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1、第3章防雷保护,3防雷装置的种类和作用3电力设施和建筑物的防雷3防雷装置的安装与维护思考题,3防雷装置的种类和作用,31 防雷装置的种类与作用311 过电压及其分类在正常运行时，电力系统电气设备的绝缘处于额定电压作用下。但是，由于雷击和操作等原因，电力系统中某些部分的电压可能升高至大大超过正常状态下的数值。概念：对电气设备绝缘造成危险的电压升高，称为过电压。类型：大气过电压内部过电压,3防雷装置的种类和作用,3111大气过电压（雷电过电压、外部过电压）概念：由于雷云放电或雷电感应引起的过电压，称为大气过电压,又称为雷电过电压。特点：它与电力系统本身运行情况无关，幅值很大。3112内部过电压 概
2、念：由于电力系统内部电磁能量的转换或传送引起的过电压，称为内部过电压。例如：断路器分与合、负荷剧变、线路断线、短路与接地等故障引起的过电压。特点：它与电力系统本身运行情况有关，幅值一般不是很大。,3防雷装置的种类和作用,312 雷电特性3121雷电的形成形成积云大气中的水蒸气和地面的湿气受热上升，在空中不同冷、热气团相遇，凝结成水滴或冰晶，形成积云。形成雷云积云运动，使电荷发生分离，亦即在上下气流的强烈摩擦和撞击下，形成带正、负不同电荷的积云，也即雷云。,3防雷装置的种类和作用,3121雷电的形成静电感应由于静电感应，带电的雷云临近地面时，对大地或电气设备将感应出与雷云极性相反的电荷，二者之间
3、形成了一个巨大的“电容器”。先导放电雷云中电荷积聚到足够数量时，电场强度达到2530kVcm时，就会使正、负雷云之间或雷云与大地之间的空气绝缘击穿，而发出先导放电。主放电当先导放电到达另一雷云或大地时，就产生强烈的“中和”作用，出现强大的电流，其值可达数十至数百千安。该电流称为雷电流，这一过程称为主放电过程。,3防雷装置的种类和作用,3121雷电的形成主放电主放电的温度可达20000，使周围的空气猛烈膨胀，并出现耀眼的光亮和巨响，称为雷电。主放电到达云端就已结束。余光放电云中的残余电荷，经主放电通道下来与地上的电荷中和，称为余光放电过程。余光阶段的电流不大，但持续时间较长。,3防雷装置的种类和
4、作用,3121雷电的形成后续冲击同一雷云中可能同时存在几个电荷堆积中心，当第一个电荷中心的放电完成后，可能引起第二个、第三个中心向第一个通道放电，雷击总的持续时间一般不超过0.5s。,3防雷装置的种类和作用,3122大气过电压的基本形式 直接雷过电压、感应雷过电压、侵入波过电压(1)直接雷过电压 概念：雷云直接击中房屋、杆塔、电力装置等物体时，强大的雷电流流过该物体而泄入大地，在该物体上将产生很高的电压降，称为直接雷过电压。防护措施：避雷针、避雷线、避雷带或避雷网(2)感应雷过电压 概念：当雷击设备或架空线路附近地面时，在设备或导线上由于静电感应和电磁感应而产生的过电压，称为感应雷过电压（图3
5、-2）。,3防雷装置的种类和作用,3122大气过电压的基本形式(2)感应雷过电压,3防雷装置的种类和作用,3122大气过电压的基本形式(2)感应雷过电压,在主放电前，先导通道的密集电荷在线路上感应出大量的、极性相反的束缚电荷。主放电开始后，先导中的电荷被迅速中和。线路上的原束缚电荷骤然成为自由电荷，向导线的两侧移动而形成强大的电流，在导线上形成的电压的幅值高达300500kV。感应过电压对35kV及以下绝缘是危险的，应采取措施加以防护。感应过电压对110kV及以上的绝缘没有危险的，因为其绝缘的冲击耐压水平高于500KV。,3防雷装置的种类和作用,3122大气过电压的基本形式,(3)侵入波过电压
6、概念：指由于架空线路或架空金属管道上遭受直接雷或感应雷而产生的高压冲击雷电荷，可能沿线路或管道侵入室内。323 雷电参数(1)雷暴日雷暴日：在一天内只要听到雷声就算一个雷暴日，用来统计雷电活动频繁度。年雷暴日：全年雷暴日的总和少雷区年平均雷暴日不超过15日的地区多雷区年平均雷暴日超过40日的地区强雷区年平均雷暴日超过90日的地区我国年雷暴日分布规律为从南到北由强到弱。,3防雷装置的种类和作用,323 雷电参数(2)雷电流的幅值特点：雷电流的幅值是一个随机变量，只有通过大量实测才能正确估计其概率分布规律。雷电流的幅值概率分布曲线雷电流的幅值计算：,式中 P雷电流超过I（KA）的概率,3防雷装置的
7、种类和作用,323 雷电参数(3)雷电流的波形 雷电流的幅值随气象条件相差很大，但雷电流的波形却基本一致。雷电的极性有正右负，根据实测结果，负雷约占85左右。特点：具有冲击特性波长值大致在40s左右波头长度大致在l4s范围内波头波形可取半余旋弦波形或斜角波形,3防雷装置的种类和作用,313 常用防雷装置的种类和作用 防雷工作：电气设备防雷发电厂、变配电所和架空电力线路的防雷；建筑物防雷工业和民间 防雷装置的构成：接闪器、引下线和接地装置。避雷针、线、网、带都只是接闪器。除避雷器外，它们都是利用其高出被保护物的突出地位，把雷电引向自身，然后通过引下线和接地装置把雷电流泄人大地，使被保护物免受雷击
8、。,3防雷装置的种类和作用,313 常用防雷装置的种类和作用(1)避雷针 利用尖端放电原理，使其保护范围内所有电气设备或建筑物免遭直击雷的破坏。(2)避雷线（架空地线）避雷线主要用来保护输电线路。(3)避雷器 用来纺织防止沿线侵入变电所(或发电厂)的雷电侵入波对电气设备的破坏，把雷电侵入波限制在避雷器残压值范围内，从而使变压器及其他电气设备可免受过电压的危害。,3防雷装置的种类和作用,313 常用防雷装置的种类和作用(4)避雷带 接闪器沿建筑物屋顶四周易受雷击部位明设的作为防雷保护用的金属带 引下线沿外墙作引下线 接地装置接地网 多用在民用建筑特别是山区。使用避雷带(网)的保护性能比避雷针的要
9、好。,3防雷装置的种类和作用,313 常用防雷装置的种类和作用(5)避雷网 明装避雷网沿建筑物屋顶上部明装金属网格作为接闪器，沿外墙装引下线接到接地装置上。一般建筑物中常采用这种方法。笼式避雷网把整个建筑物中的钢筋结构连成一体，构成一个大型金属网笼。包括：全部明装避雷网、全部暗装避雷网、部分明装避雷网部分暗装避雷网等几种。应用：高层建筑中结构中钢筋较多，把它们从上到下与室内的上下水管、热力管道、煤气管道、电气管道、电气设备及变压器中性点等均连接起来，形成一个等电位的整体，（笼式暗装避雷网）,3防雷装置的种类和作用,314 避雷针 组成：接闪器(针尖)，接地引下线、接地装置 原理：本质上不是避雷
10、，而是招雷或引雷。利用高耸空间的有利位置，当附近空中有雷电放射时，便不断地把雷电引向自身并将雷电流迅速地泄入大地消散，从而防止避雷针保护范围内的建(构)筑物或电气设备遭受直击雷的破坏。,3防雷装置的种类和作用,314 避雷针3141 单支避雷针保护范围 单支避雷针保护范围像一个由它所支撑的锥形“帐篷”：当避雷针的高度为h时，“帐篷”的上半部空间为从针顶向下作450的斜线；在距地面h2处转折，与地面上距针底1.5h处的连线构成保护空间的下部。,当针高超过30m时，其保护范围不再随针高成正比增加。因此通常采用多支(等高或不等高)避雷针。,3防雷装置的种类和作用,314 避雷针3142 两支等高避雷
11、针的保护范围 两支等高避雷针的保护范围如图所示：,bx位于两针连线的中点，已知后，则在平面上可得到(D/2,bx)，由这点至半径rx的圆作切线便可得到保护范围。保护变配电装置用的避雷针，两针间距离与针高之比D/h不宜大于5，保护第一类工业建筑物时，D/h不宜大于4，否则太小。,313 常用防雷装置的种类和作用 3143 多支等高避雷针的保护范围 三支等高避雷针 三角形外侧保护范围，应分别按两支等高避雷针的计算方法确定。若可使三角形内被保护物的最大高度hx水平面上，各相邻避雷针间保护范围一侧的最小宽度bx0时，全部面积即能够受到保护。四支和超过四支等高避雷针 先将其分成两个或几个三角形，然后分别
12、按三支等高避雷针的方法计算。,315 避雷器 避雷器用来防止沿输电线路传送过来的雷击波过电压对保护电气设备的破坏。安装布置：将它接于导线和地之间，与被保护设备并联。,原理：在正常情况下，避雷器中无电流流过。线路上传来危及被保护设备绝缘的过电压波时，避雷器立即动作，使雷电波电荷泄入大地，将过电压限制在一定的水平。当电压作用过去以后，避雷器又能自动切断工频续流，使电力系统恢复正常工作。,315 避雷器,避雷器应满足两个基本要求：(1)应具有良好的伏秒特性，以利于实现绝缘配合。要求：当过电压超过一定限值时，避雷器才能首先放电，将导线直接或经电阻接地，从而限制了过电压。A、避雷器的伏秒特性形状平直 B
13、、其上限完全低于电气设备伏秒特性的下限值、两者之间还应有一定的安全裕度。否则：如果伏秒特性过低，甚至低于电气设备上可能出现的最高工频电压，就会使避雷器发生误动作，无法起到应有的保护作用。(2)应有较强的绝缘自恢复能力，以利于在过电压作用过去以后，能迅速切断在工频电压作用下的工频续流电弧，使系统恢复正常运行，避免供电中断。避雷器的主要类型：保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器、氧化锌避雷器等。,315 避雷器,3151 保护间隙 保护间隙与被保护设备并联于线路上。,315 避雷器,工作原理：当雷电波侵入时，间隙首先击穿放电，使工作线路接地，避免了被保护物上电压升高，从而保护了设备。过电压之后，由于间
14、隙处于击穿导通状态，间隙中仍有由工作电压所产生的工频续流。工频续流电弧拉长而熄灭后，系统才恢复正常工作。闸装置配合使用，以提高供电的可靠性。,缺点：A、保护间隙的熄弧能力较差，不能可靠熄弧，会引起断路器的跳闸；B、保护间隙间为极不均匀电场，伏秒特性较陡，不易与被保护物配合；C、间隙动作后工作线路直接接地，会形成“截波”，危及设备的纵绝缘。,315 避雷器,目前只有在缺乏避雷器酌情况下才采用保护间隙，并与自动重合闸装置配合使用，以提高供电的可靠性。,315 避雷器,152管型避雷器管型避雷器是一种具有高熄弧能力的保护间隙，其原理结构如图所示。,315 避雷器,原理：在正常情况下，避雷器通过内间隙
15、s1、外间隙s2使电网与大地隔开。当大气过电压波传来，达到避雷器冲击放电电压时，使内、外间隙击穿，工作母线接地，避免了被保护设备上的电压升高，从而保护了设备绝缘。当过电压消失后，间隙中仍有由工作电压所产生的工频续流。,工频续流电弧的高温使产气管内产气材料分解出大量气体，管内压力急剧升高。气体在高温压力作用下由喷气口喷出，形成强烈的“纵吹”作用，从而使电弧在工频续流过零时熄灭，使电网恢复到正常运行状态。,315 避雷器,管型避雷器的灭弧电流有上、下限 续流太小时，由于产气太少，避雷器将不能灭弧；续流过大时，则产气太多，若超过灭弧管的机械强度，将会使其破裂或爆炸。GXW35l一5型管型避雷器型号含
16、义：额定电压为35kV，可切断的续流最大为5kA(有效值)，最小为lkA(有效值)。使用注意事项：应根据管型避雷器安装地点运行条件，使单相接地短路电流在灭弧电流的上、下限范围之内。多次动作后的管型避雷器，由于灭弧管内径扩大、产气量逐渐降低。当其内径增加到原来的120一125时就不能再继续使用。,315 避雷器,管型避雷器的主要缺点：A、伏秒特性较陡且放电分散性较大，而一般变压器或其他电气设备绝缘的冲击放电伏秒特性较平，二者不能很好地配合；B、管型避雷器动作以后工作母线直接接地形成电压截波，对变压器绝缘有损害；C、管型避雷器放电特性受到大气条件影响较大。管型避雷器的应用：发电厂、变电所的进线段保
17、护 输电线路绝缘弱点的保护（大跨距和交叉挡距处）,315 避雷器,管型避雷器的安装要求：(1)安装时，必须串联一个空气间隙(即外间隙)，并要保证外间隙稳定不变。原因：管型避雷器的灭弧管容易受潮，可能会在工作电压下发生沿表面闪络而导致误动作。(2)安装管型避雷器时，还应同时装设简单可靠的动作指示器。(3)安装时应注意，避免避雷器动作时排出的气体相交，引起相间短路。(4)为了防止管内积水，管型避雷器应开口向下，且宜垂直安装或倾斜安装(与水平线夹角不小于150)，在污秽地区则应增大倾斜角度。(5)额定电压l0kV及以下的管型避雷器，为了防止雨水造成短路，其外间隙的电极切不可垂直布置。,315 避雷器
18、,3153阀型避雷器 特点：具有较平的伏秒特性和较强的灭弧能力，可避免截波的发生，在电力系统中得到广泛的应用。结构：瓷套、火花间隙、非线性电阻组成,瓷套绝缘、支撑、密封火花间隙由多个间隙串联而成 每个火花间隙由两个黄铜电极和一个云母垫圈组成 由于电极间的距离很小，电场较均匀，间隙的伏秒特性较平，故保护性能较好。非线性电阻(阀片电阻)，电流越大，电阻越小；反之，电流越小，电阻越大。火花间隙和非线性电阻组装在套管中做成避雷器的标准单元，然后再组合成各种电压等级的避雷器以供电力防雷使用。,工作原理 系统正常工作时，间隙将阀片电阻与工作母线隔离，以免由工作电压在阀片电阻中产生的电流使阀片烧坏。当系统中
19、出现过电压且幅值超过间隙的放电电压时，间隙先击穿，冲击电流通过阀片流人大地。由于阀片电阻在流过大的冲击电流时变得很小，故在阀片上产生的压降(称为残压)不会很高，使其低于被保护设备的冲击耐压值，设备得到保护。当过电压消失后，间隙中由工作电压产生的工频续流仍将继续流过避雷器，此小电流续流使阀片电阻增大从而限制了远较冲击电流为小。使间隙能在工频续流第一次经过零值时就将电弧切断，电网恢复正常运行。,FS系列主要用于保护小容量的配电装置，如配电变压器，电缆头，柱上开关等。有FS3；FS6；FS10三种型号，分别用于3kV、6kV和10kV三个电压等级。FZ系列主要用于保护发电厂和变电所的变压器和电气设备
20、，额定电压等级为3220kV。,普通阀型避雷器的类型,3154磁吹避雷器(FCD)磁吹避雷器的基本原理和结构与普通阀型避雷器相同，其主要区别在于：采用了灭弧能力较强的磁吹火花间隙和通流能力较大的高温阀片电阻。具有更高的灭弧性能和通流能力。应用：限制雷电过电压、内部过电压。,355 阀型避雷器的电气特性,355 阀型避雷器的电气特性,(1)额定电压。指正常工作时加在避雷器上的工频电压。避雷器的额定电压应与避雷器安装地点电力系统的额定电压等级相同。(2)灭弧电压。指保证避雷器能够在工频续流第一次过零时灭弧的条件下，允许加在避雷器上的最高工频电压。灭弧电压应当大于避雷器工作母线上可能出现的最高工频电
21、压，否则避雷器可能因为不能灭弧而爆炸。(3)工频放电电压。指在工频电压作用下，避雷器将发生放电的电压值，是说明避雷器火花间隙的绝缘强度的指标。普通避雷器在内过电压下不允许动作，因此通常规定其工频放电电压的下限应不低于该系统可能出现的内过电压值。,(4)冲击放电电压。指在冲击电压作用下避雷器放电的电压值(幅值)，通常给出的是上限值。避雷器的伏秒特性应当低于被保护设备绝缘的冲击击穿电压的伏秒特性，才能起到保护作用。(5l残压。指雷电流通过避雷器时在阀片上产生的电压降。避雷器放电以后就相当于以残压突然作用在被保护设备上，由此避雷器的残压愈低保护性能愈好。规定：避雷器上的残压都是以通过避雷器的额定雷电
22、冲击电流（5kA，220kV或 10kA，330kV）作用下的压降为标准来计算和应用的。(6)保护比。指避雷器的残压与灭弧电压之比。保护比愈小，说明残压愈低或灭弧电压愈高，因而保护性能愈好。,3156氧化锌避雷器MOA 结构原理：A、阀片以氧化锌(ZnO)为主要原料，附以少量能产生非线性特征的金属氧化物，经高温熔烧而成。B、具有很理想的伏安特性，其非线性系数很小。C、当作用在氧化锌阀片上的电压超过某一值(此值称为动作电压)时，阀片将发生“导通”。“导通”后氧化锌阀片上的残压与流过它的电流基本无关，为一定值。D、在工作电压下，流经氧化锌阀片的电流很小，仅为1mA，不会使氧化锌阀片烧坏，因此氧化锌
23、避雷器不用串联间隙来隔离工作电压。,3156氧化锌避雷器MOA 优点：(1)无间隙。在工作电压下，ZnO阀片实际上相当于一绝缘体，不会使ZnO阀片烧坏，可以不串联间隙来隔离工作电压。(2)无续流。当作用在ZnO阀片上的电压超过阀片的起始动作电压时，将发生导通；ZnO阀片上的残压受其良好的非线性特性所控制。当过电压过去后，ZnO阀片导通状态终止，又相当于一绝缘体，因此不存在工频续流。(3)通流容量大。ZnO阀片得通流容量大，可用于限制内部过电压。(4)性能稳定，抗老化能力强，耐污性能好。不受大气环境的影响，能用于各种绝缘介质，也特别适合于高海拔地区和SF6全封闭组合电器。(5)适于大批量生产，造
24、价低廉。,3156氧化锌避雷器MOA 应用：由于MOA具有上述一系列优点，是目前世界各国避雷器发展的主要方向，也是特高压系统绝缘赖以实现的必不可少的基础。问题：由于氧化锌阀片长期并联在工作母线上，长期直接受工频电压的作用，必然会长期通过泄漏电流，在运行中会有一定的老化现象。措施：应采用在线监测装置监测其运行中的泄漏电流等参数，以保证安全运行。其它避雷器：合成绝缘MOA：合成绝缘外套ZnO阀片 消雷器：在雷云电场作用下，消雷器产生足够强的尖端放电电流，以中和雷云中的电荷，使向下发展的先导放电难以形成，从而达到“消雷”的目的。,316 防雷接地 1接地与接地电阻 接地装置的作用：装设接地装置能减小
25、接地电阻，从而能降低雷电流通过避雷针(线)或避雷器时在它们产生的过电压，保证输配电系统的正常运行和人身安全。对接地电阻的规定：对于大接地短路电流(I50A)的电力设备的接地电阻要求符合R2000I。当I4000A时，要求R05。接地电阻的类型：A、工频(或直流)接地电阻R 在工作接地与保护接地中，接地电阻为工频(或直流)通过时的电阻。,316 防雷接地 接地电阻的类型：A、工频(或直流)接地电阻R B、冲击接地电阻Rch在防雷接地中，雷电冲击电流流过时的电阻，其值为冲击电压的幅值与冲击电流的幅值之比。冲击接地电阻实际上是阻抗（接地体本身电感的作用），因而具有冲击电压幅值超前冲击电流幅值的特点。
26、一般要求小于10。接地装置冲击接地电阻值Rch与工频接地电阻值R不同。A、火花效应 由于雷电流的幅值很大，会使地中的电流密度增大，从而使地中的电场强度增加。当地中的电场强度超过土壤的临界击穿场强后，土壤内靠近接地体的部分会发生局部火花放电，使土壤电导增大，从而使接地电阻下降，小于工频电流作用下的接地电阻值。,316 防雷接地 接地装置冲击接地电阻值Rch与工频接地电阻值R不同。A、火花效应 B、电感效应 由于雷电冲击电流的等值频率很高，接地体自身呈现明显的电感作用，阻碍电流向接地体的远端流通。其结果会使接地体得不到充分利用，接地体的冲击电阻大于工频接地电阻。冲击系数a Rch/R。冲击系数与接
27、地体的几何尺寸、雷电流幅值和波形以及土壤电阻率等因素有关。通常，由于火花效应大于电感效应，故al；但对于电感效应明显的情况（接地体），则可能1。,316 防雷接地 2工程适用接地装置 工程适用接地装置主要是由扁钢、圆钢、角钢或钢管组成，埋于地下0.5lm深处。水平接地体 多用扁钢，宽度一般为2040mm，厚度不小于4mm；或者用直径不小于6mm的圆钢。其接地体的形式如表所示。,垂直接地体 一般用角钢(20mm20mm3mm50mm50mm5mm)或钢管，长度约取2.5m。,316 防雷接地 3降低接地电阻的方法(1)加大接地体尺寸。增大尺寸，会减小其接地电阻。对于一些简单接地体和输电线路杆塔的
28、接地装置效果较好，但对于发电厂、变电所的接地网，会增加投资，甚至受场地的限制根本无法实现。(2)利用自然接地体。自然接地体：建筑物钢筋混凝土基础的钢骨架、水电厂进水口挡污栅、闸门、引水管等本身具有较低的接地电阻。在设计发、变电所接地网时，应充分考虑利用这些自然接地体与主网相连，以达到降低接地网接地电阻的目的。这在在水电厂在技术上易实现，且有较好的技术经济效应。(3)引外接地。引外接地是指将发电厂和变电所的主接地网与区域以外某一低土壤电阻率区域敷设的辅助接地极相连的方法，以达到降低整个接地系统接地电阻的目的。,316 防雷接地 3降低接地电阻的方法(4)换土。对于某些位于高土壤电阻率地区的发电厂和变电所的接地网，如果采用其他方法降阻有困难，可采用换土的方法，即用电阻率低的土壤来代替电阻率高的土壤，以获得较低的接地电阻。(5)采用降阻剂。在接地体周围的土壤中加入离子生成物(即降阻剂)，以改善土壤的导电性能，从而降低接地装置的接地电阻。此方法缺点：有效期短，仅能维持两年左右；对接地体有腐蚀作用，回缩短接地装置的寿命。目前正在开发使用长效降阻剂，它可以克服以上缺点。,
