雷电及防雷装置13线路防雷.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第,12,章 雷电及防雷装置,内容介绍,12.1,雷电放电及雷电的主要参数,12.2,避雷针与避雷线的保护范围,12.3,避雷器,12.4,防雷接地,雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压（也称大气过电压），它是造成,电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一,；雷电放电所产生的巨大电流，可能使被击物炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损坏。,为预防或限制雷电的危害性，在电力系统中采用一系列防雷措施和防雷保护装置。,雷云放电起源于雷云的形成（云的起电），这是一个气象物理现象。目前比较有代表性的理论有感应起电、对流起电、温差起电、水滴分裂起电、融化起电、冻结起电等，至今尚无定论。获得比较广泛认同的水滴分裂起电理论。,12.1,雷电放电及雷电的主要参数,12.1.1,雷电的形成,在特定的大气和地形条件下，强大而潮湿的热气流在不断上升的过程中，内部的水滴被强烈碰撞分裂起电，细微的水沫带负电，被上升气流带往高空，形成大片带负电的雷云。带正电的水珠或凝聚成雨滴落下地面，或悬浮在云中，形成雷云下的局部正电荷区。,雷电放电大多数出现在雷云与雷云之间，少数发生在雷云与大地之间。而这少数的雷云与大地之间的雷电放电是引起雷害的主要因素。,雷云放电一般包括先导放电、主放电、余辉放电三个过程。,另外由于雷云中往往会有几个电荷中心，故在整个雷电放电过程中经常会出现多次重复放电的现象。,雷云对地放电过程,（,1,）先导放电过程,在雷云带有电荷后，其电荷往往会集中在几个带电中心，它们间的电荷数也不完全相等。当某一点的电荷较多，且在它附近的电场强度达到足以使空气绝缘发生击穿的程度（约,25,30kV,cm,）时，空气便开始游离，使这一部分空气由原来的绝缘状态变为导电性的通道。该导电性通道将由雷云不断向地面伸展，这个过程通常称为先导放电。,在雷云对大地的第一次放电过程中，先导放电是不连续的，雷云对地面的先导放电是逐级向下发展的。每一级长度约,25,50m,，每一级的伸展速度约,1,0,4,km,s,，各级之间有,30,90s,的停歇，所以先导放电的平均发展速度只有,100,800km,s,，约为光速的,1,1000,左右。因此，这种逐级向下发展的先导放电又称为分级先导。,先导通道具有良好的导电性，带有与雷云同极性的剩余负电荷，先导通道头部的对地电位基本与雷云的对地电位相同，可高达,10MV,。另外，雷云与先导中的负电荷将在大地或地面物体上感应出大量的异号正电荷。,（,2,）主放电过程,当先导发展到接近地面或地面物体时，由于先导通道头部的极高电位，剩余的空气间隙中的电场强度将达到极高的程度，从而使空气发生强烈游离并产生高密度的等离子区。此区域沿先导通道自下而上迅速地向上传播，形成一条高电导率的等离子体通道，使先导通道以及雷云中的负电荷与大地中的正电荷发生强烈的中和，这个过程称为主放电过程。主放电发展的速度比先导放电的发展速度快得多，达到,1.5,10,7,1.5,10,8,m,s,（,1,20,1,2,的光速）。在主放电发展的极短时间内（约,50,100s,），主放电通道中将流过幅值很大的电流，可高达几十至几百千安，使放电通道的温度急速升高至,210,4,以上，从而形成了强烈的闪电和雷鸣。,（,3,）余辉放电和多重放电,主放电到达云端时，意味着主放电阶段结束。此时，雷云中剩下的电荷，将继续沿主放电通道下移，此时称为余辉放电阶段。余辉放电电流仅数百安，但持续的时间可达,0.030.15s,。至此，第一次雷电放电结束。但是，由于雷云中可能存在多个电荷中心，因此，在实际中雷云放电往往是多重的，它会沿原来的放电通道出现第二次放电、第三次放电,，造成多重雷击，但此时先导不再是分级的，而是连续发展的。,雷击放电的计算模型和等值电路,12.1.2,雷击物体时的计算模型及雷电流,雷击放电计算模型,(a),先导放电结束,(b),主放电开始,(c),主放电通道电路,(d),等值电路,先导通道具有较好的导电性，也具有分布参数的特征,其波阻抗为,Z,0,。,Z,是被击物体与大地（零地位）之间的阻抗,。,可以把先导通道击中物体开始主放电的过程看作是沿着波阻抗为,Z,0,的无限长的雷电通道，自天空向地面传来的前行波,u,0,、,i,0,（,u,0,=i,0,Z,0,）到达,A,点，从而在节点,A,上产生波的折反射的过程,。,u,A,=i,A,Z,雷电流应该是一个能够客观反映雷电本身强弱的参数，它应该与外界条件（如被击中物体的阻抗,Z,的大小）无关,一般把流经被击物体的波阻抗为零时的电流被定义为,“,雷电流,”,。,但考虑实际上被击中物体的阻抗不可能为零值，故规程建议雷击中低接地电阻（一般为,Z,30,）的物体时流过该物体上的电流可以认为等于雷电流。,雷电流是可测的，其值约为雷电流波的两倍。,i,2i,0,雷电流的定义,12.1.3,雷电参数,与实际最接近，但计算繁杂，较少采用。,用来分析与雷电流波前有关的波过程方便。,常用，分析,10s,以内的波过程等值性好。,分析雷电流波头比较接近，用于设计特殊大跨越、高杆塔时用,1,雷道波阻抗,我国规程建议雷电通道的波阻抗,Z,0,为,300400,。,2,雷电流的波形及极性,实测结果表明，雷电流是单极性（,75,90,负极性）的脉冲波。,常用的典型等值计算波形主要有双指数波、斜角波、斜角平顶波和等值半余弦波等四种。,雷电流幅值是指脉冲电流所达到的最高值。,根据长期的实际测量结果，我国规程规定：,对于一般地区，雷电流幅值超过,I,的概率可按下式计算,式中,I,雷电流幅值，,kA,；,P,幅值超过,I,的雷电流出现的概率。,例如，雷击时出现大于,88kA,雷电流幅值的概率,P,约为,10%,。,对于陕南以外的西北地区、内蒙古自治区的部分地区等雷电活动较弱的地区（这类地区的年平均雷暴日数一般在,20,及以下），其雷电流幅值也较小，此时雷电流幅值概率可改用下式计算,3,雷电流幅值,（,1,）根据有关实测结果，在线路防雷计算时，规程规定取雷电流波头时间为,2.6S,，波长为,50 S,。由于波长对防雷计算结果几乎无影响，为简化计算，一般可视波长为无限长。,（,2,）通常认为雷电流的陡度,与幅值,I,有线性的关系，即幅值愈大，陡度也愈大。,根据规程规定，雷电流的平均陡度为,=I/2.6(kA/S),。,（,3,）实测表明，雷电流波前陡度的最大极限值一般可取,50kA/,S,。,4,雷电流波前时间、陡度及波长,表示某地区雷电的活动强度指标主要有雷暴日与雷暴小时。,（,1,）雷暴日,T,d,是每年中有打雷的天数（即在,1,天内只要听到雷声就作为一个雷暴日）。,（,2,）雷暴小时是每年中有雷电的小时数。,（即在,1,个小时内只要听到雷声就算作一个雷暴小时）。据统计，我国大部分地区雷暴小时与雷暴日的比值约为,3,。,（,3,）各地的雷电活动强度可以有很大的差异。,根据长期统计的结果，在我国规程中绘制了全国平均雷暴日分布图，可用作防雷设计的依据。全年平均雷暴日数为,40,的地区为中等雷电活动强度区，如长江流域和华北的某些地区；年平均雷暴日不超过,15,日的为少雷区，如西北地区；超过,40,日的为多雷区，如华南某些地区。,5,雷暴日与雷暴小时,雷云对地面的放电频度可用,地面落雷密度,来表示。规程规定：,每一雷暴日、每平方公里地面遭受雷击的次数称为地面落雷密度。,世界各国对,的取值不尽相同，通常认为年雷暴日数不同的地区的,值也各不相同，一般雷暴日数较大的地区,值也较大。,我国有关标准建议在雷暴日为,40,的地区，,取,0.07,。,输电线路落雷次数，,对雷暴日为,40,的地区，避雷线或导线平均高度为,h,的线路，每,100km,每年雷击的次数为,N=0.28(b+4h),，,式中,b,两根避雷线之间的距离。,6,地面落雷密度和输电线路落雷次数,内容介绍,12.1,雷电放电及雷电的主要参数,12.2,避雷针与避雷线,12.3,避雷器,12.4,防雷接地,避雷针、避雷线可以防止雷电直接击中被保护物体，主要用于对直击雷的保护，以避免被保护物体直接遭受雷击；避雷器可以限制雷击线路时沿输电线路侵入变电所的雷电冲击波的幅值，保护变电所内电气设备的绝缘，因此主要用于对线路上的侵入波保护。,避雷针（线）的保护原理可归纳为：当雷云的先导向下发展到离地面一定高度时，远远高出地面的避雷针（线）顶端会形成一个局部电场强度集中的区域，从而有可能在避雷针（线）顶端产生局部放电并形成向上的迎面先导，这将影响下行先导的发展方向。由于受避雷针、避雷线的向上先导的引导，雷电的向下先导将直接击中避雷针（线），然后通过与其相连的接地装置把巨大的雷电流直接泄入大地，从而使避雷针（线）周围的设备免遭雷击破坏。,12.2,避雷针和避雷线,为了使雷电流顺利泄入地下和降低雷击点的过电压，避雷针和避雷线除要有,接闪器,（避雷针的针头，避雷线的架空地线）外，必须有足够截面的可靠,接地引下线,和良好的,接地体,，其接地电阻应足够小。,避雷针比较适宜用于象发电厂和变电所那样相对集中的保护对象，而象架空线路那样伸展很广的保护对象应采用避雷线。,避雷针和避雷线保护范围的定义：,指在某一范围内物体遭受雷击可能性小于,0.1%,的空间区域。,（,1,）单支避雷针保护范围的计算,当,h,x,h/2,时，,r,x,=(h-h,x,)P,当,h,x,h/2,时，,r,x,=(1.5h-2h,x,)P,h,避雷针高度，,m,；,h,x,被保护物高度，,m,；,P-,高度修正系数，,当,h,30m,时，,P=1,；,当,30m,h,120m,，,12.2.1,避雷针的保护范围,由于两支针的联合屏蔽作用，两支等高避雷针联合保护范围比两避雷针各自单独的保护范围之和要大。其保护范围分为两针外侧的保护范围和两针内侧的保护范围两个部分。,两针外侧的保护范围仍然按单针避雷针的计算公式,（,2,）两支等高避雷针,两针内侧的保护范围可利用下式求得：,D,两避雷针之间的水平距离，,m,；,h,0,两避雷针联合保护范围上部边缘最低点的高度，,m,。,2b,x,两避雷针之间在,h,x,水平面上保护范围的最小宽度，,m,。,一般两针间的距离,D,不宜大于,5h,。,当,h,30m,时，,P=1,；,当,30m,h,120m,，,两支不等高避雷针,首先按两个单针分别作出其保护范围；,然后由低针,2,的顶点作水平线，与高针,1,的保护范围交于点,3,，再以点,3,为一假想等高避雷针的顶点，作出两等高避雷针,2,和,3,的保护范围。,把以上两个保护范围叠加即可得到两支不等高避雷针的总的保护范围。,两针外侧的保护范围仍按单避雷针计算。,（,3,）多支等高避雷针,三支等高避雷针的联合保护范围可以采用每两支针作为一对组合分别计算它们的联合保护范围，只要在被保护物高度的平面上各个两针之间的,b,x,0,，则三针组成的三角形中间部分将均处于三针联合保护范围之内。,四根以上的等高多支避雷针的保护范围，可以按每三支针作为一个组合分别确定它们的保护范围，然后再叠加到一起即可得到多针的联合保护范围。,实际工程中，已知被保护物的高度、宽度和位置，确定避雷针的根数、位置和高度。,12.2.2,避雷线的保护范围,（,1,）单根避雷线,如图示，其一侧保护半径可按下式计算,当,h,x,h/2,时，,r,x,=0.47(h-h,x,)P,当,h,x,h/2,时，,r,x,=(h-1.53h,x,)P,当,h,30m,时，,P=1,；,当,30m,h,120m,，,（,2,）两根等高的避雷线,避雷线外侧的保护范围仍按单避雷线的计算公式确定，两根避雷线内侧的保护范围横截面则通过两根避雷线与保护范围上部边缘最低点,O,这三点所决定的圆弧来确定。,O,点的高度为,D,两根避雷线之间的水平距离，,m,；,h,0,两根避雷线联合保护范围上部边缘最低点的高度，,m,。,h,避雷线的高度，,m,。,当,h,30m,时，,P=1,；,当,30m,h,120m,，,（,1,）保护角的定义,保护角,是指避雷线同外侧导线的连线与垂直线之间的夹角,。,（,2,）保护角,越小，避雷线对导线的屏蔽保护越可靠。一般,取,2030,，可以认为输电线路已处于避雷线的保护范围之内。,避雷线的保护范围的计算,（避雷线作为架空输电线路的保护时）,内容介绍,12.1,雷电放电及雷电的主要参数,12.2,避雷针与避雷线的保护范围,12.3,避雷器,12.4,防雷接地,12.3,避雷器,避雷器是防止过电压损坏电力设备的保护装置。,它实质上就是一个放电器，当雷电侵入波或操作过电压波超过某一电压值时，避雷器将先于与其相并联的被保护设备绝缘放电，使过电压值得到限制，从而使与其相并联的电力设备绝缘得到有效保护。,当过电压作用过去以后，避雷器又能自动切断工频电压作用下通过避雷器泄入大地的工频短路电流，使电力系统恢复正常工作。,应满足两个基本要求：良好的伏秒特性，易于实现合理的绝缘配合；应有较强的绝缘自恢复能力。,避雷器的基本分类,保护间隙,管式避雷器（排气式避雷器）,阀式避雷器,金属氧化物避雷器,各种避雷器的主要应用场合,1.,保护间隙和管式避雷器（排气式避雷器）主要用于配电系统、线路和发、变电所进线段的保护，以限制入侵的大气过电压。,2.,阀式避雷器和金属氧化物避雷器用于变电所和发电厂的保护,避雷器,普通阀式避雷器,磁吹,阀式避雷器,12.3.1,保护间隙,1,保护间隙常用双羊角状间隙，主要是利用其电弧上吹特性，使电弧伸长，从而使电弧易于自行熄灭,。,2,优缺点,其优点是：结构简单、价格低廉。,其缺点主要有：,（,1,）,最重要的缺点是熄弧能力很有限。,（,2,）动作后会形成截波,变压器的纵绝缘（匝间绝缘）会造成很大威胁,。,1,主间隙；,2,辅助间隙；,3,绝缘瓷瓶,1,被保护绝缘；,2,保护间隙或排气式避雷器；,3,阀式避雷器,极大多数被保护电气设备的绝缘伏秒特性通常都比较平坦。而保护间隙的伏秒特性曲线比较陡峭，这样两者的伏秒特性很容易出现交叉现象。击穿若发生在,P,点的左边，被保护设备的绝缘将无法得到有效保护。如果要使两者的伏秒特性不出现交叉，则必须将保护间隙的伏秒特性曲线,2,整个地移至被保护设备的伏秒特性曲线,1,的下面，但这又会造成保护间隙的静态击穿电压太低，从而可能会引起保护间隙在较低的内部过电压下频繁地出现不必要的动作,影响线路的正常供电。,(3),保护间隙的电场属于极不均匀电场，伏秒特性曲线比,较陡峭，与被保护设备绝缘的伏秒特性很难配合。,12.3.2,管型避雷器（排气式避雷器）,实质上是一只具有较高熄弧能力的保护间隙,结构,:,由两个间隙串联组成。一个暴露在大气中的称外火花间隙,S,2,；另一个装在灭弧管内的称内火花间隙,S,1,或灭弧间隙，该间隙的电极一端为棒形，另一端为环形。灭弧管内层是由纤维、塑料或橡胶等产气材料制成的产气管，外层为增大机械强度用的胶木管。,1,产气管；,2,棒形电极；,3,环形电极；,4,导线；,S,1,内间隙；,S,2,外间隙,工作原理：当雷电波侵入时，内外间隙同时击穿，雷电流经间隙流入大地。然后，在系统工频电压作用下间隙将流过工频续流，工频续流电弧所产生的高温使管内产气材料分解出大量气体，管内压力急速升高，高压气体由环形电极的开口孔喷出，形成强烈的纵吹作用，从而使电弧在工频续流第一次过零点时就被熄灭。,增设外火花间隙,S,2,的目的是为了在正常运行时把灭弧管与工作电压隔开，以免管子中的产气材料加速老化或在管壁受潮时发生沿面放电。,排气式避雷器熄灭工频续流有上下限,I,max,、,I,min,（有效值）的规定。否则，如果续流太大产气过多，管内气压太高将会造成管子炸裂；反之，若续流太小产气过少，又会造成管内气压太低不足以熄弧。,优缺点,:,熄弧能力比保护间隙强，但其它许多缺点都与保护间隙相同。因此，目前管式避雷器主要也只用于线路保护和发、变电所的进线段保护。,12.3.3,阀式避雷器,阀式避雷器的保护原理：,主要靠间隙和阀片的相互配合来完成。当过,电压达到间隙动作电压，间隙动作，巨大的冲击电流经阀片流入大地，由于阀片电阻的非线性特性，其电阻在流过巨大的冲击电流时变得很小，故此时在阀片上产生的电压（又称残压）将得到有效限制，使其低于被保护设备的冲击耐压，从而使设备绝缘得到有效地保护；过电压过去以后，阀片将继续受到工频电压作用并流过工频续流，同样由于阀片电阻的非线性特性，此时阀片电阻值会增大许多，使流过间隙的工频续流受到限制，从而使间隙能在工频续流第一次过零瞬间就将其切断，使避雷器恢复正常状态。于是，电网又继续进行正常供电。,适用范围：,阀式避雷器在保护性能上对保护间隙和排气式避雷器的主要缺点进行了重大改进，被广泛使用于变电所和发电厂的防雷保护。,阀式避雷器的分类：,分普通型和磁吹型两大类。,普通,阀式避雷器的结构：,阀式避雷器主要由火花间隙和非线性阀片电阻两个基本部件组成。,1,火花间隙：,由许多个接近均匀电场的小电极间隙串联组成。单个间隙的电极由黄铜冲压而成，二电极以云母垫圈隔开形成间隙，间隙距离为,0.51.0mm,。作用：,（,1,）系统正常工作时，间隙将电阻阀片与工作母线实现隔离，使工作电压不能作用于阀片上，避免阀片因长期流过短路电流发热使阀片烧坏。,（,2,）由于火花间隙采用均匀电场电极组成，其伏秒特性较平坦，易于与被保护设备的伏秒特性相配合。,（,3,）由于火花间隙由许多小电极间隙串联组成，工频续流电弧将被这些间隙分割成许多短弧，使电弧容易熄灭。由此使火花间隙切断工频续流的能力大大加强，使火花间隙具有较好的灭弧性能。普通型阀式避雷器的火花间隙一般可以切断,80100A,的工频续流。,1,被保护绝缘；,2,保护间隙或,排气式避雷器；,3,阀式避雷器,2.,非线性阀片电阻：,普通型阀片电阻由金刚砂（,SiC,）和结合剂在,300500,烧结而成。,（,1,）阀片电阻的伏安特性,:,在流过小电流时电阻大，而在流过很大的电流时电阻小。,，,非线性指数。,（,2,）阀片电阻的作用,限制工频续流以利于熄弧：,在流过工频续流时电阻会变得较大，使火花间隙更容易熄灭电弧。,限制作用于被保护设备的冲击电压，使设备绝缘得到有效保护：,电阻在流过巨大的冲击电流时变得很小，故在阀片上产生的残压将得到有效限制。,避免出现对绝缘不利的截波：,随着火花间隙击穿雷电流将迅速通过阀片电阻，避雷器上的电压不会降至零，从而避免了严重的截波。,3.,火花间隙上的并联分路均压电阻,存在问题：由于对地杂散电容的分流作用，使流过每个火花间隙的电流均不相同，造成电压沿火花间隙串的不均匀分布，靠近高压端的火花间隙由于承受电压较高不容易灭弧，造成灭弧困难。电压的不均匀分布也会造成避雷器在较低的内部过电压下发生动作，这也是不允许的。,解决办法：,在阀式避雷器火花间隙上并联均压电阻,。,在工频电压的作用下,，火花间隙的容抗较大，电压分布主要取决于并联电阻。因此电压分布均匀，不致降低灭弧能力和工频放电电压。,在冲击电压作用情况下,，由于冲击电压的等值频率很高，电容的容抗将大大减小，间隙上的电压分布将主要取决于电容分布。由于间隙对地杂散电容的存在，故此时冲击电压沿火花间隙的分布仍然是很不均匀的，它会导致火花间隙冲击放电电压降低，但这对于限制雷电过电压幅值反而是有利的。,对于多个间隙的高压避雷器，,如果采用了并联分路均压电阻，其冲击放电电压反而会低于工频放电电压，,冲击系数常小于,1,。冲击放电电压降低、工频放电电压适当提高以及灭弧性能的改善正是我们所希望达到的结果。但为了防止冲击系数过低而引起误动作，在避雷器的顶部采用均压环以改善冲击电压的分布。,由于均压电阻将长期处于系统额定工作相电压的作用之下,，均压电阻中会长期流过电流（即避雷器的泄漏电流）。因此，所采用的并联电阻应有足够的热容量。通常均压电阻采用以,SiC,为主要材料的非线性电阻，非线性系数,0.350.45,，,优点主要是热容量大、热稳定性好。,磁吹型,阀式避雷器,磁吹避雷器的原理和结构与普通型避雷器基本相同，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。因而具有更高的灭弧能力、通流能力和较低的残压。因此它适宜用于电压等级较高的变电所电气设备的保护以及绝缘水平较弱的旋转电机的保护。,磁吹火花间隙是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，使弧柱中的去游离作用增强，从而大大提高其灭弧能力，可以切断,450A,左右的工频续流,。,磁吹间隙,磁吹避雷器的阀片电阻一般都经过高温（,1350 1390,）焙烧，这样就可以提高允许通过的工频续流值，增大通流能力。但其非线性特性较低温阀片稍差（其,0.24,）,由于磁吹避雷器的灭弧能力大大加强，可以减少原来普通阀式避雷器中为了将工频续流限制在,80100A,所需要的阀片电阻数量，使得避雷器的残压下降，进一步改善了避雷器的保护性能。,1,角状电极,2,灭弧盒,3,并联电阻,4,灭弧栅,磁吹避雷器主要有旋弧型和灭弧栅型两种类型。,旋弧型磁吹间隙结构示意图,1,永久磁铁；,2,内电极；,3,外电极；,4,电弧,（箭头表示电弧旋转方向）,它是利用由外界永久磁铁所产生的磁场，使电弧在磁场中受电动力的作用沿着圆形间隙高速旋转，使弧柱得到快速冷却，由此使间隙的灭弧能力得到明显提高，它能可靠切断幅值为,300A,的工频续流。这种磁吹间隙主要用于电压较低的磁吹避雷器中，例如保护旋转电机的,FCD,系列磁吹避雷器。,冲击过电压下，主间隙,3,和辅助间隙,2,被同时击穿。如果没有辅助间隙，巨大的冲击电流势必会流过磁吹线圈,1,，此时线圈的电感会形成很大的电抗，与阀片电阻一起产生很高的残压。,当流过工频续流时，线圈的感抗将变得很小，辅助间隙,2,上的电弧熄灭，工频续流通过磁吹线圈,1,并产生磁吹磁场，主间隙,3,中的工频续流电弧在该磁场的作用下被迅速拉长吹入灭弧栅,5,的狭缝中，电弧迅速熄灭。,一般用于电压等级较高的磁吹避雷器中。,灭弧栅型磁吹避雷器的结构示意,1,磁吹线圈；,2,辅助间隙；,3,主间隙；,4,主电极；,5,灭弧栅；,6,分路电阻；,7,阀片电阻,阀型避雷器的电气特性,（,1,）额定电压,U,n,指使用该避雷器的电网额定电压，也就是正常运行时作用于避雷器上的工频额定工作电压。,（,2,）灭弧电压,指能够保证可靠地熄灭工频续流电弧的条件下，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所可能出现的最高工频电压。对于,110kV,及以上的中性点直接接地的系统，灭弧电压应大于系统额定（线）电压的,80%,；对于,35kV,及以下的中性点不接地系统（包括经消弧线圈接地），灭弧电压应大于系统额定（线）电压的,100%110%,。,（,3,）工频放电电压,工频电压作用下，避雷器将发生放电的电压值，说明避雷器火花间隙的绝缘强度。为避免避雷器在内部过电压下动作，,35kV,及以下和,110kV,及以上的避雷器的工频放电电压应分别大于系统最大工作相电压的,3.5,倍和,3.0,倍。,（,4,）冲击放电电压,指在标准冲击波作用下避雷器的放电电压。它应当低于被保护设备绝缘的冲击击穿电压。一般避雷器的的冲击放电电压通常与其,5kA,（对,330kV,及以上电压等级为,10kA,）下的残压基本相同。,（,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降。我国现行标准规定：通过避雷器的额定雷击冲击电流，,220kV,及以下系统取,5kA,，,330kV,及以上的超高压系统取,10kA,。因此，避雷器的残压都是统一指在上述标称电流作用下避雷器阀片电阻上的电压降。显然，避雷器残压愈低，则保护性能愈好。,（,6,）保护比,:,指避雷器残压与灭弧电压（幅值）之比。保护比愈小，说明残压愈低或灭弧电压愈高，保护性能愈好。,优异的,非线性伏安特性,。在正常工作电压下，其阻值很大，接近于绝缘状态。而在过电压的作用下，阻值会急剧减小，其伏安特性可用下式表示,一般只有,0.01 0.04,，即使在大冲击电流（例如,10kA,）下，,也不会超过,0.1,12.3.4,金属氧化物避雷器,其结构上,最大的特点就是取消了火花间隙，因此结构非常简单，仅由相应数量的氧化锌阀片（,ZnO,）密封在瓷套内组成。,如果两者在,I=10kA,时残压基本相同，那么在额定工作相电压作用下，,SiC,阀片中会流过数百安培的电流，因此必须要用火花间隙加以隔离；而,ZnO,阀片在额定工作相电压作用下流过的电流却只有几十微安，相当于一绝缘体。因此金属氧化物避雷器可以不必再用串联间隙隔离阀片电阻，成为无间隙避雷器。,与碳化硅阀型避雷器相比，金属氧化物避雷器有,一系列优点,：,（,1,）无间隙：造价低，体积小，重量轻、运行维护方便等。,（,2,）保护性能好，可以降低变电所所受的过电压。由于没有串联间隙，在整个过电压过程中一直都有电流流过，不断泄放过电压的能量，从而抑制了过电压的发展。,（,3,）无续流、动作负载轻，可以耐受多重雷击和重复动作操作过电压的作用。,（,4,）通流容量大，能制成重载避雷器。还可以进一步通过多柱阀片并联或多个避雷器并联的方法来进一步提高其通流容量。,（,5,）抗老化性能强，耐污性能好。,金属氧化物避雷器具有众多优点，在电力系统中正在得到越来越广泛的应用。可以说，,ZnO,避雷器是避雷器发展的主要方向，,ZnO,避雷器取代,SiC,避雷器已是大势所趋。,内容介绍,12.1,雷电放电及雷电的主要参数,12.2,避雷针与避雷线的保护范围,12.3,避雷器,12.4,防雷接地,12.4,防雷接地,接地可分为四种：工作接地、保护接地、静电接地和防雷接地。,工作接地：,根据电力系统正常运行的需要而设置的接地，例如三相系统中的中性点的接地。,保护接地：,为了保护人身安全，防止因电气设备绝缘劣化而使外壳带电危及工作人员安全。,静电接地：,对于易燃、易爆场所的金属物体，当其上蓄有静电后，往往会爆发火花，以致造成爆炸或火灾。因此要对这些金属物体（如贮油罐等）接地。,防雷接地：,用来将雷电流顺利泄入地下，以减小由它所引起的雷电过电压，防止过电压对电力设备绝缘造成危害。,从物理过程看，防雷接地与其他三种接地主要有两点区别，一是雷电流的幅值大，二是雷电流的变化快、等值频率高。,对于工作接地、保护接地和静电接地，接地电阻是指在工频或直流电流流过时的电阻，通常叫,做工频（或直流）接地电阻,(R),；而对于防雷接地，接地电阻是指雷电冲击电流流过时的电阻，叫做,冲击接地电阻,(R,ch,),，,一般要求冲击接地电阻值小于,10,。,1,火花效应，使冲击接地电阻小于工频接地电阻,同一接地装置在幅值很高的雷电冲击电流的作用下，由于电极周围局部土壤击穿的电火花使其冲击接地电阻要小于工频接地电阻的这一现象就称为火花效应。,2,电感效应，使冲击接地电阻大于工频接地电阻,雷电流的等值频率高，会使接地装置本身呈现明显的电感作用，它会阻止雷电流向接地体的远端流去，其结果将使得接地体得不到充分利用，使接地体的冲击接地电阻高于工频接地电阻，这一现象称为电感效应。,因此，过分伸长接地体由于电感效应对防雷接地作用有限。,3.,接地装置的冲击系数,:,一般与接地体的几何尺寸、土壤电阻率、雷电流的幅值和波形等因素有关。,冲击电流流经接地装置入地时的火花效应和电感效应,水平接地体一般是作为发电厂、变电所等大型接地网的主要接地方式；垂直接地体一般是作为避雷针、避雷线、避雷器等需要集中接地电力设施的主要接地方式；另外，在发电厂、变电所等大型接地网的建设中还常常采用复合接地装置。,接地装置的形式,典型接地体的接地电阻,单根垂直接地体、多根垂直接地体、水平接地体的接地电阻计算公式略。,接地体的利用系数 ：,多根垂直接地体之间或者复式接地装置的各个接地体之间会存在相互屏蔽作用，它将妨碍每个接地体向土壤中扩散电流，使接地装置的利用情况变差。因此，这些接地装置的总电导会小于各个接地体电导之和，通常可用利用系数,（,U,50%,时，导线与杆塔之间将发生闪络，造成“反击”，由此可得出雷击塔顶时线路的耐雷水平,I,1,为,由上式可以看出，提高“反击”耐雷水平,I,1,的措施主要有,（,1,）加强线路绝缘（即提高,U,50%,）；,（,2,）降低杆塔接地电阻,R,ch,；,（,3,）增大耦合系数,k,，常用措施是将单避雷线改为双避雷线或在导线下方加装耦合地线，以增强耦合作用。,（,4,）增大地线分流以降低杆塔分流系数,。,在该电压的作用下，击穿的概率为,50,补充：,雷击避雷线档距中央,与雷电流陡度成正比，与档距长度,l,成正比,。为了防止该空气间隙被击穿，通常采取的办法是保证避雷线与导线之间有足够的空间距离,S,，,实际在设计时都会满足,。,(a),线路示意图；,(b),等值电路图,1,避雷线；,2,导线；,Z,0,雷电通道的波阻抗；,Z,b,避雷线波阻抗；,S,避雷线与导线之间的空气间隙；,i,雷电流,近似地取,则,绕击导线时的线路耐雷水平,考虑过电压情况下导线上会出现电晕，取,Z,d,为,400,，故有,如果绕击时导线上的电压,U,d,超过绝缘子串的,50%,冲击闪络电压,U,50%,，则导线将发生冲击闪络。因此，绕击导线时的线路耐雷水平为,“,反击”和“绕击”的线路耐雷水平的比较,额定电压,U,n,(kV),110,220,330,500,反击耐雷水平,I,1,(kA),4075,80120,100150,125175,雷电流超过,I,1,的概率,P(%),3514,124,72,41,绕击耐雷水平,I,2,(kA),7,12,16,22,雷电流超过,I,2,的概率,P(%),83,73,66,56,1,线路的绕击耐雷水平较反击耐雷水平低得多。,2,一旦线路发生绕击，大多数情况下都会使线路发生冲击闪络。即使对于,500kV,的超高压线路，绕击时发生冲击闪络的概率也超过,56%,。,3,雷击塔顶时，大多数情况下线路都不会发生冲击闪络。对于,500kV,的超高压线路，反击时发生冲击闪络的概率仅为,14%,。,内容介绍,13.1,输电线路的感应雷过电压,13.2,输电线路的雷击过电压,13.3,输电线路的雷击跳闸率,13.4,输电线路的防雷措施,输电线路的防雷,8.3,输电线路的雷击跳闸率,引起输电线路雷击跳闸需要满足以下两个条件：,（,1,）雷电流超过线路耐雷水平，引起线路绝缘发生冲击闪络；,（,2,）冲击闪络的持续时间只有几十,s,，线路开关来不及跳闸。只有当冲击闪络转变成稳定的工频电弧，导线上将持续流过工频短路电流，从而造成线路跳闸停电。,建弧率,建弧率：是指冲击闪络转变为稳定工频电弧的概率，用,（,%,）来表示。,建弧率,（,%,）可用下式计算,式中,E,为绝缘子串的平均运行电压梯度，,kV,（有效值）,/m,。,对中性点直接接地系统,对中性点非直接接地系统（中性点绝缘或经消弧线圈接地）,上两式中,U,n,线路额定电压，,kV,；,l,1,每一相绝缘子串的长度，,m,；,l,2,木横担线路的线间距离，,m,。铁横担和水泥横担，则,l,2,=0,。,对中性点直接接地系统,对中性点非直接接地系统,对于中性点不接地系统，单相闪络不会引起跳闸。只有在第二相导线也发生闪络时，才会造成相间短路而跳闸。因此，放电距离应该为绝缘子串长度的两倍，即,2l,1,。,实践证明，若,E,6kV/m,时，则建弧率很小，可近似认为,=0,。,击杆率和绕击率,1,击杆率：,雷击塔顶的次数与雷击线数总次数之比称为击杆率，用,g,表示。,避雷线根数,0,1,2,平原,1/2,1/4,1/6,山区,1,1/3,1/4,2.,绕击率,:,通常把雷绕过避雷线击于导线（绕击）的次数与雷击线路总次数之比称为绕击率，用,P,表示。,绕击概率与避雷线对外侧导线的保护角、杆塔高度和线路经过地区的地形地貌和地质条件有关，规程建议用下列公式计算,:,保护角，（）；,h,杆塔高度，,m,。,山区线路因地面附近的空间电场受山坡地形等影响，其绕击率通常比平原线路高得多，一般大约为平原线路的,3,倍左右。,线路雷击跳闸率的计算,线路雷击跳闸率,是指雷电活动强度都折算为,40,个雷电日和线路长度都折算为,100km,的条件下，每年因雷击引起的线路跳闸次数。,计算：,对于,110kV,及以上的输电线路，雷击线路附近地面时的感应过电压一般不会引起闪络。而在雷击档距中央避雷线时，由于在设计中导线与避雷线之间的距离一般都能满足,S 0.012l+1,这一条件，可以认为导、地线间的空气间隙不会发生击穿。因此，在求,110kV,及以上有避雷线线路的雷击跳闸率时，一般只考虑雷击塔顶和雷绕击于导线这两种情况，然后将,两者的结果相加即可得到线路的雷击跳闸率,。,雷击,塔顶,时的反击跳闸率,n,1,的计算,：,N=0.28(b+4h),次,/,（,100km,40,雷暴日,年）；,h,避雷线或导线平均高度,b,两根避雷线之间的距离。,g,击杆率；,P,1,雷电流幅值超过雷击塔顶耐雷水平,I,1,的概率；,建弧率,线路的绕击跳闸率,n,2,的计算：,P,2,雷电流峰值超过绕击耐雷水平,I,2,的概率；,P,绕击率；,13.4,输电线路的防雷措施,架设避雷线：,防止雷直击于导线。此外，还对雷电流有分流作用，可以减少流入杆塔的雷电流，降低塔顶电位；另外还可以通过对导线的耦合作用，降低雷击杆塔时作用于线路绝缘子串上的电压。,110kV,及以上的架空输电线路一般都沿全线装设避雷线。减小线路保护角,可以减少线路绕击。,110kV,线路的保护角一般取,20,30,；,220kV330kV,双避雷线线路，一般采用,20,左右；,500kV,一般不大于,15,；山区线路宜采用较小的保护角。,降低杆塔接地电阻：,这是在提高线路耐雷水平、防止反击中通常处于最优先考虑的常用主要保护措施。,13.4,输电线路的防雷措施,加强线路绝缘：,主要有增加绝缘子串的片数、改用大爬距悬式绝缘子、增大塔头空气间距等。这样做固然也能提高线路的耐雷水平、降低建弧率，但实施起来难度较大。因此通常作为后备保护措施。,采用消弧线圈：,适用于,35kV,及以下的线路，可大大降低冲击闪络转变为稳定工频电弧的概率,。,架设耦合地线：,常作为一种补救措施。在某些已经建成投运线路的雷击故障频发线路段上使用，是在导线下方再加装一条地线。它可以加强地线的分流作用和增大导地线之间的耦合系数，从而提高线路的耐雷水平。运行经验表明，它对减少雷击跳闸率效果是显著的，约可降低,50%,左右。,输电线路的防雷措施,装设自动重合闸：,线路绝缘具有自恢复功能，采用自动重合闸在极大多数情况下都能使线路迅速恢复正常供电。,采用不平衡绝缘方式：,为避免在线路落雷时出现双回路同时闪络跳闸造成完全停电的严重局面，使二个回路的绝缘子串片数有差异。雷击时绝缘子串片数较少的回路一定会先发生闪络，闪络后的导线相当于一根地线，从而增加了对另一回路导线的耦合作用，提高了另一回路的耐雷水平使之不会再发生闪络，这样就保证了该回路可以继续供电。,装设管型避雷器：,一般仅在线路交叉处或在过江大跨越高杆塔上这些雷电过电压特别大的地方和线路绝缘的某些薄弱点上装设排气式避雷器以限制过电压。,本章小结,输电线路感应雷过电压的形成机理和特点；,线路遭受直接雷的,3,种情况；,反击的概念和提高反击耐雷水平的措施；,建弧率、击杆率、绕击率、雷击跳闸率等的概念；,了解输电线路的防雷措施；,