煤礦機(jī)電知識(shí)之防雷保護(hù)裝置

1、第二部分防雷保護(hù)裝置2022/8/121第一節(jié)避雷針與避雷線(xiàn) 避雷針的保護(hù)原理是當(dāng)雷云放電時(shí)使地面電場(chǎng)畸變，在避雷針的頂端形成局部場(chǎng)強(qiáng)集中的空間以影響雷電先導(dǎo)放電的發(fā)展方向，使雷電對(duì)避雷針?lè)烹姡俳?jīng)過(guò)接地裝置將雷電流引入大地，從而使被保護(hù)物體免遭雷擊。 避雷針 的組成：接閃器（避雷針的針頭）、引下線(xiàn)和接地體。 避雷針的保護(hù)范圍：指被保護(hù)物在此空間范圍內(nèi)不致遭受雷擊。“保護(hù)范圍”只具有相對(duì)的意義，不能認(rèn)為在保護(hù)范圍內(nèi)的物體就完全不受雷直擊。 煤礦機(jī)電論文2022/8/122避雷針的保護(hù)范圍計(jì)算方法有折線(xiàn)法和滾球法，這里主要講折線(xiàn)法。1單支避雷針 保護(hù)范圍是一個(gè)以避雷針為軸線(xiàn)的曲線(xiàn)圓錐體，它的側(cè)面

2、邊界線(xiàn)實(shí)際上是曲線(xiàn)，工程上以折線(xiàn)代替曲線(xiàn)，在被保護(hù)物高度hx水平面上，其保護(hù)半徑rx滿(mǎn)足下式: 2022/8/123 式中，rx為避雷針hx在水平面上的保護(hù)半徑，m；h為避雷針的高度，m，當(dāng)h30m時(shí)，=45；hx為被保護(hù)物的高度，m；p為高度影響系數(shù)。當(dāng)h30m時(shí)，p=1，當(dāng)30mh120m時(shí)，p5.5/ ， 當(dāng)h120m時(shí)，按120m計(jì)算。 2022/8/124折線(xiàn)法單支避雷針的保護(hù)范圍 2022/8/1252.雙支等高避雷針的聯(lián)合 等高雙避雷針的聯(lián)合保護(hù)范圍要比兩針各自保護(hù)范圍的和要大。避雷針的外側(cè)保護(hù)范圍同樣可由上式確定，而擊于兩針之間單針保護(hù)范圍邊緣外側(cè)的雷，可能被相鄰避雷針吸引而擊

3、于其上，從而使兩針間保護(hù)范圍加大。 注意：要兩針能構(gòu)成聯(lián)合保護(hù)，兩針間距離D太大是不行的，即使被保護(hù)物高度為零，兩針間的距離也必須小于7hp,而當(dāng)被保護(hù)物高度為hx時(shí)，兩針間的距離必須小于7（h-hx)p2022/8/126折線(xiàn)法兩只等高避雷針的聯(lián)合保護(hù)范圍 2022/8/127滿(mǎn)足公式為：式中，h0為兩針間保護(hù)范圍上部邊緣最低點(diǎn)高度，m；D為兩避雷針間的距離，m；bx為兩針間高度hx水平面上保護(hù)范圍的一側(cè)最小寬度，當(dāng)bxrx時(shí)，取bx =rx 。2022/8/128 避雷線(xiàn)（也稱(chēng)架空地線(xiàn)）是由懸掛在空中的水平接地導(dǎo)線(xiàn)、接地引下線(xiàn)和接地體組成，其作用原理與避雷針相同，主要用于輸電線(xiàn)路的保護(hù)，也

4、可以用來(lái)保護(hù)發(fā)電廠和變電所。避雷線(xiàn)的保護(hù)范圍的長(zhǎng)度與線(xiàn)路等長(zhǎng)，而且兩端還有其保護(hù)的半個(gè)圓錐體空間，特別適宜于保護(hù)架空線(xiàn)路及大型建筑物。 2022/8/129折線(xiàn)法單根避雷線(xiàn)的保護(hù)范圍（h30cm時(shí)，=25o） 2022/8/1210兩根避雷線(xiàn)的保護(hù)范圍 o點(diǎn)的高度為 h0=h-D/4p 式中， h0為o點(diǎn)高度；h為避雷線(xiàn)的高度；D為兩根避雷線(xiàn)間的水平距離；p為高度修正系數(shù).2022/8/1211第二節(jié)保護(hù)間隙和管式避雷器避雷器與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)安裝，為電氣設(shè)備得到可靠保護(hù)，避雷器應(yīng)滿(mǎn)足下列基本條件： 1）能長(zhǎng)期承受系統(tǒng)的正常持續(xù)運(yùn)行電壓，并可以短時(shí)承受經(jīng)常出現(xiàn)的暫時(shí)過(guò)電壓；2）在過(guò)電壓的作用下，

5、放電電壓低于被保護(hù)設(shè)備絕緣的沖擊耐壓；3）能承受過(guò)電壓作用下產(chǎn)生的能量；4）滅弧性能好，能迅速切斷工頻續(xù)流，過(guò)電壓消失后應(yīng)能迅速恢復(fù)正常工作狀態(tài)。2022/8/1212保護(hù)間隙保護(hù)間隙目的是為了使工頻續(xù)流電弧在電動(dòng)力和上升熱氣流的作用下向上運(yùn)動(dòng)并拉長(zhǎng)，有利電弧的自行熄滅。保護(hù)間隙雖有一定的限制過(guò)電壓的效果，但不能避免供電中斷。其優(yōu)點(diǎn)是；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉；主要缺點(diǎn)是熄弧能力低，與被保護(hù)設(shè)備的伏秒特性不易配合，動(dòng)作后產(chǎn)生截波，不能保護(hù)帶繞組的設(shè)備，往往需要與其它保護(hù)措施配合使用。2022/8/1213角型保護(hù)間隙保護(hù)間隙如圖所示，其目的是為了使工頻續(xù)流電弧在電動(dòng)力和上升熱氣流的作用下向上運(yùn)動(dòng)并拉長(zhǎng)，

6、有利電弧的自行熄滅。 2022/8/1214管式避雷器管式避雷器也叫排氣式避雷器，靠過(guò)電壓來(lái)臨時(shí)內(nèi)部產(chǎn)氣材料受激產(chǎn)生的高壓氣流對(duì)電弧產(chǎn)生強(qiáng)烈縱吹而滅弧。另外，管式避雷器的伏秒特性太陡，放電分散性比較大，難以跟被保護(hù)設(shè)備實(shí)現(xiàn)合理的絕緣配合。排氣式避雷器動(dòng)作后也會(huì)產(chǎn)生高幅值的截波，對(duì)變壓器的縱絕緣不利。2022/8/1215管式避雷器內(nèi)部構(gòu)造2022/8/1216由于管式避雷器動(dòng)作時(shí)會(huì)噴出電離氣體，安裝時(shí)必須注意排氣區(qū)內(nèi)不能有鄰近相的導(dǎo)電部分。外間隙不能過(guò)短，以免在管子受潮時(shí)可能在工作電壓下發(fā)生沿面閃絡(luò)，導(dǎo)致避雷器誤動(dòng)。 為增大管式避雷器的壽命，產(chǎn)生了無(wú)續(xù)流管式避雷器，其滅弧腔為芯棒與復(fù)合管之間的

7、一條很窄的狹縫，可產(chǎn)生很大的氣壓，產(chǎn)生強(qiáng)烈的縱吹作用，再加以狹縫的去游離作用，使得工頻續(xù)流在剛上升時(shí)即被強(qiáng)行切斷。2022/8/1217第三節(jié)閥式避雷器普通閥式避雷器（FZ系列），主要由多個(gè)平板型火花間隙、低溫閥片、并聯(lián)分路電阻、瓷套、均壓環(huán)等組成。工作原理：當(dāng)避雷器上過(guò)電壓的瞬間時(shí)值達(dá)到放電間隙的沖擊放電電壓時(shí)，間隙擊穿，過(guò)電壓波被截?cái)?，這時(shí)避雷器呈現(xiàn)為小電阻。沖擊電流通過(guò)后將產(chǎn)生工頻續(xù)流，此時(shí)工作電壓遠(yuǎn)低于沖擊電壓，閥式電阻急劇增大，續(xù)流受到限制，電弧迅速熄滅。2022/8/1218閥式避雷器的結(jié)構(gòu) 1間隙 2閥片 3非線(xiàn)性并聯(lián)電阻 4黃銅電極 5云母片（0.5mm厚） 6并聯(lián)電阻 7間歇

8、電容2022/8/1219普通閥式避雷器的閥片是用電工金剛砂（SiC）細(xì)粒和結(jié)合劑（水玻璃等）制成的原盤(pán)在高溫下燒制而成。閥片的電阻是非線(xiàn)性的，起伏安方程可表示為：u=ci 式中c為材料常數(shù)，與閥片的材料和尺寸有關(guān)；是閥片的非線(xiàn)性系數(shù)，小于1。2022/8/1220普通閥式避雷器放電間隙由許多個(gè)單個(gè)間隙串聯(lián)而成。單個(gè)平板型放電間隙的結(jié)構(gòu)如圖。電極用沖壓的黃銅圓盤(pán)1做成，極間墊有環(huán)狀的云母墊圈2，間隙電場(chǎng)接近均勻電場(chǎng)。 1黃銅電極 2云母片（0.5mm厚）單個(gè)平板型放電間隙的結(jié)構(gòu)2022/8/1221通常將四個(gè)間隙放在一個(gè)瓷套筒里，組成標(biāo)準(zhǔn)間隙組如圖.單個(gè)間隙.黃銅蓋板.半環(huán)性分路電阻.瓷套筒2

9、022/8/1222每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)間隙組的側(cè)面并有兩個(gè)串聯(lián)的半環(huán)性非線(xiàn)性分路電阻，以便起到分壓作用由于間隙電容的阻抗比分路電阻要大很多，所以間隙上的電壓分布主要由分路電阻的阻值來(lái)決定通常分路電阻都采用以金剛砂為主要材料在高溫下燒紙而成的非線(xiàn)性電阻，其非線(xiàn)性系數(shù)為0.35到0.45。2022/8/1223第四節(jié)磁吹避雷器及復(fù)合避雷器磁吹避雷器主要由拉長(zhǎng)電弧式間隙或旋轉(zhuǎn)式電弧間隙、照射裝置、高溫閥片、防爆裝置、并聯(lián)分路電阻、瓷套、均壓環(huán)等組成.磁吹避雷器適用于工頻續(xù)流比較大（峰值超過(guò)80A），采用電弧運(yùn)動(dòng)的間隙，即磁吹放電間隙。它利用磁場(chǎng)使電弧加快運(yùn)動(dòng)來(lái)加強(qiáng)弧柱的去游離作用，以提高間隙的滅弧能力。磁吹間

10、隙通常有電弧旋轉(zhuǎn)式和電弧拉長(zhǎng)式兩種。2022/8/1224磁吹線(xiàn)圈的工作原理磁吹間隙的磁場(chǎng)是由和間隙串聯(lián)的磁吹線(xiàn)圈產(chǎn)生，工作原理如圖：2022/8/1225 磁吹線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨續(xù)流方向的改變而改變，但電弧運(yùn)動(dòng)的方向則不隨續(xù)流方向而改變。當(dāng)雷電流通過(guò)線(xiàn)圈，并在線(xiàn)圈上形成很大壓降時(shí)，分流間隙動(dòng)作，將線(xiàn)圈短路，使避雷器的壓降不致增大；當(dāng)工頻電流通過(guò)時(shí)，分流間隙中電弧電壓將大于續(xù)流在線(xiàn)圈上的壓降，此時(shí)分流江西中電弧會(huì)自動(dòng)熄滅，使續(xù)流轉(zhuǎn)入線(xiàn)圈而產(chǎn)生磁通和吹弧作用。2022/8/1226磁吹避雷器有FCZ型和FCD型兩種，F(xiàn)CZ型主要用于35kV及以上電壓的變電所中，也可兼作某些內(nèi)過(guò)電壓的后備保護(hù)；FC

11、D型的部分間隙帶有并聯(lián)電容，用于保護(hù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)。 2022/8/1227超高壓系統(tǒng)中，用于既要保護(hù)雷電過(guò)電壓，又要保護(hù)操作過(guò)電壓的兼用避雷器為復(fù)合型（磁吹）避雷器，如圖。Jz，主間隙；Jb，并聯(lián)間隙；R1，閥片組1；R2，閥片組22022/8/1228雷電工作狀態(tài)下，主間隙Jz放電后，R2上殘壓上升到一定值后，并聯(lián)間隙Jb也放電，這樣避雷器的沖擊殘壓可限制在所要求的最低水平，由Jz，Jb及R1完成避雷器的保護(hù)作用。復(fù)合避雷器在操作過(guò)電壓工作狀態(tài)下的滅弧電壓可較高。2022/8/1229第五節(jié)金屬氧化物避雷器（壓敏避雷器）金屬氧化物的閥片（MOV）以氧化鋅為主摻以微量的氧化鉍、氧化鈷、氧化錳等添加

12、劑制成 .基本工作原理 :在正常工作電壓下，其阻值很大（電阻率高達(dá)1010-1011cm）通過(guò)的漏電流很?。ˋ級(jí)），而在過(guò)電壓的作用下，阻值會(huì)急劇變小。其伏安特性可用公式u=Cia 表示，非線(xiàn)性系數(shù)與電流大小有關(guān)，一般只有0.010.04，即使在大沖擊電流（例如10kA）下，也不會(huì)超過(guò)0.1，可見(jiàn)其非線(xiàn)性要比碳化硅閥片好，已接近理想（0）。 2022/8/1230ZnO閥片SiC閥片伏安特性的比較 2022/8/1231MOA的分類(lèi)1）按電壓等級(jí)分類(lèi) MOA按額定電壓值來(lái)分類(lèi)， 可分為三類(lèi)：高壓類(lèi)。指66kV以上等級(jí)的MOA，大致可劃分為500、330、220、110、66kV五個(gè)電壓等級(jí)。中

13、壓類(lèi)。指366kV（不包括66kV）的MOA，大致可劃分為3、6、10、35kV四個(gè)電壓等級(jí)。低壓類(lèi)。指3kV以下的MOA，大致可劃分為1、0.5、0.38、0.22kV四個(gè)電壓等級(jí)。2022/8/12322）按用途分類(lèi) MOA按用途可劃分為系統(tǒng)用線(xiàn)路型、系統(tǒng)用電站型、系統(tǒng)用配電型、并聯(lián)補(bǔ)償電容器組保護(hù)型、電氣化鐵道型、電動(dòng)機(jī)及電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)型、變壓器中性點(diǎn)型七類(lèi)。2022/8/12333）按外套材料分類(lèi)瓷外套型。該類(lèi)型按耐污穢性能分為四個(gè)等級(jí)，I級(jí)為普通型、II級(jí)為用于中等污穢地區(qū)、III級(jí)為用于重污穢地區(qū)、IIII級(jí)為用于特重污穢地區(qū)。復(fù)合外套型。該系列產(chǎn)品除具有瓷外套MOA的一切優(yōu)點(diǎn)外，還

14、具有良好的絕緣性能、耐污穢性能、耐老化性能、防爆性能以及體積小、重量輕、平時(shí)不需維護(hù)、不易破損、密封可靠等優(yōu)點(diǎn)。罐式。其具有縮小絕緣距離，占地面積小、內(nèi)部電氣性能不受外界大氣、污穢等條件影響等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)伏秒特性比較平坦的GIS保護(hù)特別有利。2022/8/12344）按結(jié)構(gòu)性能分類(lèi) MOA按結(jié)構(gòu)性能可分為無(wú)間隙（W）、帶串聯(lián)間隙（C）、帶并聯(lián)間隙（B）。2022/8/1235與炭化硅避雷器相比，氧化鋅避雷器具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并具有優(yōu)異的保護(hù)特性。耐重復(fù)動(dòng)作能力強(qiáng)。通流容量大。造價(jià)較低，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。2022/8/1236MOA的電氣特性基本參數(shù) （1）額定電壓（有效值，kV) 額定電

15、壓指加到避雷器端部的最大允許工頻電壓的有效值，意味著避雷器在這一電壓下的第一個(gè)工頻半波內(nèi)能可靠地切斷工頻續(xù)流，熄滅電弧，即在一次或多次沖擊電流作用后，能承受此規(guī)定的額定電壓，并在持續(xù)運(yùn)行電壓作用下能夠冷卻下來(lái)而不發(fā)生熱崩潰。（2）參考電壓(峰值，kV) 參考電壓包括工頻參考電壓和直流參考電壓。通常以通過(guò)1mA工頻電流足性分量峰值或者1mA直流電流時(shí)避雷器端電壓的峰值定義為參考電壓。2022/8/1237（3）持續(xù)運(yùn)行電壓（有效值，kV ） 在運(yùn)行中允許持續(xù)地施加在避雷器兩端的工頻電壓有效值稱(chēng)為持續(xù)運(yùn)行電壓，其值一般等于或大于系統(tǒng)最高運(yùn)行相電壓。（4）壓比 壓比為閥片在標(biāo)稱(chēng)電流下的殘壓與其參考電

16、壓的比值。壓比越小，表明通過(guò)沖擊大電流時(shí)的殘壓愈低，避雷器的保護(hù)性能愈好。 8）荷電率 持續(xù)運(yùn)行電壓的峰值與直流參考電壓的比值稱(chēng)為避雷器的荷電率。荷電率的高低直接影響到避雷器的老化過(guò)程。通常取5575。2022/8/1238MOA其他參數(shù)還包括：標(biāo)稱(chēng)放電電流 、沖擊保護(hù)水平 、流通容量 、外絕緣水平 。無(wú)間隙氧化鋅避雷器是當(dāng)前避雷器發(fā)展的方向。在超高壓電網(wǎng)中，為了減輕正常工作電壓下閥片的老化現(xiàn)象，以及顯著降低大電流下的殘壓，還可以采用附加串聯(lián)或并聯(lián)間隙的方法來(lái)進(jìn)一步降低壓比和改善其性能。2022/8/1239第六節(jié)消弧線(xiàn)圈消弧線(xiàn)圈的作用是減少單相接地電流，從而促成接地電弧自熄，以防止發(fā)展成相間

17、短路或燒傷導(dǎo)線(xiàn)。在雷電活動(dòng)強(qiáng)烈而接地電阻又難以降低的地區(qū)，對(duì)于110kV及以下電壓等級(jí)的電網(wǎng)中，可考慮采用系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地方式。這樣可以使絕大多數(shù)雷擊單相閃絡(luò)接地故障被消弧線(xiàn)圈消除，不至于發(fā)展成持續(xù)工頻電弧。 2022/8/1240有消弧線(xiàn)圈時(shí)單相接地電流如下圖，C相導(dǎo)線(xiàn)在K點(diǎn)短路，短路前對(duì)地電位為Ec，短路后其電位為零，計(jì)算短路電流Ijd2022/8/1241將短路后的電路看成原來(lái)正常三相系統(tǒng)與故障電勢(shì)作用在三相網(wǎng)絡(luò)的疊加，可求得： 適當(dāng)選擇電感L的值，使 這是完全協(xié)調(diào)的情況。2022/8/1242實(shí)際情況總是將L值選擇的與完全協(xié)調(diào)有差別，而用 來(lái)表示脫離協(xié)調(diào)的程度（脫協(xié)度）

18、，其選擇應(yīng)：不應(yīng)小到使正常運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)電位超過(guò)15%，又不宜大到使單相接地電流大于10A。 通常消弧線(xiàn)圈一般采取過(guò)補(bǔ)償方式。2022/8/1243消弧線(xiàn)圈安裝地點(diǎn)的選取（1）要保證當(dāng)電網(wǎng)在任何運(yùn)行方式下，在斷開(kāi)一、兩條線(xiàn)路時(shí)，大部分電網(wǎng)不致處在無(wú)消弧線(xiàn)圈的情況中。應(yīng)分散安裝。（2）消弧線(xiàn)圈是電網(wǎng)的零序負(fù)荷，所以它應(yīng)裝在零序阻抗較小的設(shè)備的中性點(diǎn)上。（3）消弧線(xiàn)圈的容量與所在變壓器的容量應(yīng)有一定的比例，以防止在持續(xù)性的金屬性接地故障時(shí)變壓器不致過(guò)熱。2022/8/1244第七節(jié)防雷接地和線(xiàn)路接地裝置 一、接地可分為如下三種：（1）工作接地 根據(jù)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行方式的需要而將電網(wǎng)中某一點(diǎn)接地，例

19、如將三相系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地，其作用為穩(wěn)定電網(wǎng)對(duì)地電位，從而可以使對(duì)地絕緣降低，還可以使對(duì)地絕緣閃絡(luò)或擊穿時(shí)容易查出，以及有利于實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)措施等。工作接地要的接地電阻為0.5到10歐。2022/8/1245（2）保護(hù)接地 這是為了人身安全將高壓電氣設(shè)備的金屬外殼（包括電纜外皮）接地。高壓設(shè)備接地保護(hù)要求的接地電阻為1到10歐。（3）防雷接地 例如避雷針的接地，為了這讓強(qiáng)大的雷電流安全導(dǎo)入地中，以將少雷電流流過(guò)時(shí)引起的電位聲高，電阻值為1到30歐。2022/8/1246二、接地裝置分類(lèi)接地體分為自然接地體與人工接地體。接地電阻更確切的定義為接地阻抗，是大地阻抗效應(yīng)的總和。接地電阻的大小主要由土壤電

20、阻率、接地極尺寸、形狀、埋入深度、接地線(xiàn)與接地體的連接情況決定。由于接地線(xiàn)和接地體的電阻相對(duì)較小，可以認(rèn)為接地電阻主要是指接地體的流散電阻。接地體包括水平接地體、垂直接地體、水平接地網(wǎng)、復(fù)合（立體）接地網(wǎng)和引外接地體等。 2022/8/1247三、接地電阻接地電阻是電流I經(jīng)接地電流流入大地時(shí)接地電極的電位U和電流I的比值。例：與地面齊平的半徑為a的半圓形接地體，假定地電阻率是均勻的，其值為，經(jīng)接地電極流入大地的電流為，則在離球心為r（ra)處的半圓球面上的電流密度為該出電場(chǎng)強(qiáng)度為所以接地電極的電位為半球體接地電極的接地電位為R=/2a2022/8/1248一些常見(jiàn)接地體的接地電阻公式:(1)垂

21、直接地體式中l(wèi)是接地體的長(zhǎng)度,m; d是圓鋼接地體的直徑,m。2022/8/1249(2)水平接地體L，接地體總長(zhǎng)度，m;H，接地體埋設(shè)深度，m;A，屏蔽系數(shù)。2022/8/1250四、沖擊接地電阻對(duì)防雷起作用的是沖擊接地電阻Rch 與工頻電阻相比有兩點(diǎn)區(qū)別：一是由于雷電流相當(dāng)于高頻，接地體的電感效應(yīng)將使伸長(zhǎng)接地體在雷電流作用下呈現(xiàn)較大的阻抗；二是由于雷電流幅值很大，接地體的電位很高，其周?chē)寥乐械碾妶?chǎng)強(qiáng)度將大大超過(guò)土壤的耐壓強(qiáng)度，在接地體周?chē)耐寥乐袝?huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花放電。2022/8/1251經(jīng)驗(yàn)公式為 、m是與接地體形狀有關(guān)的系數(shù)；I為通過(guò)每跟接地體的雷電流幅值；為土壤電阻率；l為棒或帶的長(zhǎng)度，或圓環(huán)接地體的圓環(huán)直徑。 也可由相關(guān)實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)查得。2022/8/1252五、發(fā)、變電站的接地發(fā)電廠、變電所的接地裝置以深埋0.6到0.8米的水平接地體為主，