高電壓技術第7章_雷電放電(最終)

1、第七章 雷電放電及防雷保護裝置7.1 雷電放電和雷電過電壓雷電科學發(fā)展歷史雷電科學發(fā)展歷史4雷電科學的建立雷電科學的建立 著名的風箏試驗（著名的風箏試驗（1717世紀，富蘭克林）：世紀，富蘭克林）： 240240米長的纏繞鋼絲的麻繩上產生米長的纏繞鋼絲的麻繩上產生20cm20cm的電的電火花火花 高速攝影、記錄示波器、雷電定向定位儀等高速攝影、記錄示波器、雷電定向定位儀等現(xiàn)代化測量技術現(xiàn)代化測量技術一一 雷電放電過程雷電放電過程4基本過程：先導放電階段基本過程：先導放電階段 ；主放電階段；主放電階段1 先導放電通道；先導放電通道；2 強游離區(qū)；強游離區(qū)；3 主放電通道主放電通道30kV/cm4

2、分級先導：多次先導分級先導：多次先導 主放電的重復過程，主放電的重復過程， 每次間歇時每次間歇時間為幾十毫秒，放電次數(shù)一般為間為幾十毫秒，放電次數(shù)一般為2323次，最多為次次，最多為次u雷電放電由帶電荷的雷云引起雷電放電由帶電荷的雷云引起u大多數(shù)的放電發(fā)生在雷云之間不危險大多數(shù)的放電發(fā)生在雷云之間不危險u少數(shù)的放電發(fā)生在雷云和大地之間危險少數(shù)的放電發(fā)生在雷云和大地之間危險u對地放電的雷云大多數(shù)帶負電荷，實測對地放電的雷云大多數(shù)帶負電荷，實測75759090u 理解以下幾點：理解以下幾點：雷云對地放電的實質是雷云電荷向大地的突然釋放雷云對地放電的實質是雷云電荷向大地的突然釋放從電源性質看，相當于

3、一個電流源的作用過程從電源性質看，相當于一個電流源的作用過程人們能夠測知的電量，重要是流過被擊物體的電流人們能夠測知的電量，重要是流過被擊物體的電流二二 雷電參數(shù)雷電參數(shù)u 雷電活動頻率雷暴日及雷暴小時雷電活動頻率雷暴日及雷暴小時u 地面落雷密度地面落雷密度u 雷道波阻抗雷道波阻抗u 雷電流幅值雷電流幅值u 雷電流的計算波形雷電流的計算波形三三 雷電放電的計算模型雷電放電的計算模型4開關開關S S閉合前后對應不同的閉合前后對應不同的雷電放電階段（先導放電和雷電放電階段（先導放電和主放電），主放電），A A點電位發(fā)生變點電位發(fā)生變化，從零突升到化，從零突升到u=iZu=iZ4先導放電通道具有分布

4、參數(shù)先導放電通道具有分布參數(shù)特征，稱為雷電通道，其波特征，稱為雷電通道，其波阻抗為阻抗為Z(300Z(300 ) )4主放電過程，自雷云通過雷主放電過程，自雷云通過雷電通道向地面?zhèn)鞑サ碾姶挪娡ǖ老虻孛鎮(zhèn)鞑サ碾姶挪ǎ╱ u0 0、i i0 0）到達）到達A A點點4由由c c圖得出其彼德遜等值電圖得出其彼德遜等值電路路三三 雷電放電的計算模型雷電放電的計算模型能夠測知的電量，主要是流過被擊物的電流。跟據(jù)計算模能夠測知的電量，主要是流過被擊物的電流。跟據(jù)計算模型（電流源模型）推出雷電波的參數(shù)型（電流源模型）推出雷電波的參數(shù)國際上定義雷擊小接地阻抗物體時，流過該物體的電流定國際上定義雷擊小接地阻抗

5、物體時，流過該物體的電流定義為雷電流義為雷電流000022iZZZii2i0Z0ZA雷電流源雷電流源被擊電路被擊電路四四 感應過電壓感應過電壓v在雷電放電的先導階段（假設為負先導），線路處于雷在雷電放電的先導階段（假設為負先導），線路處于雷云及先導通道與大地構成的電場之中。由于靜電感應，云及先導通道與大地構成的電場之中。由于靜電感應，最靠近先導通道的一段導線上感應形成形成束縛電荷最靠近先導通道的一段導線上感應形成形成束縛電荷v主放電開始以后，先導通道中的負電荷自下而上被迅速主放電開始以后，先導通道中的負電荷自下而上被迅速中和。相應電場迅速減弱，使導線上的正束縛電荷迅速中和。相應電場迅速減弱，使

6、導線上的正束縛電荷迅速釋放，形成電壓波向兩側傳播釋放，形成電壓波向兩側傳播v由于主放電的平均速度很快，導線上的束縛電荷的釋放由于主放電的平均速度很快，導線上的束縛電荷的釋放過程也很快，所以形成的電壓波過程也很快，所以形成的電壓波u uiZiZ幅值可能很高。這幅值可能很高。這種過電壓就是感應過電壓的靜電分量種過電壓就是感應過電壓的靜電分量感應雷電過電壓與相鄰導線間的過電壓的區(qū)別感應雷電過電壓與相鄰導線間的過電壓的區(qū)別v感應雷電過電壓的極性與雷云的極性相反，相鄰導線感應雷電過電壓的極性與雷云的極性相反，相鄰導線間的感應過電壓的極性與感應源同極性間的感應過電壓的極性與感應源同極性v感應雷電過電壓發(fā)生

7、在主放電階段，相鄰導線間的感感應雷電過電壓發(fā)生在主放電階段，相鄰導線間的感應過電壓與感應源同時發(fā)生應過電壓與感應源同時發(fā)生v感應雷電過電壓的波前平緩、波長較長感應雷電過電壓的波前平緩、波長較長v感應雷電過電壓在三相導線上同時發(fā)生，且數(shù)值相等感應雷電過電壓在三相導線上同時發(fā)生，且數(shù)值相等7.2 防雷保護裝置一一 避雷針和避雷線避雷針和避雷線4 基本原理基本原理4 保護范圍保護范圍4 繞擊率繞擊率一一 避雷針和避雷線避雷針和避雷線 電力系統(tǒng)中需要安裝直接雷擊防護裝置，廣泛電力系統(tǒng)中需要安裝直接雷擊防護裝置，廣泛采用的即為避雷針和避雷線（又稱架空地線）。采用的即為避雷針和避雷線（又稱架空地線）。 避

8、雷針適宜用于變電所、發(fā)電廠這樣相對集中避雷針適宜用于變電所、發(fā)電廠這樣相對集中的保護對象；避雷線適宜用于象架空線路那樣的保護對象；避雷線適宜用于象架空線路那樣伸展很廣的保護對象。伸展很廣的保護對象。 基本原理基本原理 當雷云放電接近于地面時它使地面電場發(fā)生畸變，當雷云放電接近于地面時它使地面電場發(fā)生畸變，在避雷針（線）的頂端，形成局部電場強度集中的在避雷針（線）的頂端，形成局部電場強度集中的空間，以影響雷電先導放電的發(fā)展方向，引導雷電空間，以影響雷電先導放電的發(fā)展方向，引導雷電向避雷針（線）放電，再通過接地線和接地裝置將向避雷針（線）放電，再通過接地線和接地裝置將雷電流引入大地，從而使被保護物

9、體免遭雷擊雷電流引入大地，從而使被保護物體免遭雷擊保護范圍保護范圍 保護范圍：表示避雷裝置的保護效能，保護范圍保護范圍：表示避雷裝置的保護效能，保護范圍是相對的，每一個保護范圍都有規(guī)定的繞擊（概）是相對的，每一個保護范圍都有規(guī)定的繞擊（概）率，繞擊指的是雷電繞過避雷裝置而擊中被保護物率，繞擊指的是雷電繞過避雷裝置而擊中被保護物體的現(xiàn)象。我國有關規(guī)程所推薦的保護范圍對應于體的現(xiàn)象。我國有關規(guī)程所推薦的保護范圍對應于0.10.1的繞擊率。的繞擊率。 (一)單支避雷針 h h 避雷針高度避雷針高度 P P 高度修正系數(shù)高度修正系數(shù) 當當h30mh30m時時,P,P1 1 當當30m30mh120mh

10、120m時時,P,P r rx x- - 被保護物的高度被保護物的高度 h hx x- - 保護范圍保護范圍h5.5Phhrxx)(Phhrxx)25 . 1 (）（2hhx）（2hhx（二）兩支等高避雷針（通過疊加求出聯(lián)合保護范圍）避雷線的保護范圍避雷線的保護范圍u保護線路保護線路 我國一般我國一般110kV110kV以上線路采用避雷線以上線路采用避雷線 35kV35kV線路的進線段線路的進線段 國外，如日本配電線路也用國外，如日本配電線路也用u保護保護500kV500kV大型超高壓發(fā)變電站大型超高壓發(fā)變電站（三）單根避雷線（三）單根避雷線Phhrxx)(47.0Phhrxx)53. 1(

11、）（2hhx）（2hhx 因此單根避雷線的保護半因此單根避雷線的保護半徑要比單根避雷針的保護半徑要比單根避雷針的保護半徑小得多徑小得多 ( (四四) )兩根等高避雷線兩根等高避雷線 兩線外側的保護范圍按單根避雷線方法確兩線外側的保護范圍按單根避雷線方法確定；兩線內側的保護高度由兩線及保護范圍定；兩線內側的保護高度由兩線及保護范圍上部邊緣最低點上部邊緣最低點O O的圓弧來確定。的圓弧來確定。二二 避雷器的基本原理避雷器的基本原理u避雷器是用以限制由線路傳來的雷電過電壓或由操作引避雷器是用以限制由線路傳來的雷電過電壓或由操作引起的內部過電壓的一種電氣設備起的內部過電壓的一種電氣設備u避雷器的保護原

12、理與避雷針不同。它實質上是一種放電避雷器的保護原理與避雷針不同。它實質上是一種放電器，并聯(lián)連接在被保護設備附近，當作用電壓超過避雷器，并聯(lián)連接在被保護設備附近，當作用電壓超過避雷器的放電電壓時，避雷器即先放電，限制了過電壓的發(fā)器的放電電壓時，避雷器即先放電，限制了過電壓的發(fā)展，從而保護了其他電氣設備免遭擊穿損壞展，從而保護了其他電氣設備免遭擊穿損壞1. 1. 保護間隙保護間隙2. 2. 管式（排氣式）避雷器管式（排氣式）避雷器3. 3. 閥型避雷器閥型避雷器4. 4. 氧化鋅避雷器氧化鋅避雷器避雷器有以下四種類型：避雷器有以下四種類型：1 1 保護間隙保護間隙 2 2 排氣式避雷器排氣式避雷器

13、 3 3 閥型避雷器閥型避雷器 4 4 氧化鋅避雷器氧化鋅避雷器 5 5 被保護電器設備被保護電器設備 避雷器保護作用原理示意避雷器保護作用原理示意 u具有良好的伏秒特性，以易于實現(xiàn)合理的絕緣配合具有良好的伏秒特性，以易于實現(xiàn)合理的絕緣配合u應有較強的絕緣強度自恢復能力，以利于快速切斷工應有較強的絕緣強度自恢復能力，以利于快速切斷工頻續(xù)流，使系統(tǒng)得以繼續(xù)運行頻續(xù)流，使系統(tǒng)得以繼續(xù)運行 避雷器的基本要求避雷器的基本要求 (a) (b) (c) 1 1電氣設備的伏秒特性，電氣設備的伏秒特性， 2 2避雷器的伏秒特性避雷器的伏秒特性避雷器與電氣設備的伏秒特性配合圖避雷器與電氣設備的伏秒特性配合圖（一

14、）（一） 保護間隙保護間隙 保護間隙與被保護絕緣并聯(lián)，它的擊穿電壓保護間隙與被保護絕緣并聯(lián)，它的擊穿電壓比后者低，使過電壓波被限制到保護間隙的擊比后者低，使過電壓波被限制到保護間隙的擊穿電壓穿電壓U Ub b。缺點：缺點： 1 1）伏秒特性很陡；）伏秒特性很陡； 2 2）保護間隙沒有專門的滅弧裝置）保護間隙沒有專門的滅弧裝置 3 3）產生大幅值的截波。）產生大幅值的截波。 應用范圍：僅用于不重要和單相接地不會導應用范圍：僅用于不重要和單相接地不會導致嚴重后果的場合。致嚴重后果的場合。（二）管式避雷器（亦稱排氣式避雷器） 它實質上是一只具有較強滅弧能力的保護間隙，其基它實質上是一只具有較強滅弧能

15、力的保護間隙，其基本元件為裝在消弧管內的火花間隙，在安裝時再串接本元件為裝在消弧管內的火花間隙，在安裝時再串接一只外火花間隙。一只外火花間隙。缺點：缺點： 1 1）續(xù)流太小時不能滅弧，太大時產氣過多，使管子爆裂）續(xù)流太小時不能滅弧，太大時產氣過多，使管子爆裂 2 2）伏秒特性和產生截波方面與保護間隙相似）伏秒特性和產生截波方面與保護間隙相似, ,維護較麻維護較麻煩煩 應用范圍：僅安裝在輸電線路上絕緣比較薄弱的地方應用范圍：僅安裝在輸電線路上絕緣比較薄弱的地方和用于變電所、發(fā)電廠的進線段保護中。和用于變電所、發(fā)電廠的進線段保護中。( (三三) ) 普通閥式避雷器普通閥式避雷器 變電所的防雷保護主

16、要依靠閥式避雷器，它在變電所的防雷保護主要依靠閥式避雷器，它在電力系統(tǒng)過電壓保護和絕緣配合中都起著重要電力系統(tǒng)過電壓保護和絕緣配合中都起著重要的作用，它的保護特性是選擇高電壓電力設備的作用，它的保護特性是選擇高電壓電力設備絕緣水平的基礎。絕緣水平的基礎。 結構：主要由火花間隙結構：主要由火花間隙F F及與之串聯(lián)的工作電及與之串聯(lián)的工作電阻阻R R兩大部分組成。兩大部分組成。特點： 對工作電阻的首位要求是它應具有良好的非線對工作電阻的首位要求是它應具有良好的非線性伏安特性，即在沖擊大電流下，阻值應很小，性伏安特性，即在沖擊大電流下，阻值應很小，讓沖擊電流順利泄入地下，且殘壓不高；在工讓沖擊電流順

17、利泄入地下，且殘壓不高；在工頻電流下，阻值要變大，以利滅弧。頻電流下，阻值要變大，以利滅弧。(四)磁吹式避雷器 與普通閥式避雷器類似，主要區(qū)別采用了滅弧與普通閥式避雷器類似，主要區(qū)別采用了滅弧能力較強的磁吹火花間隙和通流能力較大的高能力較強的磁吹火花間隙和通流能力較大的高溫閥片。溫閥片。 1 1、旋弧型磁吹避雷器、旋弧型磁吹避雷器 2 2、滅弧柵型磁吹避雷器、滅弧柵型磁吹避雷器(五)金屬氧化物避雷器（MOA）氧化鋅氧化鋅(ZnO)(ZnO)，具有極其優(yōu)異的非線性特性。，具有極其優(yōu)異的非線性特性。優(yōu)點：優(yōu)點： 1 1）可省去串聯(lián)火花間隙，結構大大簡單）可省去串聯(lián)火花間隙，結構大大簡單 2 2）由

18、于具有極好的非線性伏安特性，保護性能）由于具有極好的非線性伏安特性，保護性能優(yōu)越優(yōu)越 3 3）無續(xù)流、動作負載輕、能重復動作實施保護）無續(xù)流、動作負載輕、能重復動作實施保護 4 4）流通容量大，能制成重載避雷器）流通容量大，能制成重載避雷器 5 5）耐污性好）耐污性好 保護間隙和管型避雷器在間隙擊穿后，保護保護間隙和管型避雷器在間隙擊穿后，保護回路再也沒有限流元件，保護動作都要造成接回路再也沒有限流元件，保護動作都要造成接地故障或相間短路故障，保護作用增多電力系地故障或相間短路故障，保護作用增多電力系統(tǒng)故障率，影響電力系統(tǒng)的正常、安全運行。統(tǒng)故障率，影響電力系統(tǒng)的正常、安全運行。應用氧化鋅避雷

19、器，從根本上避免保護作用產應用氧化鋅避雷器，從根本上避免保護作用產生接地故障或相間短路故障，且不用自動重合生接地故障或相間短路故障，且不用自動重合閘裝置就能減少線路雷害停電事故。閘裝置就能減少線路雷害停電事故。開發(fā)年代開發(fā)年代保護裝置類型保護裝置類型1919世紀世紀7070 8080年代年代棒型放電間隙和熔絲棒型放電間隙和熔絲1919世紀末世紀末角形保護間隙，防止雷擊損壞設備絕緣而造成事故角形保護間隙，防止雷擊損壞設備絕緣而造成事故2020世紀世紀2020年代年代鋁避雷器，氧化膜避雷器鋁避雷器，氧化膜避雷器2020世紀世紀3030年代年代管式避雷器，主要用于發(fā)電廠、變電所進線和線路的保管式避雷

20、器，主要用于發(fā)電廠、變電所進線和線路的保護護2020世紀世紀4040年代年代SiCSiC避雷器，用于交直流系統(tǒng)發(fā)變電設備的保護，避雷器，用于交直流系統(tǒng)發(fā)變電設備的保護，4040年代年代至至5050年代迅速發(fā)展，并一直應用至今年代迅速發(fā)展，并一直應用至今2020世紀世紀5050年代年代SICSIC磁吹避雷器，復合式避雷器磁吹避雷器，復合式避雷器2020世紀世紀6060年代年代ZnOZnO壓敏電阻，用于電子設備的保護壓敏電阻，用于電子設備的保護2020世紀世紀7070年代年代ZnOZnO避雷器，用于交直流電力系統(tǒng)發(fā)、變電設備的保護，避雷器，用于交直流電力系統(tǒng)發(fā)、變電設備的保護，正逐漸取代正逐漸取代

21、SiCSiC避雷器避雷器2020世紀世紀8080年代年代合成絕緣合成絕緣ZnOZnO避雷器，用于發(fā)、變電設備保護外，還包括避雷器，用于發(fā)、變電設備保護外，還包括線路防雷及深度限制操作過電壓等線路防雷及深度限制操作過電壓等避雷器發(fā)展經歷：從放電間隙到氧化鋅避雷器避雷器發(fā)展經歷：從放電間隙到氧化鋅避雷器懸掛式避雷器應用于變電站避雷器應用于室避雷器應用于室內變電站入口處內變電站入口處三三 防雷接地防雷接地4 工作接地工作接地4 保護接地保護接地4 防雷接地防雷接地1 1 工作接地工作接地交流電力系統(tǒng)根據(jù)中性點是否接地而分為中性點接交流電力系統(tǒng)根據(jù)中性點是否接地而分為中性點接地系統(tǒng)和中性點絕緣系統(tǒng)，另

22、外還有中性點通過電地系統(tǒng)和中性點絕緣系統(tǒng)，另外還有中性點通過電阻或電感接地的中性點非有效接地系統(tǒng)阻或電感接地的中性點非有效接地系統(tǒng)定義：我國在定義：我國在110kV110kV及以上的電力系統(tǒng)中多采用中及以上的電力系統(tǒng)中多采用中性點接地的運行方式，其目的是為了降低電力設備性點接地的運行方式，其目的是為了降低電力設備的絕緣水平的絕緣水平目的：降低作用在設備絕緣上的電壓，因此設備的目的：降低作用在設備絕緣上的電壓，因此設備的絕緣水平也可以降低，即達到縮小設備絕緣尺寸、絕緣水平也可以降低，即達到縮小設備絕緣尺寸、降低設備造價的目的降低設備造價的目的在正常情況下，流過接地裝置的電流為系統(tǒng)的不平在正常情況

23、下，流過接地裝置的電流為系統(tǒng)的不平衡電流，而在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時將有數(shù)十千安的衡電流，而在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時將有數(shù)十千安的短路電路流過接地裝置，持續(xù)時間短路電路流過接地裝置，持續(xù)時間0.5s0.5s左右左右2 2 保護接地保護接地在電氣設備發(fā)生故障時，電氣設備的外殼將帶在電氣設備發(fā)生故障時，電氣設備的外殼將帶電，如果這時人接觸設備外殼，將產生危險。電，如果這時人接觸設備外殼，將產生危險。因此為了保證人身安全，所有電氣設備的外殼因此為了保證人身安全，所有電氣設備的外殼必須接地，這種接地稱為保護接地必須接地，這種接地稱為保護接地當電氣設備的絕緣損壞而使外殼帶電時，流過當電氣設備的絕緣損壞而使外殼帶

24、電時，流過保護接地裝置的故障電流應使相應的繼電保護保護接地裝置的故障電流應使相應的繼電保護裝置動作，切除故障設備，另外也可以通過降裝置動作，切除故障設備，另外也可以通過降低接地電阻保證外殼的電位在人體安全電壓值低接地電阻保證外殼的電位在人體安全電壓值之下，從而避免因電氣設備外殼帶電而造成的之下，從而避免因電氣設備外殼帶電而造成的觸電事故觸電事故3 3 防雷接地防雷接地為了防止雷電對電力系統(tǒng)及人身安全的危害，為了防止雷電對電力系統(tǒng)及人身安全的危害，一般采用避雷針、避雷線及避雷器等雷電防護一般采用避雷針、避雷線及避雷器等雷電防護設備設備雷電防護設備都必須與合適的接地裝置相連，雷電防護設備都必須與合

25、適的接地裝置相連，以將雷電流導入大地，這種接地稱為防雷接地以將雷電流導入大地，這種接地稱為防雷接地流過防雷接地裝置的雷電流幅值很大，可以達流過防雷接地裝置的雷電流幅值很大，可以達到數(shù)百千安，但持續(xù)的時間很短，一般只有數(shù)到數(shù)百千安，但持續(xù)的時間很短，一般只有數(shù)十微秒十微秒 接地的功能接地的功能4降低電力設備絕緣水平降低電力設備絕緣水平4確保電力系統(tǒng)安全運行確保電力系統(tǒng)安全運行 輸電線路桿塔接地裝置的接地電阻必須降低到一定值，輸電線路桿塔接地裝置的接地電阻必須降低到一定值，以降低雷擊輸電線路桿塔時的塔頂電位與導線的電位以降低雷擊輸電線路桿塔時的塔頂電位與導線的電位差小于絕緣子串的差小于絕緣子串的5

26、0%50%沖擊放電電壓來保證線路的正常沖擊放電電壓來保證線路的正常運行運行4 確保人身安全確保人身安全 當電氣設備絕緣損壞或老化而使外殼帶電時，保護當電氣設備絕緣損壞或老化而使外殼帶電時，保護接地能夠保證接觸設備外殼的人員的人身安全接地能夠保證接觸設備外殼的人員的人身安全 另外發(fā)變電站接地裝置通過降低接地電阻和采取均另外發(fā)變電站接地裝置通過降低接地電阻和采取均壓措施來保證接觸電壓滿足人身安全要求壓措施來保證接觸電壓滿足人身安全要求4檢測接地故障檢測接地故障近年來為了保證人身和財產安全，低壓線路采用漏近年來為了保證人身和財產安全，低壓線路采用漏電斷路器等各種故障保護裝置。如果線路的一點產電斷路器

27、等各種故障保護裝置。如果線路的一點產生接地故障，為了使保護裝置動作，則必須產生足生接地故障，為了使保護裝置動作，則必須產生足夠大的接地故障電流。為確保滿足該條件，則在降夠大的接地故障電流。為確保滿足該條件，則在降壓變壓器二次側中性點接地，該接地可以稱為接地壓變壓器二次側中性點接地，該接地可以稱為接地故障檢測用的接地故障檢測用的接地對中性點接地的線路，如果電氣設備外殼不接地，對中性點接地的線路，如果電氣設備外殼不接地，當由于絕緣破壞等原因使設備外殼帶電時，通過雜當由于絕緣破壞等原因使設備外殼帶電時，通過雜散電容構成回路產生的電流將不足以使保護設備可散電容構成回路產生的電流將不足以使保護設備可靠動作，因此應將設備外殼接地靠動作，因此應將設備外殼接地4功能接地功能接地有些設備在功能上即有加以接地的必要性。例如陰有些設備在功能上即有加以接地的必要性。例如陰極保護利用電化學防止金屬的腐蝕，為了使防蝕電極保護利用電化學防止金屬的腐蝕，為了使防蝕電流流入土壤或水中，則應在系統(tǒng)中進行接地。另外流流入土壤或水中，則應在系統(tǒng)中進行接地。另外為了保證計算機及其它電子設備的正常工作，必須為了保證計算機及其它電子設備的正常工作，必須采用具有穩(wěn)定電位的基準點，該基準點通過接地來采用具