华中科技大学电气工程基础熊银信电力系统防雷保护.pptx

HUST_CEEE第十三章第十三章 电力系统防雷保护电力系统防雷保护u第第一一节节 雷雷电电的的放放电电过过程程和和雷雷电电参参数数u第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置u第三节第三节 架空输电线路的防雷保护架空输电线路的防雷保护u第第四四节节 发发电电厂厂和和变变电电站站的的防防雷雷保保护护HUST_CEEE一、雷电放电过程一、雷电放电过程 雷雷云云的的带带电电过过程程：在在512km高高度度的的雷雷云云主主要要是是带带正正电电荷荷，在在15km高高度度的的雷雷云云主主要要是是负负电电荷荷。当当云云中中电电荷荷密密集集中中心心的的场场强强达达到到2530kV/cm时，就可能引发雷电放电。时，就可能引发雷电放电。雷雷云云放放电电主主要要是是在在云云间间或或云云内内进进行行，只只有有小小部部分分是是对对地地发发生生的的，而而且且往往往往对对地地放放电电危危害害最最大大。7590左左右右的的雷雷电电流流是是负负极极性性的的。雷雷电放电方式：线状、片状和球状。电放电方式：线状、片状和球状。图图13-1 雷电放电的光学照片和电流变化雷电放电的光学照片和电流变化(a)负雷云下行雷的放电光学照片；负雷云下行雷的放电光学照片；(b)放电过程中雷电流的变化放电过程中雷电流的变化 第一节第一节 雷电的放电过程和雷电参数雷电的放电过程和雷电参数 根根据据云云地地之之间间线线状状雷雷电电的的光光学学照照片片，如如图图13-1所所示示，由由此此可可了了解解雷雷电电放放电电的的一一般般过过程程。一一般般一一次次雷雷击击包包括括先先导导、主放电和余辉主放电和余辉三个阶段。三个阶段。HUST_CEEE1先导阶段先导阶段 雷雷云云下下部部伸伸出出微微弱弱发发光光的的放放电电通通道道向向地地面面的的发发展展是是分分级级推推进进的的，每每一一级级的的长长度度为为2550m，停停歇歇时时间间为为3090 s，下下行行的的平平均均速速度度约为约为0.10.8m/s，此过程称为，此过程称为先导放电过程。先导放电过程。2主放电和迎面流注阶段主放电和迎面流注阶段 当当雷雷电电先先导导接接近近地地面面时时，会会从从地地面面较较突突起起的的部部分分发发出出向向上上的的迎迎面面先先导导（也也称称迎迎面面流流注注），当当不不同同极极性性的的下下行行先先导导和和迎迎面面先先导导相相遇遇时时，就就产产生生强强烈烈的的电电荷荷中中和和过过程程，伴伴随随雷雷鸣鸣和和闪闪电电，出出现现极极大大的电流（数十至数百的电流（数十至数百kA），这就是），这就是主放电阶段主放电阶段。3余辉阶段余辉阶段 在在主主放放电电过过程程结结束束后后，云云中中残残余余电电荷荷经经过过主主放放电电通通道道流流向向大大地地，这这一一阶阶段段称称为为余余辉辉（余余光）阶段光）阶段。第一节第一节 雷电的放电过程和雷电参数雷电的放电过程和雷电参数HUST_CEEE 雷雷电电主主放放电电的的瞬瞬间间，虽虽然然功功率率很很大大，但但是是雷雷电电产产生生的的能能量量却却很很小小，即即其其破破坏坏力力虽虽然然大大，但但是是实实际际利利用用价价值值很很小小。以以一一次次中中等等雷雷电电为为例例，取取雷雷云云电电位位U为为50MV，电电荷荷Q为为8C，则则其其能量为：能量为：WUQ/255 kWh 每每平平方方km每每年年（雷雷暴暴日日为为40）的的落落雷雷次次数数可可取取2.8次次，所所以每平方以每平方km每年获得的雷电总能量为：每年获得的雷电总能量为：W552.8154 kWh其平均功率仅为：其平均功率仅为：P154103/365/2417.58W 但但是是，雷雷电电主主放放电电的的瞬瞬时时功功率率P却却很很大大，例例如如若若雷雷电电流流I以以50kA计计算算，压压降降以以6kV/m计计，雷雷云云高高度度以以1000m计计，则则主主放放电功率电功率P可达到可达到P5061000300,000 MW 第一节第一节 雷电的放电过程和雷电参数雷电的放电过程和雷电参数HUST_CEEE二、雷电参数二、雷电参数 雷雷电电参参数数是是雷雷电电过过电电压压计计算算和和防防雷雷设设计计的的基基础础，目目前前常常采采用用的的参参数是建立在现有雷电观测数据的基础上总结出来的。数是建立在现有雷电观测数据的基础上总结出来的。1雷暴日雷暴日(Td)和和雷暴小时雷暴小时(Th)雷雷暴暴日日是是指指该该地地区区一一年年四四季季中中有有雷雷电电放放电电的的天天数数。由由于于不不同同年年份份的的雷雷暴暴日日数数变变化化较较大大，一一般般采采用用多多年年平平均均值值年年平平均均雷雷暴暴日日。一一个个小小时时以以内内听听到到一一次次及及以以上上雷雷声声就就算算一一个个雷雷暴暴小小时时。据据统统计计，每每一一个个雷雷暴日折合为暴日折合为3个雷暴小时。个雷暴小时。(2005名)2地面落雷密度地面落雷密度 地地面面落落雷雷密密度度表表示示每每平平方方公公里里每每雷雷暴暴日日的的地地面面受受到到的的平平均均落落雷雷次次数数。值值与与年年平平均均雷雷暴暴日日数数Td有有关关。一一般般Td较较大大的的地地区区，其其值值也也较大。我国标准推荐采用较大。我国标准推荐采用CIGRE 1980年提出关系式年提出关系式：Ng0.023 Td1.3 和和 0.023 Td0.3式中，式中，Ng为每年每平方为每年每平方km地面落雷数；地面落雷数；Td为雷暴日数。为雷暴日数。线路年平均受雷击的次数线路年平均受雷击的次数：N10h/100010010h/1000100T Td d (次次/100km/100km年年)若取若取T Td d4040，0.070.07，则，则N2.82.8次次/100km/100km年。年。第一节第一节 雷电的放电过程和雷电参数雷电的放电过程和雷电参数HUST_CEEE3雷电流幅值雷电流幅值 雷雷电电流流是是指指雷雷击击于于低低接接地地阻阻抗抗（30）的的物物体体时时流流过过该该物物体体的的电电流，近似等于传播下来的电流入射波的流，近似等于传播下来的电流入射波的2倍，计算公式如下：倍，计算公式如下：雷雷电电流流幅幅值值I是是表表示示雷雷电电强强度度的的指指标标，是是最最重重要要的的雷雷电电参参数数。雷雷电电流流幅幅值值I是是根根据据实实测测数数据据经经整整理理得得出出的的结结果果，图图13-2所所示示曲曲线线为为我我国国目前在一般地区使用的雷电流幅值超过目前在一般地区使用的雷电流幅值超过I的概率曲线。的概率曲线。图图13-2 我国雷电流幅值概率曲线我国雷电流幅值概率曲线 在在年年平平均均雷雷暴暴日日大大于于20的的地地区区，测测得得的的雷雷电电流流幅幅值值I的的概概率率曲线曲线可用下式表示：可用下式表示：lg PI/88 在在年年平平均均雷雷暴暴日日数数只只有有20或或更少的地区更少的地区：lg lg P PI I/44/44第一节第一节 雷电的放电过程和雷电参数雷电的放电过程和雷电参数HUST_CEEE4雷电流的波前时间、陡度和波长雷电流的波前时间、陡度和波长 据据统统计计，雷雷电电流流的的波波前前时时间间T1多多在在14 s内内，平平均均为为2.6 s左右，左右，波长波长T2在在20100 s内。内。雷电流波前的雷电流波前的平均陡度平均陡度为为：I/2.6 (kA/s)5雷电流的极性和等值计算波形雷电流的极性和等值计算波形 国国内内外外实实测测结结果果表表明明，7590的的雷雷电电流流是是负负极极性性，加加之之负负极极性性的的冲冲击击过过电电压压波波沿沿线线路路传传播播时时衰衰减减小小，因因此此，电电气气设设备备的防雷保护中一般均按负极性进行分析研究的防雷保护中一般均按负极性进行分析研究。在在电电力力系系统统的的防防雷雷保保护护计计算算中中，要要求求将将雷雷电电流流波波形形用用公公式式描描述述以以便便处处理理，经经过过简简化化和和典典型型化化后后，可可得得以以下下三三种种常常用用的的计计算波形算波形，如图，如图13-3所示。所示。第一节第一节 雷电的放电过程和雷电参数雷电的放电过程和雷电参数HUST_CEEE 图图13-3(a)为为标准雷电流冲击波形标准雷电流冲击波形，其波头部分可用双指数函数表示：，其波头部分可用双指数函数表示：iI(e tet)图图13-3(b)为为斜斜角角平平顶顶波波，其其陡陡度度 可可由由给给定定的的雷雷电电流流幅幅值值I和和波波前前时时间间T1确确定定。斜斜角角波波的的数数学学表表达达式式最最简简单单，便便于于分分析析与与雷雷电电流流波波前前有有关关的的波波过过程程。并并且且斜斜角角平平顶顶波波用用于于分分析析发发生生在在10 s以以内内的的各各种种波波过过程程，有有很很好好的等值性的等值性。图图13-3(c)为为等等值值半半余余弦弦波波，雷雷电电流流波波形形的的波波前前部部分分接接近近半半余余弦弦波波，可可用下式表示：用下式表示：iI(1cost)/2式中，角频率式中，角频率/T1。等等值值半半余余弦弦波波多多用用于于分分析析雷雷电电流流波波前前的的作作用用。在在设设计计特特高高杆杆塔塔时时，采采用用等值半余弦波等值半余弦波将使计算更加接近于实际且偏于从严。将使计算更加接近于实际且偏于从严。图图13-3 雷电流的等值波形（雷电流的等值波形（I-雷电流幅值）雷电流幅值）(a)标准冲击波形；标准冲击波形；(b)等值斜角波前；等值斜角波前；(c)等值半余弦波前等值半余弦波前第一节第一节 雷电的放电过程和雷电参数雷电的放电过程和雷电参数HUST_CEEE第二节 电力系统的防雷保护装置 防雷保护装置是指能使被保护物体避免雷击，而引雷于本身，并顺利地泄入大地的装置。最基本的有：一、避雷针二、避雷线三、避雷器四、防雷接地避雷针和避雷线可以防止雷电直接击中被保护物体，称作直击雷保护；避雷器可以防止沿输电线侵入变电站的雷电过电压波，称作侵入波保护；接地装置的作用是减少避雷针(线)或避雷器与大地(零电位)之间的电阻值，以达到降低雷电过电压幅值的目的。HUST_CEEE一、避雷针一、避雷针 避雷针避雷针包括三部分：接闪器包括三部分：接闪器(避雷针的针头避雷针的针头)、引下线和接地体。、引下线和接地体。避避雷雷针针的的保保护护原原理理是是：当当雷雷云云放放电电时时使使地地面面电电场场畸畸变变，在在避避雷雷针针的的顶顶端端形形成成局局部部场场强强集集中中的的空空间间以以影影响响雷雷电电先先导导放放电电的的发发展展方方向向，使使雷雷电电对对避避雷雷针针放放电电，再再经经过过接接地地装装置置将将雷雷电电流流引引入入大大地地，从从而而使使被被保保护护物体免遭雷击。物体免遭雷击。先先导导放放电电朝朝地地面面发发展展到到某某一一高高度度H后后，才才会会在在一一定定范范围围内内受受到到避避雷雷针针的的影影响响而而对对避避雷雷针针放放电电。H称称为为定定向向高高度度，与与避避雷雷针针的的高高度度h有有关关。根据模拟试验：根据模拟试验：当当h30m时，时，H=20h；当当h30m时，时，H600h。避避雷雷针针的的保保护护范范围围(2006单)是是由由模模拟拟试试验验确确定定的的，只只具具有有相相对对的的意意义。我国有关规程所推荐的保护范围义。我国有关规程所推荐的保护范围是对应是对应 0.1的绕击率而言的的绕击率而言的。所谓所谓绕击绕击系指雷电绕过避雷装置而击于被保护物体的现象。系指雷电绕过避雷装置而击于被保护物体的现象。第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE 单单支支避避雷雷针针的的保保护护范范围围近近似似一一个个圆圆锥锥体体空空间间，如如图图13-4所所示示。它的侧面边界线实际上是曲线，工程上以折线代替曲线。它的侧面边界线实际上是曲线，工程上以折线代替曲线。图图13-4 单支避雷针的保护范围单支避雷针的保护范围 式式中中，h为为避避雷雷针针的的高高度度；p为为高高度度修修正正系系数数，当当h30m，p1；当当30h120m时，时，。在在被被保保护护物物高高度度hx水水平平面面上上，其其保护半径保护半径rx为为第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE 两两支支等等高高避避雷雷针针的的保保护护范范围围如如图图 13-5所所示示。两两避避雷雷针针外外侧侧的的保护范围保护范围按单支避雷针的计算方法确定。按单支避雷针的计算方法确定。两两避避雷雷针针间间的的保保护护范范围围应应按按通通过过两两避避雷雷针针顶顶点点及及保保护护范范围围上上部部边边缘缘最最低低点点O的的圆圆弧弧确确定定，圆圆弧弧的的半半径径为为R0，O点点高高度度h0按按下下式式计算：计算：h0hD/7p图图 13-5 两支等高避雷针的保护范围两支等高避雷针的保护范围 第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE图图 13-6 两支等高避雷针间保护范围一侧最小宽度（两支等高避雷针间保护范围一侧最小宽度（bx）与）与D/(haP)的关系的关系(a)D/(haP)=07；(b)D/(haP)=57 两两避避雷雷针针间间hx水水平平面面上上保保护护范范围围的的一一侧侧最最小小宽宽度度bx应应按按图图13-6确确定定。当当bxrx时时，取取bxrx。求求得得bx后后，可可按按图图13-5绘绘出出两两避避雷雷针针间间的的保护范围。两避雷针间距离保护范围。两避雷针间距离D与避雷针高与避雷针高h之比之比Dh不宜大于不宜大于5。第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE两支不等高避雷针的保护范围两支不等高避雷针的保护范围如图如图13-713-7所示。所示。两两避避雷雷针针内内侧侧的的保保护护范范围围，先先按按单单避避雷雷针针法法作作出出较较高高避避雷雷针针1 1的的保保护护范范围围，与与通通过过较较低低避避雷雷针针2 2的的顶顶点点作作水水平平线线交交于于点点3 3。设设点点3 3为为一一假假想想等等高高避避雷雷针针的的顶顶点点，可可按按两两支支等等高高避避雷雷针针的的方方法法作作出出避避雷雷针针2 2和和3 3的的联联合合保保护护范范围围。两两避避雷雷针针外外侧侧的的保保护护范范围围仍仍按按单单支支避避雷针的计算方法确定。雷针的计算方法确定。图图13-7 两支不等高避雷针的保护范围两支不等高避雷针的保护范围第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE二、避雷线二、避雷线 避避雷雷线线(即即架架空空地地线线)的的作作用用原原理理与与避避雷雷针针相相同同，主主要要用用于于输输电电线线路路的的保保护护，也也可可用用来来保保护护发发电电厂厂和和变变电电站站。单单根根避避雷雷线线的的保保护护范范围围的的长长度度与与线线路路等等长长，而而且且两两端端还还有有其其保保护护的的半半个个圆圆锥体空间锥体空间。单单根根避避雷雷线线的的保保护护范范围围如如图图13-8所所示，并按下式计算：示，并按下式计算：图图13-8 单根避雷线的保护范围单根避雷线的保护范围当当h30m时，时，=25 第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE两两根根等等高高避避雷雷线线的的保保护护范范围围如如图图13-9所所示示。两两根根避避雷雷线线外外侧侧的的保保护护范范围围仍仍按按单单根根避避雷雷线线的的计计算算方方法法确确定定。两两根根避避雷雷线线间间横横截截面面的的保保护护范范围围应应由由通通过过两两根根避避雷雷线线1、2及及保保护护范范围围边边缘缘最最低低点点O的的圆圆弧弧确确定定，O点的高度可按下式计算：点的高度可按下式计算：h0hsD/4P图图13-9中中的的 称称为为避避雷雷线线的的保保护护角角，是是杆杆塔塔上上避避雷雷线线的的铅铅垂垂线线与与同同杆杆塔塔处处避避雷雷线线和和边边导导线线的的连连线线间间所所组组成成的的夹夹角角，保保护护角角愈愈小小，避避雷雷线线就愈可靠地保护导线免受雷击。就愈可靠地保护导线免受雷击。图图13-9两根等高避雷线的保护范围两根等高避雷线的保护范围（a）保护范围；（）保护范围；（b）保护角）保护角单单根根避避雷雷线线的的保保护护角角 一一 般般 在在 20 30o。220330kV双双避避雷雷线线线线路路，一一般般采采用用20o左左右右，500kV一一般般不不大大于于15o；山山区区宜宜采采用用较较小的保护角。小的保护角。第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE三、避雷器三、避雷器避雷器避雷器是一种普遍采用的侵入波保护装置，它是一种过电压限制器。是一种普遍采用的侵入波保护装置，它是一种过电压限制器。为了使避雷器能够达到预期保护效果，必须满足下面为了使避雷器能够达到预期保护效果，必须满足下面基本要求基本要求：第一，第一，具有良好的伏秒特性，以易于实现合理的绝缘配合具有良好的伏秒特性，以易于实现合理的绝缘配合。第第二二，有有较较强强的的绝绝缘缘强强度度自自恢恢复复能能力力，以以利利于于快快速速切切断断工工频频续续流流，使使电力系统得以继续运行电力系统得以继续运行。避避雷雷器器一一旦旦在在冲冲击击电电压压作作用用下下放放电电，就就造造成成系系统统对对地地短短路路。此此后后瞬瞬即即消消逝逝的的雷雷电电过过电电压压虽虽然然已已经经过过去去，但但工工频频电电压压却却相相继继作作用用在在避避雷雷器器上上，使使在在其其中中开开始始通通过过工工频频短短路路接接地地电电流流。这这样样流流过过避避雷雷器器的的短短路路接接地地电电流流通通常常称称为为工工频频续续流流，它它以以电电弧弧放放电电的的形形式式出出现现。避避雷雷器器应应当当具具有有自自行行切切断断工工频频续续流流、恢恢复复绝绝缘缘强强度度的的能能力力，要要求求工工频频续续流流在在第第一一次次经经过过零零值值时时即应切断，使电力系统能够继续正常工作。即应切断，使电力系统能够继续正常工作。以以上上两两条条要要求求适适合合于于有有间间隙隙的的避避雷雷器器，包包括括保保护护间间隙隙、管管式式避避雷雷器器、带带间间隙隙阀阀式式避避雷雷器器。其其中中阀阀式式避避雷雷器器又又包包括括普普通通阀阀式式避避雷雷器器和和磁磁吹吹阀阀式式避雷器避雷器两种。两种。无无间间隙隙金金属属氧氧化化物物避避雷雷器器（MOA）在在工工频频下下仍仍流流过过很很小小的的泄泄漏漏电电流流，它没有灭弧问题，但相应地却产生了独特的热稳定问题。它没有灭弧问题，但相应地却产生了独特的热稳定问题。第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE1保护间隙保护间隙 保保护护设设备备中中简简单单的的形形式式是是保保护护间间隙隙，它它由由两两个个电电极极组组成成，并并接接在在被被保保护护设设备备的的两两端端。常常用用的的角角形形保保护护间间隙隙如如图图13-10所所示示。它它由由主主间间隙隙1 1和和辅辅助助间间隙隙2 2串串联联而而成成。辅辅助助间间隙隙是是为为了了防防止止主主间间隙隙被被外外物物短短路路误误动动作作而设的。而设的。保保护护间间隙隙的的主主要要缺缺点点是是灭灭弧弧能能力力低低，只只能能熄熄灭灭中中性性点点不不接接地地系系统统中中不不大大的的单单相相接接地地短短路路电电流流，因因此此在在我我国国只只用用于于10kV及及以以下的应用场合。下的应用场合。图图13-10 角形保护间隙角形保护间隙1-主间隙；主间隙；2-辅助间隙辅助间隙第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE2管式避雷器管式避雷器 管管式式避避雷雷器器的的原原理理结结构构如如图图13-11所所示示。它它由由两两个个间间隙隙串串联联组组成成。一一个个间间隙隙F1装装在在产产气气管管1内内，称称为为内内间间隙隙。另另一一个个间间隙隙F2装装在在产产气气管管外外，称为称为外间隙外间隙。外间隙的作用是使产气管在正常运行时与工频电压隔离。外间隙的作用是使产气管在正常运行时与工频电压隔离。管式避雷器的管式避雷器的主要缺点主要缺点有：有：（1）伏伏秒秒特特性性太太陡陡，且且放放电电分分散散性性较较大大，难难以以和和被被保保护护设设备备实实现现合合理的绝缘配合；理的绝缘配合；图图13-11 管式避雷器管式避雷器1-产气管；产气管；2-胶木管；胶木管；3-棒形电极；棒形电极；4-环形电极；环形电极；5-储气室；储气室；6-动作指示器；动作指示器；F1、F2-内、外间隙内、外间隙（2）放放电电间间隙隙动动作作后后工工作作导导线线直直接接接接地地，会会产产生生高高幅幅值值的的截截波波，对变压器的纵绝缘不利。对变压器的纵绝缘不利。因因此此管管式式避避雷雷器器不不能能用用在在大大型型变变电电站站内内，目目前前只只是是用用作作变变电电站站进进线线段段保保护护的的辅辅助助手手段段，用用来来保保护护容容量量小小的的变变电电站站及及输输电电线线路路上上薄薄弱弱绝绝缘缘路路段段。也也可可与与电电缆缆段段相相配配合合，在在直直配配电电机机的的防防雷雷保保护护中起限流作用。中起限流作用。第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE第二节 电力系统的防雷保护装置3普通阀式避雷器和磁吹阀式避雷器（1）阀式避雷器的工作原理 阀式避雷器由装在密封瓷套中的放电间隙组和非线性电阻(阀片)组成。其工作原理如下：在电力系统正常工作时，间隙将电阻阀片与工作母线隔离，以免由母线的工作电压在电阻阀片中产生的电流烧坏阀片；当避雷器上过电压的瞬时值达到放电间隙的冲击放电电压时，间隙击穿，过电压波即被截断；间隙击穿后，冲击电流通过阀片流入大地，由于阀片的非线性特性，电流愈大电阻愈小，故在阀片上产生的压降UR(称为残压)将得到限制，此残压应比被保护设备绝缘的冲击强度低2540，设备就得到了保护。由于间隙放电的伏秒特性低于被保护设备的冲击耐压强度，使被保护设备得到保护；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，此续流受阀片电阻的非线性特性所限制，使其小于80A(最大值)，间隙能在工频续流第一次过零值时就将电弧切断。HUST_CEEE图13-12 单个平板型放电间隙1黄铜电极；2云母垫圈 3间隙放电区（2）普通阀式避雷器）普通阀式避雷器 避避雷雷器器的的阀阀片片是是用用电电工工金金刚刚砂砂(SiC)细细粒粒和和结结合合剂剂（水水玻玻璃璃等等）制制成成的的圆圆盘盘在在高高温温下下焙焙烧烧而而成成。普普通通阀阀式式避避雷雷器器中中的的阀阀片片是是在在300 350下下烧烧成成的的，称称为为低低温温阀阀片片。在在金金钢钢砂砂颗颗粒粒的的表表面面有有一一层层很很薄薄的的二二氧氧化化硅硅(SiO2)封封闭闭层层。金金刚刚砂砂颗颗粒粒本本身身的的电电阻阻率率不不大大，约约 10-2m，而而封封闭闭层层的的电电阻阻是是非非线线性性的的，它它与与电电场场强强度度有有关关，当当场场强强不不大大，即即阀阀片片上上电电压压不不高高时时，封封闭闭层层的的电电阻阻率率为为104 106m，此此时时整整个个外外施施电电压压都都加加在在封封闭闭层层上上，由由它它决决定定阀阀片片的的电电阻阻。当当场场强强增增大大时时，封封闭闭层层的的电电阻阻急急剧剧下下降降，阀阀片片的的电电阻阻逐逐渐渐由由金金刚砂本身的电阻来确定，于是就使阀片呈现非线性。刚砂本身的电阻来确定，于是就使阀片呈现非线性。普普通通阀阀式式避避雷雷器器的的火火花花间间隙隙由由许许多多（如如图图13-12所所示示）单单个个间间隙隙串串联联而而成成，单单个个间间隙隙的的电电极极由由黄黄铜铜板板冲冲压压而而成成，两两电电极极之之间间以以云云母母垫垫圈圈隔隔开开形形成成间间隙隙，间间隙隙距距离离为为0.5 1.0mm。由由于于间间隙隙电电场场近近似似均均匀匀电电场场，同同时时，过过电电压压作作用用时时云云母母垫垫圈圈与与电电极极之之间间的的空空气气缝缝隙隙中中发发生生电电晕晕，对对间间隙隙产产生生照照射射作作用用，从从而而缩缩短短了了间间隙隙的的放放电电时时间间，故故其其伏伏秒秒特特性性很很平平且且分分散散性性小小，单单个个间间隙的工频放电电压约为隙的工频放电电压约为2.73.0kV(有效值有效值)，其冲击系数为，其冲击系数为1.1左右。左右。第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE 由由于于间间隙隙各各电电极极对对地地和和对对高高压压端端有有寄寄生生电电容容存存在在，放放电电电电压压在在间间隙隙上上的的分分布布是是不不均均匀匀的的，并并且且瓷瓷套套表表面面状状况况对对此此也也有有影影响响。这这样样避避雷雷器器动动作作后后每每个个单单个个间间隙隙上上的的恢恢复复电电压压的的分分布布既既不不均均匀匀也也不不稳稳定定，从从而而降降低低了了避避雷器灭弧能力，其工频放电电压也将下降和显得不稳定。雷器灭弧能力，其工频放电电压也将下降和显得不稳定。为解决这个问题，可在每个间隙上并联一个分路电阻如图为解决这个问题，可在每个间隙上并联一个分路电阻如图13-13所示。所示。图图13-13 分路电阻原理接线分路电阻原理接线1间隙；间隙；2分路电阻；分路电阻；3工作电阻工作电阻 在在工工频频电电压压和和恢恢复复电电压压作作用用下下，间间隙隙电电容容的的阻阻抗抗很很大大，而而分分路路电电阻阻阻阻值值较较小小，故故间间隙隙上上的的电电压压分分布布将将主主要要由由分分路路电电阻阻决决定定。因因分分路路电电阻阻阻阻值值相相等等，故故间间隙隙上上电电压压分分布布均均匀匀，从从而而提提高高了了熄熄弧弧电电压压和和工工频频放电电压。冲击系数一般为放电电压。冲击系数一般为1左右，甚至小于左右，甚至小于1。普普通通阀阀式式避避雷雷器器有有较较平平坦坦的的伏伏秒秒特特性性，动动作作时时不不会会形形成成截截断断波波，所所以以可可用用作作变变电电站站中中的的变变压压器器等等重重要要设设备备的的保保护护。但但普普通通阀阀式式避避雷雷器器熄熄弧弧完完全全依依靠靠间间隙隙的的自自然然熄熄弧弧能能力力，其其次次阀阀片片的的热热容容量量有有限限，不不能能承承受受较较长长持持续续时时间间的的内内过过电电压压冲冲击击电电流流的的作作用用。因因此此类避雷器通常此此类避雷器通常不容许在内过电压作用下动作不容许在内过电压作用下动作。第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE图图13-14 旋弧型磁吹间隙旋弧型磁吹间隙1永久磁铁；永久磁铁；2内电极；内电极；3外电极；外电极；4电弧（箭头表示旋弧方向）电弧（箭头表示旋弧方向）（3）磁吹阀式避雷器）磁吹阀式避雷器 为为了了提提高高避避雷雷器器灭灭弧弧能能力力，可可以以采采用用电电弧弧运运动动的的间间隙隙，即即磁磁吹吹放放电电间间隙隙。它它利利用用磁磁场场使使电电弧弧运运动动来来加加强强去去游游离离，以以提提高高间间隙隙灭灭弧弧能能力力。采用磁吹间隙的避雷器称为采用磁吹间隙的避雷器称为磁吹阀式避雷器。磁吹阀式避雷器。磁磁吹吹阀阀式式避避雷雷器器中中火火花花间间隙隙也也是是由由许许多多单单个个间间隙隙串串联联而而成成的的。利利用用磁磁场场使使电电弧弧产产生生运运动动(如如旋旋转转或或拉拉长长)来来加加强强去去游游离离以以提提高高间间隙隙的的灭灭弧弧能能力力。磁磁吹吹间间隙隙通通常常有有旋旋弧型弧型和和灭弧栅型灭弧栅型两种。两种。如如图图13-14所所示示旋旋弧弧型型磁磁吹吹间间隙隙。在在外外磁磁场场的的作作用用下下，电电弧弧受受力力沿沿着着圆圆形形间间隙隙高高速速旋旋转转（旋旋转转方方向向取取决决于于电电流流方方向向），使使弧弧柱柱得得以以冷冷却却，加加速速去去游游离离过过程程。灭灭弧弧能能力力能能可可靠靠切切断断300A（幅幅值值）的的工工频频续续流流，切断比为切断比为1.3左右。左右。弧弧型型磁磁吹吹间间隙隙用用于于电电压压较较低低的的如如保保护护旋转电机用的磁吹阀式避雷器中。旋转电机用的磁吹阀式避雷器中。第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE图图13-15 灭弧栅型磁吹间隙灭弧栅型磁吹间隙1电极；电极；2灭弧盒；灭弧盒；3分路电阻；分路电阻；4灭弧栅；灭弧栅；5主间隙；主间隙；6磁吹线圈；磁吹线圈；7辅助间隙辅助间隙 灭灭弧弧栅栅型型磁磁吹吹间间隙隙如如图图13-15所所示示。主主间间隙隙与与线线圈圈串串联联连连接接，分分流流间间隙隙与与线线圈圈并并联联连连接接。当当雷雷电电流流在在线线圈圈上上产产生生很很大大的的压压降降时时，分分流流间间隙隙击击穿穿将将线线圈圈短短路路，使使避避雷雷器器的的压压降降不不致致太太大大。当当工工频频续续流流通通过过线线圈圈时时，分分流流间间隙隙自自动动熄熄弧弧，产产生生吹吹弧弧作用。作用。灭灭弧弧栅栅型型磁磁吹吹间间隙隙能能切切断断450A(幅幅值值)左左右右的的工工频频续续流流，为为普普通通间间隙隙的的4倍倍多多，因因此此广广泛泛用用于于电电压压较较高高的的如如保保护护变变电电站站用用的的磁磁吹吹阀阀式式避避雷器中。雷器中。第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE（4）阀式避雷器的基本参数）阀式避雷器的基本参数 额额定定电电压压UN(有有效效值值，kV)：指指施施加加到到避避雷雷器器端端部部的的最最大大允允许许工频电压工频电压(有效值有效值)。残残压压UR(峰峰值值，kV)：指指波波形形为为8/20 s的的一一定定幅幅值值的的冲冲击击电电流流通通过过避避雷雷器器时时，在在阀阀片片上上产产生生的电压峰值。的电压峰值。冲冲击击放放电电电电压压Ub(i)(峰峰值值，kV)：对对额额定定电电压压在在220kV及及以以下下的的避避雷雷器器，其其冲冲击击放放电电电电压压是是指指在在标标准准雷雷电电波波作作用用下下，避避雷雷器器的放电电压的放电电压(峰值峰值)的上限值。的上限值。工工频频放放电电电电压压Ugf（有有效效值值，kV)：指指在在工工频频电电压压作作用用下下，避避雷雷器将发生放电的电压值。器将发生放电的电压值。通通流流容容量量：主主要要指指在在规规定定的的波波形形情情况况下下，非非线线性性电电阻阻片片耐耐受受通通过过电电流流的的能能力力，以以电电流流的的幅幅值值、持持续时间和通过次数表示。续时间和通过次数表示。冲冲击击系系数数：避避雷雷器器冲冲击击放放电电电电压压与与工工频频放放电电电电压压幅幅值值之之比比。一一般般希希望望冲冲击击系系数数接接近近于于1。这这样样避避雷雷器器的的伏伏秒秒特特性性比比较较平平坦坦，有有利利于绝缘配合。于绝缘配合。切切断断比比：避避雷雷器器的的工工频频放放电电电电压压(下下限限)与与灭灭弧弧电电压压之之比比。它它是是体体现间隙灭弧能力的重要指标。现间隙灭弧能力的重要指标。保保护护比比：避避雷雷器器残残压压与与灭灭弧弧电电压压之之比比。保保护护比比愈愈小小，说说明明残残压压愈愈低低或或灭灭弧弧电电压压愈愈高高，因因而而保保护护性性能愈好。能愈好。第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE4氧化锌避雷器氧化锌避雷器 由由于于氧氧化化锌锌电电阻阻片片具具有有非非常常优优异异的的非非线线性性伏伏安安特特性性，可可以以取取消消串串联联火火花花间间隙隙，实实现现避避雷雷器器无无间间隙隙无无续续流流，而而且且造造价价低低廉廉，因因此此氧氧化锌避雷器的应用越来越广泛。化锌避雷器的应用越来越广泛。图图13-16所所示示为为氧氧化化锌锌阀阀片片与与碳碳化化硅硅阀阀片片伏伏安安特特性性曲曲线线的的比比较较，两两者者在在10kA电电流流下下的的残残压压是是大大致致相相同同的的，但但在在额额定定电电压压下下，碳碳化化硅硅阀阀片片流流过过的的电电流流幅幅值值达达100A，而而氧氧化化锌锌阀阀片片流流过过的的电电流流却却小小于于10-5A，可可以以近近似似认认为为其其续续流流为为零零。正正因因为为如如此此，氧氧化化锌锌避避雷雷器器才才可可以以不用串联放电间隙，使之成为无间隙、无续流的避雷器。不用串联放电间隙，使之成为无间隙、无续流的避雷器。图图13-16 两种电阻片伏安特性的比较两种电阻片伏安特性的比较图图13-17 氧化锌避雷器的保护效果氧化锌避雷器的保护效果 第二节第二节 电力系统的防雷保护装置电力系统的防雷保护装置HUST_CEEE氧化锌避雷器具有如下氧化锌避雷器具有如下优点优点：(1)保护性能优越保护性能优越 不不需需间间隙隙动动作作，电电压压稍稍微微升升高高，即即可可迅迅速速吸吸收收过过电电压压能能量量，抑抑制制过过电电压压发发展展。如如图图13-17所所示示，其其实实际际保保护护效效果果比比碳碳化化硅硅避避雷器好。雷器好。良良好好的的温温度度响响应应特特性性，在在低低电电流流范范围围内内(65m时时：Ug2525 I hc/s 由由于于雷雷击击地地面面时时，被被击击点点的的自自然然接接地地电电阻阻较较大大，最最大大雷雷电电流流幅幅值值一一般般不不会会超超过过100kA。实实测测表表明明，感感应应过过电电压压的的幅幅值值一一般般约约为为300400kV，这这可可能能引引起起35kV及及以以下下电电压压等等级级的的线线路路闪闪络络。同同时时，由由于于各各相相导导线线的的感感应应过过电电压压基基本本上上相相同同，所所以以不会出现相间闪络不会出现相间闪络。与与直直击击雷雷过过电电压压相相比比，感感应应过过电电压压还还有有以以下下特特点点：它它的的波波形较平缓，波头由几形较平缓，波头由几s到几十到几十s，而波长可达数百，而波长可达数百s。第三节第三节 架空输电线路的防雷保护架空输电线路的防雷保护HUST_CEEE2.雷击线路附近大地时有避雷线导线上的感应雷过电压雷击线路附近大地时有避雷线导线上的感应雷过电压 当当架架空空输输电电线线路路有有避避雷雷线线，雷雷击击线线路路附附近近大大地地时时，避避雷雷线线对对架架空空输输电线路有屏蔽作用，能够降低导线上的感应过电压。电线路有屏蔽作用，能够降低导线上的感应过电压。设导线和避雷线对地平均高度分别为设导线和避雷线对地平均高度分别为hc和和hs，应用，应用叠加原理叠加原理计算：计算：先先假假设设避避雷雷线线不不接接地地，则则导导线线上上的的感感应应雷雷过过电电压压和和避避雷雷线线上上的的感感应应雷过电压分别为：雷过电压分别为：Uc25 I hc/sUs25 I hs/sUc hs/hc 但但实实际际上上避避雷雷线线是是接接地地的的，避避雷雷线线电电位位保保持持零零值值。为为此此，可可设设想想在在不不接接地地的的避避雷雷线线上上叠叠加加一一个个-Us的的电电压压，于于是是此此电电压压将将在在导导线线上上产产生生耦耦合电压合电压 k0(-Us)，k0是避雷线与导线间的耦合系数。是避雷线与导线间的耦合系数。于是，线路有避雷线时，导线上实际的感应过电压将为：于是，线路有避雷线时，导线上实际的感应过电压将为：上上式式表表明明，避避雷雷线线使使导导线线上上的的感感应应过过电电压压下下降降至至（1k0）倍倍。耦耦合系数愈大，导线上的感应过电压愈低。合系数愈大，导线上的感应过电压愈低。第三节第三节 架空输电线路的防雷保护架空输电线路的防雷保护HUST_CEEE三、架空输电线路的直击雷过电压和耐雷水平三、架空输电线路的直击雷过电压和耐雷水平 我我国国110kV及及以以上上线线路路多多数数全全线线装装有有避避雷雷线线，有有避避雷雷线线输输电电线线路路落落雷雷有有三三种种情情况况：雷雷击击杆杆塔塔塔塔顶顶（雷雷击击杆杆塔塔），雷雷绕绕过过避避雷雷线线击击于于导导线线（绕绕击击导导线线），雷雷击击档档距距中中间间的的避避雷雷线线（雷击避雷线），如图（雷击避雷线），如图13-20所示。所示。图图13-20雷击有避雷线输电线路的三种情况雷击有避雷线输电线路的三种情况-雷击杆塔；-绕击导线；-雷击避雷线 第三节第三节 架空输电线路的防雷保护架空输电线路的防雷保护HUST_CEEE图图13-21 雷击塔顶示意图及等值电路雷击塔顶示意图及等值电路(a)雷击塔顶示意图;(b)等值电路1雷击杆塔塔顶雷击杆塔塔顶 当当雷雷击击杆杆塔塔塔塔顶顶时时，雷雷电电流流大大部