第七章 雷電及防雷保護(hù)裝置

1、高電壓工程系高電壓工程系劉春劉春第9 9章章 雷電及防雷保護(hù)裝置雷電及防雷保護(hù)裝置大氣過電壓是由于雷電形成的。它是造成系統(tǒng)故障的主要原因之一9.1 9.1 雷云放電及雷電過電壓雷云放電及雷電過電壓 熱氣流上升，冷凝產(chǎn)生冰晶，冰晶碰撞分裂，導(dǎo)致帶負(fù)電荷的較輕部分被風(fēng)吹走，形成雷云；帶正電荷的較重部分可能形成局部帶正電的云區(qū)或者凝聚成水滴下降。 整塊雷云可以有若干個(gè)電荷中心，負(fù)電荷位于雷云下 部，離地大約500-1000m。 雷云放電通常分為先導(dǎo)部分和主放電兩個(gè)階段。 圖中為下行負(fù)雷閃的照片。 第一次放電結(jié)束后，多半還會(huì)有重復(fù)雷擊。雷電放電的發(fā)展過程和雷電流的波形雷電放電

2、的發(fā)展過程和雷電流的波形9.1.2 9.1.2 雷擊時(shí)的等值電路雷擊時(shí)的等值電路主放電瞬間，可用開關(guān)S的閉合來模擬Z是被擊物的阻抗。由于電荷運(yùn)動(dòng)形成電流，因此雷擊點(diǎn)的電位發(fā)生突然變化uiZ雷電具有電流源的性質(zhì)。當(dāng)Z0時(shí)，i=2*i0;一般，Z0300-400 ，ZZ0，因此，也可認(rèn)為i=2*i0i稱為雷電流9.2 9.2 雷電參數(shù)及雷電活動(dòng)規(guī)律雷電參數(shù)及雷電活動(dòng)規(guī)律在雷電設(shè)計(jì)中，最關(guān)心的是雷電流波形、幅值分布及落雷密度等9.2.1 9.2.1 雷電流幅值和波形雷電流幅值和波形對于雷暴日數(shù)20的地區(qū)，我國現(xiàn)行推薦雷電流幅值概率為：的雷電流概率是幅值大于其中IIPP 88lg 對于雷暴日數(shù)20的地

3、區(qū)(除陜南以外的西邊地區(qū)、內(nèi)蒙古部分地區(qū)），我國現(xiàn)行推薦雷電流幅值概率為：44lgIP波形和極性波形和極性 我國防雷規(guī)程建議值為：2.6/50 s，平均陡度為 在保護(hù)計(jì)算中，可取雙指數(shù)波，為簡化計(jì)算，一般可取斜角平頂波。 但在特高塔的設(shè)計(jì)中，可取半余弦波頭，表達(dá)式為：6 . 2Ia )cos1 (2tIiI為雷電流幅值；為角頻率，=/f=1.2106s-1，f 為波頭時(shí)間（2.6s）。 極性極性：75%-90%的雷為負(fù)極性雷，因此一般按照負(fù)極性雷進(jìn)行研究。9.2.2 9.2.2 雷暴日和雷暴小時(shí)雷暴日和雷暴小時(shí)u年平均雷暴日和年平均雷暴小時(shí)是表征雷電活動(dòng)頻繁程度的指標(biāo)。u雷暴日：一年中有雷電的

4、天數(shù)。在一天之內(nèi)，只要聽到雷聲就算一個(gè)雷暴日。u雷暴小時(shí)：一年中有雷電的小時(shí)數(shù)。在一小時(shí)之內(nèi)，只要聽到雷聲就算一個(gè)雷暴小時(shí)。u我國大部分地區(qū)的雷暴小時(shí)與雷暴日之比為3。u我國規(guī)程建議采用雷暴日作為計(jì)算單位。9.2.3 9.2.3 地面落雷密度和地面落雷密度和 輸電線路落雷次數(shù)輸電線路落雷次數(shù) 地面落雷密度反映了云地之間的放電。 地面落雷密度地面落雷密度：每平方公里每雷暴日的對地落雷次數(shù)，用表示。 e.g. 我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：對雷暴日T40的地區(qū)，=0.07次/km2雷暴日 輸電線路的存在，改變了雷云地之間的電場分布，根據(jù)模擬試驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，輸電線路每側(cè)的引雷寬度為2h e.g. 對每100km的輸

5、電線路，每年遭雷擊的次數(shù)為：m:,h b )4(28. 01001000)4(單位平均對地高度是避雷線離，是兩根避雷線之間的距次hbThbN9.3 9.3 避雷針和避雷線避雷針和避雷線防直擊雷最常用的措施是裝設(shè)避雷針（線）避雷針（線）的保護(hù)范圍是按照99.9%的概率計(jì)算的。hrhx水平面上保護(hù)范水平面上保護(hù)范圍的截面圍的截面1. 5 hxh /2hx45oh5.5p 70pDhh避雷線的保護(hù)長度與線等長，因此適用與架空線路與大型建筑群。單根避雷線的保護(hù)范圍兩根避雷線的保護(hù)范圍D5/D保護(hù)角是指避雷線與所保護(hù)的外側(cè)導(dǎo)線之間的連線與經(jīng)過避雷線的鉛垂線之間的夾角 。保護(hù)角越小，避雷線對導(dǎo)線的屏蔽保護(hù)

6、作用就越好。有些國家還采用負(fù)保護(hù)角。pDhh09.4 9.4 避雷器避雷器 當(dāng)發(fā)生繞擊或者感應(yīng)時(shí)，過電壓波將沿線路傳播入侵發(fā)電廠、變點(diǎn)站等。避雷器的要求：u 良好的伏秒特性：u 沖擊系數(shù)：沖擊放電電壓與工頻放電電壓之比。u 沖擊系數(shù)越小，伏秒特性越平緩，保護(hù)性能越好。u 絕緣自恢復(fù)能力u按發(fā)展歷程看：1保護(hù)間隙、管型避雷器、普通閥式避雷器、磁吹避雷器、金屬氧化物避雷器等。氧化鋅（氧化鋅（ZnOZnO）避雷器）避雷器ZnO避雷器又叫金屬氧化物避雷器（MOA）。 ZnO避雷器由ZnO電阻片組成，具有優(yōu)異的非線性伏安特性，因此可以取消火花間隙，實(shí)現(xiàn)無間隙無續(xù)流，且造價(jià)低廉。晶界層固有電容回路固有電感

7、晶界層電阻泄漏電阻本體電阻CRRRLCRRRLZnO（1） ZnO晶粒，粒徑為10m左右，電 阻率為110cm；（2） 包圍著ZnO晶粒的Bi2O3晶界層，厚 度為0.1m左右，電阻率大于 1010cm；（3） 零散分布于晶界層中的尖晶石 Zn7Sb2O12。ZnO電阻片的非線性特性主要取決于晶界層，在低電場下其電阻率很高；當(dāng)層間電位梯度達(dá)到104105V/cm時(shí)，其電阻率急劇下降到低阻狀態(tài) ZnOZnO的伏安特性曲線的伏安特性曲線u區(qū)域?yàn)榈碗妶鰠^(qū)，電流密度與電場強(qiáng)度的開方成正比，非線性系數(shù)約為0.10.2；u區(qū)域?yàn)橹须妶鰠^(qū)，晶界層電阻Rv減小，非線性系數(shù)大為下降，約為0.010.04；u區(qū)域

8、為高場強(qiáng)區(qū)，ZnO本體電阻R起主要作用，電流與電壓成正比，伏安特性曲線向上翹。 ZnOZnO避雷器的主要優(yōu)點(diǎn)：避雷器的主要優(yōu)點(diǎn)：u無間隙無間隙 結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、無電壓分布不均、放電電壓不穩(wěn)定等，保護(hù)可靠性高u無續(xù)流無續(xù)流 不需吸收續(xù)流能量，動(dòng)作負(fù)載輕；可承受多次重復(fù)雷擊或者重復(fù)操作過電壓u電氣設(shè)備所受過電壓可減低電氣設(shè)備所受過電壓可減低 在整個(gè)過電壓階段都有電流流過，因此降低了過電壓幅值u通流容量大通流容量大 不受串聯(lián)間隙被灼傷的制約，閥片的通流能力僅與本身通流能力有關(guān)。可并聯(lián)進(jìn)一步提高通流能力。u易于制成直流避雷器易于制成直流避雷器ZnOZnO避雷器的電氣性能避雷器的電氣性能u額定電壓額定

9、電壓 能短期耐受的最大工頻電壓有效值u最大持續(xù)運(yùn)行電壓最大持續(xù)運(yùn)行電壓 能長期持續(xù)運(yùn)行的最大工頻電壓有效值u起始動(dòng)作電壓（參考電壓、轉(zhuǎn)折電壓）起始動(dòng)作電壓（參考電壓、轉(zhuǎn)折電壓） 開始進(jìn)入動(dòng)作狀態(tài)的電壓，通常為U1mAu壓比壓比 在8/20us的沖擊電流規(guī)定值下，殘壓與起始動(dòng)作電壓之比。越小，非線性越好。u荷電率荷電率 最大場強(qiáng)工作電壓與起始動(dòng)作電壓之比u工頻耐受電壓特性工頻耐受電壓特性 對工頻過電壓的耐受能力u保護(hù)比保護(hù)比 額定殘壓與最大長期工作電壓峰值之比。越小，保護(hù)性能越好9.5 9.5 接地技術(shù)與接地裝置接地技術(shù)與接地裝置 接地接地：把地面上的電氣設(shè)備的一部分經(jīng)埋入地中（包含水泥和水）的

10、接地體（如金屬棒、管、帶、網(wǎng)等）與大地作電氣連接，從而使接地點(diǎn)對地保持盡可能低的電位。9.5.1 9.5.1 接地和接地電阻的概念接地和接地電阻的概念u電工中“地地”的定義是地中不受入地電流的影響而保持著零電位的土地。 u將電氣設(shè)備導(dǎo)電部分和非導(dǎo)電部分（例如電纜外皮）的某一節(jié)點(diǎn)通過導(dǎo)體與大地進(jìn)行人為連接，使該設(shè)備與大地保持等電位的方法，稱為接地接地。 接地裝置原理圖接地裝置原理圖u由于大地電阻率的存在，當(dāng)有電流流過時(shí)，出現(xiàn)電場分布，相對與無窮遠(yuǎn)處的零電位點(diǎn)，接地體處有電位升高。u需要降低接地電阻值。u接地體有人工和天然的兩類：人工是指專門為接地而設(shè)置的；自然的是指用于別的目的，也可兼做接地。9

11、.5.2 9.5.2 接地的分類接地的分類1） 工作接地工作接地 工作接地電阻一般為0.5 10 2） 保護(hù)接地保護(hù)接地 為保障人身安全而將設(shè)備外殼接地。 要求接觸電位差和跨步電位差 通常保護(hù)電阻約為1103） 防雷接地防雷接地 目的是減小雷電流通過接地裝置時(shí)的地電位升高。 火花效應(yīng)火花效應(yīng)：雷電流幅值大， , 使得土壤發(fā)生局部放電，接 地體的等效尺寸加大，因此電阻降低。 電感影響電感影響：雷電流等值頻率高，使得接地體的電感阻抗加大， 阻礙電流向接地體遠(yuǎn)端流通，接地體不能得到充分 利用，因此接地體的電阻增加。 沖擊系數(shù)沖擊系數(shù)：Vt250gchRRE9.5.3 9.5.3 工程實(shí)用的接地裝置工

12、程實(shí)用的接地裝置一、典型接地體的接地電阻一、典型接地體的接地電阻 jn為電流密度（A/m2）； En為電場強(qiáng)度（V/m）； 為土壤電阻率（m）； 為土壤的介電常數(shù)（F/m）； C為接地體對無窮遠(yuǎn)處的電容（F） CQUdsDUdsEUdsjUIURnnn1( (一）垂直接地體一）垂直接地體單根垂直接地體的電阻：N跟垂直接地體并聯(lián)時(shí)，總電阻為：稱為接地體的利用系數(shù)。由于屏蔽效應(yīng)，1。接地體間距離a與接地體長度l的比值越小，就越小，一般0.650.8。dllR4ln2nRR（二）（二） 水平接地體水平接地體L為接地體的總長度（m）；h為接地體埋設(shè)深度（m）；A為形狀系數(shù) 由以上公式算出的是工頻接地電阻值。 雷電流作用下沖擊接地電阻的計(jì)算，還需要利用沖擊系數(shù) )(ln22AdhLLR（三）伸長接地體（三）伸長接地體u為了減小接地電阻，用很長的接地體。通常稱這種接地體為伸長接地體。u由于雷電流的等值頻率很高，接地體的自身電感會(huì)有很大影響，此時(shí)接地體表現(xiàn)出具有分布參數(shù)的傳輸線的阻抗特性。加上火花效應(yīng)的出現(xiàn)，使