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1、第八章 雷电及防雷装置,雷电放电所产生的雷电流高达数十、甚至数百千安，从而会引起巨大的电磁效应、机械效应和热效应。从电力工程的角度来看，最值得我们注意的两个方面是：1、雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压（或大气过电压），它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一；2、雷电放电所产生的巨大电流，有可能使被击物体炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损坏。,在电力系统中，高压架空输电线路纵横交错，广泛分布在广阔的地面上，更容易遭受雷击，以致破坏电气设备引起停电事故，给国民经济和人民生活带来严重损失。为了计算研究雷电过电压和采取合理的防雷措施，必须掌握雷电参数。人们对雷电进行了长期的
2、观测，积累了不少有关雷电的资料，将获得的数据进行统计分析，供防雷工程应用。,第一节 雷电及其参数,雷电放电就其物理本质而言，属于一种特长气隙的火花放电。雷电放电包括雷云对大地、雷云对雷云和雷云内部的放电现象。大多数雷电放电是在雷云与雷云之间进行的，只是少数是对地进行的。雷云对大地的放电是造成输电线路雷害事故的主要因素。雷电的极性是按照从雷云流入大地的电荷极性决定的。广泛的实测表明，90%左右是负极性雷雷电放电的过程：先导放电、主放电、余光放电,一、雷电放电过程,先导放电 分级跳跃发展；（18）105m/s主放电 速度：1.5 107m/s 1.5108m/s 时间：50100s 电流：几万至几
3、十万安培 温度：2 104以上余光放电 雷云相邻电荷中心间电位发生剧烈变化，沿着已有的主放电通道对地放电。,二、雷电参数,负极性雷电所形成的各次雷击电流和正极性雷电流都具有脉冲波形。描述脉冲波形的主要参数有三个：峰值、波前时间和半峰值时间。雷电流的陡度是指其波前随是上升的变化率，峰值和陡度都是影响雷电过电压的直接因素。,雷电流i为一非周期冲击波，它与气象、地质条件和地理位置有关，是一个随机变量。,峰值,根据我国长期实测所累积的大量数据，并参考了国外的资料，对一般地区，规程建议按下式计算雷电流的累积概率,其中：P为峰值超过IL的雷电流出现的概率，IL为雷电流的峰值。如：幅值大于88kA的雷电流出
4、现的概率P约为10%。,陕南以外的西北地区，内蒙古自治区的部分地区（平均雷暴日数一般在20及以下）雷电流峰值较小，所以,雷电流波形,雷电流的波前时间在15s范围内，平均为22.5 s，规程推荐取2.6 s。,雷电流半峰值时间在20100s范围内，平均为50 s，超过50s的概率只有18%30%。,据统计分析，雷电流的陡度与峰值的相关系数为0.60.64，说明两者密切相关，规程按下式计算雷电流的平均陡度：,电气设备的雷电冲击试验和防雷设计要求将雷电波的波形等值为可用公式表示的典型波形。常用的雷电流等值波形有双指数波、斜角波和半余弦波。,双指数波,双指数波为雷电流的标准波形，是与实际雷电流波形最接
5、近的等值波形，其表达式为,斜角波,为简化防雷计算，常采用斜角波，其波前陡度由雷电流峰值和波前时间决定，斜角波的波尾可以是无限长或有限长。规程建议在一般线路防雷设计中可采用斜角波。,半余弦波,对雷电波的波前来说，较近似的波形是半余弦波，其表达式为,在大跨越、特殊高塔线路防雷设计时采用半余弦波。,三、雷暴日与雷暴小时,一个地区雷电活动的频繁程度通常以该地区多年统计得到的年平均雷暴日数或雷暴小时数来表示。雷暴日是一年中有雷电的日数。雷暴小时是一年中有雷电的小时数。海南岛和雷州半岛：100133；长江流域和华北：4080；长江以北：4020；西北：20以下。据统计，我国大部分地区1个雷暴日约折合3个雷
6、暴小时。,四、地面落雷密度和输电线路落雷次数,地面落雷密度,地面落雷密度是指每一雷暴日每平方千米地面遭受雷击的次数，以表示。与雷暴日有关，用下式表示,为了评价不同地区防雷系统的防雷性能，须将它们换算到同样的雷电频度条件下进行比较。规程取40个雷暴日作为基准。,输电线路落雷次数,对于输电线路，由于高出地面，有引雷作用，其吸引范围与最容易受雷击的导线高度有关，根据模拟试验和运行经验，一般高度线路的等值受雷面的宽度为4h+b。设N为每100km线路每年遭受雷击的次数，则N可按下式计算,对于Td=40，得=0.07，上式可简化为,第二节 避雷针、避雷线的保护范围,对直击雷的防护措施通常是装设避雷针或避
7、雷线。避雷针（线）高于被保护的物体，其作用是吸引雷电击于自身，并将雷电流迅速泄如大地，从而使避雷针（线）附近的物体得到保护。,对直击雷的防护措施通常是装设避雷针或避雷线。避雷针（线）高于被保护的物体，其作用是吸引雷电击于自身，并将雷电流迅速泄如大地，从而使避雷针（线）附近的物体得到保护。,在先导放电自雷云向下发展的初始阶段，先导头部离地面较高，放电的发展方向不受地面物体的影响。因避雷针（线）较高且有良好的接地，在其顶端因静电感应而积聚了与先导通道中电荷极性相反的电荷，使其附近空间电场显著增强。当先导头部发展到距地面某一高度时，该电场即开始影响先导头部附近的电场，使其向避雷针（线）定向发展。随着
8、先导通道的定向延伸，避雷针（线）顶端的电场将大大增强，有可能产生自避雷针（线）向上发展的迎面先导，再增强了避雷针（线）的引雷作用。,避雷针（线）的保护范围由模拟试验确定，它只有相对的意义，不能认为在保护范围内的物体就完全不受雷直击，在保护范围外的物体就完全不受保护。,一、折线法,单支避雷针,在高度为hx的水平面上，其保护半径rx可按下式计算,式中：h为避雷针高度；hx为被保护物体的高度；p为高度影响系数：,双支等高避雷针,两针间的保护范围可通过两针顶点及保护范围上部边缘的最低点o的圆弧来确定，o点的高度h0按下式计算,在o-o截面上，高度为hx的平面保护范围一侧宽度bx按下式计算,多支等高避雷
9、针,三支针的安装地点1、2、3形成的三角形的外侧保护范围分别按两支等高针的方法确定，如果在三角形内被保护物最大高度hx的水平面上各相邻避雷针保护范围的外侧宽度，则曲线所围的平面全部得到保护。,避雷线（架空地线）的保护范围,单根避雷线的保护范围,两根等高平行避雷线的联合保护范围,O点的高度按下式计算,保护角,避雷线一般用于输电线路的直击雷保护，常用保护角的大小来表示其对导线的保护程度。保护角是指避雷线和边相导线的连线与经过避雷线的垂直线之间的夹角。,保护角越小，导线就越处在保护范围的内部，保护也越可靠。2030即可认为导线处于避雷线的保护范围内500kV线路：1015220330kV线路：20,
10、二、滚球法（自学）,第三节 避雷器,一、避雷器的保护原理二、对避雷器的基本要求三、保护间隙四、管形避雷器五、阀形避雷器,一、避雷器的保护原理,图4-14 避雷器保护作用原理示意图1避雷器；2被保护设备,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限压器。避雷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。,二、对避雷器的基本要求,具有较强的绝缘自恢复能力 具有平直的伏秒特性曲线 具有一定通流容量，且其残压应低于被保护物的冲击耐压
11、。,三、避雷器的分类,避雷器的分类：保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器、氧化锌避雷器等。保护间隙主要用于配电系统、线路和发电厂变电所的进线段保护，主要用于限制大气过电压。阀型避雷器用于变电所和发电厂内的保护，220kV以下主要用来限制大气过电压；超高压系统中还用来限制内部过电压。,1、保护间隙,优点：结构简单；造价低。缺点：放电分散性大；伏秒特性曲线较陡；灭弧能力差。常与自动重合闸装置配合使用。,图4-16 角形保护间隙1主间隙；2辅助间隙；3绝缘子；4电弧,2、管形避雷器,缺点：放电分散性大；伏秒特性曲线较陡；动作后会产生截波。优点：灭弧能力较保护间隙强。熄弧能力与工频续流大小有关。管型避雷器
12、有切断工频续流上下限的规定。只用于输电线路个别地段的保护和进线段保护。,图4-17 管型避雷器1产气管；2棒形电极；3环形电极；S1内间隙；S2外间隙；,3、阀形避雷器,由火花间隙和非线性电阻（阀片）组成。阀片电阻值与流过电流有关，具有非线性特性，电流越大电阻越小。优点：伏秒特性曲线较平，放电分散性较小，能与被保护设备很好的配合；熄弧能力强。,图4-18 阀型避雷器原理示意图1间隙；2阀片电阻,4、氧化锌避雷器,金属氧化物避雷器（Metal Oxide Surge Arresters，简写为MOA）MOA 的主要元件是金属氧化物非线性电阻片（Metal Oxide Varistors简写为MO
13、V）MOV的主要成份是氧化锌（ZnO），俗称MOV为氧化锌阀片，MOA为氧化锌避雷器,根据作用电场强度的大小可分为三个区域,ZnO阀片的非线性UI 特性,氧化锌避雷器的基本工作原理,氧化锌避雷器（MOA）是将相应数量的氧化锌电阻片（MOV）密封在瓷套或其他绝缘体内而组成,氧化锌无间隙避雷器的优良性能,保护性能优越，正常工作电压下流过阀片的电流只有几十微安，可做成无间隙。无续流，结构简单，耐重复动作能力强。通流容量大，比SiC阀片大44.5倍，吸收过电压能量的能力强。体积小，重量轻，结构简单，运行维护方便，使用寿命长。适应多种特殊需要。适宜于大批量生产，造价低。正逐步取代SiC避雷器。,避雷器应
14、用于室内变电站入口处,一、接地和接地电阻,接地定义：将地面上的金属物体或电气回路的某一节点通过导体与大地相连，使该物体或节点与大地保持等电位。接地的类型：保护接地，工作接地，防雷接地。接地电阻：把接地点处的电位UM与接地电流I的比值定义为接地电阻R。,图4-30 接地装置原理图UM接地点电位；I接地电流；Uj接触电压；Uk跨步电压,第四节 接地装置,1、保护接地,所谓保护接地，就是将电气设备在故障情况下可能出现危险对地电压的金属部分（如外壳等）用导线与大地做电气连接。减小接地电阻或改进接地装置的结构形状可以降低接触电压和跨步电压。,2、工作接地,工作接地是根据电力系统正常运行方式的需要而采取的接地方式。比如：发电机跟变压器中性点的接地。在电力系统对地短路时，为使流过接地网的短路电流I在接地网上造成的电压IR不致太大，在中性点直接接地的系统中要求：IR2000V,3、防雷接地,防雷接地是针对防雷保护的要求而设置的，目的是减小雷电流通过接地装置时的电位升高。输电线路的防雷接地 发电厂和变电所的防雷接地同一接地装置在幅值甚高的冲击电流作用下，其接地电阻要小于工频电流下的数值。这种效应称为火花效应。,
