1、整理课件1整理课件2第第8 8章章 雷电及防雷保护装置雷电及防雷保护装置 是造成电力系统故障的主要原因之一。是造成电力系统故障的主要原因之一。成因：摩擦起电。成因：摩擦起电。整块雷云可以有若干个电荷中心，负电荷位于整块雷云可以有若干个电荷中心，负电荷位于雷云下部，离地大约雷云下部，离地大约1 1-5km5km。第一次放电结束后，多半还会有重复雷击。第一次放电结束后，多半还会有重复雷击。整理课件3雷电图景云闪雷电图景云闪放电路径在云内、云云之间、云空之间，闪电大部分为云闪整理课件4雷电图景地闪雷电图景地闪放电路径在云大地之间，危害最为直接、严重本课程中主要讨论地闪整理课件5雷电放电发展过程雷电放
2、电发展过程整理课件61.1.雷云下行先导、地面上行先导雷云下行先导、地面上行先导大 地大 地大 地雷 云雷 云雷 云下行先导大地表面感应出正电荷临近下行先导的地面感应电荷密度剧增，在场强集中处发出上行先导上行先导，亦称迎面先导云内放电，为下行先导输送电荷上、下行先导相遇产生强烈放电，形成主放电通道整理课件7大 地大 地雷 云雷 云大 地雷 云2.2.主放电回击主放电回击主放电通道向雷云方向发展，称作回击主放电通道贯通雷云与大地，正负电荷中和，第一次放电完毕第一次放电完毕后残留的等离子通道，为下一次放电提供了条件整理课件83.3.后续放电后续放电大 地雷 云大 地雷 云大 地雷 云大 地雷 云大
3、 地雷 云残留等离子通道下行先导迎面先导主放电主放电通道贯通云地整理课件9 整理课件10大 地雷 云大 地雷 云正电荷向最接近下行先导的塔顶流动受塔顶正电荷的吸引，下行先导改变路径向塔顶发展塔顶发出迎面先导整理课件112.2.导体比绝缘体容易受到雷击导体比绝缘体容易受到雷击大 地雷 云大 地雷 云绝缘物绝缘物正电荷流向导体顶端而不流向绝缘物下行先导向导体顶端发展整理课件12u2011年7月31日18:57:23整理课件138 8.1.2 .1.2 雷击时的等值电路雷击时的等值电路整理课件148 8.2 .2 雷电参数及雷电活动规律雷电参数及雷电活动规律在雷电设计中，最关心的是雷电流波形、幅值分
4、布及落雷密度等在雷电设计中，最关心的是雷电流波形、幅值分布及落雷密度等8 8.2.1 .2.1 雷电流幅值和波形雷电流幅值和波形对于雷暴日数对于雷暴日数2020的地区，我国现行推荐雷电流幅值概率为：的地区，我国现行推荐雷电流幅值概率为：88lgIP对于雷暴日数对于雷暴日数2020的地区的地区(除陕南以外的西边地区、内蒙古部分地区）除陕南以外的西边地区、内蒙古部分地区），我国现行推荐雷电流幅值概率为：，我国现行推荐雷电流幅值概率为：44lgIP整理课件15波形和极性波形和极性 我国防雷规程建议值为：2.6/50 s，平均陡度为 在保护计算中，可取双指数波，为简化计算，一般可取斜角平顶波。但在特高
5、塔的设计中，可取半余弦波头，表达式为：6.2Ia)cos1(2tIiI为雷电流幅值；为角频率，=/f=1.2106s-1，f-为波头时间（2.6s）。极性极性：75%-90%的雷为负极性雷，因此一般按照负极性雷进行研究。整理课件168 8.2.2 .2.2 雷暴日和雷暴小时雷暴日和雷暴小时整理课件17整理课件188 8.2.3 .2.3 地面落雷密度和输电线路落雷次数地面落雷密度和输电线路落雷次数)4(28.01001000)4(hbThbN整理课件19 2004年湖南省每平方公里落雷数分布情况 整理课件20雷电定位系统探测每平方公里分区的平均雷电密度图 整理课件218 8.3 .3 避雷针和
6、避雷线避雷针和避雷线u保护原理：在避雷针（线）的顶端形成局部场强集中的空间保护原理：在避雷针（线）的顶端形成局部场强集中的空间，以影响雷电先导放电的发展方向，使雷电对避雷针（线），以影响雷电先导放电的发展方向，使雷电对避雷针（线）放电，避免被保护物体遭受雷击。放电，避免被保护物体遭受雷击。u避雷针（线）必须高于被保护物，避雷针的顶部为尖状。避雷针（线）必须高于被保护物，避雷针的顶部为尖状。u避雷针（线）与被保护设备电气上是绝缘的避雷针（线）与被保护设备电气上是绝缘的u避雷针的保护范围：雷电绕击率低于避雷针的保护范围：雷电绕击率低于0.1%的范围。的范围。n绕击：雷电绕开避雷装置而击中被保护物体
7、。绕击：雷电绕开避雷装置而击中被保护物体。n保护范围具有相对意义，统计意义。保护范围具有相对意义，统计意义。l不能保证保护范围内物体完全不受雷击，不能保证保护范围内物体完全不受雷击，l保护范围外物体也受保护。保护范围外物体也受保护。整理课件228.3.1 8.3.1 避雷针的保护范围避雷针的保护范围-折线法折线法()2(1.52)2xxxxxxhhrhhphhrhhp当时，当时，hrhx水平面上保护水平面上保护范围的截面范围的截面xhx1.5hp2hp被保护物高度低时，保护半径扩大；p避雷针高度增加时，保护范围扩大有限；p工程上多采用两支或多只避雷针以扩大保护范围。当当h30m时，时，p=1；
8、30mh120m时，时，hp5.5；当；当h120m时，按时，按h=120m计算计算 整理课件23123DD2h1h7Dp整理课件24123（a）4213（b）34xb31D12D12D23D23D41D34D23xb12xb23xb24xbbx12bx3141xbxrxr电厂和变电站的面积较大，实际上都采用多支避雷针保护的方法。整理课件25u击距：u30m、45m和60m，对应的雷电流大小分别为5.4kA、10.1kA和15.8kA。击距越小，雷电流越小，对应的保护要求越高。8.3.1 8.3.1 避雷针的保护范围避雷针的保护范围-滚球法滚球法0.6510rhI（m）描述物体的引雷能力整理课
9、件26整理课件27滚球法滚球法0.6510rhI整理课件28整理课件29D5/D整理课件308 8.4 .4 避雷器避雷器 当发生绕击或者感应时，过电压波将沿线路传当发生绕击或者感应时，过电压波将沿线路传播入侵发电厂、变电站等。播入侵发电厂、变电站等。避雷器的要求：避雷器的要求：u 良好的伏秒特性：良好的伏秒特性：冲击系数：冲击放电电压与工频放电电压之比。冲击系数：冲击放电电压与工频放电电压之比。冲击系数越小，伏秒特性越平缓，保护性能越好。冲击系数越小，伏秒特性越平缓，保护性能越好。u 具有良好的非线性电阻特性具有良好的非线性电阻特性按发展历程看：按发展历程看：保护间隙、管型避雷器、普通阀式避
10、雷器、磁吹保护间隙、管型避雷器、普通阀式避雷器、磁吹避雷器、金属氧化物避雷器等。避雷器、金属氧化物避雷器等。整理课件31保护间隙的灭弧能力很差（适用于短路电流小）；保护间隙的灭弧能力很差（适用于短路电流小）；间隙间的电场为极不均匀电场，又裸露在大气环境中，受气象条件的间隙间的电场为极不均匀电场，又裸露在大气环境中，受气象条件的影响很大，因此伏秒特性很陡且分散性很大，将直接影响到它的保护效影响很大，因此伏秒特性很陡且分散性很大，将直接影响到它的保护效果；果；保护间隙击穿后是直接接地，将会有截波产生，不能用来保护有绕组保护间隙击穿后是直接接地，将会有截波产生，不能用来保护有绕组的设备的设备 整理课
11、件32灭弧能力与工频续流的大小有关，续流太大产气过多，管内气压太高将灭弧能力与工频续流的大小有关，续流太大产气过多，管内气压太高将使管子炸裂；续流太小产气过少，管内气压太小不足以灭弧使管子炸裂；续流太小产气过少，管内气压太小不足以灭弧;熄灭续流存在上下限熄灭续流存在上下限 整理课件33整理课件34为了使正常运行时的碳化硅电阻为了使正常运行时的碳化硅电阻阀片没有工频电流，以避免阀片阀片没有工频电流，以避免阀片温度过高，保证正常使用，阀片温度过高，保证正常使用，阀片需要与火花间隙串联使用需要与火花间隙串联使用1231黄铜电极2云母垫圈 3间隙放电区图814 阀式避雷器单个火花间隙工作母线2135k
12、V 220kV绝缘水平也以避雷器5kA的残压作为绝缘配合的依据；330kV及更高电压等级的电网，规定取10kA作为计算标准。整理课件35（一）普通阀式避雷器没有专门的灭弧装置，灭弧能力和通流容量有限，不容许它们在延续时间较长的内部过电压作用下动作。（二）磁吹阀式避雷器采用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利用磁场对电弧的电动力，迫使间隙中的电弧加快运动、旋转或拉长，使弧柱中去电离作用增强，从而大大提高其灭弧能力整理课件36（1）额定电压指正常工作时加在避雷器上的工频工作电压，它应与避雷器安装地点的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在工频续流第一次过零时就熄
13、灭电弧的条件下，允许加在避雷器两端的最高工频电压。灭弧电压应大于避雷器工作母线上可能出现的最高工频电压，否则避雷器就可能因不能熄灭续流电弧而损坏。（3）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）。由于其伏秒特性应低于被保护设备绝缘的冲击击穿电压的伏秒特性，因此，通常给出的是上限值。（4）工频放电电压指工频电压作用下，避雷器将发生放电的电压值。一般希望避雷器冲击放电电压与工频放电电压幅值之比（冲击系数）接近于1，这样避雷器的伏秒特性就比较平坦，有利于绝缘配合（5）残压指冲击电流通过避雷器时，在阀片电阻上产生的电压的峰值。我国标准规定分别为5kA（220kV及以下的避雷器）和10k
14、A（330kV及以上的避雷器），电流波形则统一取为8/20s。整理课件37u（1）切断比。指避雷器工频放电电压的下限与灭弧电压之比。因为间隙绝缘强度的恢复需要一个去游离过程，因此灭弧电压总是低于工频放电电压。切断比越接近于1，说明该火花间隙的绝缘强度恢复速度越快，灭弧能力越强。普通阀式避雷器的切断比为1.8左右，磁吹避雷器约为1.4。u（2）保护比。指避雷器的残压与灭弧电压之比。保护比越小，表明残压越低或灭弧电压越高，意味着绝缘上受到的过电压较小，而工频续流又能很快被切断，因而该避雷器的保护性能越好。普通阀式避雷器的保护比一般为2.4左右，磁吹避雷器一般不大于1.8。整理课件38ZnO避雷器又
15、叫金属氧化物避雷器（避雷器又叫金属氧化物避雷器（MOA）。）。ZnO避雷器由避雷器由ZnO电阻片组成，具有优异的非线性伏安特性，因电阻片组成，具有优异的非线性伏安特性，因此可以取消火花间隙，实现无间隙无续流，且造价低廉。此可以取消火花间隙，实现无间隙无续流，且造价低廉。（1）ZnO晶粒，粒径为晶粒，粒径为10m左右，电左右，电 阻率为阻率为110cm；（2）包围着包围着ZnO晶粒的晶粒的Bi2O3晶界层，厚晶界层，厚 度为度为0.1m左右，电阻率大于左右，电阻率大于 1010cm；（3）零散分布于晶界层中的尖晶石零散分布于晶界层中的尖晶石 Zn7Sb2O12。ZnO电阻片的非线性特性主要取决于
16、晶界电阻片的非线性特性主要取决于晶界层，在低电场下其电阻率很高；当层间电层，在低电场下其电阻率很高；当层间电位梯度达到位梯度达到104105V/cm时，其电阻率急时，其电阻率急剧下降到低阻状态剧下降到低阻状态 整理课件39下法兰上法兰下法兰承担机械负荷，玻璃钢绝缘套筒承担外绝缘，硅橡胶避雷器芯体，多片ZnO阀片堆叠而成上釉镀铝硅橡胶复合外套避雷器硅橡胶复合外套避雷器整理课件40ZnOZnO的伏安特性曲线的伏安特性曲线u区域区域为低电场区，电流密度与电场强度的开方成正比，非线性为低电场区，电流密度与电场强度的开方成正比，非线性系数系数 约为约为0.10.2；u区域区域为中电场区，晶界层电阻为中电
17、场区，晶界层电阻Rv减小，非线性系数减小，非线性系数大为下降大为下降，约为，约为0.010.04；近似为直线近似为直线u区域区域为高场强区，为高场强区，ZnO本体电阻本体电阻R起主要作用，电流与电压成起主要作用，电流与电压成正比，伏安特性曲线向上翘。正比，伏安特性曲线向上翘。5104103102101100101102103104105102345678910AI/kVUp/低电场区高电场区中电场区电阻片正常运行电压ZnOSiC电阻片整理课件41ZnOZnO避雷器的主要优点：避雷器的主要优点：u无间隙无间隙 结构简单、重量轻、无电压分布不均、放电电压结构简单、重量轻、无电压分布不均、放电电压不
18、稳定等，保护可靠性高不稳定等，保护可靠性高u无续流无续流 不需吸收续流能量，动作负载轻；可承受多次重复不需吸收续流能量，动作负载轻；可承受多次重复雷击或者重复操作过电压雷击或者重复操作过电压u电气设备所受过电压可减低电气设备所受过电压可减低 在整个过电压阶段都有电流流过，因此降低了过电在整个过电压阶段都有电流流过，因此降低了过电压幅值压幅值u通流容量大通流容量大 不受串联间隙被灼伤的制约，阀片的通流能力仅不受串联间隙被灼伤的制约，阀片的通流能力仅与本身通流能力有关。可并联进一步提高通流能力。与本身通流能力有关。可并联进一步提高通流能力。u易于制成易于制成直流避雷器直流避雷器整理课件42ZnOZ
19、nO避雷器的参数避雷器的参数u额定电压额定电压 能短期耐受的最大工频电压有效值能短期耐受的最大工频电压有效值u最大持续运行电压最大持续运行电压 能长期持续运行的最大工频电压有效值能长期持续运行的最大工频电压有效值u起始动作电压（参考电压、转折电压）起始动作电压（参考电压、转折电压）开始进入动作状态的电压，通常为开始进入动作状态的电压，通常为U1mAu压比压比 在在8/20us的冲击电流规定值下，残压与起始动作电压之比。的冲击电流规定值下，残压与起始动作电压之比。越小，非线性越好。越小，非线性越好。u荷电率荷电率 持续运行电压与起始动作电压之比，老化持续运行电压与起始动作电压之比，老化u工频耐受
20、电压特性工频耐受电压特性 对工频过电压的耐受能力（对工频过电压的耐受能力（1.2 1000s；1.3 100s；1.4 1s）u保护比保护比 额定残压与最大长期工作电压峰值之比。越小，保护性能越好额定残压与最大长期工作电压峰值之比。越小，保护性能越好整理课件43U /kVI/A10-510-410-310-210-1110102103104额定电压容许最大持续运行电压起始动作电压（1mA参考电压）残压 1m A电流（雷电、操作）冲击电流幅值额定电压和容许最大持续运行电压为有效值，1mA参考电压常在直流下测得ZnOZnO避雷器的参数避雷器的参数整理课件44ZnOZnO避雷器的参数避雷器的参数u压
21、比：u荷电率：u压比反映了避雷器伏安特性的非线性程度，压比越小非线性程度越大、保护性能越好。u荷电率反映了长期工作条件下避雷器承担电压负荷的轻重，荷电率较高时避雷器老化速度加快。参考电压下残压压比1mA10kA参考电压（幅值）容许最大持续运行电压荷电率1mA整理课件45ZnOZnO避雷器的优劣评判避雷器的优劣评判显然避雷器A的非线性程度好于避雷器B，其保护性能也优于避雷器B系统相电压U /kVI/A10-510-410-310-210-1110102103104AB整理课件46整理课件47整理课件488 8.5 .5 接地技术与接地装置接地技术与接地装置u接地电阻并不是金属接地体自身的电阻，而
22、是电流通过接地体流入大地土壤过程中土壤呈现的电阻。整理课件49接地装置原理图接地装置原理图整理课件508 8.5.2 .5.2 接地的分类接地的分类1）工作接地工作接地 工作接地电阻一般为0.5 10 2）保护接地保护接地 为保障人身安全而将设备外壳接地。通常保护电阻约为1103）防雷接地防雷接地 目的是减小雷电流通过接地装置时的地电位升高。火花效应火花效应：如果雷电流较大，则土壤中电流密度较大，造成土壤空隙承受压降较大，如果土壤空隙中发生电火花击穿，等价于在空隙上并联了一个导体，宏观上接地电阻降低。电感影响电感影响：如果接地体比较长，在雷电流波头部分其电抗较大，阻止了雷电流向接地体远端流动，
23、结果接地体得不到充分利用，宏观上接地电阻增大。冲击系数冲击系数：gchRR整理课件518 8.5.3 .5.3 工程实用的接地装置工程实用的接地装置一、典型接地体的接地电阻一、典型接地体的接地电阻CQUdsDUdsEUdsjUIURnnn1减小接地电阻的方法 降低土壤电阻率 增大电容（表面积）整理课件52（一）垂直接地体单根垂直接地体：n根垂直接地体并联时：一般0.650.8。dllR4ln2nRR整理课件53（二）水平接地体)(ln22AdhLLR整理课件54（三）伸长接地体u伸长接地体。高土壤电阻率地区，以减小伸长接地体。高土壤电阻率地区，以减小R R。电感效应电感效应增大接地电阻。增大接
24、地电阻。火花效应火花效应降低接地电阻。降低接地电阻。)(ln22AdhLLR整理课件55冲击系数冲击系数 u火花效应，火花效应，1 1接地体只在接地体只在4040mm60m60m的范围内有效。超的范围内有效。超过此范围，阻抗不再发生变化。过此范围，阻抗不再发生变化。chRR整理课件56二、输电线路的防雷接地二、输电线路的防雷接地整理课件57三、发电厂和变电站的防雷接地三、发电厂和变电站的防雷接地 按安全接地和工作按安全接地和工作接地要求，敷设统接地要求，敷设统一的接地网。一的接地网。一般埋入地下一般埋入地下0.6-0.8m。整理课件58(a)(b)长孔方孔地网结构、接地电阻估算地网结构、接地电阻估算0.440.5RLSS一般取一般取0.55。整理课件59本章重点本章重点u雷电发展过程，雷击可以视为电流源，等值电路。u雷电流的幅值分布概率u雷暴日，落雷密度计算u避雷针、避雷线的保护范围特点uZnO避雷器的伏安特性，简化表示（U固定，水平线）u接地形式，变电站接地电阻。88lgIP(4)1001000bLbhNT0.440.5RLSS整理课件60作业作业uP209 1、3、4
