雷电放电(最终)

第七章雷电放电及防雷保护装置张宁福州大学电力系13400558745§7.1雷电放电和雷电过电压雷电科学发展历史雷电科学的建立–著名的风筝试验（17世纪，富兰克林）：240米长的缠绕钢丝的麻绳上产生20cm的电火花–高速摄影、记录示波器、雷电定向定位仪等现代化测量技术一雷电放电过程基本过程：先导放电阶段；主放电阶段1先导放电通道；2强游离区；3主放电通道30kV/cm分级先导：多次先导主放电的重复过程，每次间歇时间为几十毫秒，放电次数一般为2~3次，最多为４０次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75％～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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，重要是流过被击物体的电流二雷电参数雷电活动频率－雷暴日及雷暴小时地面落雷密度雷道波阻抗雷电流幅值雷电流的计算波形三雷电放电的计算模型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），A点电位发生变化，从零突升到u=iZ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Z(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三雷电放电的计算模型能够测知的电量，主要是流过被击物的电流。跟据计算模型（电流源模型）推出雷电波的参数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000022iZZZii2i0Z0ZA雷电流源被击电路四感应过电压在雷电放电的先导阶段（假设为负先导），线路处于雷云及先导通道与大地构成的电场之中。由于静电感应，最靠近先导通道的一段导线上感应形成形成束缚电荷主放电开始以后，先导通道中的负电荷自下而上被迅速中和。相应电场迅速减弱，使导线上的正束缚电荷迅速释放，形成电压波向两侧传播由于主放电的平均速度很快，导线上的束缚电荷的释放过程也很快，所以形成的电压波u＝iZ幅值可能很高。这种过电压就是感应过电压的静电分量感应雷电过电压与相邻导线间的过电压的区别感应雷电过电压的极性与雷云的极性相反，相邻导线间的感应过电压的极性与感应源同极性感应雷电过电压发生在主放电阶段，相邻导线间的感应过电压与感应源同时发生感应雷电过电压的波前平缓、波长较长感应雷电过电压在三相导线上同时发生，且数值相等§7.2防雷保护装置一避雷针和避雷线基本原理保护范围绕击率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。基本原理当雷云放电接近于地面时它使地面电场发生畸变，在避雷针（线）的顶端，形成局部电场强度集中的空间，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针（线）放电，再通过接地线和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。(一)单支避雷针h–避雷针高度P–高度修正系数当h30m时,P＝1当30mh120m时,P＝rx-被保护物的高度hx-保护范围h5.5Phhrxx)(Phhrxx)25.1(）（（2hhx）（2hhx（二）两支等高避雷针（通过叠加求出联合保护范围）避雷线的保护范围保护线路我国一般110kV以上线路采用避雷线35kV线路的进线段国外，如日本配电线路也用保护500kV大型超高压发变电站（三）单根避雷线Phhrxx)(47.0Phhrxx)53.1(）（（2hhx）（2hhx因此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(四)两根等高避雷线两线外侧的保护范围按单根避雷线方法确定；两线内侧的保护高度由两线及保护范围上部边缘最低点O的圆弧来确定。二避雷器的基本原理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1.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有以下四种类型：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—被保护电器设备避雷器保护作用原理示意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(a)(b)(c)1——电气设备的伏秒特性，2——避雷器的伏秒特性避雷器与电气设备的伏秒特性配合图（一）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的击穿电压Ub。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：仅用于不重要和单相接地不会导致严重后果的场合。（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。缺点：1）续流太小时不能灭弧，太大时产气过多，使管子爆裂2）伏秒特性和产生截波方面与保护间隙相似,维护较麻烦应用范围：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。(三)普通阀式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F及与之串联的工作电阻R两大部分组成。特点：对工作电阻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，以利灭弧。(四)磁吹式避雷器与普通阀式避雷器类似，主要区别采用了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。1、旋弧型磁吹避雷器2、灭弧栅型磁吹避雷器(五)金属氧化物避雷器（MOA）氧化锌(ZnO)，具有极其优异的非线性特性。优点：1）可省去串联火花间隙，结构大大简单2）由于具有极好的非线性伏安特性，保护性能优越3）无续流、动作负载轻、能重复动作实施保护4）流通容量大，能制成重载避雷器5）耐污性好保护间隙和管型避雷器在间隙击穿后，保护回路再也没有限流元件，保护动作都要造成接地故障或相间短路故障，保护作用增多电力系统故障率，影响电力系统的正常、安全运行。应用氧化锌避雷器，从根本上避免保护作用产生接地故障或相间短路故障，且不用自动重合闸装置就能减少线路雷害停电事故。开发年代保护装置类型19世纪7080年代棒型放电间隙和熔丝19世纪末角形保护间隙，防止雷击损坏设备绝缘而造成事故20世纪20年代铝避雷器，氧化膜避雷器20世纪30年代管式避雷器，主要用于发电厂、变电所进线和线路的保护20世纪40年代SiC避雷器，用于交直流系统发变电设备的保护，40年代至50年代迅速发展，并一直应用至今20世纪50年代SIC磁吹避雷器，复合式避雷器20世纪60年代ZnO压敏电阻，用于电子设备的保护20世纪70年代ZnO避雷器，用于交直流电力系统发、变电设备的保护，正逐渐取代SiC避雷器20世纪80年代合成绝缘ZnO避雷器，用于发、变电设备保护外，还包括线路防雷及深度限制操作过电压等避雷器发展经历：从放电间隙到氧化锌避雷器悬挂式避雷器应用于变电站避雷器应用于室内变电站入口处三防雷接地工作接地保护接地防雷接地1工作接地–交流电力系统根据中性点是否接地而分为中性点接地系统和中性点绝缘系统，另外还有中性点通过电阻或电感接地的中性点非有效接地系统–定义：我国在110kV及以上的电力系统中多采用中性点接地的运行方式，其目的是为了降低电力设备的绝缘水平–目的：降低作用在设备绝缘上的电压，因此设备的绝缘水平也可以降低，即达到缩小设备绝缘尺寸、降低设备造价的目的–在正常情况下，流过接地装置的电流为系统的不平衡电流，而在系统发生短路故障时将有数十千安的短路电路流过接地装置，持续时间0.5s左右2保护接地–在电气设备发生故障时，电气设备的外壳将带电，如果这时人接触设备外壳，将产生危险。因此为了保证人身安全，所有电气设备的外壳必须接地，这种接地称为保护接地–当电气设备的绝缘损坏而使外壳带电时，流过保护接地装置的故障电流应使相应的继电保护装置动作，切除故障设备，另外也可以通过降低接地电阻保证外壳的电位在人体安全电压值之下，从而避免因电气设备外壳带电而造成的触电事故3防雷接地–为了防止雷电对电力系统及人身安全的危害，一般采用避雷针、避雷线及避雷器等雷电防护设备–雷电防护设备都必须与合适的接地装置相连，以将雷电流导入大地，这种接地称为防雷接地–流过防雷接地装置的雷电流幅值很大，可以达到数百千安，但持续的时间很短，一般只有数十微秒接地的功能降低电力设备绝缘水平确保电力系统安全运行输电线路杆塔接地装置的接地电阻必须降低到一定值，以降低雷击输电线路杆塔时的塔顶电位与导线的电位差小于绝缘子串的50%冲击放电电压来保证线路的正常运行确保人身安全–当电气设备绝缘损坏或老化而使外壳带电时，保护接地能够保证接触设备外壳的人员的人身安全–另外发变电站接地装置通过降低接地电阻和采取均压措施来保证接触电压满足人身安全要求检测接地故障–近年来为了保证人身和财产安全，低压线路采用漏电断路器等各种故障保护装置。如果线路的一点产生接地故障，为了使保护装置动作，则必须产生足够大的接地故障电流。为确保满足该条件，则在降压变压器二次侧中性点接地，该接地可以称为接地故障检测用的接地–对中性点接地的线路，如果电气设备外壳不接地，当由于绝缘破坏等原因使设备外壳带电时，通过杂散电容构成回路产生的电流将不足以使保护设备可靠动作，因此应将设备外壳接地功能接地–有些设备在功能上即有加以接地的必要性。例如阴极保护利用电化学防止金属的腐蚀，为了使防蚀电流流入土壤或水中，则应在系统中进行接地。另外为了保证计算机及其它电子设备的正常工作，必须采用具有稳定电位的基准点，该基准点通过接地来实现。作业用接地–在停电作用时，需要采用接地来泄放线路中的充电装置中的能量，以及防止电磁干扰在线路中的感应电流的危害。另外也可以防止他人误操作对作业人员的致命危害4接地电阻的定义及特性接地电阻为接地体的地电位升与通过接地体流入地中电流的比值。它与土壤特性及接地体的几何尺寸有关。电流流经接地体向地中散流时所遇到的土壤电阻为散流电阻，通常所说的接地电阻包括接地引线的电阻、接地引线与接地装置的接触电阻、接地体本身的电阻、接地体和土壤间的接触电阻及土壤的散流电阻。因为散流电阻比其它四种电阻大得多，因此可以近似地认为接地电阻等于散流电阻总结电力系统中广泛采用避雷针和避雷线作为直接雷击防护装置。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。变电所的防雷保护主要依靠阀式避雷器。ZnO具有一系列优点，是避雷器发展的主要方向，正在逐步取代普通阀式避雷器和磁吹避雷器。防雷接地装置可以是单独的，也可以与变电所、发电厂的总接地网连成一体。防雷接地所泄放的电流是冲击大电流。