了防止主间隙被外物（例如小鸟）短接而引起误动作，在下方还串接了一个辅助间隙2。•目前仅用于不重要和单相接地不会导致严重后果的场合，例如那些低压配电网和中性点非有效接地电网中。•（二）管式避雷器•（亦称排气式避雷器）••它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。•增设火花间隙F2的目的是为了在正常运行时把消弧管与工作电压隔开，以免管子加速老化或在管壁受潮时发生沿面放电。外间隙内间隙1—产气管；2—胶木管套；3—棒电极；4—环形电极；5—贮气室；6—动作指示器•管式避雷器在过电压下动作时，内外火花间隙均被击穿，限制了过电压的幅值，接着出现的工频续流电弧使产气管分解出大量气体，一时之间，管内气体