雷电及防雷设备幻灯片.ppt

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1、过电压的分析及防护,一、过电压概述 二、雷击过电压 三、内部过电压,一、过电压的概念： 电力系统中的各种绝缘在运行中除了受长期工作电压的作用外，还会受到各种比工作电压高得多的过电压的短时作用。 电力系统中的过电压就是指电系统中出现的对绝缘有危险的电压升高和电位升高。,过电压概述,超过额定的最高运行电压称为过电压。,二、过电压的分类,直接雷过电压 雷电过电压 感应雷过电压 电力系统过电压 内部过电压 操作过电压,谐振过电压,工频电压升高,雷闪过电压的分析及防护,第五章 雷电及防雷设备 第六章 输电线路的防雷保护 第七章 发电厂和变电所的防雷保护,第五章,雷电及防雷设备,第五章 雷电及防雷设备,第

2、一节 雷电放电和雷电参数 第二节 避雷针和避雷线 第三节 避雷器 第四节 防雷接地,第一节 雷电放电和雷电参数,一、雷电及雷电放电过程：,1、雷云的形成： 热雷云： 地表潮湿空气，受热上升；形成湿热气流的水份在25km的高空受冷凝结为悬浮小水滴；小水滴集聚成大面积的乌黑积云。这类云荷电后称为热雷云。 锋面雷云： 水平移动的冷、热气流相遇后，热气团上升；交接面上热气团中的水份受冷凝结成小水滴或冰晶形成翻腾的积云。这类云荷电后称为锋面雷云。 锋面雷云涉及范围大，宽数十km，流速高，每小时数百km；所形成的雷电危害较大。, 雷电的产生： 雷电放电起源于雷云的形成，为了更好的理解雷电放电的某些特性，我

3、们来大致地了解一下雷云的形成机理。,2、雷云中电荷的形成,关于雷云的形成机理有很多的理论，它们或从微观的物理过程出发、或从宏观的大气现象出发，对雷云形成过程中的电荷分离、电荷的积聚分布、雷云电场的形成等进行分析、研究，其中比较有代表性的有感应起电、对流起电、温差起电、水滴分裂起电、融化起电、 冻结起电等，但至今尚无定论，没有一套严密的理论。 对此我们不需要过多的深究。我们只需要了解这样一个事实： 雷云中电荷的形成不是有了新的电荷，而是雷云中原有的正负电荷受外因的强烈作用分离而形成的。 云层大部分对地带负电。负电荷的中心距地面约50010000m。在云层的顶部有一正电荷层，高度通常在912km；

4、,3、雷电现象,雷云中的电荷聚集使电场强度达到一定程度时，周围空气的绝缘性能就被破坏，于是在正雷云对负雷云之间，或是在雷云对地之间就会产生强烈的放电现象。这种雷云放电的过程就叫雷电现象，或叫雷闪放电。 雷云放电，特别是对地放电时，会对地表的建筑物和供电网络造成极大的危害。因此我们必须掌握其活动规律，采取相应的防护措施。, 雷电放电过程,就其本质而言，雷电放电是一种超长气隙的火花放电，与金属电极间的长气隙放电是相似的。所不同的是由于雷云的物理性质毕竟与金属板不同，因而具有多次重复雷击等现象和特点。 雷云下部大部分带负电荷，雷云中的负电荷会在地面感应出大量正电荷。这样地面与大地之间或两块带异号电荷

5、的雷云之间，会形成强大的电场，其电位差可达数兆伏甚至数十兆伏。,先导放电阶段主放电阶段余辉阶段,1、先导放电阶段： 通常“云地”之间的线状雷电在开始时往往是一微弱发光的通道从雷云向地面伸展，它以逐级推进的方式向下发展，每级长度约2550m，每级的伸展速度约104 km/s，各级之间有3090s的停歇，所以平均发展速度只有100800km/s这种预放电称为逐级引路或先导放电。 2、主放电阶段： 当先导放电接近地面时，地面上一些高耸的物体因周围电场强度达到了能使空气电离程度，会发出向上的迎面先导，当它与下行先导相遇时，就出现了强烈的电荷中和过程，出现极大的电流，这就是雷电的主放电阶段，伴随着雷鸣和

6、闪光。这段时间极短，只有50100 s，它是沿着负的下行先导通道，由下而上逆向发展的，亦称“回击”,速度可达20000150000km/s。,1先导放电通道，2强游离区，3主放电通道,3、余晖放电阶段： 主放电后，剩余的电荷沿主放电通道流入大地。这一阶段电流较小仅数百安，时间约0.030.15s。 上述三个阶段为雷电的一次放电过程，但是雷云中可能同时存在多个电荷集聚中心，当一个集聚中心完成放电后，其他集聚中心也可能沿第一次的放电通道再次放电。所以雷击经常出现多重性，常见为23次。每次的间隔时间约0.5500ms，电流逐次减小。,二、雷电放电的计算模型,开关S闭合前后对应不同的雷电放电阶段（先导

7、放电和主放电），A点电位发生变化，从零突升到 u = i Z,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（300400 ）,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,其彼德逊等值电路,二、雷电流 i ：,国际上定义雷击小接地阻抗（波阻抗为零）物体时，流过该物体的电流定义为雷电流 i。则：,1、雷电流的幅值：,雷电流幅值出现的概率：,，,。,少雷区减半,2、波头、陡度及波形,波头时间为15s；波长时间为20100s，平均50s。我国在防雷保护中采用的波形：2.6/50s。标准冲击波：, 标准冲击波：1.2/50s。, 钭角平顶波：, 等值余弦波：,

8、3、雷电流的极性：,75%90%为负，因此电气设备的防雷保护和绝缘配合通常都取负极性的雷电冲击波进行研究分析。,4、特点： 幅值大。, 时间短（等值频率高）。,三、 雷电日和雷电小时,不足15日为少雷区，超过40的为多雷区，超过90的为强雷区。,雷电活动频度,雷电日：一年中有雷电活动的天数，一天中只要听见一次以上雷声算一个雷日。,雷电小时：每个雷电日内雷电活动的持续时间，一个小时内只要听见一次以上雷声就算一个雷电小时。,西昌为75.6，成都36.9。,四、地面落雷密度和输电线路落雷次数,地面落雷密度：每个雷电日每平方公里地面遭受雷击的次数。,输电线路落雷次数：,表示雷云对地放电的频数和强烈程度

9、。,h避雷线或导线对地平均高度。,b两根避雷线之间的距离,雷暴日为40时,N=0.28(b+4h),我国雷暴日为40时，取=0.015，国外取值在0.10.2之间。,第二节 避雷针和避雷线,电力系统中实际采用的防雷保护装置主要有：避雷针、避雷线及各种型号的避雷器。,为了让电力设备的的绝缘能够承受高达数十万伏、甚至数兆伏的过电压，需装设各种防雷保护装置。,本节介绍避雷针、避雷线。,独立避雷针,构架避雷针,消雷器,一、避雷针和避雷线的保护作用原理,当雷云放电接近地面时它使地面电场发生畸变，在避雷针（线）的顶端，形成局部电场集中的空间，使雷电先导的发展沿着避雷针的方向发展，引导雷电向避雷针（线）放电

10、，再通过接地引下线和接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击。,定向高度H：当先导放电向地面发展到某一高度H以后，才会在一定范围内受到避雷针（线）的影响，对避雷针（线）放电。当h30m时，H60h ；当h30m时，H600m。,保护范围：工程上依据实验和运行经验得出的一个空间。具有0.1%左右雷击概率的空间范围。,h 避雷针高度，m,被保护物高度，m,P高度影响系数,二、保护范围的确定：,1、单根避雷针的保护范围,上部边缘最低点o,二针间被保护物高度水平面上保护范围的一侧宽度,针间的距离D不宜大于5h。,2、两支等高避雷针,3、两支不等高避雷针,等效为等高的避雷针,4、多支等高避雷针

11、,外部：分别用两针法。,内部：采用三角形法，若 满足bx0, 即认为多针所覆盖的全面积就受到保护。,A、单根避雷线,单根避雷线的保护范围 （当 h30m 时, = 25o）,当 hxh/2 rx=0.47（h-hx）P 当 hxh/2 rx=（h-1.53hx）P,5、避雷线,B、两根等高避雷线,一般取= 20o30o,例题：,有三支等高避雷针，布置在边长25米的正三角形的三个顶点。为保护于三角形各边中点上8米高的物体不受雷击，试求避雷针的高度？,第三节 避雷器,一、避雷器保护原理和基本类型,1、避雷器作用： 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。,2、避雷器的

12、保护原理： 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。,一、避雷器保护原理和基本类型,3、基本要求：, 能瞬时动作。, 能自行迅速截断工频续流。,工频续流：避雷器在冲击电压作用后流经间隙的工频电弧。即过电压消失后，间隙中仍有由工作电压所产生的工频电弧电流。, 具有平直的伏秒特性曲线。, 具有一定的通流容量，其残压应低于被保护物的冲击耐压。,残压：冲击电压通过阀式避雷器时，在避雷器上产生的最大压降。,一、避雷器保护原理和基本类型,4、基本类型：,避雷器发展经历：从放电间隙到氧化锌避雷器。

13、,保护间隙 管型（排气式）避雷器 阀型避雷器 氧化锌避雷器,1 保护间隙 2 排气式避雷器 3 阀型避雷器 4 氧化锌避雷器 5 被保护电器设备,1、作用原理： 当雷电侵入波要危及 它所保护的电气设备的绝 缘时，间隙首先击穿，工 作母线接地，避免了被保 护设备上的电压升高，从 而保护了设备。,二、保护间隙,二、保护间隙,2、结构：（角型）,由主间隙和辅助间隙组成，辅助间隙防止主间隙被外物短路而误动作。,主间隙为角形的目的，是为使工频续流在回路的电动力和热气上升力的推动下，向上移动或拉长，以便熄灭。,3、优缺点：,优点： 结构简单、制造方便,间隙动作后会形成截波；,保护间隙的灭弧能力低，只能熄灭

14、中性点不接地系统不大的单相接地短路电流。,缺点： 伏秒特性曲线比较陡，绝缘配合不理想；,只在10kV以下的配电网中使用。,三、排气式避雷器（管型避雷器 ）,1、结构原理：,它实质上是一只具有一定灭弧能力的保护间隙。,当受到雷电波入侵时，内外间隙同时击穿，雷电流经间隙流入大地；过电压消失后，在工作电压作用下，流经间隙的工频续流电弧的高温使管内产气材料分解出大量气体，管内压力升高，气体从开口孔喷出，从而使工频续流在第一次经过零值时就熄灭。,自吹灭弧原理。, 熄弧能力与工频续流有关。续流大、产气多。但气压过大会使管子爆裂；气压过小又不能熄弧。故对其工频有上下限的规定。, 采用自吹灭弧，其性能优于间隙

15、。,2、管形避雷器的特性：,使用时要与安装点的计算短路电流相匹配。, 缺点：伏秒特性陡、放电分散性大，与被保护设备不易配合。 管子易受潮，放电特性受大气影响大，运行维护较难。, 熄弧能力比保护间隙要强，但伏秒特性较陡且放电分散性大，且会形成截波，并受大气条件影响较大，所只用在线路保护和变电所进线段保护,四、 阀型避雷器, 普通阀型避雷器：,阀式避雷器在电力系统中起着重要的作用，它的保护特性是选择高压电力设备绝缘水平的基础。,1、结构： 阀式避雷器主要由 火花间隙及与之串联 的工作电阻（阀片）两 大部分组成。, 火花间隙：由若干个单个间隙组成。,特点：过电压作用时，在未达放电电压前，间隙就因局部

16、电场过大先产生局部放电（电晕）使间隙的工作部分受到照射；所以放电时间短、分散性小。单个间隙的工频放电电压约2.33.0kv。,避雷器动作后，工频续流若干个间隙被分割为许多短弧，短间隙易将短弧在工频续流第一次过零时熄灭。所以这种间隙的绝缘强度的恢复能力强。我国生产的FS和FZ两种系列的普通阀式避雷器在工频续流不大于50A和80A时，单个间隙的绝缘恢复强度可达250V，能够工频续流第一次过零时将电弧熄灭。不易重燃。, 并联电阻：, 问题：多个间隙串联后形成一个等值电容链。由于寄生电容的存在。且寄生电容的大小受位置和环境的影响，使各级的容抗不等，各级的分压不均。以至于会出现：工频电压作用时，在正常情

17、况时分压高的单个间隙被击穿，而累积使整个间隙击穿；同样情况在工频续流过零时使间隙再次重燃。,减弱了避雷器的熄弧能力，也降低了工频放电电压。,并联电阻：,并联电阻的作用：,工频电压作用时， 频率较低 ，电阻起分压的主要作用，分压均匀。从而提高了熄弧电压和工频放电电压。,在冲击电压作用下，由于其等值频率很高，电容的阻抗小于分路电阻，间隙上的电压分布取决于电容分布，由于间隙对地和瓷套寄生电容存在，使电压分布不均匀，其冲击放电电压较低，改善了避雷器的性能。,阀片的伏安特性为： u=Ci,式中C常数，等于流过1A电流时的压降，其值取决于阀片的材料及尺寸； 非线性系数，其值与阀片的材料与工艺过程有关。,阀

18、片由碳化硅（SiC）70与结合剂（水玻璃20、石墨10）烧制而成。为圆饼状55105mm。 低温（30003500C）烧制的阀片，=0.170.20 ，通流容量小。用于普通避雷器。 高温（1380013900C）烧制的阀片，=0.230.28 ，通流容量大。用于磁吹避雷器。, 阀片：为非线性电阻,2、阀型避雷器的工作原理,系统正常工作时，间隙将电阻阀片与工作母线隔离，以免由工作电压在阀片电阻中产生电流使阀片烧坏。 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，冲击电流通过阀片流入大地，从而使设备得到保护。由于阀片的非线性特性，其电阻在流过大的冲击电流时变得很小，故阀片上产生的残压将得

19、到限制，使其低于被保护设备的冲击耐压，设备得到保护。 当过电压消失后，间隙能在工频续流第一次过零时就将电弧切断，从而保护了被保护设备。,3、阀型避雷器的电气参数, 额定电压：避雷器两端子间允许的最大工频电压的有效值。, 灭弧电压：保证能够在工频续流第一次经过零值时灭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可能出现的最高工频电压，否则将不能保证续流灭弧而使阀片烧坏。, 工频放电电压：在工频电压下，避雷器将发生放电的电压值。, 冲击放电电压：指预放电时间为1.5-20微秒的冲击放电电压。, 保护比：指避雷器残压与灭弧电压之比,保护比愈小，说明残压愈低或灭弧电压愈

20、高，显示保护性能愈好。, 残压：指雷电流通过避雷器时在阀片电阻上产生的压降。, 磁吹型阀式避雷器,为了减小阀式避雷器的切断比和保护比之值，即为了改进阀式避雷器的性能，又发展一种新的带磁吹间隙的阀式避雷器，简称磁吹避雷器。它的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。,我国生产的多为拉长电弧型间隙，又称为限流式。如图所示。,磁吹火花间隙与普通火花间隙的区别，仅在于在火花间隙上附有磁吹线圈。利用磁场使电弧产生运动（拉长或旋转）。,工频续流受轴向磁场的作用被拉入灭弧栅中。电弧长度增大数十倍，同时被灭弧栅（陶瓷、云母玻璃）截断。使电弧受到强烈的去游离而被截断。,辅助触头的作

21、用是减小过电压时磁吹线圈上的压降。,磁吹间隙的绝缘强度恢复得很快。单个间隙的工频放电电压约3kv，可切断450A的续流。,国产的磁吹避雷器有： FCZ系列：用于变电所。 FCD系列：用于保护旋转电机。,磁吹间隙结构原理如图, 金属氧化物（氧化锌）避雷器（MOA）,金属氧化物避雷器是阀型避雷器基础上发展起来的。它采用ZnO阀片。, 金属氧化物（氧化锌）避雷器（MOA）, 金属氧化物（氧化锌）避雷器（MOA）, 金属氧化物（氧化锌）避雷器（MOA）,1、特性：, 金属氧化物（氧化锌）避雷器（MOA）,阀片的特性如图。, 金属氧化物（氧化锌）避雷器（MOA）,为小电流区；为工作电流区；为饱和电流区。

22、,对比在正常工作电压作用时。 SiC的电流为100A,所以要加间隙配合。而ZnO的电流却很小，相当于开路，所以不用加间隙。, 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。 保护性能优越：由于ZnO阀片具有优异的非线性伏安特性，进一步降低其保护水平和被保护设备绝缘水平的潜力很大。 无续流、动作负载轻、能重复动作实施保护 通流容量大，能制成重载避雷器。 耐污性能好。,2、ZnO避雷器优点：,第四节 防雷接地,前面所介绍的各种防雷保护装置都必须配备合适的接地装置才能有效地发挥其保护作用，所以防雷接地装置是整个防雷保护体系中不可或缺的一个组成部分。,一、 接地装置一般概念, 接地：电气

23、设备导电部分和非导电部分与大地的人为连接称为接地。 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。,电力系统中的接地可分为四类：, 工作接地 保护接地 静电接地 防雷接地, 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。, 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。, 接地电阻的特性：接地电阻的数值与接地体的材料类别无关，而与形状尺寸、布置方式、特别是土壤的电阻率有关。,接地电阻包括接地引线的电阻、接地引线与接地装置的接触电阻、接地体本身的电阻、接地体和土壤间的接触

24、电阻及土壤的散流电阻 。,土壤的散流电阻比其它四种电阻大得多，因此可以近似地认为接地电阻等于散流电阻。,二、 冲击电流流经接地装置入地时的基本现象,R 接地体的接地电阻,U 接地点电位,i 接地电流,U=Ri,1、土壤中的电位分布,2、土壤中的电场强度E, 冲击电流在土壤中的密度, 土壤电阻率 表53,3、接地装置的电感效应及利用率,接地装置的冲击系数,：冲击接地电阻,：工频接地电阻,由于火花效应影响，冲击接地电阻一般小于工频接地电阻值。,三、散流效应：,电流从接地体表面散射流出。,距接地点rA出的电压为：,接触电压：Ujc=U-Ur,跨步电压：Ukb=Ua-Ua-b,四、接地电阻估算公式,1、单个垂直接地体的工频接地电阻, Ld,2、水平接地体的工频接地电阻,3、冲击接地电阻,4、钢筋混凝土的自然接地电阻,5、n根等长水平放射形接地体组成的接线装置,每根水平放射形接地体的冲击接地电阻,冲击利用系数,6、由水平接地体连接的n根垂直接地体组成的接地网装置,7、发电厂和变电所的接地装置,图521接地网,L:接地体总长度 S:接地网的总面积,