8 雷电及防雷保护装置

高电压技术高电压工程系林福昌，李化[e-mail]@mail.hust.edu.cn2第8章雷电及防雷保护装置是造成电力系统故障的主要原因之一。8.1雷云放电及雷电过电压成因：摩擦起电。整块雷云可以有若干个电荷中心，负电荷位于雷云下部，离地大约1-5km。第一次放电结束后，多半还会有重复雷击。3雷电图景－云闪放电路径在云内、云－云之间、云－空之间，闪电大部分为云闪4雷电图景－地闪放电路径在云－大地之间，危害最为直接、严重本课程中主要讨论地闪5雷电放电发展过程61.雷云下行先导、地面上行先导大地大地大地雷云雷云雷云下行先导大地表面感应出正电荷临近下行先导的地面感应电荷密度剧增，在场强集中处发出上行先导上行先导，亦称迎面先导云内放电，为下行先导输送电荷上、下行先导相遇产生强烈放电，形成主放电通道7大地大地雷云雷云大地雷云2.主放电－回击主放电通道向雷云方向发展，称作回击主放电通道贯通雷云与大地，正负电荷中和，第一次放电完毕第一次放电完毕后残留的等离子通道，为下一次放电提供了条件83.后续放电大地雷云大地雷云大地雷云大地雷云大地雷云残留等离子通道下行先导迎面先导主放电主放电通道贯通云地910大地雷云大地雷云1.高、尖物体更易受雷击正电荷向最接近下行先导的塔顶流动受塔顶正电荷的吸引，下行先导改变路径向塔顶发展•物体越高，受下行先导吸引越强烈，聚集的正电荷密度越大•尖端越尖，越容易发生尖端放电从而发出迎面先导塔顶发出迎面先导112.导体比绝缘体容易受到雷击大地雷云大地雷云绝缘物绝缘物正电荷流向导体顶端而不流向绝缘物下行先导向导体顶端发展2011年7月31日18:57:2312138.1.2雷击时的等值电路主放电瞬间，可用开关S的闭合来模拟Z是被击物的阻抗。由于电荷运动形成电流，因此雷击点电位发生突然变化u＝iZ雷电具有电流源的性质。当Z＝0时，i=2*i0;一般，Z0＝300-400，ZZ0，因此，也可认为i=2*i0i称为雷电流148.2雷电参数及雷电活动规律在雷电设计中，最关心的是雷电流波形、幅值分布及落雷密度等8.2.1雷电流幅值和波形对于雷暴日数≥20的地区，我国现行推荐雷电流幅值概率为：88lgIP对于雷暴日数20的地区(除陕南以外的西边地区、内蒙古部分地区），我国现行推荐雷电流幅值概率为：44lgIP15波形和极性我国防雷规程建议值为：2.6/50s，平均陡度为在保护计算中，可取双指数波，为简化计算，一般可取斜角平顶波。但在特高塔的设计中，可取半余弦波头，表达式为：6.2Ia)cos1(2tIiI为雷电流幅值；ω为角频率，ω=π/τf=1.2106s-1，τf为波头时间（2.6s）。极性：75%-90%的雷为负极性雷，因此一般按照负极性雷进行研究。168.2.2雷暴日和雷暴小时年平均雷暴日和年平均雷暴小时是表征雷电活动频繁程度的指标。雷暴日：一年中有雷电的天数。在一天之内，只要听到雷声就算一个雷暴日。雷暴小时：一年中有雷电的小时数。在一小时之内，只要听到雷声就算一个雷暴小时。我国大部分地区的雷暴小时与雷暴日之比为3。我国规程建议采用雷暴日作为计算单位。17188.2.3地面落雷密度和输电线路落雷次数地面落雷密度反映了云－地之间的放电。地面落雷密度：每平方公里每雷暴日的对地落雷次数，用表示。e.g.我国标准规定：对雷暴日T＝40的地区，=0.07次/km2·雷暴日输电线路的存在，改变了雷云－地之间的电场分布，根据模拟试验和运行经验，输电线路每侧的引雷宽度为2he.g.对每100km的输电线路，每年遭雷击的次数为：)4(28.01001000)4(hbThbN192004年湖南省每平方公里落雷数分布情况20雷电定位系统探测每平方公里分区的平均雷电密度图218.3避雷针和避雷线保护原理：在避雷针（线）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（线）放电，避免被保护物体遭受雷击。避雷针（线）必须高于被保护物，避雷针的顶部为尖状。避雷针（线）与被保护设备电气上是绝缘的避雷针的保护范围：雷电绕击率低于0.1%的范围。绕击：雷电绕开避雷装置而击中被保护物体。保护范围具有相对意义，统计意义。不能保证保护范围内物体完全不受雷击，保护范围外物体也受保护。8.3.1避雷针的保护范围-折线法22()2(1.52)2xxxxxxhhrhhphhrhhp当时，当时，hrhx水平面上保护范围的截面xhx1.5hp2h被保护物高度低时，保护半径扩大；避雷针高度增加时，保护范围扩大有限；工程上多采用两支或多只避雷针以扩大保护范围。当h≤30m时，p=1；30m＜h≤120m时，hp5.5；当h＞120m时，按h=120m计算23pp123D'D2h1h'7Dp24123（a）4213（b）34xb31D12D12D23D23D41D34D23xb12xb23xb24xbbx12bx3141xbxrxr电厂和变电站的面积较大，实际上都采用多支避雷针保护的方法。击距：30m、45m和60m，对应的雷电流大小分别为5.4kA、10.1kA和15.8kA。击距越小，雷电流越小，对应的保护要求越高。258.3.1避雷针的保护范围-滚球法0.6510rhI（m）描述物体的引雷能力26rsirs1rs1rsirskrskA1AiAkBiB1CiC1DiD1Krs1rsirskHodbb－避雷线d－导线滚球法27CDEhhxrxrxhrhrhrx'xFH'xx平面上保护范围的截面G0.6510rhI2829避雷线的保护长度与线等长，因此适用与架空线路与大型建筑群。单根避雷线的保护范围两根避雷线的保护范围D5/D保护角是指避雷线与所保护的外侧导线之间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就越好。有些国家还采用负保护角。•避雷线适用于输电线路防雷（分布保护场合），在变电所里有时也在电气主回路上空布置多条避雷线进行雷电防护。308.4避雷器当发生绕击或者感应时，过电压波将沿线路传播入侵发电厂、变电站等。避雷器的要求：1良好的伏秒特性：冲击系数：冲击放电电压与工频放电电压之比。冲击系数越小，伏秒特性越平缓，保护性能越好。2具有良好的非线性电阻特性按发展历程看：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。31保护间隙与排气式避雷器接母线12345ui012保护间隙的灭弧能力很差（适用于短路电流小）；间隙间的电场为极不均匀电场，又裸露在大气环境中，受气象条件的影响很大，因此伏秒特性很陡且分散性很大，将直接影响到它的保护效果；保护间隙击穿后是直接接地，将会有截波产生，不能用来保护有绕组的设备ui012332排气式避雷器12341S2S1——产气管；2——棒形电极；3——环形电极；4——工作母线；——内间隙；——外间隙1S2S灭弧能力与工频续流的大小有关，续流太大产气过多，管内气压太高将使管子炸裂；续流太小产气过少，管内气压太小不足以灭弧;熄灭续流存在上下限伏秒特性难以配合、动作后出现大幅值截波33阀型避雷器变电所防雷保护的重点对象是变压器12工作母线1-火花间隙2-电阻阀片阀片的作用：通过电阻限制工频续流，使之能在第一次过零时就熄弧理想的电阻：应在大电流（冲击电流）时呈现为小电阻以保证其上的压降（残压）足够低；而在冲击电流过去之后，当加在阀片上的电压是电网的工频电压时，阀片应呈现为大电阻以限制工频续流，易于灭弧。阀片最好具有不随冲击电流变化的残压和大的通过电流的能力。阀片：碳化硅，u=Ciα01u2uu1i2iiCiu1u2u－工频续流－雷电流－残压－工频电压1i2i阀片的作用是：当雷电流通过时，阀片呈低阻抗，在阀片上出现的电压（称为残压）受到限制。当工频续流通过时，由于电压相对较低，阀片呈高阻值，因而限制了工频续流，有利于灭弧。越小，说明避雷器的非线性程度越高，残压越低，保护性能越好。磁吹阀型避雷器为了使正常运行时的碳化硅电阻阀片没有工频电流，以避免阀片温度过高，保证正常使用，阀片需要与火花间隙串联使用34火花间隙1231－黄铜电极2－云母垫圈3－间隙放电区图8－14阀式避雷器单个火花间隙工作母线2135kV~220kV绝缘水平也以避雷器5kA的残压作为绝缘配合的依据；330kV及更高电压等级的电网，规定取10kA作为计算标准。35阀式避雷器类型（一）普通阀式避雷器没有专门的灭弧装置，灭弧能力和通流容量有限，不容许它们在延续时间较长的内部过电压作用下动作。（二）磁吹阀式避雷器采用灭弧能力较强的磁吹火花间隙和通流能力较大的高温阀片利用磁场对电弧的电动力，迫使间隙中的电弧加快运动、旋转或拉长，使弧柱中去电离作用增强，从而大大提高其灭弧能力36（1）额定电压指正常工作时加在避雷器上的工频工作电压，它应与避雷器安装地点的电力系统的额定电压等级相同。（2）灭弧电压指保证避雷器能在工频续流第一次过零时就熄灭电弧的条件下，允许加在避雷器两端的最高工频电压。灭弧电压应大于避雷器工作母线上可能出现的最高工频电压，否则避雷器就可能因不能熄灭续流电弧而损坏。（3）冲击放电电压指在冲击电压作用下，避雷器放电的电压值（幅值）。由于其伏秒特性应低于被保护设备绝缘的冲击击穿电压的伏秒特性，因此，通常给出的是上限值。（4）工频放电电压指工频电压作用下，避雷器将发生放电的电压值。一般希望避雷器冲击放电电压与工频放电电压幅值之比（冲击系数）接近于1，这样避雷器的伏秒特性就比较平坦，有利于绝缘配合（5）残压指冲击电流通过避雷器时，在阀片电阻上产生的电压的峰值。我国标准规定分别为5kA（220kV及以下的避雷器）和10kA（330kV及以上的避雷器），电流波形则统一取为8/20μs。（1）切断比。指避雷器工频放电电压的下限与灭弧电压之比。因为间隙绝缘强度的恢复需要一个去游离过程，因此灭弧电压总是低于工频放电电压。切断比越接近于1，说明该火花间隙的绝缘强度恢复速度越快，灭弧能力越强。普通阀式避雷器的切断比为1.8左右，磁吹避雷器约为1.4。（2）保护比。指避雷器的残压与灭弧电压之比。保护比越小，表明残压越低或灭弧电压越高，意味着绝缘上受到的过电压较小，而工频续流又能很快被切断，因而该避雷器的保护性能越好。普通阀式避雷器的保护比一般为2.4左右，磁吹避雷器一般不大于1.8。3738氧化锌（ZnO）避雷器ZnO避雷器又叫金属氧化物避雷器（MOA）。ZnO避雷器由ZnO电阻片组成，具有优异的非线性伏安特性，因此可以取消火花间隙，实现无间隙无续流，且造价低廉。－晶界层固有电容－回路固有电感－晶界层电阻－泄漏电阻本体电阻CRRRLCRRRLZnO（1）ZnO晶粒，粒径为10μm左右，电阻率为1~10Ω·cm；（2）包围着ZnO晶粒的Bi2O3晶界层，厚度为0.1μm左右，电阻率大于1010Ω·cm；（3）零散分布于晶界层中的尖晶石Zn7Sb2O12。ZnO电阻片的非线性特性主要取决于晶界层，在低电场下其电阻率很高；当层间电位梯度达到104~105V/cm时，其电阻率急剧下降到低阻状态39下法兰上法兰下法兰承担机械负荷，玻璃钢绝缘套筒承担外绝缘，硅橡胶避雷器芯体，多片ZnO阀片堆叠而成上釉镀铝硅橡胶复合外套避雷器40ZnO的伏安特性曲线区域Ⅰ为低电场区，电流密度与电场强度的开方成正比，非线性系数约为0.1~0.2；区域Ⅱ为中电场区，晶界层电阻Rv减小，非线性系数α大为下降，约为0.01~0.04；－近似为直线区域Ⅲ为高场强区，ZnO本体电阻R起主要作用，电流与电压成正比，伏安特性曲线向上翘。5104103102101100101102103104105102345678910AI/kVUp/低电场区高电场区中电场区电阻片正常运行电压ZnOSiC电阻片41ZnO避雷器的主要优点：无间隙结构简