第八章雷电放电及防雷保护装置.doc

第八章 雷电放电及防雷保护装置
避雷针（线）的保护范围计算
避雷器：保护间隙与管型避雷器原理，优缺点，应用范围，阀型避雷器的结构、原理、主要特性、分类及应用场合，氧化锌避雷器
*防雷接地：接地分类，雷电流通过接地体向土壤流散时的物理过程，冲击系数。

第一节 雷电参数
电力系统中的大气过电压主要由雷电放电所造成的。为了对大气过电压进行计算和采取合理的防护措施，必须掌握雷电的雷电的电气参数。雷电形成过程如下：
雷电先导通道带有与雷云极性相同的电荷（一般雷云多为负极性），自雷云向大地发展。由于雷云及先导作用，大地被感应出与雷云极性相反的电荷。当先导发展到离大地一定距离时，先导头部与大地之间的空气间隙会被击穿，雷电通道中的主放电过程开始，主放电自雷击点沿通道向上发展，若大地的土壤电阻率为零，则主放电所到之处的电位即降为零电位。具体情况如下图所示：

从雷电过电压计算和防雷设计的角度来看，值得注意的雷电参数如下：
1．雷暴日及雷暴小时：一天或一小时内听见一次雷声计为一个雷暴电日或雷暴电小时 以年雷暴电日或年雷暴电小时表征不同地区雷电活动的强度
2．地面落雷密度(γ )：一个雷电日中，地面每平方千米面积内落雷次数
γ＝0.07（次/km2·雷电日)
3．雷电通道波阻抗(Z0)：300Ώ左右
4．雷电的极性：90%的雷电流为负极性，因此电气设备防雷保护及进行绝缘配合时都是以负极性的雷电冲击波进行分析研究
5．雷电流幅值(I)：
雷电流定义：流经被击物阻抗z＝0的电流
雷电流幅值是表示雷电强度的指标,也是产生雷电过电压的根源，所以是最重要的雷电参数。雷电流幅值概率分布公式：
6．雷电流的波前时间、陡度及波长：τt=2.6μs τ=50 μs (2.6/50 μs波）
7．雷电流的计算波形
在防雷计算中，可按不同的要求，采用不同的计算波形。常用的有以下几种计算波形：
（1）双指数波：

（2）半余弦波

（3）斜角与斜角平顶波
8．等值电路：（略）
第二节 避雷针、避雷线的保护范围
为了防止设备遭受到直接雷击，通常采用装设高于被保护物的避雷针，其作用是将雷电吸引到避雷针上并安全的将电流引入大地，从而保护了设备。
在雷电先导的初始发展阶段，因先导离地面较高，其发展方向不受地面物体的影响，但当先导发展到某一高度时，由于避雷针较高且具有良好的接地，针上因静电感应而聚集了与先导极性相反的电荷使其附近的电场强度显著增强，甚至有可能从这些地方发展向上的迎面先导，影响雷电先导的发展方向，使之向避雷针发展，进而对避雷针放电，处在避雷针附近较低的物体便得到屏蔽，受到保护，免遭雷击。由此可见，要避雷针启到保护作用，一方面要求避雷针必须良好接地，另一方面要求被保护物体必须处在避雷针能够提供可靠屏蔽保护的一定空间范围内，这就是避雷针的保护范围，一般的保护范围是指具有0.1%左右雷击概率的空间范围。
避雷针的保护原理及引雷的形成过程：畸变电场 形成局部场强集中 影响先导发展路径 引雷作用
避雷针结构：接闪器 接地引下线 接地体
避雷针一般用于保护发电厂和变电所，可根据不同情况装设在配电构架上，或独立的架设。避雷线主要是保护线路，也可以用于保护变电所。
一、单支避雷针的保护范围

保护范围是以针为轴线的曲线圆锥体。
当 hx≥h/2 时， rx = （h－hx）P
当 hx≤h/2 时， rx = （1.5h－2hx）P
h—避雷器的高度；P—高度修正系数
当 h ≤ 30m 时 ，P = 1
当 30m < h ≤ 120m，P=5.5/h^1/2

二、两支等高避雷针
两针之间的保护范围可利用下式求得

式中：h — 避雷针的高度；
h0 — 两针间联合保护
范围上部边缘的最低点的高度；
D — 两针间的距离（m）；
bx — 在在高度hx的水
平面上，保护范围的最低宽度；

一般两针间的距离D不宜大于5h。

三、 两支不等高避雷针
(图略)
四、 三支或更多支避雷针
h h
rx
单根避雷线的保护范围
(当h≤30m时, θ =25o)
h
ha
hx
h/2
rx
（图略）
五、单根避雷线
当hx ≥ h/2，rx = 0.47（h－hx）P
当hx < h/2 ，rx =（h－1.53hx）P
h
hx ha
h/ 2
h0 D/ 2
R0
1 2

O
rx
h D
两根等高避雷线的联合保护范围

六、 两根等高避雷线

第三节、 避雷器
避雷器按其发展历史和保护性能分为：保护间隙，管型避雷器，阀型避雷器（普通型、磁吹型），ZnO避雷器等。
一、 保护间隙和管型避雷器
保护间隙可以说是最简单和最原始的限压器。它的工作原理就是将其与被保护绝缘并联，且前者的击穿电压要比后者低，当过电压波来袭时，保护间隙先击穿，从而保护了设备的绝缘。
缺点： ① 没有灭弧能力，保护间隙动作将引起线路跳闸，需要与自动重合闸配合使用。
② 伏秒特性较陡且放电分散性较大，而变压器和其他设备绝缘的冲击放电伏秒特性较平，二者不易很好配合。
③ 保护间隙动作后工作母线直接接地形成截波，对变压器纵绝缘不利。
管型避雷器实质上是有较强灭弧能力的保护间隙，它有两个互相串联的间隙构成，一个在大气中称为外间隙S2，其作用是隔离工作电压避免产气管被流经管子的工频泄漏电流所烧坏；另一个间隙S1装在管内称为内间隙或灭弧间隙，除此之外还包括棒形电极和环形电极。管由纤维、塑料或橡胶等产气材料制成。雷击时内外间隙同时击穿，雷电流经过间隙流入大地；过电压消失后，内外间隙的击穿状态将由导线上的工作电压所维持，此时流过间隙的电流称之为“工频续流”，其值为管型避雷器安装处的短路电流，工频续流电弧温度很高，使得管内产生大量的气体，其压力可达到数十个甚至上百个大气压，气体从开口端喷出， 强烈的吹动电弧，使其在工频续流第一次经过零值时熄灭。
管型避雷器的灭弧能力与工频续流的大小有关，续流太大产气过多，管内压力高容易造成管子炸裂；续流太小，产气过少，管内气压太低不足以熄灭工频续流电弧。
保护的原理与保护间隙类似，与保护间隙相比管型避雷器仅有一点改进，即能自动熄灭电弧，其缺点如保护间隙缺点中的后两点缺点。

二、 阀型避雷器
保护间隙和管型避雷器的共同严重的缺点是：动作时产生截断波、伏秒特性陡，击穿电压不稳定，所以不能担负主变、发电机及变电所内主要设备的保护任务。进一步改进就有了阀型避雷器。
阀式避雷器主要由火花间隙F及与之串联的非线性电阻（阀片）R两大部分组成。
1、工作原理
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。当系统中出现过电压且其幅值超过间隙放电电压时，间隙击穿，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。间隙击穿后，冲击电流通过阀片流向大地，由于阀片的非线性特性，电流越大电阻越小，故在阀片上的压降（残压）将得到限制，使其低于被保护设备的冲击耐压，设备就得到了保护。当过电压消失后，间隙中由工作电压产生的工频电弧电流（工频续流），仍将流过避雷器，此续流受阀片电阻非线性特性所限制，使其小于80A（最大值），间隙能在工频续流第一次经过零值时就将电弧切断。以后，就依靠间隙的绝缘强度能够耐受电网恢复电压的作用而不会发生重燃。
这样，避雷器从间隙击穿到工频续流的切断不超过半个工频周期，继电保护来不及动作系统就已经恢复了。
2、基本元件
1）火花间隙：
阀型避雷器的火花间隙采用若干个单元间隙相串联的结构。间隙的放电区电场很均匀，加之冲击电压作用时云母垫圈与电极之间的空气缝隙中发生电晕，对间隙的放电区产生照射作用，从而缩短了间隙的放电时间，故伏秒特性较为平坦且分散性较小。避雷器动作后，工频续流电弧被许多单元间隙分割成许多段短弧，利用短间隙的冷阴极近极效应，能够使间隙发挥自然熄弧能力将电弧熄灭。
我国生产的FS和FZ型避雷器，当工频续流分别不大于50A和80A时，能够在续流第一次过零时使电弧熄灭。
2）火花间隙并联电阻：
多间隙串联后产生的间隙电容将形成一等值电容链，以及间隙各电极对地和对高压端有寄生电容存在，使得放电电压在间隙上的分布是不均匀的也是不稳定的，故会降低避雷器的灭弧能力。为了解决这个问题，可在每个间隙上并联一个分路电阻，对于FS型避雷器串联的单元较少，故无并联电阻。对于FZ型，每四个单元间隙组成一组，每组并联一个分路电阻。
在工频电压和恢复电压下，间隙电容的阻抗很大，而分路电阻阻值较小，故间隙上的电压分布将主要由分路电阻决定，应分路电阻阻值基本相等，故电压分布均匀。从而改善间隙上的电压分布，从而提高了熄弧电压和工频放电电压。
在冲击电压下，由于冲击电压的等值频率很高，间隙电容的阻抗小于分路电阻，间隙上的电压分布主要取决于电容分布，由于间隙对地和对瓷套寄生电容的存在，使得电压分布很不均匀，因此其冲击放电电压较低，冲击系数一般等于1或者是小于1，采用分路电阻均压后，在工作电压作用下，分路电阻中将长期有电流流过，因此，分路电阻必须有足够的热容量，通常采用非线性电阻。
我国生产的普通阀型避雷器在火花间隙上并联了分路电阻的为FZ型（又称电站型），没有并联分路电阻的为FS型（又称线路型）。
3）阀片（非线性电阻）
阀片电阻的作用主要是1、限制工频续流，保证火花间隙可靠熄弧；2、当雷电过电压击穿时，电压不至于突然下降形成截断波。
阀型避雷器的限流电阻是一种非线性的电阻盘，常称为阀片。它是用碳化硅材料制成的，由于在制造过程中有封锁层的形成，使得该材料具有这样的特性即“材料的总电阻随外加电压的增加而降低”因此阀片的电阻值随流过电流的大小而变化。
一切阀片的伏按特性都可以用下式表示：

C — 材料及尺寸常数，在650~700左右；
α — 非线性指数，一般取值0.2，与阀片的材料有关，越小说明阀片的非线性程度越好性能越高。
在雷电流通过阀片时将在阀片上出现电压，称为残压。残压将作用在被保护设备的绝缘上，因此不能太高。采用非线性电阻有助于解决这一矛盾。在雷电流作用下，电流大，阀片呈现低电阻，限制了残压的升高。雷电流过后，由于作用在阀片上的工频电压值相对较低，阀片电阻变大，因而限制了续流。
对于普通的阀型避雷器，由于没有强迫熄灭电弧的措施，完全靠间隙的自然灭弧能力灭弧，且其阀片的热容量有限，不能承受长时间的内部过电压冲击电流的作用，因此这类的避雷器通常不允许在内部过电压下动作，目前只用于220千伏以下的电力系统中作为限制大气过电压用。。
磁吹避雷器
磁吹避雷器的火花间隙也是由许多单元间隙串联而成，利用磁场力使电弧运动来加强去电离以提高间隙的灭弧能力。
磁吹避雷器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。主要有两种：旋弧型磁吹避雷器，电弧拉长型磁吹避雷器。
磁吹避雷器的磁场是由与间隙串联的线圈而产生的。为了避免雷电流在线圈上产生很大的压降，而使得避雷器的保护性能变坏，在磁吹线圈两端并联一个辅助的间隙，在冲击过电压的作用下，主间隙被击穿，放电电流在磁吹线圈上的压降使辅助间隙击穿，将线圈短接，使得避雷器的残压不至增大。

磁吹避雷器采用通流容量大的高温阀片电阻，它的非线性系数较普通型的要略高，a值约为0.24.
复合型磁吹避雷器，使用在超高压电网中，某些情况下要求避雷器对雷电过电压及内部过电压都能起到防护作用。

阀型避雷器的主要参数有：
名 词
解 释
额定电压
是指避雷器能在工频续流第一次零值时可靠熄灭电弧的条件下，允许加在避雷器上的最大工频电压。
冲击放电电压
分为雷电冲击波放电和操作冲击波放电两类，因间隙放电的分散性，放电电压具有上下限值，在此主要是指上限值。
工频放电电压
在标准工频电压波下的放电电压的上限。
残 压
冲击电流通过避雷器时，在工作电阻上产生的电压峰值。
灭弧电压
保证避雷器能够在工频续流第一次过零值时灭弧的条件下允许加在其上的最高工频电压。
评价指标
解 释
保护水平
避雷器允许出现的最大冲击电压峰值。
切断比
避雷器工频放电电压的下限与灭弧电压之比。
保 护 比
避雷器的残压与灭弧电压之比。保护比越小，表明残压低或灭弧电压高，意味着绝缘上受到的过电压小。
冲击系数
避雷器冲击放电电压与工频放电电压幅值之比。越接近于1，表明伏秒特性越平坦，有利于绝缘配合。

三、 金属氧化物避雷器（MOA）
与SiC避雷器相比，ZnO避雷器具有下列优点：
① 由于省去了串联火花间隙，所以结构大大简化、体积也可缩小很多。
② 保护性能优越：ZnO阀片具有优异的非线性伏安特性，有进一步降低残压的潜力。
③ 无续流、只吸收过电压能量、动作负载轻、能重复动作实施保护
④ 通流容量大，能制成重载避雷器。
⑤ 耐污性能好。

*第四节、 防雷接地
一、 接地装置一般概念
接地：将地面上的金属物体或电气回路中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。
电力系统中的接地可分为三类：
工作接地：:根据系统正常运行要求而接地，如中性点（0.5~10Ω）
保护接地：为保障人身安全而将电气设备金属外壳等接地，它在故障条件下才发挥作用（1~10Ω）
防雷接地：用来将雷电流顺利泄入大地，以减小雷电流引起的地电位升高（1~30Ω）
关于跨步电压与接触电压
二、 工程实用的接地装置
⒈ 单根垂直接地体
⒉ 多根垂直接地体
⒊ 水平接地体
⒋ 伸长接地体
⒌ 输电线路防雷接地
⒍ 发电厂和变电所防雷接地