第3章防雷保護

第3章防雷保護1、防雷裝置的種類與作用2、電力設施和建筑物的防雷第1節(jié)防雷裝置的種類與作用1、過電壓及其分類2、雷電特性3、常用防雷裝置的種類和作用4、避雷針5、避雷器6、防雷接地1、過電壓及其分類概念：

在正常的情況時，電力系統(tǒng)電氣設備的絕緣處于額定電壓情況下。但是，由于雷擊和操作等原因，電力系統(tǒng)的某些部分的電壓可能升高，甚至會大大超過正常情況下的數(shù)值。這種對電氣設備絕緣造成危險的電壓升高，稱為過電壓1、大氣過電壓概念

由于雷云放電或雷電感應引起的過電壓稱為大氣過電壓，也叫雷電過電壓。它與電力系統(tǒng)本身運行情況無關，因而這種過電壓也稱為外部過電壓。2、內(nèi)部過電壓概念：

由于電力系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量的轉(zhuǎn)換或傳送引起的過電壓，稱為內(nèi)部過電壓。例如：斷路器分與合、線路斷線、斷路與接地等故障均會引起程度不同的過電壓。這種內(nèi)部過電壓的過電壓數(shù)值一般不是很大。2、雷電特性雷電作為之中無法抑制的強大的自然力的爆發(fā)，不僅威脅著人類的生命安全，而且常使電力、航空、通信、建筑等許多部門遭到破壞。所以，雷電現(xiàn)象極其防護問題的研究日趨迫切。雷電的形成雷電的原因很多，現(xiàn)象也比較復雜。大氣中的水蒸氣和地面的濕氣受熱上升，在空中不同冷、熱氣團相遇，凝結(jié)成水滴或冰晶，形成積云。積云運動，使電荷發(fā)生分離，亦即在上下氣流的強烈摩擦和撞擊下，形成帶正、負不同電荷的積云，也稱雷云。大氣過電壓的基本形式直接雷過電壓感應雷過電壓侵人波過電壓直接雷過電壓概念：雷云直接擊中房屋、桿塔、電力裝置等物體時，強大的雷電流流過該物體而泄人大地，在該物體上將產(chǎn)生很高的電壓降，稱為直接雷過電壓。采取的防雷措施：避雷針避雷線避雷帶避雷網(wǎng)感應雷過電壓概念：當雷擊設備或架空線路附近地面時，在設備或?qū)Ь€上由于靜電感應和電磁感應而產(chǎn)生的過電壓，稱為感應雷過電壓。侵人波過電壓由于架空線路或架空金屬管道上遭受直接雷或感應雷而產(chǎn)生的高壓沖擊雷電荷，可能沿線路或管道侵入室內(nèi)。據(jù)統(tǒng)計，在電力系統(tǒng)中，由于雷電波侵人而造成的雷害事故，約占雷害總數(shù)的一半以上雷電參數(shù)為了統(tǒng)計雷電活動頻繁度，我們采用雷暴日為單位，在一天內(nèi)只要聽到雷聲就算一個雷暴日。全年雷暴日的總和叫年雷暴日我國把每年平均雷暴日不超過15日的地區(qū)叫少雷區(qū)，超過40日的叫多雷區(qū)，超過90日的叫強雷區(qū)。根據(jù)資料統(tǒng)計，廣東省雷州半島和海南島一帶是雷電活動最頻繁地區(qū)，年平均雷暴日高達100～130日；廣東、廣西、云南等省部分地區(qū)雷暴日約在80日以上；長江流域以南地區(qū)雷暴日約40～80日；長江以北大部分地區(qū)雷暴日約20～40日；西北地區(qū)雷暴日約20日以下。雷電流的幅值、波形雷電流的幅值是一個隨機變量，只有通過大量實測才能正確估計其概率分布規(guī)律雷電流的幅值隨氣象條件相差很大，但測得的雷電流波形卻基本是一致的，雷電流波形具有沖擊特性常用防雷裝置的種類和作用防雷工作包括電氣設備的防雷和建（構）筑物的防雷兩大內(nèi)容。電氣設備的防雷主要包括發(fā)電廠、變配電所和架空電力線路的防雷；建（構）筑物的防雷則分工業(yè)和民間兩大類，它們按危險程度和設施的重要性又可分成三種類型。防雷的種類 * FootnoteSource: Source防雷工作電氣設備的防雷發(fā)電廠變配電所架空線路建筑物的防雷工業(yè)民間各種防雷裝置的作用（1）避雷針。利用尖端放電原理，使其保護范圍內(nèi)所有電氣設備或建筑物免遭直擊雷的破壞。（2）避雷線。避雷線主要用來保護輸電線路。線路上的避雷線稱架空地線。（3）避雷器。它可進一步防止沿線侵人變電所（或發(fā)電廠）的雷電侵人波對電氣設備的破壞，把雷電侵人波限制在避雷器殘壓值范圍內(nèi)，從而使變壓器及其他電氣設備可免受過電壓的危害。（4）避雷帶。沿建筑物屋頂四周易受雷擊部位明設的作為防雷保護用的金屬帶作為接閃器、沿外墻作弓；下線和接地網(wǎng)相連的裝置稱為避雷帶。多用在民用建筑特別是山區(qū)。由于雷擊選擇性較強（可能從側(cè)面橫向發(fā)展對建筑物放電），故使用避雷帶（網(wǎng)）的保護性能比避雷針的要好。（5）避雷網(wǎng)。分為明裝避雷網(wǎng)和籠式避雷同兩大類。沿建筑物屋頂上部明裝金屬網(wǎng)格作為接閃器，沿外墻裝引下線接到接地裝置上，稱為明裝避雷網(wǎng)。一般建筑物中常采用這種方法。而把整個建筑物中的鋼筋結(jié)構連成一體，構成一個大型金屬同籠，稱為籠式避雷器避雷針

避雷針是由接問器（針尖），接地引線和接地裝置三部分組成。避雷針就其本質(zhì)功能而言，并不是避雷，相反卻是招雷或引雷。它是利用高聳空間的有利位置，當附近空中有雷電放射時，便不斷地把雷電引向自身并將雷電流迅速地泄人大地消散，從而防止避雷針保護范圍內(nèi)的建（構）筑物或電氣設備遭受直擊雷的破壞。單支避雷針保護范圍單支避雷針保護范圍，像一個由它所支撐的錐形“帳篷”，當避雷針的高度為h時，“帳篷”的上半部空間為從針頂向下作45度的斜線，在距地面h／2處轉(zhuǎn)折，與地面上距針底1.

5h處的連線構成保護空間的下部，如圖所示。避雷針在地面上的保護半徑按下式計算：r=1.5h式中r-保護半徑,mh-避雷針的高度,m在被保護高度hx，水平面上的保護半徑應按下式確定：hx大于等于h/2時r=（h-h0）p=haphx小于h/2時r=（1.5h-2hx）p式中rx-避雷針在hx水平面上的保護半徑，mHx-被保護物的高度，mha-避雷針的有效高度，mP-高度影響系數(shù)，h小于等于30m時，p=1；30<h<120m時，p=5.5hh〉30m，rx需要乘以p，p<1。

兩支等高避雷針的保護范圍多支等高避雷針的保護范圍三支等高避雷針所形成的三角形外側(cè)保護范圍，應分別按兩支等高避雷針的計算方法確定。若可使三角形內(nèi)被保護物的最大高度hx水平面上，各相鄰避雷針間保護范圍一側(cè)的最小寬度bx＞0時，全部面積即能夠受到保護。四支和超過四支等高避雷針所形成的四角形或多角形，可先將其分成兩個或幾個三角形，然后分別按三支等高避雷針的方法計算。避雷器避雷針能保護發(fā)電廠、變電所的設備不遭受直接雷擊，但電氣設備還可能受到沿輸電線路傳播來的侵入波的威脅。這時，我們應采用避雷器限制過電壓以保護電氣設備。避雷器是用來限制過電壓、保護電氣設備絕緣的電器。通常將它接于導線和地之間，與被保護設備并聯(lián)

避雷器實現(xiàn)良好的保護應滿足的基本要求應具有良好的伏秒特性，以利于實現(xiàn)絕緣配合。應有較強的絕緣自恢復能力，以利于在過電壓作用過去以后，能迅速切斷在工頻電壓作用下的工頻續(xù)流電弧，使系統(tǒng)恢復正常運行，避免供電中斷。避雷器的類型保護間隙管型避雷器閥型避雷器氧化鋅避雷器保護間隙

保護間隙由兩個電極組成，常用的角型保護間隙如圖所示。保護間隙與被保護設備并聯(lián)于線路上，為了是被保護設備得到可靠保護，間隙的伏秒特性上限應低于被保護設備絕緣沖擊放電伏秒特性的下限，并有一定的安全裕度。管型避雷器管型避雷器實質(zhì)上是一種具有高熄弧能力的保護間隙，當大氣過電壓波傳來，達到避雷器沖擊放電電壓時，使內(nèi)、外間隙擊穿，工作母線接地，避免了被保護設備上的電壓升高，從而保護了設備絕緣。當過電壓消失后，間隙中仍有由工作電壓所產(chǎn)生的工頻續(xù)流。工頻續(xù)流電弧的高溫使產(chǎn)氣管內(nèi)產(chǎn)氣材料分解出大量氣體，管內(nèi)壓力急劇升高。氣體在高溫壓力作用下由噴氣口噴出，形成強烈的“縱吹”作用，從而使電弧在工頻續(xù)流過零時熄滅，使電網(wǎng)恢復到正常運行狀態(tài)。

管型避雷器的缺點伏秒特性較陡且放電分散性較大，而一般變壓器或其他電氣設備絕緣的沖擊放電伏秒特性較平，二者不能很好地配合；管型避雷器動作以后工作母線直接接地形成電壓截波，對變壓器絕緣有損害；管型避雷器放電特性受到大氣條件影響較大。因此，管型避雷器目前只適用于發(fā)電廠、變電所的進線段保護以及輸電線路絕緣弱點的保護，如大跨距和交叉擋距處。管型避雷器的安裝要求串聯(lián)一個空氣間隙（即外間隙），并要保證外間隙穩(wěn)定不變。同時裝設簡單可靠的動作指示器安裝時應注意，避免避雷器動作時排出的氣體相交，引起相間短路。為了防止管內(nèi)積水，管型避雷器應開口向下，且宜垂直安裝或傾斜安裝（與水平線夾角不小于15”），在污穢地區(qū)則應增大傾斜角度。額定電壓10kV及以下的管型避雷器，為了防止雨水造成短路，其外間隙的電極切不可垂直布置。閥型避雷器閥型避雷器與管型避雷器相比，在保護性能上有重大改進。它具有較平的伏秒特性和較強的滅弧能力，可避免截波的發(fā)生，在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應用。閥型避雷器主要由瓷套、火花間隙和非線性電阻組成。其中，瓷套是絕緣，起支撐和密封作用；火花間隙是由多個間隙串聯(lián)而成，每個火花間隙由兩個黃銅電極和一個云母墊圈組成，非線性電阻（閥片電阻）呈餅狀，它由金剛”砂（SIC）顆粒燒結(jié)而成。閥片電阻值與流過的電流有關，電流越大，電阻越小；反之，電流越小，電阻越大?；鸹ㄩg隙和非線性電阻組裝在套管中做成避雷器的標準單元，然后再組合成各種電壓等級的避雷器以供電力防雷使用閥型避雷器的工作原理將不會很高，使其低于被保護設備的沖擊耐壓值，設備得到保護。當過電壓消失后，間隙中由工作電壓產(chǎn)生的工頻續(xù)流仍將繼續(xù)流過避雷器，此續(xù)流由于受閥片電阻的限制遠較沖擊電流為小。故閥片電阻變得很大，從而進一步限制了工頻續(xù)流的數(shù)值。使間隙能在工頻續(xù)流第一次經(jīng)過零值時就將電弧切斷，電網(wǎng)恢復正常運行。普通閥型避雷器FS系列主要用于保護小容量的配電裝置，如配電變壓器，電纜頭，柱上開關等。有Fr3；Fe6；FS－－10三種型號，分別用于3kV、6kV和10kV三個電壓等級。FZ系列主要用于保護發(fā)電廠和變電所的變壓器和電氣設備，額定電壓等級為3～220kV。磁吹避雷器進一步提高閥型避雷器的保護能力，在普通閥型避雷器的基礎上，發(fā)展了一種磁吹避雷器。磁吹避雷器的基本原理和結(jié)構與普通閥型避雷器相同，其主要區(qū)別在于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溫閥片電阻，因而具有更高的滅弧性能和通流能力，除用以限制雷電過電壓以外，還可用來限制電力系統(tǒng)的內(nèi)部．過電壓。閥型避雷器的電氣特性對各類問型避雷器的主要電氣參數(shù)的意義和選用說明如下：（1）額定電壓。指正常工作時加在避雷器上的工頻電壓。避雷器的額定電壓應與避雷器安裝地點電力系統(tǒng)的額定電壓等級相同。（2）滅弧電壓。指保證避雷器能夠在工頻續(xù)流第一次過零時滅弧的條件下，允許加在避雷器上的最高工頻電壓。滅弧電壓應當大于避雷器工作母線上可能出現(xiàn)的最高工頻電壓，否則避雷器可能因為不能滅弧而爆炸。（3）工頻放電電壓。指在工頻電壓作用下，避雷器將發(fā)生放電的電壓值，是說明避雷器火花間隙的絕緣強度的指標。普通避雷器在內(nèi)過電壓下不允許動作，因此通常規(guī)定其工頻放電電壓的下限應不低于該系統(tǒng)可能出現(xiàn)的內(nèi)過電壓值。。（4）沖擊放電電壓。指在沖擊電壓作用下避雷器放電的電壓值（幅值），通常給一出的是上限值。避雷器的伏秒特性應當?shù)陀诒槐Ｗo設備絕緣的沖擊擊穿電壓的伏秒特性，才能起到保護作用。（5）殘壓。指雷電流通過避雷器時在鬧片上產(chǎn)生的電壓降。由問型避雷器的保護原理可知，避雷器放電以后就相當于以殘壓突然作用在被保護設備上，由此避雷器的殘壓愈低保護性能愈好。根據(jù)分析及實際統(tǒng)計，現(xiàn)行標準規(guī)定：通過避雷器的額定雷電沖擊電流，220kV及以下系統(tǒng)取skA；330kV及以上的超高壓系統(tǒng)取10hA／因此，避雷器上的殘壓都是以上述電流作用下的壓降為標準。該電流下的殘壓也作為各類電網(wǎng)防雷設計和絕緣配合的依據(jù)。＿（6）保護比。指避雷器的殘壓與滅弧電壓之比。保護比愈小，說明殘壓愈低或滅：弧電壓愈高，因而保護性能愈好。氧化鋅避雷器氧化鋅避雷器（簡稱MOA）是一種新型的避雷器。這種避雷器的閥片以氧化鋅（ZnO）為主要原料，附以少量能產(chǎn)生非線性特征的金屬氧化物，經(jīng)高溫熔燒而成。氧化鋅閥片具有很理想的伏安特性，其非線性系數(shù)很小，一般為0．01～0．04，當作用在氧化鋅閥片上的電壓超過某一值（此值稱為動作電壓）時，閥片將發(fā)生“導通”?！皩ā焙笱趸\閥片上的殘壓與流過它的電流基本無關，為一定值。在工作電壓下，流經(jīng)氧化鋅閥片的電流很小，僅為1mA，不會便氧化鋅購片燒壞，囚此氧化避雷器不用串聯(lián)間隙來隔離工作電壓。MOA優(yōu)點（1）無間隙（2）無續(xù)流（3）流通容量大（4）性能穩(wěn)定（5）適于大批量生產(chǎn)，造價低廉防雷接地1．接地與接地電阻為降低雷電流通過時在避雷針（線）或避雷器上產(chǎn)生的過電壓，保證輸配電系統(tǒng)的正常運行和人身安全