雷电及防雷保护装置【行业严选】.ppt

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1、高电压技术,高电压工程系 林福昌，李 化 ,1,一类特制,第8章 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。 8.1 雷云放电及雷电过电压 成因：摩擦起电。 整块雷云可以有若干个电荷中心，负电荷位于雷云下部，离地大约1-5km。 第一次放电结束后，多半还会有重复雷击。,2,一类特制,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,3,一类特制,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,4,一类特制,雷电放电发展过程,5,一类特制,1.雷云下行先导、地面上行先导,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

2、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,6,一类特制,2.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,7,一类特制,3.后续放电,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,8,一类特制,9,一类特制,1. 高、尖物体更易受雷击,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,物体越高，受下行先导吸引越强烈，聚集的正电荷密度越大 尖端越

3、尖，越容易发生尖端放电从而发出迎面先导,塔顶发出迎面先导,10,一类特制,2.导体比绝缘体容易受到雷击,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,11,一类特制,2011年7月31日18:57:23,12,一类特制,8.1.2 雷击时的等值电路,主放电瞬间，可用开关S的闭合来模拟 Z是被击物的阻抗。 由于电荷运动形成电流，因此雷击点 电位发生突然变化uiZ,雷电具有电流源的性质。 当Z0时，i=2*i0; 一般，Z0300-400 ，ZZ0，因此，也可认为i=2*i0 i称为雷电流,13,一类特制,8.2 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、幅值分布及落

4、雷密度等 8.2.1 雷电流幅值和波形 对于雷暴日数20的地区，我国现行推荐雷电流幅值概率为：,对于雷暴日数20的地区(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：,14,一类特制,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。 但在特高塔的设计中，可取半余弦波头，表达式为：,I为雷电流幅值；为角频率，=/f=1.2106s-1，f 为波头时间（2.6s）。,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。,15,一类特制,8.2.2 雷暴日和雷暴小时,年平均雷暴日和年平

5、均雷暴小时是表征雷电活动频繁程度的指标。 雷暴日：一年中有雷电的天数。在一天之内，只要听到雷声就算一个雷暴日。 雷暴小时：一年中有雷电的小时数。在一小时之内，只要听到雷声就算一个雷暴小时。 我国大部分地区的雷暴小时与雷暴日之比为3。 我国规程建议采用雷暴日作为计算单位。,16,一类特制,17,一类特制,8.2.3 地面落雷密度和输电线路落雷次数,地面落雷密度反映了云地之间的放电。 地面落雷密度：每平方公里每雷暴日的对地落雷次数，用表示。 e.g. 我国标准规定：对雷暴日T40的地区，=0.07次/km2雷暴日 输电线路的存在，改变了雷云地之间的电场分布，根据模拟试验和运行经验，输电线路每侧的引

6、雷宽度为2h e.g. 对每100km的输电线路，每年遭雷击的次数为：,18,一类特制,2004年湖南省每平方公里落雷数分布情况,19,一类特制,雷电定位系统探测每平方公里分区的平均雷电密度图,20,一类特制,8.3 避雷针和避雷线,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）放电，避免被保护物体遭受雷击。 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）与被保护设备电气上是绝缘的 避雷针的保护范围：雷电绕击率低于0.1%的范围。 绕击：雷电绕开避雷装置而击中被保护物体。 保护范围具有相对意义，统计意义。 不能保证保护

7、范围内物体完全不受雷击， 保护范围外物体也受保护。,21,一类特制,8.3.1 避雷针的保护范围-折线法,被保护物高度低时，保护半径扩大； 避雷针高度增加时，保护范围扩大有限； 工程上多采用两支或多只避雷针以扩大保护范围。,当h30m时，p=1；30mh120m时，,；当h120m时，按h=120m计算,22,一类特制,23,一类特制,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。,24,一类特制,击距： 30m、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 避雷针的保护范围-滚球法,（m）,描

8、述物体的引雷能力,25,一类特制,26,一类特制,滚球法,27,一类特制,28,一类特制,避雷线的保护长度与线等长，因此适用与架空线路与大型建筑群。,单根避雷线的保护范围,两根避雷线的保护范围,保护角是指避雷线与所保护的外侧导线之间的连线与经过避雷线的铅垂线之间的夹角 。 保护角越小，避雷线对导线的屏蔽保护作用就越好。 有些国家还采用负保护角。,避雷线适用于输电线路防雷（分布保护场合），在变电所里有时也在电气主回路上空布置多条避雷线进行雷电防护。,29,一类特制,8.4 避雷器,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。 避雷器的要求： 良好的伏秒特性： 冲击系数：冲击放

9、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。 具有良好的非线性电阻特性 按发展历程看： 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。,30,一类特制,保护间隙与排气式避雷器,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； 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,31,一类特制,排气式避雷器,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

10、压太小不足以灭弧 ; 熄灭续流存在上下限,伏秒特性难以配合、动作后出现大幅值截波,32,一类特制,阀型避雷器,变电所防雷保护的重点对象是变压器,阀片的作用：通过电阻限制工频续流，使之能在第一次过零时就熄弧 理想的电阻：应在大电流（冲击电流）时呈现为小电阻以保证其上的压降（残压）足够低；而在冲击电流过去之后，当加在阀片上的电压是电网的工频电压时，阀片应呈现为大电阻以限制工频续流，易于灭弧。阀片最好具有不随冲击电流变化的残压和大的通过电流的能力。,阀片：碳化硅， u=Ci,阀片的作用是：当雷电流通过时，阀片呈低阻抗，在阀片上出现的电压（称为残压）受到限制。当工频续流通过时，由于电压相对较低，阀片呈

11、高阻值，因而限制了工频续流，有利于灭弧。越小，说明避雷器的非线性程度越高，残压越低，保护性能越好。,磁吹阀型避雷器,33,一类特制,为了使正常运行时的碳化硅电阻阀片没有工频电流，以避免阀片温度过高，保证正常使用，阀片需要与火花间隙串联使用,火花间隙,1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,35kV 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。,34,一类特制,阀式避雷器类型,（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。

12、,（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,35,一类特制,（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

13、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10kA（330kV及以上的避雷器），电流波形则统一取为8/20s。,36,一类特制,（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

14、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。 （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。,37,一类特制,氧化锌（ZnO）避雷器,ZnO避雷器又叫金属氧化物避雷器（MOA）。 ZnO避雷器由ZnO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。,（1） ZnO晶粒，粒径为10m左右

15、，电 阻率为110cm； （2） 包围着ZnO晶粒的Bi2O3晶界层，厚 度为0.1m左右，电阻率大于 1010cm； （3） 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晶界层，在低电场下其电阻率很高；当层间电位梯度达到104105V/cm时，其电阻率急剧下降到低阻状态,38,一类特制,硅橡胶复合外套避雷器,39,一类特制,ZnO的伏安特性曲线,区域为低电场区，电流密度与电场强度的开方成正比，非线性系数约为0.10.2； 区域为中电场区，晶界层电阻Rv减小，非线性系数大为下降，约为0.010.04；近似为直线 区域为高场强区，ZnO本体电阻R起主要作用

16、，电流与电压成正比，伏安特性曲线向上翘。,40,一类特制,ZnO避雷器的主要优点：,无间隙 结构简单、重量轻、无电压分布不均、放电电压不稳定等，保护可靠性高 无续流 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 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，因此降低了过电压幅值 通流容量大 不受串联间隙被灼伤的制约，阀片的通流能力仅与本身通流能力有关。可并联进一步提高通流能力。 易于制成直流避雷器,41,一类特制,ZnO避雷器的参数,额定电压 能短期耐受的最大工频电压有效值 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 起始动作电压（参考电压、转折电压）

17、 开始进入动作状态的电压，通常为U1mA 压比 在8/20us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。 荷电率 持续运行电压与起始动作电压之比，老化 工频耐受电压特性 对工频过电压的耐受能力（1.2 1000s；1.3 100s；1.4 1s） 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,42,一类特制,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,ZnO避雷器的参数,43,一类特制,ZnO避雷器的参数,压比： 荷电率： 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。 荷电率反映了长期工作条件下避雷

18、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。,44,一类特制,ZnO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,45,一类特制,46,一类特制,47,一类特制,8.5 接地技术与接地装置,接地：把地面上的电气设备的一部分经埋入地中（包含水泥和水）的接地体（如金属棒、管、带、网等）与大地作电气连接，从而使接地点对地保持尽可能低的电位。 8.5.1 接地和接地电阻的概念 电工中“地”的定义是地中不受入地电流的影响而保持着零电位的土地。 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保持等电位，称为接地。 接地电阻并不是

19、金属接地体自身的电阻，而是电流通过接地体流入大地土壤过程中土壤呈现的电阻。,48,一类特制,接地装置原理图,由于大地电阻率的存在，当有电流流过时，出现电场分布，相对与无穷远处的零电位点，接地体处有电位升高。 需要降低接地电阻值。 接地体有人工和天然的两类：人工是指专门为接地而设置的；自然的是指用于别的目的，也可兼做接地。,接触电位差 跨步电位差,49,一类特制,8.5.2 接地的分类,1） 工作接地 工作接地电阻一般为0.5 10 2） 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110 3） 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：如果雷电流较大，则

20、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：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，结果接地体得不到充分利用，宏观上接地电阻增大。 由于火花效应和电感效应，冲击电流下和工频电流下接地电阻阻值有所不同。 冲击系数：,50,一类特制,8.5.3 工程实用的接地装置,一、典型接地体的接地电阻,减小接地电阻的方法 降低土壤电阻率 增大电容（表面积）,51,一类特制,（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。,52,一类特制,（二）水平接

21、地体,L为总长度； H为埋设深度； A为形状系数。,53,一类特制,（三）伸长接地体,伸长接地体。高土壤电阻率地区，以减小R。 电感效应增大接地电阻。 火花效应降低接地电阻。,54,一类特制,冲击系数,火花效应，1 接地体只在40m60m的范围内有效。超过此范围，阻抗不再发生变化。,55,一类特制,二、输电线路的防雷接地,56,一类特制,三、发电厂和变电站的防雷接地,按安全接地和工作接地要求，敷设统一的接地网。 一般埋入地下0.6-0.8m。,57,一类特制,地网结构、接地电阻估算,一般取0.55。,58,一类特制,本章重点,雷电发展过程，雷击可以视为电流源，等值电路。 雷电流的幅值分布概率 雷暴日，落雷密度计算 避雷针、避雷线的保护范围特点 ZnO避雷器的伏安特性，简化表示（U固定，水平线） 接地形式，变电站接地电阻。,59,一类特制,作业,P209 1、3、4,60,一类特制,