高電壓技術(shù)教案第五章課件

3/17/20231§5.1雷電放電

1、案例2、雷電的形成3、雷電的危害4、雷擊人的主要形式5、我國建筑防雷的發(fā)展史6、網(wǎng)絡(luò)防雷3/17/20232一、雷電的形成

1、雷電放電：雷電放電是指雷云與大地、雷云與雷云、雷云內(nèi)部發(fā)生的一種氣體放電現(xiàn)象。2、雷云的形成：當(dāng)空中的塵埃、冰晶等物質(zhì)在云層中翻滾運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，經(jīng)過一些復(fù)雜過程，使這些物質(zhì)分別帶上了正電荷與負(fù)電荷。一般在云層的下部積聚的是負(fù)電荷，而正電荷一般積聚在云層的上部。這樣，同極性電荷的匯集就形成了一些帶電中心，帶有這些電荷中心的云稱為雷云。3/17/20233

一次雷電放電可能有多個(gè)分量，但每個(gè)分量都包括三個(gè)階段。雷電按發(fā)展過程分類3/17/20235二、雷電參數(shù)雷電放電的過程可以看成是一個(gè)具有一定內(nèi)阻的電流源突然合閘到被擊物上的過程，所以描述雷電放電的主要參數(shù)有：雷電流（幅值）、波阻抗、雷電流陡度、雷暴日（小時(shí)）、地面落雷密度、雷電的標(biāo)準(zhǔn)波形等。1、雷電流：指雷擊低接地電阻被擊物時(shí)流過被擊物的電流。這里的低接地電阻是指30Ω以下的接地電阻。描述一個(gè)雷電的強(qiáng)弱用雷電流幅值來描述，在我國一般雷電活動(dòng)地區(qū)雷電流幅值概率分布按來分布，其中IL是雷電流幅值，P是對(duì)應(yīng)的雷電流幅值出現(xiàn)的概率，公式的含義是雷電流幅值超過108KA出現(xiàn)的概率是10%。在我國西北地區(qū)、內(nèi)蒙古等地，雷電活動(dòng)較弱，雷電流幅值較低，雷電流幅值概率分布按來分布。3/17/202362、波阻抗：雷電通道的波阻抗通常取Z=300~400Ω。3、雷電流陡度：雷電流隨時(shí)間變化的速度，取值為雷電流幅值與雷電沖擊波波頭時(shí)間的比值。按《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-1994）的規(guī)定，

4、雷暴日（小時(shí)）：一年中有雷電的日數(shù)稱為雷暴日，一天只要聽到一個(gè)雷聲就作為一個(gè)雷暴日；一年中有雷電的小時(shí)數(shù)稱雷暴小時(shí)，即在一個(gè)小時(shí)內(nèi)只要聽到雷聲就算作雷暴小時(shí)。全年平均雷暴日在40天的地區(qū)稱為中等雷電活動(dòng)地區(qū)，平均雷暴日少于15天的地區(qū)稱為少雷區(qū)，全年平均雷暴日超過40天的地區(qū)稱為多雷區(qū)。雷暴日（小時(shí)）是描述一個(gè)地區(qū)雷電活動(dòng)強(qiáng)度的參數(shù)。5、地面落雷密度：每雷暴日、每平方公里的地面落雷的次數(shù)?！督ㄖ锓览自O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-1994）規(guī)定雷擊大地的年平均密度。地面落雷密度也是描述一個(gè)地區(qū)雷電活動(dòng)強(qiáng)度的參數(shù)。3/17/20237直擊雷直擊雷：雷直接擊于被擊物上，被擊物可能是建筑物、樹木或人等。雷電流：雷流過低接地電阻（小于30歐）被擊物時(shí)的電流。我國測(cè)得的最大雷電流幅值為300KA。3/17/20239傳導(dǎo)雷傳導(dǎo)雷：又稱入侵波，是雷擊于導(dǎo)線后，雷電流沿導(dǎo)線傳播、并入侵被保護(hù)設(shè)備。傳導(dǎo)雷是造成低壓電器設(shè)備損壞的主要雷害之一。3/17/202310感應(yīng)雷感應(yīng)雷：由于電磁感應(yīng)形成的電壓升高。感應(yīng)雷幅值一般不超過500KV，對(duì)110KV及以上的線路不能構(gòu)成威脅。感應(yīng)雷也是造成低壓電器設(shè)備損壞的主要雷害之一。3/17/202311雷電造成的經(jīng)濟(jì)損失的嚴(yán)重性直接損失火災(zāi)人員傷亡設(shè)備損壞間接損失不能提供服務(wù)之損失信譽(yù)損失重新投資3/17/202313雷害新特點(diǎn)當(dāng)人類社會(huì)進(jìn)入電子信息時(shí)代后，雷災(zāi)出現(xiàn)的特點(diǎn)與以往有極大的不同，可以概括為：（1）受災(zāi)面大大擴(kuò)大，從電力、建筑這兩個(gè)傳統(tǒng)領(lǐng)域擴(kuò)展到幾乎所有行業(yè)，特別是與高新技術(shù)關(guān)系最密切的領(lǐng)域，如航天航空、國防、郵電通信、計(jì)算機(jī)、電子工業(yè)、石油化工、金融證券等；（2）從二維空間入侵變?yōu)槿S空間入侵。從閃電直擊和過電壓波沿線傳輸變?yōu)榭臻g閃電的脈沖電磁場(chǎng)從三維空間入侵到任何角落，無空不入地造成災(zāi)害，因而防雷工程已從防直擊雷、感應(yīng)雷進(jìn)入防雷電電磁脈沖（LEMP）。前面是指雷電的受災(zāi)行業(yè)面擴(kuò)大了，這兒指雷電災(zāi)害的空間范圍擴(kuò)大了。例如二000年七月二十五日14點(diǎn)40分左右，一次閃電造成上海市漕寶路桂菁路附近二家單位同時(shí)受到雷災(zāi)，而不是以往的一次閃電只是一個(gè)建筑物受損。3/17/202314。（3）雷災(zāi)的經(jīng)濟(jì)損失和危害程度大大增加了，它襲擊的對(duì)象本身的直接經(jīng)濟(jì)損失有時(shí)并不太大，而由此產(chǎn)生的間接經(jīng)濟(jì)損失和影響就難以估計(jì)。例如一九九九年八月二十七日凌晨2點(diǎn)，某尋呼臺(tái)遭受雷擊，導(dǎo)致該臺(tái)中斷尋呼數(shù)小時(shí)，其直接損失是有限的，但間接損失將大大超過直接損失。（4）產(chǎn)生上述特點(diǎn)的根本原因，也就是關(guān)鍵性的特點(diǎn)是雷災(zāi)的主要對(duì)象已集中在微電子器件設(shè)備上。雷電的本身并沒有變，而是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得人類社會(huì)的生產(chǎn)生活狀況變了。微電子技術(shù)的應(yīng)用滲透到各種生產(chǎn)和生活領(lǐng)域，微電子器件極端靈敏這一特點(diǎn)很容易受到無孔不入的LEMP的作用，造成微電子設(shè)備的失控或者損壞。為此，當(dāng)今時(shí)代的防雷工作的重要性、迫切性、復(fù)雜性大大增加了，雷電的防御已從直擊雷防護(hù)到系統(tǒng)防護(hù)，我們必須站到歷史時(shí)代的新高度來認(rèn)識(shí)和研究現(xiàn)代防雷技術(shù)，提高人類對(duì)雷災(zāi)防御的綜合能力。3/17/202315四、雷擊人的主要形式1、歷史的回顧2、直接雷擊3、接觸電壓4、旁側(cè)閃絡(luò)5、跨步電壓3/17/202317歷史的回顧關(guān)于雷電的描述，直到二百年以前，一般還只有在詩文中能夠讀到，而且停留在神話解釋。由于實(shí)驗(yàn)科學(xué)的出現(xiàn)，隨之電容器的發(fā)明才使我們對(duì)閃電的認(rèn)識(shí)進(jìn)入自然科學(xué)領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)證明，雷電顯示了與靜電相類似的特性。與此同時(shí)，關(guān)于雷電對(duì)動(dòng)物和人的各種效應(yīng)，也進(jìn)行了研究。早期研究工作的記載是引人入勝的，其意義并不僅僅在于“歷史”價(jià)值，而是在于許多重要的原理得到驗(yàn)證。這些原理也正是我們今日理解雷電對(duì)人體效應(yīng)的依據(jù)。3/17/202318對(duì)“小雞”呼吸富蘭克林曾對(duì)著一只小雞的頭部施以“電擊”后，小雞出現(xiàn)了死亡現(xiàn)象。但是經(jīng)過不斷地向肺里吹氣，小雞又復(fù)蘇了。這是對(duì)觸電者進(jìn)行人工呼吸最早的一次成就。假定電流從頭部流過兩腳，則它將經(jīng)過腦部（包括呼吸中樞）和胸部（包括心臟）。顯然它的呼吸中樞暫時(shí)麻痹，因而需要人工呼吸。但心臟必須一直跳動(dòng)，否則就不能復(fù)活了。通過該試驗(yàn)人們認(rèn)識(shí)到雷電流通路徑是造成人受傷程度不同的根源。3/17/2023193/17/202321直接雷擊參加足球賽的兩名正并排站著相互盯著對(duì)方時(shí)遭到雷擊，電流從頭部流到腳，雖然在兩人身上都未發(fā)現(xiàn)燒灼痕跡，但在他們身體相鄰側(cè)留有樹枝狀電花圖。救治無效，兩人死亡。電花圖沒有任何迷信色彩，其原因是雷電流通過人體向大地泄放時(shí)，在人體表面發(fā)生了沿面放電而使人體上流下電花圖。當(dāng)身體和衣服之間發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，雷電流使皮膚上的水分和汗液變?yōu)檎羝绻路┑镁o，蒸汽的壓力會(huì)把衣服撕破。雷直擊人是危險(xiǎn)的，但不一定致命，應(yīng)救治受傷者。你知道怎么防護(hù)嗎?3/17/202322旁側(cè)閃絡(luò)1、一個(gè)士兵騎車經(jīng)過一棵樹時(shí)被雷擊中，他回憶當(dāng)時(shí)的情景說：好象挨了一拳恨擊，他看見一道火光從樹向他射過來，自行車把帶了電。他的皮膚完好無損，沒有燒傷的痕跡。2、七個(gè)兒童在帳篷里避雨時(shí)，帳篷柱子被雷擊中。五個(gè)幸存者都沒反映受傷，但死亡的兩個(gè)兒童左臉以及身體上都有燒傷的地方，在他們的小腳趾上都有電流流過的痕跡。3、旁側(cè)閃絡(luò)是由于人與雷電流泄放通道之間的電位差較高，引起氣隙擊穿造成的。真的、不要在樹下避雨！3/17/202323接觸電壓兩個(gè)婦女正在一棵高大的云杉樹下避雨，閃電突然擊中了那棵大樹，當(dāng)時(shí)一個(gè)人是背靠樹站著，她的衣服并未損壞，但在頭右邊有4厘米╳4厘米一塊頭發(fā)被燒焦了，變成了灰色。在這塊皮膚中有像擦傷的痕跡。在樹干上樹皮被燒壞很長的一條，長度是從樹頂開始一直到離地約158厘米的地方，正與死者身高相同。另一個(gè)婦女當(dāng)時(shí)正用右手扶著那棵樹，她僅失去知覺十到十五分鐘，她的下肢有兩三個(gè)小時(shí)不會(huì)動(dòng)而且沒有知覺，她的身體以及腳上有燒傷，經(jīng)過治療，兩天以后就出院了。還有很多應(yīng)注意的！3/17/202325跨步電壓法國的一個(gè)教堂正值做禮拜時(shí)遇到了雷擊，所有站在禮拜堂中潮濕石板上的人都跌倒了，有幾分鐘的光景站不起來，下肢好象癱瘓了一樣。而那些站在唱詩班席中橡木地板上的人都安然無恙。我怎么了！3/17/202326古人對(duì)建筑物防雷的探索中國人對(duì)建筑物防雷的探索最早可追溯到12世紀(jì)，較能說明問題的一例是現(xiàn)存的岳陽慈氏塔。就理論而言，漢朝的王充曾對(duì)雷電現(xiàn)象作出過解釋并批判了迷信做法。中國古代雖有較強(qiáng)的防雷意識(shí)并做過一些技術(shù)上的嘗試，但畢竟沒有大的突破。1750年，富蘭克林取得重大突破，證實(shí)雷是電現(xiàn)象。3/17/202329建國初期的防雷方法建國初，大多數(shù)工程均按照日本的45度到60度保護(hù)角確定避雷針的保護(hù)范圍，接閃器采用三叉小針。五十年代初，我國引進(jìn)蘇聯(lián)技術(shù)，采用拋物線和折線計(jì)算保護(hù)范圍，用鐵管或鍍鋅圓鋼作接閃器。六十年代以前，我國沒有建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范。3/17/202330亡羊補(bǔ)牢，古建防雷1957年北京發(fā)生兩起雷擊事故：7月6日，明十三陵長陵棱恩殿遭受雷擊，劈掉西部吻獸，劈裂兩根直徑1.17米、高14.3米的大楠木柱子，死一人，傷三人；7月8日，中山公園內(nèi)一棵大樹落雷，感應(yīng)電流經(jīng)附近的配電線路傳到中山公園音樂堂，并引起大火，燒毀配電室、舞臺(tái)和觀眾廳大頂棚。在給古建筑安置避雷裝置時(shí)，我國首次采用了避雷帶的防雷方式。3/17/202331防雷工程的序幕1958年9月，原建工部設(shè)計(jì)局在武漢召開了“全國電氣設(shè)計(jì)人員交流大會(huì)”，拉開了我國防雷研究的序幕。3/17/202332重大工程的防雷1958年，人民大會(huì)堂工程率先采用籠式避雷網(wǎng)并進(jìn)行了徹底的等電位聯(lián)結(jié)。把籠式避雷網(wǎng)應(yīng)用于工程實(shí)際，這恐怕在國內(nèi)外均屬首次。深圳國際貿(mào)易中心高160米，采用籠式避雷網(wǎng)。終于電視塔405米，也采用籠式避雷網(wǎng)籠式避雷網(wǎng)即能滿足外部防雷系統(tǒng)的要求，也能滿足內(nèi)部防雷系統(tǒng)的要求，它能實(shí)現(xiàn)良好的等電位、分流、屏蔽和接地效果，是較為完善的防雷系統(tǒng)。3/17/202333今后建筑物防雷的發(fā)展方向利用建筑物、結(jié)構(gòu)物的鋼筋作籠式防雷網(wǎng)能夠滿足外部防雷裝置和內(nèi)部防雷裝置的需要，作為全面防雷來說將是今后發(fā)展的重點(diǎn)。建筑物防雷的六大要素：接閃功能、分流影響、屏蔽作用、均衡電位、接地效果和合理布線。3/17/202334六、網(wǎng)絡(luò)防雷(1）雷電波形：一般來講，我們用1.2/50μs的波形來表示雷電的電壓波形，而常用8/20μs來表示雷電電流波形。比如講到防雷產(chǎn)品時(shí)經(jīng)常要提到電源防雷器要能承受8/20μs20kA的沖擊（見有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)），指的就是T1=8us,T2=20μsI=20KA。用了8微秒電流峰值即達(dá)20KA。1微秒內(nèi)電流增加2.5千安培。這是一個(gè)驚人的數(shù)字。用數(shù)學(xué)語言來講就是平均陡度di/dt非常大。3/17/202335（2）如何防護(hù)：既然雷電對(duì)線路的感應(yīng)是造成設(shè)備損壞的最重要的原因，那么在線路中加裝設(shè)備對(duì)瞬態(tài)過電流、過電壓進(jìn)行抑制就可以了，這種設(shè)備我們就稱其為避雷器，或稱浪涌抑制器、防雷保安器等，下面就稱其為避雷器。由于雷電感應(yīng)主要是通過供電線路和各種信號(hào)線破壞設(shè)備的，因此對(duì)計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)的防雷保護(hù)主要地是合理地加裝電源和信號(hào)避雷器。3/17/202336例1：某信息系統(tǒng)防雷3/17/202337首先讓我們來看看其系統(tǒng)配置：供電系統(tǒng)埋地入戶，進(jìn)入開關(guān)柜，分出來一路供應(yīng)UPS，并由UPS供給位于各層的電子設(shè)備使用。樓內(nèi)包括計(jì)算機(jī)中心機(jī)房、程控交換機(jī)房、及無線通信設(shè)備。不用說，所有這些設(shè)備都要有電源供應(yīng)，因此，在總電源處加裝電源避雷器。按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一般要求，必須在0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)分別加裝避雷器（0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)是按照雷電出現(xiàn)的強(qiáng)度劃分的），因此在設(shè)備前端分別加裝多級(jí)保護(hù)集成為一體的串聯(lián)型避雷器（多級(jí)集成型），以最大限度地抑制雷電感應(yīng)的能量。同時(shí)，計(jì)算機(jī)中心的MODEM、路由器、甚至HUB等都有線路出戶，這些出戶的線路都應(yīng)視為雷電引入通道，因此都應(yīng)加裝信號(hào)避雷器。3/17/202338§5.2避雷針、避雷線的保護(hù)范圍引言：直擊雷的防護(hù)采用避雷針或避雷線等裝置。200多年前，富蘭克林通過觀察發(fā)現(xiàn)曠野中的孤樹常遭到雷擊，而樹下的低矮植物卻能幸免于難，于是，他設(shè)想如果在地球的表面立起一個(gè)足夠高的針體的話，地球上的萬物就會(huì)得到保護(hù)。于是、他發(fā)明了避雷針。富蘭克林避雷針要求要有足夠的高度、要是尖體、但不要求接地電阻的大小。后來、羅蒙諾索夫提出新型的避雷針，要求要有足夠的高度、要有足夠小的接地電阻、但不要求是尖體。這兩種避雷針現(xiàn)在都有應(yīng)用，我國國家標(biāo)準(zhǔn)中推行的避雷針是羅蒙諾索夫避雷針。中科院蘭州高原大氣物理所進(jìn)行了人工火箭引雷試驗(yàn)：在1996年6月4日于南昌做的一次空中觸發(fā)閃電中，他們無意中將火箭發(fā)射架放得離引流桿較遠(yuǎn)，結(jié)果引下的閃電沒有以引流桿為接地點(diǎn)，而是打到發(fā)射架附近的地面上。這一閃電共有10個(gè)回?fù)?，由于沒有安排良好的接地，在整個(gè)放電過程中閃電的擊地點(diǎn)在隨風(fēng)平行移動(dòng)。這次試驗(yàn)與7月8日的兩次空中閃電形成鮮明的對(duì)比。在后兩次觸發(fā)中，火箭發(fā)射架放得靠近引流桿，因而閃電都以引流桿為接地點(diǎn)。結(jié)果在閃電過程中，盡管閃道也因風(fēng)和湍流而移動(dòng)和改變形狀，但其接地點(diǎn)卻始終牢牢地固定在接地良好的引流桿頂端。這一試驗(yàn)事實(shí)很好地說明了避雷針確有“引雷區(qū)域”存在，也說明了為使避雷裝置起到預(yù)期的作用，良好的接地是十分重要的。避雷針的工作原理：歪變了空間電場(chǎng)、引雷于自身、使周圍的物體得到保護(hù)。避雷針的實(shí)質(zhì)是引雷裝置！3/17/202339§5.2避雷針、避雷線的保護(hù)范圍避雷針的基本構(gòu)成：一個(gè)獨(dú)立避雷針由接閃器、接地引下線和接地裝置組成。接閃器是指避雷針最上端1~2m長的一段，一般由直徑不小于12mm的圓鋼或直徑不小于20mm的焊接鋼管制成。接地引下線是連接接閃器和接地裝置的一段導(dǎo)體，采用直徑不小于8mm的圓鋼或截面積不小于48mm2、厚度不小于4mm的扁鋼制作。接地裝置是接地體和接地線的總和，是為了降低接地電阻而完成的接地整體。接地體包括垂直接地體和水平接地體，垂直接地體一般采用長度為2.5m的角鋼、鋼管或圓鋼，埋地深度不小于0.5m，兩垂直接地體之間的間距不小于5m；水平接地體采用扁鋼或圓鋼用于連接垂直接地體，采用扁鋼時(shí)截面積不小于100mm2、厚度不小于4mm，采用圓鋼時(shí)截面積不小于10mm。既然避雷針的實(shí)質(zhì)是引雷裝置，所以接閃器沒有必要作得很復(fù)雜、不用分叉、也不用采用鍍銀等。3/17/202340§5.3避雷針、避雷線的保護(hù)范圍一、避雷針的保護(hù)范圍1、單支避雷針當(dāng)hx>=h/2,rx=(h-hx)p；當(dāng)hx<h/2,rx=(1.5h-2hx)p；h—避雷針的高度；p—高度影響系數(shù)，當(dāng)h=<30m時(shí)，p=1;當(dāng)30<h=<120m時(shí)3/17/2023412、兩支等高避雷針h0=h-D/7p;bx=1.5(h0-hx)一般兩避雷針之間距離與針高之比D/h不宜大于53/17/2023423、兩支不等高避雷針3/17/202343二、幾個(gè)問題1、關(guān)于雷電的側(cè)擊2、對(duì)分叉避雷針的探討3、避雷針的反擊和電磁干擾4、新型直擊雷防護(hù)設(shè)備簡(jiǎn)介3/17/202344§5.4避雷器避雷器的理論依據(jù)：感應(yīng)雷或入侵波作用在被保護(hù)設(shè)備上時(shí)，可能使設(shè)備的絕緣破壞，如何來保護(hù)設(shè)備免受危險(xiǎn)電壓的破壞呢？科學(xué)家想到了氣體間隙的放電現(xiàn)象——如右圖所示，兩個(gè)間隙在同一個(gè)沖擊電壓的作用下，如果間隙2總是先于間隙1放電，即間隙2的伏秒特性完全位于間隙1的伏秒特性曲線的下面，并且要有足夠低的殘壓，那么先放電的間隙2就能保護(hù)后放電的間隙1，即間隙1是被保護(hù)設(shè)備，間隙2是保護(hù)設(shè)備。于是發(fā)明了第一種避雷器——保護(hù)間隙。避雷器要保護(hù)被保護(hù)物的基本條件就是避雷器總要先于被保護(hù)設(shè)備放電，并且要有足夠低的殘壓。3/17/202345一、保護(hù)間隙1、輔助間隙的作用：避免主間隙被短接而造成工作母線接地短路。2、工作原理：當(dāng)雷電波侵入時(shí)，間隙1、2擊穿，將工作母線接地，雷電流引入大地，避免了被保護(hù)設(shè)備的電壓升高，從而保護(hù)了設(shè)備。過電壓消失后，間隙中仍有工頻電壓所產(chǎn)生的工頻電弧電流，把沿著沖擊放電通道流過的工頻短路電流稱為續(xù)流。由于間隙熄弧能力差，往往不能自動(dòng)熄弧，造成斷路器跳閘，所以需要與自動(dòng)重合閘配合。3、缺點(diǎn)：1）伏秒特性陡，不能保護(hù)繞組設(shè)備；2）不具有滅弧能力；3）容易產(chǎn)生截波。3/17/2023464、截波的危害3/17/202347二、管型避雷器1、輔助間隙的作用：隔離工作電壓，避免產(chǎn)氣管被流過管子的工頻泄漏電流所燒壞。2、工作原理：雷擊過電壓時(shí)，內(nèi)外間隙同時(shí)被擊穿，雷電流經(jīng)管型避雷器內(nèi)外間隙流入大地，沖擊波被截?cái)?。過電壓消失后，在工頻電壓作用下，間隙中還有工頻續(xù)流流過，其值為管型避雷器安裝處的短路電流，工頻續(xù)流電弧的高溫，將使管內(nèi)產(chǎn)氣管材料分解出大量的氣體，使產(chǎn)氣管內(nèi)氣壓升高，由于管型避雷器的一端是封閉的，高壓力的氣體將由環(huán)型電極開口孔噴出，形成強(qiáng)烈的縱向吹弧，使續(xù)流在第一次過零時(shí)熄滅，使系統(tǒng)恢復(fù)正常狀態(tài)。3、缺點(diǎn)：管型避雷器的實(shí)質(zhì)還是一個(gè)具有一定滅弧能力的保護(hù)間隙，所以還有伏秒特性陡和容易產(chǎn)生截波的缺點(diǎn)。3/17/202348三、普通閥型避雷器1、如何限制截波：沖擊電流在電阻閥片上的壓降稱為殘壓。殘壓越低對(duì)被保護(hù)物越有利，所以希望串聯(lián)的電阻要小一些。但串聯(lián)的電阻越大，對(duì)滅弧越有利，所以從滅弧的角度來說串聯(lián)的電阻要大一些。3/17/2023492、電阻閥片非線性電阻閥片是在大電流作用下體現(xiàn)出低電阻、而在小電流作用下體現(xiàn)出高電阻，其伏安特性為u=Ciα,式中C為取決于材料的常數(shù)，α稱為閥片的非線性系數(shù)（0〈α〈1）。越越小說明閥片的非線性越高，性能越好。普通型閥片的α一般在0.2左右；磁吹型閥片一般為0.24左右，但它的通流容量大。閥片電阻是由金剛砂（SiC）加黏合劑壓制后焙燒而成，普通型是低溫（300~3500C）焙燒的；磁吹閥片是在高溫（1350~13900C）焙燒的，閥片呈圓盤狀，直徑在55~105mm。根據(jù)我國實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)，在具有“規(guī)程”規(guī)定的防雷保護(hù)線的35~220kV的變電所中，流經(jīng)閥型避雷器的雷電流超過5kA的概率是很小的，因此我國對(duì)35~220kV的閥型避雷器以雷電流為5kA時(shí)（其波形為20/40us）的殘壓作為設(shè)計(jì)的依據(jù)，所以此類電網(wǎng)的電氣設(shè)備的絕緣水平也按避雷器5kA下的殘壓作為絕緣配合的依據(jù)。對(duì)于330kV及更高的電網(wǎng)中由于線路絕緣水平較高，入侵波的幅值較高，所以流過避雷器的雷電流較大。我國規(guī)定取10kA下的殘壓作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。且規(guī)定普通閥型避雷器的通流容量是能夠通過波形為20/40us，幅值為5kA的沖擊電流和幅值為100A的工頻半波各20次。由此可知，普通閥型避雷器閥片的通流容量與直擊雷電流相差甚遠(yuǎn)，因此它不能作為線路防雷保護(hù)，一般只用于變電所中作為防護(hù)大氣過電壓用。對(duì)于能夠限制內(nèi)部過電壓的磁吹避雷器，其閥片電阻的通流容量為通過2000us、幅值為800~1000A的方波電流20次。3/17/2023503、普通閥型避雷器是怎樣產(chǎn)生平伏秒特性的普通閥型避雷器產(chǎn)生平伏秒特性是由其火花間隙的結(jié)構(gòu)決定的：由于兩個(gè)電極間形成的是短間隙均勻電場(chǎng)，所以能夠產(chǎn)生平伏秒特性。同時(shí)在過電壓作用時(shí)，云母墊圈與電極間的空氣縫隙中首先發(fā)生電暈，對(duì)間隙起照射作用，從而縮短了放電時(shí)間，所以伏秒特性的分散性很小。單個(gè)火花間隙工頻放電電壓約為2.7~3.0kV(有效值),其沖擊系數(shù)為1.1左右。避雷器動(dòng)作后，工頻續(xù)流電弧被火花間隙分成許多串聯(lián)的短電弧，利用短電弧自然熄弧能力可使電弧熄滅。在沒有熱電子發(fā)射時(shí)，單個(gè)間隙的初始恢復(fù)強(qiáng)度可達(dá)250V左右，實(shí)驗(yàn)證明，要使火花間隙順利地熄弧，必須將工頻續(xù)流限制在一定值，我國生產(chǎn)的FS和FZ型避雷器，當(dāng)工頻續(xù)流分別不大于50A和80A（峰值）時(shí)，能夠在續(xù)流第一次過零時(shí)使電弧熄滅。3/17/2023514、普通閥型避雷器的工作原理在電力系統(tǒng)正常工作時(shí)，間隙將閥片電阻和工作母線隔離，以免在母線工作電壓下閥片電阻中長時(shí)間流過電流而使閥片燒壞。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)過電壓，且幅值超過間隙的放電電壓時(shí)，火花間隙被擊穿，沖擊電流通過閥片流入大地，由于閥片是非線性電阻，在雷電流作用下，閥片呈低阻值，這時(shí)閥片上產(chǎn)生的殘壓將受到限制，若使殘壓低于被保護(hù)物的沖擊耐壓，則被保護(hù)設(shè)備得到保護(hù)。當(dāng)過電壓消失后，在工作電壓作用下，間隙中仍有工頻電弧電流流過，但工頻續(xù)流受到閥片電阻的限制，若將工頻電流限制在一定值以下，使間隙能在工頻續(xù)流第一次過零時(shí)將電弧切斷，間隙恢復(fù)絕緣，系統(tǒng)正常工作不受影響。3/17/202352四、磁吹避雷器1、限流型火花間隙又稱拉長電弧型間隙，間隙由一對(duì)角狀電極組成，磁場(chǎng)是軸向的，工頻續(xù)流被軸向的，工頻續(xù)流被軸向磁場(chǎng)拉入滅弧柵，其電弧最終長度可達(dá)起始長度的數(shù)十倍。滅弧盒由陶瓷或云母玻璃制成，電弧在滅弧柵中受到強(qiáng)烈的去游離而熄滅。由于電弧形成后，很快被拉到遠(yuǎn)離擊穿點(diǎn)位置，故間隙絕緣恢復(fù)很快。這種磁吹間隙熄弧能力很強(qiáng)，可切斷450A左右的續(xù)流。此外、由于電弧被拉長，且處于去游離很強(qiáng)的滅弧柵中，所以電弧電阻很大，可以起到限制續(xù)流的作用，故稱限流型間隙。3/17/202353四、磁吹避雷器2、磁吹避雷器是如何產(chǎn)生磁吹的？磁場(chǎng)是由與間隙串聯(lián)的磁吹線圈產(chǎn)生的：在過電壓作用下，主間隙被擊穿，放電電流通過磁吹線圈，在線圈上產(chǎn)生很大的壓降，使輔助間隙擊穿，放電電流經(jīng)過輔助間隙、主間隙、閥片而流入大地；在工頻續(xù)流通過時(shí)，電感線圈上的壓降不足以維持輔助間隙中電弧的燃燒，工頻續(xù)流很快轉(zhuǎn)入磁吹線圈中，即工頻續(xù)流是通過電感線圈、主間隙、電感線圈流入大地的，續(xù)流在電感線圈中產(chǎn)生磁吹。輔助間隙的作用是改善避雷器的性能：如果沒有輔助間隙，沖擊電流在電感上的壓降很大，使避雷器的殘壓過高，保護(hù)性能變差。3/17/202354五、間隙并聯(lián)電阻避雷器的火花間隙是由許多間隙串聯(lián)而成，多間隙串聯(lián)后，間隙電容形成一個(gè)電容鏈，由于間隙各電極對(duì)地餓對(duì)高壓端有寄生電容，故在多個(gè)串聯(lián)間隙上電壓分布是不均勻的，這樣避雷器動(dòng)作后，每個(gè)間隙上的恢復(fù)電壓分布也不均勻，從而降低了避雷器的熄弧能力，工頻放電電壓也將下降。為改善間隙上的電壓分布，在每個(gè)間隙上并聯(lián)分路電阻。在工頻電壓作用下，因間隙容抗很大而分路電阻值很小，故間隙上電壓分布將主要由分路電阻決定，因分路電阻值相等，使電壓分布均勻，提高了工頻放電電壓，也使工頻放電電壓穩(wěn)定。在沖擊電壓作用下，由于沖擊電壓的等值頻率很高，間隙的容抗小于分路電阻，間隙上的電壓分布由電容大小來決定，使電壓分布很不均勻，上部間隙很快擊穿，電壓都加在下部間隙和閥片上，使間隙擊穿，所以降低了沖擊放電電壓，也降低了沖擊系數(shù)，并聯(lián)電阻后，沖擊系數(shù)一般為1左右。3/17/202355閥型避雷器的型號(hào)普通型的有FZ和FS兩種，F(xiàn)Z型適用于變電所，F(xiàn)S型適用于配電系統(tǒng)。FZ型與FS型相比其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是間隙采用了并聯(lián)電阻，從而提高了工頻放電電壓。FZ型由一些結(jié)構(gòu)和性能都已標(biāo)準(zhǔn)化的單件所組成，這些單件分別適用于3、6、10、15、20和30kV的額定電壓。由它們組合可以適用于各種電壓等級(jí)，如FZ-110J型是由4個(gè)FZ-30串聯(lián)而成。磁吹避雷器主要有FCZ電站型和保護(hù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)用的FCD型兩種。選用避雷器時(shí)，應(yīng)使避雷器的額定電壓與安裝該避雷器的電力系統(tǒng)的電壓等級(jí)相同，并應(yīng)使避雷器的滅弧電壓大于安裝處工作母線上可能出現(xiàn)的最高工頻電壓。3/17/202356避雷器的參數(shù)1、滅弧電壓：是指保證避雷器在工頻續(xù)流第一次經(jīng)過零值時(shí)滅弧的條件下，允許加在避雷器上的最高工頻電壓。避雷器的滅弧電壓是按照避雷器安裝點(diǎn)可能出現(xiàn)的最大工頻電壓設(shè)計(jì)的。10kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中單相接地時(shí)健全相上電壓是最大工作線電壓的110%，所以避雷器的滅弧電壓的確定方式是：1.1x1.15UN=1.1x1.15x10=12.7kV35kV中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中單相接地時(shí)健全相上電壓是最大工作線電壓的100%，所以避雷器的滅弧電壓的確定方式是：1.0x1.15UN=1.0x1.15x35=40。25kV，取41kV。110kV及以上中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中單相接地時(shí)健全相上電壓是最大工作線電壓的80%，所以避雷器的滅弧電壓的確定方式是：0.8x1.15UN=0.8x1.15x110=101.2kV這種避雷器的型號(hào)為FCZ-110J。若中性點(diǎn)不接地，則采用100%避雷器，滅弧電壓為1.0x1.15UN=1.0x1.15x110=126.52kV，其型號(hào)為FCZ-110。3/17/2023572、工頻放電電壓：指工頻電壓作用下避雷器發(fā)生放電的電壓（有效）值，它表明間隙的絕緣強(qiáng)度。由于間隙擊穿的分散性，工頻放電電壓要規(guī)定上、下限。避雷器結(jié)鉤一定時(shí)，沖擊系數(shù)就一定。如果工頻放電電壓上限太高，沖擊放電電壓也會(huì)升高，這就意味著避雷器的保護(hù)性能差。工頻放電電壓下限與滅弧電壓存在一定比例關(guān)系：K=工頻放電電壓（下限）/滅弧電壓K稱為避雷器的切斷比。普通閥型避雷器的K約等于1.8，磁吹避雷器的K不大于1.5。切斷比越小，間隙滅弧能力越好。避雷器的工頻放電電壓下限應(yīng)高于系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的內(nèi)部過電壓，即普通閥型避雷器不允許在內(nèi)過電壓下動(dòng)作，因?yàn)閮?nèi)部過電壓作用時(shí)間長，閥片可能因熱容量不夠而損壞。對(duì)35kV及以下系統(tǒng)，操作過電壓通常不超過最大相電壓的3.5倍，所以工頻放電電壓下限取3.5倍最大相電壓。3/17/2023583、沖擊放電電壓：在沖擊電壓作用下避雷器的放電電壓幅值。由于放電的分散性，伏秒特性曲線實(shí)際為帶狀，因此，沖擊放電電壓常指其上限值，它應(yīng)與殘壓基本相等。4、殘壓：殘壓越低越好。避雷器的保護(hù)水平是指殘壓、標(biāo)準(zhǔn)雷電波（1.2/50us）下沖擊放電電壓和陡波（1200kV/us）沖擊放電電壓（除以系數(shù)1.15）三者中的最大值。它低于被保護(hù)設(shè)備的絕緣水平，并留有足夠的安全裕度才能起到保護(hù)作用。3/17/2023595、保護(hù)比：避雷器殘壓與滅弧電壓之比。保護(hù)比B越小越好，說明殘壓越低或滅弧電壓越高。FS型和FZ型，B=2.3-2.5，F(xiàn)CZ型B=1.7-1.8。保護(hù)比和切斷比都反映避雷器的保護(hù)性能，前者針對(duì)用戶而言，后者針對(duì)制造廠家而言意義更明確。6、直流泄漏電流：指在直流電壓作用下流過避雷器的電導(dǎo)電流，它反映了避雷器是否受潮，分路電阻有無斷裂、老化，以及串聯(lián)組合元件的非線性系數(shù)的相互差值，是檢測(cè)避雷器的主要參數(shù)之一。7、通流容量：指閥片通過電流的能力。避雷器中流過的電流一種是雷電流，另一種是工頻電流。所以對(duì)低溫閥片用通過20/40us、5kA的沖擊電流和100A的工頻半波電流各20次來考驗(yàn)；對(duì)高溫閥片用通過20/40us、10kA的沖擊電流和800-1000A、2000us方波電流各20次來考驗(yàn)。3/17/202360六、氧化鋅避雷器70年代初期出現(xiàn)了氧化鋅避雷器，其閥片以氧化鋅為主要材料，附以少量精選過的金屬氧化物，經(jīng)高溫焙燒而成。氧化鋅閥片具有很理想的非線性伏安特性，圖中假定ZnO、SiC電阻閥片在10kA電流下的殘壓相同，但在額定電壓（或滅弧電壓）下ZnO曲線對(duì)應(yīng)的電流一般在10-5A以下，可近似認(rèn)為續(xù)流為零，而SiC曲線所對(duì)應(yīng)的續(xù)流卻是100A左右。3/17/2023611、伏安特性ZnO的伏安特性可分為小電流區(qū)、非飽和區(qū)和飽和區(qū)。在1mA以下的區(qū)域?yàn)樾‰娏鲄^(qū)，非線性系數(shù)α較高，為0.2左右；電流在1mA到3kA范圍內(nèi)，通常為非線性區(qū)，其α值在0.02~0.05左右；電流大于3kA，一般進(jìn)入飽和區(qū)，這時(shí)電壓增加，電流增長不快。3/17/2023622、氧化鋅避雷器的優(yōu)點(diǎn)1）無間隙：在工作電壓下，氧化鋅閥片相當(dāng)于一個(gè)絕緣體，因而工作電壓不會(huì)使閥片燒壞，所以可以不用串聯(lián)間隙來隔離工作電壓。3/17/202363無間隙氧化鋅避雷器和串間隙氧化鋅避雷器

類型串間隙型無間隙型性能劣化只在串聯(lián)間隙動(dòng)作時(shí)才承受工作電壓的作用，很少劣化，壽命長長期承受工作電壓的作用，壽命短殘壓適當(dāng)提高荷電率，即減少閥片數(shù)，使殘壓降低比串聯(lián)間隙的殘壓低故障安全性不需要特殊的故障脫落裝置需要特殊的脫落裝置通流容量通流容量大，有暫態(tài)過電壓承受能力強(qiáng)的特點(diǎn)通流容量比串間隙的小，暫態(tài)過電壓是其致命弱點(diǎn)絕緣配合裕度絕緣配合裕度小，與復(fù)合絕緣自串配合難不存在與絕緣子串放電特性配合的問題放電特性分散性比無間隙大穩(wěn)定其它原則上有放電延時(shí)容易實(shí)現(xiàn)緊湊設(shè)計(jì)無放電延時(shí)3/17/2023642）無續(xù)流：在作用在氧化鋅避雷器上的電壓超過某一值時(shí)將導(dǎo)通，導(dǎo)通后在閥片上的殘壓與流過它的電流大小基本無關(guān)，為一定值；當(dāng)作用的電壓降到起始電壓以下時(shí)，閥片將終止“導(dǎo)通”，又相當(dāng)于一絕緣體，因此不存在工頻續(xù)流。。SiC避雷器在過電壓作用時(shí)要吸收過電壓的能量，還要吸收工頻續(xù)流的能量，而氧化鋅閥片只吸收過電壓能量，所以其對(duì)熱容量的要求小于前者。3/17/2023653）通流容量大：氧化鋅避雷器的通流容量大，耐操作波的能力強(qiáng)，故可用來限制內(nèi)部過電壓，也可使用于直流輸電系統(tǒng)。]4）降低電氣設(shè)備所受到的過電壓：雖然10kA雷電流下的殘壓值，氧化鋅避雷器與普通閥型避雷器相同，但后者只有在串聯(lián)間隙放電后才可將電流泄放，而前者在整個(gè)過電壓過程中都有電流流過，因此降低了