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1、高电压技术,第五章 雷电放电及防雷保护装置,第一节 雷电放电和雷电过电压 第二节 防雷保护装置,本章主要内容,第一节 雷电放电和雷电过电压,雷电放电在电力系统中的危害 雷电过电压：造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一； 巨大雷电流：有可能使被击物体炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损坏。 雷电的热效应：雷电流很大但作用时间很短，因此只能产生局部高温，可使体积较小的金属熔化。雷电通道温度1500020000，可引起森林大火 雷电的机械效应：雷电流流过物体，发热导致物体内的水分急剧蒸发，产生气体，气体膨胀的机械作用可使树木劈劈裂，器物的的破裂、爆炸。,雷云的形成,第一节 雷电放电和
2、雷电过电压,大水滴分裂成水珠和细微的水沫，出现电荷分离现象，大水珠带正电，小水沫带负电，细微水沫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，形成雨水落向地面，或者悬浮在云中，形成雷云下部局部正电荷区,雷云的形成机理获得比较广泛认同的是水滴分裂起电理论,第一节 雷电放电和雷电过电压,雷电放电过程,雷电放电的本质是一种超长气隙的不均匀放电（先导放电）,对地先导放电雷云中的负电荷积聚，同时在地面上感应出正电荷，当雷云与大地之间局部电场强度超过大气击穿场强时，开始有局部放电通道自雷云边缘向大地发展。 先导放电通道具有导电性，因此雷云中的负电荷沿通道分布，且继续向地面延伸，地面上的感应正电
3、荷也逐渐增多,第一节 雷电放电和雷电过电压,迎面先导形成 先导通道发展临近地面时，由于局部空间电场强度的增加，常在地面突起处出现正电荷的先导放电向天空发展，这种先导称为迎面先导,第一节 雷电放电和雷电过电压,主放电阶段 当先导通道到达地面或与迎面先导相遇以后，就在通道端部因大气强烈电离而产生高密度的等离子区 此区域自下而上迅速传播，形成一条高导电率的等离子体通道，使先导通道以及雷云中的负电荷与大地的正电荷迅速中和，贯穿大地和雷云之间,第一节 雷电放电和雷电过电压,雷电参数,雷电活动频度雷暴日Td及雷暴小时Th,雷暴日Td 一年中发生雷电的天数，以听到雷声为准，在一天内只要听到过雷声，无论次数多
4、少，均计为一个雷暴日。 雷暴小时Th 一年中发生雷电放电的小时数，在一个小时内只要有一次雷电，即计为一个雷电小时。 一个雷暴日折合三个雷暴小时。 Td 40，多雷区 Td 90，强雷区,第一节 雷电放电和雷电过电压,地面落雷密度( )和雷击选择性,地面落雷密度 表示每平方公里地面在一个雷暴日受到的平均雷击次数 我国标准对Td 40的地区，取 0.07 易击区 空旷地区：雷击高的物体 山区：有时山顶物体，有时迎风面 与地质条件有关：地质有矿物质,第一节 雷电放电和雷电过电压,雷道波阻抗,雷道波阻抗的概念 雷电通道长度数千米，半径仅为数厘米，类似于一条分布参数线路，具有某一等值波阻抗，称为雷道波阻
5、抗。 主放电过程可看作是一个电流波沿着波阻抗为Z0的雷道投射到雷击点的波过程。 我国有关规程建议取Z0 300,雷电的极性,负极性雷击均占7590%，对设备绝缘危害较大，防雷计算中一般均按负极性考虑。,第一节 雷电放电和雷电过电压,雷电流幅值（I）,雷电流的定义 雷电流为雷击于低接地电阻( 30)的物体时流过雷击点的电流。表示雷电强度 雷电流幅值大小 雷电流幅值超过I的概率P 一般地区 少雷区,忽略Z,第一节 雷电放电和雷电过电压,雷电流的波前时间、陡度及波长,波前时间T1：14us的范围内，平均为2.6us。 波长（半峰值时间）T2： 20100us的范围内，多为40us左右 陡度： 最大极
6、限值一般可取50 kA/us左右,雷电流的计算波形,双指数波 斜角波 斜角平顶波 半余弦波,第一节 雷电放电和雷电过电压,雷电的多重放电次数及总延续时间,重复放电次数 重复放电两次以上的占55 重复放电35次占25% 重复放电10次以上的占4% 平均重复冲击次数取3次。 一次雷电总延续时间 小于0.2s占50% 大于0.62s的只占5%,第一节 雷电放电和雷电过电压,雷电的放电能量和功率,雷电的瞬时功率很大，但能量却很小 假设雷云电位107V，放电电荷Q=20C，其能量为55kWh 但能量是在极短时间内放出的，因而功率很大。 雷电能量的消耗方式 小部分使空气发生电离、激励和光辐射 大部分使雷道
7、周围空气突然膨胀、产生巨响,第一节 雷电放电和雷电过电压,雷电过电压的形成,雷电放电计算模型,S闭合前（先导放电）A点电位为0 先导放电通道具有分布参数特征，称为雷电通道，其波阻抗为Z0(300) S闭合后（主放电），A点电位突升到u=i Z 主放电过程，自雷云通过雷电通道向地面传播的电磁波(u0、i0)到达A点,计算模型,主放电,先导放电,u0,i0,第一节 雷电放电和雷电过电压,雷电放电彼德逊等值电路,注意：实际中可测量的是流过Ri的雷电流幅值I，则有 入射波幅值I0 A点电压幅值,第一节 雷电放电和雷电过电压,直击雷过电压典型算例, 雷击于地面上接地良好的物体,已知：i0，Z0=300，
8、接地电阻Ri=15。求流过A点的电流i,第一节 雷电放电和雷电过电压, 雷击于导线或档距中央的避雷线,已知：雷电流幅值I，雷电通道Z0，线路阻抗Z。求A点的电流IA、电压UA,第一节 雷电放电和雷电过电压,感应雷击过电压,现象：雷击于线路附近大地或接地的线路杆塔顶部等，在绝缘的导线上引起感应过电压。,雷击点与电力线路之间的距离s65m的情况下 雷击于塔顶等紧靠导线的接地物体, 无避雷线的导线上感应过电压的计算,I雷电流幅值 hc导线平均对地高度 s雷击点与线路之间距离,a感应过电压系数；近似等于雷电流平均波前陡度,第一节 雷电放电和雷电过电压, 有避雷线的导线上感应过电压的计算,雷击点与电力线
9、路之间的距离s65m的情况下 雷击于塔顶等紧靠导线的接地物体,hg避雷线平均对地高度 k0 避雷线和导线间的 耦合系数 hc导线平均对地高度 s雷击点与线路之间距离,返回,第二节 防雷保护装置,避雷针和避雷线,避雷针,作用：直击雷保护,避雷针的保护原理 实质上是引雷作用，它能对雷电场产生一个附加电场(由雷云对避雷针产生静电感应引起的)使雷电场畸变，而将雷云的放电通道吸引到避雷针本身，由避雷针及与它相连的引下线和接地体将雷电流安全导入大地，使附近建筑物和设备免受直接雷击。,保护范围：具有0.1%绕击率的空间范围,第二节 防雷保护装置, 单支避雷针保护范围计算,避雷针在被保护物高度hx水平面上的保
10、护半径rx，按下式计算：,保护范围的确定（设避雷针高度为h） 从针顶向下作45的斜线，构成锥形保护空间的上部 从距针底各方向1.5h处向避雷针0.75h高处作连接线，与45斜线相交，交点以下的斜线构成保护空间下部,注意： p为高度影响系数,第二节 防雷保护装置, 两支等高避雷针保护范围计算,两针外侧保护范围按单针保护的计算方法确定 两针之间在hx水平面的保护范围,上部边缘最低点O的高度,在0-0截面hx高度两侧的水平保护宽度,第二节 防雷保护装置,避雷线,作用：直击雷保护,避雷线的保护原理 对架空输电线路的导线进行屏蔽，将雷云对架空线路的放电引向自身并泄人大地，使线路导线免遭直接雷击,保护线路
11、 我国一般110kV以上线路采用避雷线 35kV线路的进线段 保护500kV大型超高压发变电站,第二节 防雷保护装置,第二节 防雷保护装置, 单支避雷线保护范围计算,h 避雷线的高度 hx被保护物高度 ha避雷线的有效高度 rx避雷线每侧保护半径,单根避雷线的保护范围是一个屋脊式保护空间(=25) 避雷针在被保护物高度hx水平面上的保护半径rx，按下式计算：,注意： p为高度影响系数,第二节 防雷保护装置, 两支避雷线保护范围计算,两线外侧保护范围按单根避雷线保护的计算方法确定 两线之间保护范围,上部边缘最低点O的高度,保护角 保护角越小，避雷线对导线的屏蔽作用越有效 220330kV 20
12、500kV：15,第二节 防雷保护装置,避雷器,避雷器作用与保护原理,作用：用以限制由线路传来的雷电过电压或由操作引起的内部过电压的一种电器设备 原理：并联连接在被保护设备附近，当作用电压超过避雷器的放电电压时，避雷器先放电，限制了过电压的发展，从而保护了其他电气设备免遭击穿损坏。它实质上是一种放电器,第二节 防雷保护装置,避雷器的基本要求 系统正常工作时隔离导线与大地 动作时限制雷电侵入波 应有较强的绝缘强度自恢复能力，以利于快速切断工频续流，使系统得以继续运行 工频续流过电压消失后，间隙中仍有由工作电压所产生的工频电弧电流。若不及时切断，会使设备与大地短接，从而使断路器跳闸，导致停电 动作
13、后不产生截波 截波电压在瞬间由很大的幅值突然下降为零的波 具有良好的伏秒特性，易于实现合理的绝缘配合,第二节 防雷保护装置,避雷器与电气设备的伏秒特性配合图,1电气设备的伏秒特性 2避雷器的伏秒特性 3电器设备上可能出现的最高工频电压,第二节 防雷保护装置,避雷器的种类, 保护间隙,当供电系统遭到大气过电压时，保护间隙S1作为一个薄弱环节首先击穿，并将雷电流释放到地中。从而保护了设备的绝缘。,辅助间隙S2的作用是为了防止主间隙被异物短路引起误动作。,结构 保护间隙是最简单的防雷保护装置，它由主间隙S1、辅助间隙S2和支持瓷瓶组成。,优点 构造简单，成本低廉，维护方便,保护原理,第二节 防雷保护
14、装置,缺点 伏秒特性很陡 灭弧能力差，无法及时切除工频续流，易导致断路器跳闸、供电中断 产生大幅值的截波，危及变压器的绝缘（看教材）,应用范围 仅用于不重要和单相接地不会导致严重后果的场合。并且多与自动重合闸装置配合使用,第二节 防雷保护装置, 管式避雷器,结构 实质上是一只具有较强灭弧能力的保护间隙，其基本元件为装在消弧管内的火花间隙，在安装时再串接一只外火花间隙。,灭弧原理 工频续流电弧的高温使管内产气材料分解大量的气体，由环形电极的开口喷出，形成强烈的纵吹，使得电弧熄灭,第二节 防雷保护装置,缺点 工频续流太小时不能灭弧，太大时产气过多，使管子爆裂 伏秒特性很陡 产生大幅值的截波，危及变
15、压器的绝缘,应用范围 仅安装在输电线路上绝缘比较薄弱的地方和用于变电所、发电厂的进线段保护中。,第二节 防雷保护装置, 阀式避雷器,结构 火化间隙：由多个单元间隙组成，易于切断工频续流及防止电弧重燃 电阻阀片：由SiC（金刚砂）加结合剂（水玻璃等）在300500oC烧结而成。一支避雷器采用多个阀片串联,第二节 防雷保护装置,火化间隙的作用 正常工作时：将电阻阀片与工作母线隔离，以免母线的工作电压在电阻阀片中产生的电流使阀片烧坏 出现过电压且其幅值超过间隙放电电压时：间隙击穿，冲击电流通过阀片和接地装置流入大地,第二节 防雷保护装置,阀片电阻的作用 电阻值与流过的电流有关，应具有非线性特性 冲击
16、电流阶段电阻值小 能使冲击电流迅速流入大地； 同时在阀片上产生低于设备的冲击耐压值的残压。使得当雷电波消失后，设备上所承受的电压不会瞬时降为零，防止了截波的产生 工频续流阶段电阻值大 限制了工频续流的幅值，保证火花间隙可靠灭弧,第二节 防雷保护装置, 金属氧化物避雷器（又称氧化锌避雷器）,结构 无间隙，是将相应数量的氧化锌电阻片（MOV）密封在瓷套或其他绝缘体内而组成,氧化锌电阻的特点 ZnO电阻具有优异的非线性，不仅残压大大降低，而且有可能取消火化间隙，避免放电间隙带来的一系列问题，替代传统的碳化硅避雷器,第二节 防雷保护装置,ZnO和SiC非线性电阻片的UI 特性的比较（看教材）,第二节
17、防雷保护装置,氧化锌避雷器的优点 残压低，具有优异的保护性能 无续流，结构简单，耐重复动作能力强 通流容量大，吸收过电压能量的能力强 性能稳定，抗老化能力强 适宜于大批量生产，造价低,第二节 防雷保护装置,防雷接地,接地的相关概念,接地 将地面上的金属物体或电气回路的某一节点通过导体与大地相连，使该物体或节点与大地经常保持等电位,接地装置 包括引线在内的埋设在地中的一个或一组金属体或由金属导体组成的金属网,接地电阻的定义 接地点的电位U(相对无穷远处零电位)与通过接地极流入地中电流I的比值,第二节 防雷保护装置,电力系统的接地的分类,适用范围：110kV及以上的电力系统中采用中性点接地的运行方
18、式。 接地目的：降低作用在设备绝缘上的电压，因此设备的绝缘水平也可以降低，即达到缩小设备绝缘尺寸、降低设备造价的目的。 要求阻值：0.510, 工作接地,第二节 防雷保护装置,适用范围：电气设备发生故障时，电气设备的外壳将带电，如果这时人接触设备外壳，将产生危险。因此为了保证人身安全，所有电气设备的外壳必须接地。 要求阻值：110, 保护接地,适用范围：各种雷电防护设备都必须与合适的接地装置相连，以将雷电流导入大地，这种接地称为防雷接地 要求阻值：130, 防雷接地,第二节 防雷保护装置,接地电阻,工频接地电阻Re工频接地电流流经接地装置所呈现的接地电阻。等于等于从接地体到地下远处零位面之间的电压Ue与流过的工频或直流电流Ie之比,冲击接地电阻Ri雷电流流经接地装置所呈现的接地电阻。等于接地装置的冲击电压幅值与通过其流入地中的冲击电流的幅值的比值,冲击系数ai ai的值一般小于1,返回,结束！,