第七章雷電放電及防雷保護(hù)裝置課件

1、第三篇電力系統(tǒng)過電壓與絕緣配合第三篇電力系統(tǒng)過電壓與絕緣配合第七章雷電放電及防雷保護(hù)裝置第七章雷電放電及防雷保護(hù)裝置雷電現(xiàn)象雷電現(xiàn)象富蘭克林（Franklin Benjamin） 統(tǒng)一了天電和地電，徹底破除了人們對雷電的恐懼。1749年，他的夫人麗達(dá)在觀看萊頓瓶串聯(lián)實驗時，無意碰到萊頓瓶上的金屬桿，被電火花擊倒在地，臥病一周，使他更堅定了探討雷電實質(zhì)的決心。他一方面列舉了12條靜電火花與雷電火花的相同之處，一方面通過崗?fù)嶒灪惋L(fēng)箏實驗（1752年6月）給予實驗證明。他的一封封書信通過柯林森在英國皇家學(xué)會宣讀，開始時受到的是嘲笑、懷疑，后來他的論文集電學(xué)實驗與研究出版，特別是風(fēng)箏實驗的報告轟動了

2、歐洲，使人們看到電學(xué)是一門有廣大前景的科學(xué)，避雷針也成了人類破除迷信征服自然的一項重要技術(shù)成果，推動了電學(xué)、電工學(xué)的發(fā)展。富蘭克林（Franklin Benjamin） 統(tǒng)一了天電和俄國化學(xué)家，哲學(xué)家 ，被譽(yù)為“俄國科學(xué)史上的彼得大帝” 18世紀(jì)中葉，電學(xué)還處于萌芽時期。在大西洋彼岸的美國科學(xué)家富蘭克林做風(fēng)箏實驗，用萊頓瓶收集雷電的同時，俄國科學(xué)家羅蒙諾索夫和利赫曼也在重復(fù)富蘭克林的風(fēng)箏實驗，舍身、忘死地研究雷電現(xiàn)象。他們在自己家的屋頂上架設(shè)了所謂的“雷電器”裝置，在霹靂的雷聲中觀察雷電器上的電火花。而利赫曼在實驗中不幸以身殉職。 羅蒙諾索夫（Lomonosov Mikhil Vasiliev

3、ich） 俄國化學(xué)家，哲學(xué)家 ，被譽(yù)為“俄國科學(xué)史上的彼得大帝” 18雷電對電力系統(tǒng)的危害1.雷電放電在電力系統(tǒng)中引起很高的雷電過電壓（大氣過電壓）從而造成電力系統(tǒng)的絕緣損壞和停電。2.雷電放電所產(chǎn)生的巨大電流使導(dǎo)體熔斷或通過電動力引起機(jī)械損壞。雷電對電力系統(tǒng)的危害1.雷電放電在電力系統(tǒng)中引起很高的雷電過7.1 雷電放電和雷電過電壓7.1 雷暴日及雷暴小時（雷電活動頻度）雷暴日一年中發(fā)生雷電的天數(shù)雷暴小時一年中發(fā)生雷電的小時數(shù)統(tǒng)計資料表明：在我國一個雷暴日（Td）大致克折合為3個雷暴小時(Th)。(通常取40個雷暴日作為基準(zhǔn))衡量雷電活動的雷電參數(shù)雷暴日及雷暴小時（雷電活動頻度）雷暴日一年中發(fā)

4、生雷電的天數(shù)雷少雷區(qū)Td小于等于15多雷區(qū)Td大于40強(qiáng)雷區(qū)Td大于90或運行經(jīng)驗表明雷害特別嚴(yán)重的地區(qū)少雷區(qū)Td小于等于15多雷區(qū)Td大于40強(qiáng)雷區(qū)Td大于90或地面落雷密度地面落雷密度（ ）：每一雷暴日、每平方公里地面遭受雷擊的次數(shù)為什么引入“地面落雷密度”這一概念“地面落雷密度”和“雷暴日”的聯(lián)系地面落雷密度地面落雷密度（ ）：每一雷暴日、每平方公里地面遭雷道波阻抗雷電通道的長度可達(dá)數(shù)千米，而半徑僅為數(shù)厘米，類似于一條具有分布參數(shù)的電力線路，從而具有某一等值的波阻抗，稱為雷道波阻抗（Z0，我國有關(guān)規(guī)程建議取波阻抗為300歐）雷道波阻抗雷電通道的長度可達(dá)數(shù)千米，而半徑僅為數(shù)厘米，類似于雷道

5、的極性為什么防雷計算中一般按負(fù)極性雷考慮雷道的極性為什么防雷計算中一般按負(fù)極性雷考慮雷電流i幅值（I）：表示雷電強(qiáng)度的指標(biāo)，是產(chǎn)生雷電過電壓的根源幅值大于I的雷電流出現(xiàn)的概率雷電流i幅值（I）：表示雷電強(qiáng)度的指標(biāo)，是產(chǎn)生雷電過電壓的根雷電流的波頭、陡度及波長波前（2.6微秒）波長（半波峰時間40微秒）波前陡度：雷電流的波頭、陡度及波長波前（2.6微秒）波長（半波峰時間4雷電流的計算波形雙指數(shù)波；斜角波；斜角平頂波；半余弦波；雷電流的計算波形雙指數(shù)波；雙指數(shù)波0itIT1雙指數(shù)波0itIT1斜角波0it斜角波0it斜角平頂波0itIT1斜角平頂波0itIT1半余弦波iIT1半余弦波iIT1雷電多

6、重放電次數(shù)及總延續(xù)時間統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：一次雷電放電往往包含多次重復(fù)放電；且每次雷電放電總的延續(xù)時間（包括多次重復(fù)放電）不同。雷電多重放電次數(shù)及總延續(xù)時間統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：一次雷電放電往往包雷電放電能量雷電放電能量不大，但由于雷電放電的持續(xù)時間很短，因此放電功率很大！雷電放電能量雷電放電能量不大，但由于雷電放電的持續(xù)時間很短，雷電過電壓的形成ASRAR先導(dǎo)放電主放電開光S閉合雷電先導(dǎo)雷電過電壓的形成ASRAR先導(dǎo)放電主放電開光S閉合雷電先導(dǎo)雷電過電壓的計算等值回路A雷電過電壓的計算等值回路A直擊雷過電壓計算案例Case 1:雷擊于地面上接地良好的物體：雷電流：雷電過電壓：直擊雷過電壓計算案例Case

7、1:雷擊于地面上接地良好的物體Case 2:雷擊于導(dǎo)線或避雷線：Case 2:雷擊于導(dǎo)線或避雷線：感應(yīng)雷過電壓計算案例雷擊點與電力線路間距離大于65m時：雷擊于塔頂?shù)瓤拷鼘?dǎo)線的接地物體時：感應(yīng)雷過電壓計算案例雷擊點與電力線路間距離大于65m時：雷擊7.2 防雷保護(hù)裝置防雷保護(hù)裝置的必要性防雷保護(hù)裝置的種類避雷針、避雷線、保護(hù)間隙、各種避雷器、防雷接地7.2 防雷保護(hù)裝置防雷保護(hù)裝置的必要性防雷保護(hù)裝置的種類一、避雷針和避雷線獨立避雷針一、避雷針和避雷線獨立避雷針構(gòu)架避雷針構(gòu)架避雷針消雷器消雷器保護(hù)原理能使雷云電場發(fā)生突變，使雷電先導(dǎo)的發(fā)展沿著避雷針的方向發(fā)展，直擊于其上，雷電流通過避雷針（線）

8、及接地裝置泄入大地而防止避雷針（線）周圍的設(shè)備受到雷擊保護(hù)原理能使雷云電場發(fā)生突變，使雷電先導(dǎo)的發(fā)展沿著避雷針的方保護(hù)范圍是否處于避雷針（線）保護(hù)范圍內(nèi)的物體一定不會遭受雷擊保護(hù)范圍是否處于避雷針（線）保護(hù)范圍內(nèi)的物體一定不會遭受雷擊單支避雷針保護(hù)范圍單支避雷針保護(hù)范圍h:避雷針高度（m） 被保護(hù)物高度（m） P:高度影響系數(shù)h:避雷針高度（m） 被保護(hù)物高度（m） P:高度影響系數(shù)一味地增加避雷針的高度是否是增大保護(hù)范圍的“良策”一味地增加避雷針的高度是否是增大保護(hù)范圍的“良策”兩支避雷針保護(hù)范圍兩支避雷針保護(hù)范圍a.定出保護(hù)范圍上部邊緣最低點高度：二針間被保護(hù)物高度水平面上保護(hù)范圍的一側(cè)寬

9、度：a.定出保護(hù)范圍上部邊緣最低點高度：二針間被保護(hù)物高度水平面兩支不等高避雷針兩支不等高避雷針避雷線的保護(hù)角避雷線的保護(hù)角二、避雷器什么是避雷器與保護(hù)絕緣并聯(lián)的能限制過電壓波幅值的保護(hù)裝置二、避雷器什么是避雷器與保護(hù)絕緣并聯(lián)的能限制過電壓波幅值的保避雷器的必要性1.繞擊率的問題2過電壓波沿線路入侵發(fā)電廠和變電所避雷器的必要性1.繞擊率的問題2過電壓波沿線路入侵發(fā)電廠和變保護(hù)間隙為什么通常做成角形防止主間隙被外物短接絕緣支撐保護(hù)間隙為什么通常做成角形防止主間隙被外物短接絕緣支撐作用原理：當(dāng)雷電侵入波要危及它所保護(hù)的電氣設(shè)備的絕緣時，間隙首先擊穿，工作母線接地，避免了被保護(hù)設(shè)備上的電壓升高，從而

10、保護(hù)了設(shè)備。作用原理：當(dāng)雷電侵入波要危及它所保護(hù)的電氣設(shè)備的絕緣時，間隙優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單、制造方便保護(hù)間隙的特點缺點：1.伏秒特性曲線比較陡（ ）絕緣配合不理想；2.間隙動作后會形成截波；3.熄弧能力低(電弧不即使熄滅有什么后果 )優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單、制造方便保護(hù)間隙的特點缺點：1.伏秒特性曲線管式避雷器（排氣式避雷器）結(jié)構(gòu)膠木管（增大機(jī)械強(qiáng)度）管式避雷器（排氣式避雷器）結(jié)構(gòu)膠木管（增大機(jī)械強(qiáng)度）作用原理當(dāng)排氣式避雷器受到雷電波入侵時，內(nèi)外間隙同時擊穿，雷電流經(jīng)間隙流入大地；過電壓消失后，在工作電壓作用下，流經(jīng)間隙的工頻續(xù)流電弧的高溫使管內(nèi)產(chǎn)氣材料（電弧高溫下能產(chǎn)生大量氣體的纖維、塑料或特種橡膠）分

11、解出大量氣體，管內(nèi)壓力升高，氣體從開口孔噴出，造成對電弧的強(qiáng)烈縱吹，從而使工頻續(xù)流在1到3個周波內(nèi)熄滅。作用原理當(dāng)排氣式避雷器受到雷電波入侵時，內(nèi)外間隙同時擊穿，雷特點其熄弧能力與工頻續(xù)流大小有關(guān)，續(xù)流太大，產(chǎn)氣過多，易使管子炸裂；續(xù)流太小，產(chǎn)氣不足以熄弧，故對工頻續(xù)流有上下限的規(guī)定。GXW3515特點其熄弧能力與工頻續(xù)流大小有關(guān)，續(xù)流太大，產(chǎn)氣過多，易使管缺點伏秒特性較陡且會形成截波（同保護(hù)間隙）雖有較強(qiáng)的滅弧能力，但在求得安裝點的短路電流后，要選擇一種合乎要求的管式避雷器有時并不容易。運行維護(hù)比較麻煩可靠性不高容易炸管缺點伏秒特性較陡且會形成截波（同保護(hù)間隙）雖有較強(qiáng)的滅弧能力閥式避雷器電

12、力系統(tǒng)中對變壓器進(jìn)行防雷保護(hù)的主力（保護(hù)間隙和管式避雷器都不能勝任）F（火花間隙）工作電阻（閥片）瓷套接地裝置的沖擊接地電阻被保護(hù)設(shè)備的絕緣閥式避雷器電力系統(tǒng)中對變壓器進(jìn)行防雷保護(hù)的主力（保護(hù)間隙和管放電后工作電阻上的電壓波形線性電阻ut0原始過電壓波SiC閥片理想閥片URUb(i)（殘壓）放電后工作電阻上的電壓波形線性電阻ut0原始過電壓波SiC閥閥片電阻的伏安特性:非線性系數(shù)（數(shù)值越小，非線性程度越高，低溫?zé)Y(jié)的SiC閥片電阻的系數(shù)在0.2左右）閥片電阻的伏安特性:非線性系數(shù)（數(shù)值越小，非線性程度越高對閥片電阻的技術(shù)要求：具有良好的非線性特性，大沖擊電流時的阻值小，小電流的時候阻值大。具有

13、足夠大的通流容量。（否則容易被大的沖擊電流燒毀）對閥片電阻的技術(shù)要求：具有良好的非線性特性，大沖擊電流時的阻對火花間隙的技術(shù)要求：避雷器工作的兩個階段火花間隙擊穿火花間隙中續(xù)流電弧熄滅對火花間隙的技術(shù)要求：避雷器工作的兩個階段火花間隙擊穿火花間火花間隙擊穿階段具有平坦的伏秒特性，便于絕緣配合火花間隙擊穿階段具有平坦的伏秒特性，便于絕緣配合火花間隙中續(xù)流電弧熄滅階段具有良好的滅弧性能，使電弧盡快熄滅?，F(xiàn)代閥式避雷器能夠熄滅幅值為80100A的續(xù)流電弧(我國生產(chǎn)的FS和FZ型避雷器，當(dāng)工頻繼流不大于50A和80A時，能夠在第一次過零時熄滅電弧)?；鸹ㄩg隙中續(xù)流電弧熄滅階段具有良好的滅弧性能，使電弧

14、盡快熄滅黃銅電極云母墊片為什么火花間隙不采用單間隙閥式避雷器的單元間隙單個間隙工頻放電電壓2.7-3.0kV；黃銅電極云母墊片為什么火花間隙不采用單間隙閥式避雷器的單元間具有分路電阻的火花間隙采用單間隙作為火花間隙在技術(shù)上不合理。因此實際的火花間隙往往由許多單元間隙串聯(lián)組成。如110kV避雷器中，火花間隙由96個單元間隙串聯(lián)而成。為了使這些單元間隙上的電壓分布均勻，火花間隙上需并有分路電阻具有分路電阻的火花間隙采用單間隙作為火花間隙在技術(shù)上不合理。為什么要在間隙兩端并聯(lián)電阻由于間隙各電極對地和對高壓端有寄生電容存在，使電壓在各間隙上的分布不均勻，從而使每個火花間隙的作用得不到充分發(fā)揮，減弱了避

15、雷器的熄弧能力，也降低了工頻放電電壓。為什么要在間隙兩端并聯(lián)電阻由于間隙各電極對地和對高壓端有寄生普通閥式避雷器系列系列名稱系列型號額定電壓（kV）結(jié)構(gòu)特點適用范圍配電所型FS3，6，10無分路電阻，閥片直徑55mm配電所中變壓器，電纜頭等設(shè)備變電所型FZ3220有分路電阻，閥片直徑100mm變電所電氣設(shè)備普通閥式避雷器系列系列名稱系列型號額定電壓（kV）結(jié)構(gòu)特點適電氣參數(shù)(1).額定電壓：避雷器兩端子間允許的最大工頻電壓的有效值(2).滅弧電壓：保證能夠在工頻續(xù)流第一次經(jīng)過零值時滅弧的條件下允許加在避雷器上的最高工頻電壓。（避雷器的設(shè)計依據(jù)）滅弧電壓應(yīng)當(dāng)大于避雷器工作母線上可能出現(xiàn)的最高工頻

16、電壓，否則將不能保證續(xù)流滅弧而使閥片燒壞。電氣參數(shù)(1).額定電壓：避雷器兩端子間允許的最大工頻電壓的(3). 工頻放電電壓：在工頻電壓下，避雷器將發(fā)生放電的電壓值。（具有上限值和下限值（必須要高于內(nèi)部過電壓）(4).沖擊放電電壓：對220kV及以下的避雷器，指的是標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波下的放電電壓（幅值）的上限；對330kV及以上的超高壓避雷器，除了雷電沖擊放電電壓外，還包括在標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊波下的放電電壓（幅值）的上限。(3). 工頻放電電壓：在工頻電壓下，避雷器將發(fā)生放電的電(5). 殘壓：指雷電流通過避雷器時在閥片電阻上產(chǎn)生的壓降(6).保護(hù)比：指避雷器殘壓與滅弧電壓之比。保護(hù)比愈小，說明殘壓愈低

17、或滅弧電壓愈高，顯示保護(hù)性能愈好。(5). 殘壓：指雷電流通過避雷器時在閥片電阻上產(chǎn)生的壓降(7).保護(hù)水平：避雷器上可能出現(xiàn)的最大沖擊電壓峰值。殘壓標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊放電電壓陡坡放電電壓顯然：被保護(hù)設(shè)備的沖擊絕緣水平應(yīng)高于避雷器的保護(hù)水平(7).保護(hù)水平：避雷器上可能出現(xiàn)的最大沖擊電壓峰值。殘壓標(biāo)(7).閥式避雷器的沖擊系數(shù)：沖擊放電電壓與工頻放電電壓的幅值比（越接近1越好，伏秒特性比較平坦）。(8).避雷器工頻放電電壓的下限與滅弧電壓之比。(7).閥式避雷器的沖擊系數(shù)：沖擊放電電壓與工頻放電電壓的幅磁吹型閥式避雷器磁吹型閥式避雷器閥式避雷器改進(jìn)發(fā)展采用滅弧能力更強(qiáng)的磁吹火花間隙.流通能力更大的高

18、溫閥片磁吹型閥式避雷器磁吹型閥式避雷器閥式避雷器改進(jìn)發(fā)展采用滅弧能旋弧型磁吹避雷器滅弧刪型磁吹避雷器利用磁場對電弧的電動力，迫使間隙中的電弧加快運動、旋轉(zhuǎn)或拉長，使弧柱中去電離作用加強(qiáng)，從而大大提高其滅弧能力。旋弧型磁吹避雷器滅弧刪型磁吹避雷器利用磁場對電弧的電動力，迫性能改善普通閥型避雷器只能用于雷電過電壓防護(hù)。磁吹型閥式避雷器還可以用于內(nèi)部過電壓的防護(hù)為了防護(hù)內(nèi)部過電壓，技術(shù)上的關(guān)鍵是必須采用滅弧能力更強(qiáng)的磁吹火花間隙。當(dāng)然提高閥片的流通能力也很重要（內(nèi)部過電壓的延續(xù)時間較長）。性能改善普通閥型避雷器只能用于雷電過電壓防護(hù)。磁吹型閥式避雷金屬氧化物避雷器（氧化鋅MOA）利用氧化鋅并摻以微量

19、的其它氧化物制成閥片，具有及其優(yōu)異的非線性特性。（在工作電壓下，其阻值很大，泄漏電流很小，小于1mA；而在過電壓下，阻值急劇減?。┢浞蔡匦钥捎孟率奖硎荆悍蔷€性系數(shù)，最多不會不會超過0.1，比較接近理想閥片（相對于SiC制成的閥片）金屬氧化物避雷器（氧化鋅MOA）利用氧化鋅并摻以微量的其它氧0IU1050100400系統(tǒng)相電壓此電流很小，因此用此種閥片制成的避雷器可以省去火花間隙此電流很大，因此用此種閥片制成的避雷器必須有火花間隙ZnO 電阻SiC 電阻0IU1050100400系統(tǒng)相電壓此電流很小，因此用此第七章雷電放電及防雷保護(hù)裝置課件第七章雷電放電及防雷保護(hù)裝置課件金屬氧化物避雷器的特點

20、d.通流容量大，能制成重載避雷器；c.無續(xù)流，動作負(fù)載輕（過電壓對應(yīng)的能量）、能重復(fù)動作實現(xiàn)保護(hù)a.無間隙，所以結(jié)構(gòu)大大簡化、體積也可以縮小很多b.保護(hù)性能優(yōu)越e.耐污性能好金屬氧化物避雷器的特點d.通流容量大，能制成重載避雷器；c.避雷器的電氣參數(shù)(1).避雷器額定電壓：相當(dāng)于SiC避雷器的滅弧電壓。指避雷器能夠較長器期耐受的最大工頻電壓有效值。(2).容許最大持續(xù)運行電壓：能夠長期持續(xù)運行的最大工頻電壓有效值。避雷器的電氣參數(shù)(1).避雷器額定電壓：相當(dāng)于SiC避雷器的(3).起始動作電壓：避雷器開始進(jìn)入動作狀態(tài)以限制過電壓。(4).殘壓：放電電流流過避雷器時，其端子間出現(xiàn)的電壓峰值。(3

21、).起始動作電壓：避雷器開始進(jìn)入動作狀態(tài)以限制過電壓。(5).保護(hù)水平雷電保護(hù)水平：雷電沖擊殘壓陡坡沖擊殘壓操作保護(hù)水平：操作沖擊殘壓(5).保護(hù)水平雷電保護(hù)水平：雷電沖擊殘壓陡坡沖擊殘壓操作保防雷接地前面所介紹的各種防雷保護(hù)裝置（避雷針，避雷器，避雷線）最終都要將雷電流瀉入大地，因此接地裝置是整個防雷體系中不可缺少的一個重要組成部分。防雷接地前面所介紹的各種防雷保護(hù)裝置（避雷針，避雷器，避雷線接地：電氣設(shè)備導(dǎo)電和非導(dǎo)電部分與大地的人為連接（利用接地裝置，由接地體和接地引線組成），起著維持正常運行，保安，防雷，防干擾的作用地：地中不受入地電流影響而保持零電位的土地接地：電氣設(shè)備導(dǎo)電和非導(dǎo)電部分與大地的人為連接（利用接地裝置接地體人工（“專職”）自然（“兼職”）接地體人工（“專職”）自然（“兼職”）接地的分類a.工作接地：接地電阻在0.510歐的范圍之內(nèi)b.保護(hù)接地：接地電阻在110歐的范圍之內(nèi)c.防雷接地：接地電阻在130歐的范圍之內(nèi)接地的分類a.工作接地：接地電阻在0.510歐的范圍之內(nèi)b接地電阻接地電阻是表征接地裝置功能的一個重要電氣參數(shù)。工作（保護(hù)）接地中，其是指接地裝置流過工頻或直流電流時的電阻，稱為穩(wěn)態(tài)電阻 ；防雷接地中，其是指接地裝置流過沖擊大電流時呈現(xiàn)的電阻，簡稱沖擊電