第七章雷電及防雷保護裝置

高電壓技術(shù)高電壓工程系tslc@劉春138710186721第9章雷電及防雷保護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，導致帶負電荷的較輕部分被風吹走，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電荷中心，負電荷位于雷云下部，離地大約500-1000m。

雷云放電通常分為先導部分和主放電兩個階段。圖中為下行負雷閃的照片。第一次放電結(jié)束后，多半還會有重復雷擊。2雷電放電的發(fā)展過程和雷電流的波形39.1.2雷擊時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。由于電荷運動形成電流，因此雷擊點的電位發(fā)生突然變化u＝iZ雷電具有電流源的性質(zhì)。當Z＝0時，i=2*i0;一般，Z0＝300-400，Z<<Z0，因此，也可認為i=2*i0i稱為雷電流49.2雷電參數(shù)及雷電活動規(guī)律在雷電設計中，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：對于雷暴日數(shù)<20的地區(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：5波形和極性我國防雷規(guī)程建議值為：2.6/50s，平均陡度為

在保護計算中，可取雙指數(shù)波，為簡化計算，一般可取斜角平頂波。但在特高塔的設計中，可取半余弦波頭，表達式為：I為雷電流幅值；ω為角頻率，ω=π/τf=1.2106s-1，τf--為波頭時間（2.6s）。

極性：75%-90%的雷為負極性雷，因此一般按照負極性雷進行研究。69.2.2雷暴日和雷暴小時年平均雷暴日和年平均雷暴小時是表征雷電活動頻繁程度的指標。雷暴日：一年中有雷電的天數(shù)。在一天之內(nèi)，只要聽到雷聲就算一個雷暴日。雷暴小時：一年中有雷電的小時數(shù)。在一小時之內(nèi)，只要聽到雷聲就算一個雷暴小時。我國大部分地區(qū)的雷暴小時與雷暴日之比為3。我國規(guī)程建議采用雷暴日作為計算單位。79.2.3地面落雷密度和

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：每平方公里每雷暴日的對地落雷次數(shù)，用表示。

e.g.我國標準規(guī)定：對雷暴日T＝40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)模擬試驗和運行經(jīng)驗，輸電線路每側(cè)的引雷寬度為2he.g.對每100km的輸電線路，每年遭雷擊的次數(shù)為：89.3避雷針和避雷線防直擊雷最常用的措施是裝設避雷針（線）避雷針（線）的保護范圍是按照99.9%的概率計算的。9避雷線的保護長度與線等長，因此適用與架空線路與大型建筑群。單根避雷線的保護范圍兩根避雷線的保護范圍保護角是指避雷線與所保護的外側(cè)導線之間的連線與經(jīng)過避雷線的鉛垂線之間的夾角。保護角越小，避雷線對導線的屏蔽保護作用就越好。有些國家還采用負保護角。109.4避雷器當發(fā)生繞擊或者感應時，過電壓波將沿線路傳播入侵發(fā)電廠、變點站等。避雷器的要求：良好的伏秒特性：沖擊系數(shù)：沖擊放電電壓與工頻放電電壓之比。沖擊系數(shù)越小，伏秒特性越平緩，保護性能越好。絕緣自恢復能力按發(fā)展歷程看：保護間隙、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。11氧化鋅（ZnO）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，實現(xiàn)無間隙無續(xù)流，且造價低廉。（1）ZnO晶粒，粒徑為10μm左右，電阻率為1~10Ω·cm；（2）包圍著ZnO晶粒的Bi2O3晶界層，厚度為0.1μm左右，電阻率大于1010Ω·cm；（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；當層間電位梯度達到104~105V/cm時，其電阻率急劇下降到低阻狀態(tài)

12ZnO的伏安特性曲線區(qū)域Ⅰ為低電場區(qū)，電流密度與電場強度的開方成正比，非線性系數(shù)約為0.1~0.2；區(qū)域Ⅱ為中電場區(qū)，晶界層電阻Rv減小，非線性系數(shù)α大為下降，約為0.01~0.04；區(qū)域Ⅲ為高場強區(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。

13ZnO避雷器的主要優(yōu)點：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，保護可靠性高無續(xù)流不需吸收續(xù)流能量，動作負載輕；可承受多次重復雷擊或者重復操作過電壓電氣設備所受過電壓可減低在整個過電壓階段都有電流流過，因此降低了過電壓幅值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)?？刹⒙?lián)進一步提高通流能力。易于制成直流避雷器14ZnO避雷器的電氣性能額定電壓能短期耐受的最大工頻電壓有效值最大持續(xù)運行電壓

能長期持續(xù)運行的最大工頻電壓有效值起始動作電壓（參考電壓、轉(zhuǎn)折電壓）

開始進入動作狀態(tài)的電壓，通常為U1mA壓比在8/20us的沖擊電流規(guī)定值下，殘壓與起始動作電壓之比。越小，非線性越好。荷電率

最大場強工作電壓與起始動作電壓之比工頻耐受電壓特性

對工頻過電壓的耐受能力保護比額定殘壓與最大長期工作電壓峰值之比。越小，保護性能越好159.5接地技術(shù)與接地裝置

接地：把地面上的電氣設備的一部分經(jīng)埋入地中（包含水泥和水）的接地體（如金屬棒、管、帶、網(wǎng)等）與大地作電氣連接，從而使接地點對地保持盡可能低的電位。9.5.1接地和接地電阻的概念電工中“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。將電氣設備導電部分和非導電部分（例如電纜外皮）的某一節(jié)點通過導體與大地進行人為連接，使該設備與大地保持等電位的方法，稱為接地。16接地裝置原理圖由于大地電阻率的存在，當有電流流過時，出現(xiàn)電場分布，相對與無窮遠處的零電位點，接地體處有電位升高。需要降低接地電阻值。接地體有人工和天然的兩類：人工是指專門為接地而設置的；自然的是指用于別的目的，也可兼做接地。179.5.2接地的分類1）工作接地工作接地電阻一般為0.5－10

2）保護接地

為保障人身安全而將設備外殼接地。要求接觸電位差和跨步電位差<通常保護電阻約為1－103）防雷接地目的是減小雷電流通過接地裝置時的地電位升高。

火花效應：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：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)：189.5.3工程實用的接地裝置一、典型接地體的接地電阻

jn為電流密度（A/m2）；

En為電場強度（V/m）；

ρ為土壤電阻率（Ω·m）；

ε為土壤的介電常數(shù)（F/m）；

C為接地體對無窮遠處的電容（F）

19(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，總電阻為：η稱為接地體的利用系數(shù)。由于屏蔽效應，η＜1。接地體間距離a與接地體長度l的比值越小，η就越小，一般η＝0.650.8。20（二）水平接地體L為接地體的總長度（m）；h為接地體埋設深度（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算，還需要利用沖擊系數(shù)

21（三）伸長接地體為了減小接地電阻，用很長的接地體。通常稱這種接地體為伸長接地體。由于雷電流的等值頻率很高，接地體的自身電感會有很大影響，此時接地體表現(xiàn)出具有分布參數(shù)的傳輸線