第四章过电压防护

线路避雷器
4、基本类型 ①保护间隙（用于保护10KV及以下不太重 要的配电线路） ②管型避雷器（变电站进线段保护的辅助 手段，保护小容量重要性不大的变电所 及个别薄弱绝缘线段） ③阀型避雷器（基本淘汰） ④氧化锌避雷器（MOA，性能最优越）
（一） 保护间隙和管型避雷器 1、保护间隙（一种最原始、最 简单的避雷器） 优点：结构简单，价格低廉。 缺点：（1）伏秒曲线太陡，难 以和被保护设备实现合理的 绝缘配合。（2）灭弧能力 差，影响供电可靠性（3） 动作后会产生截波，对变压 器的纵绝缘不利。 2、管型避雷器(排气式避雷器) 实际上是一个具有较高灭弧能 力的保护间隙。
第四章 过电压防护
电 力 系 统 过 电 压
直击雷 外部过电压感应雷过电压 侵入波 空载长线路末端电压升 高 的电压升高 工频过电压不对称短路时正常相上 甩负荷过电压 切空线 内部过电压操作过电压合空线过电压 切空变 电弧接地过电压(属于 故障操作) 线性 谐振过电压铁磁谐振过电压 参数



(2)避雷线也称架空地线，其保护原理与避雷 针类似。 通常用于输电线路的直击雷保护。另外，在 线路（靠近变电所区段）可能受到直接雷危害时， 可以限制沿线路侵入变电所的雷电冲击波幅值及 陡度; (3)沿建筑物屋顶四周易受雷击部位敷设的作 为防雷保护用的金属带作为接闪器、沿外墙作引 下线和接地网相连的装置称为避雷带。 多用在民用建筑特别是山区。由于雷击选择性 较强（可能从侧面横向发展对建筑物放电），故 使用避雷带（网）的保护性能比避雷针的要好;
10kA
图6—22 ZnO避雷器的伏安特性
2．MOA的工作原理： 在工作电压下，流经ZnO阀片的电流远小于1mA(主 要成分为电容电流)，相当于绝缘体，不会使阀片 烧坏，所以可以不用串联间隙来隔离工作电压。 当作用在ZnO阀片上的电压超过某一值（起始动作 电压U1mA）时，将发生“导通”，“导通”后ZnO 阀片的电阻很小，残压与流过它的电流大小基本 无关。 当作用的电压降到动作电压以下时，ZnO阀片“导 通“终止，又相当于绝缘体，因此不存在工频续 流。 这就是MOA可以做到无间隙而又无续流的原因。
4-3
一、接闪器
防雷装置
(一)概述 避雷针、避雷线、避雷带及避雷网都是经常采用 的防护直击雷装臵。一套完整的防雷装臵包括 接闪器、引下线和接地装臵。上述针、线、网、 带实际上都是接闪器。避雷针主要用来保护露 天变配电设备及保护建筑物;避雷线主要用来保 护输电线路;避雷带和避雷网主要是用来保护建 筑物。它们都是利用其高出被保护物的突出地 位，把雷电引向自身，然后通过引下线和接地 装臵把雷电流泄入大地，使被保护物免受雷击。
感应过电压的静电分量：在雷电放电的先导阶段（假设
线路感应雷过电压的特点



幅值不高（通常不超过500KV），所以对110KV及以上 线路的绝缘一般不构成威胁; 一般不会引起相间闪络（因为过电压同时存在于三相 导线上） 极性与雷电流相反 指架空线路或其他金属管道遭受雷击（直击雷或感应雷） 时产生的冲击电压波沿其自身迅速向两侧传播的现象。 线路绝缘水平高于电气设备，当侵入波进入变电站， 对电气设备造成破坏。 应该指出，变电站安装避雷针后，遭直击雷德概率很 小。所以，侵入波是变电站的主要雷害。
当hx ≥ h/2 时，rx=0.47(h-hx)p 当hx ＜ h/2 时，rx=(h-1.53hx)p
保护角α：指的是避雷线同外侧导线的连线与垂直线之间的夹角。α越 小，保护效果越好，一般线路的保护角20°~30°。
二、 避雷器
一、避雷器的作用、保护原理、基本要求、基本类型 1、作用： 限制沿线路侵入的雷电波（简称雷电侵入波）幅值的 一种过电压保护装置。 ●同电压等级的线路冲击耐压高于变压器。
三、雷电类型及雷电过电压
(一)雷电的类型 1．直击雷 直击雷是指雷云与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。 2．感应雷 感应雷是指雷电放电过程中，雷云中的电荷及强大的脉冲 电流对周围导体产生静电感应和电磁感应的现象。 3．雷电侵入波 雷电侵入波是指由于架空线路或其他金属管道遭受雷击 （直接雷或感应雷）时产生的冲击电压波沿其自身迅速 向两侧传播的现象。
当hx ＜ 时 rx (1.5h 2hx ) p 式中 h——避雷针的高度，m hx——被保护物高度, m rx——被保护物高度hx水平面上的保护半径, m P——高度影响系数, 当h≤30m时，p=1;
当30m＜h≤120m时， p 30
h
2 1 h 2
线Hale Waihona Puke 避雷线（三）避雷线（又称“架空地线”） 的保护范围 1、保护原理:与避雷针相同 2、保护对象:主要用于输电线路的直 击雷保护。 3、保护范围:为带状区域，通常采用 保护角来α表示。
3、对避雷器的基本要求 ①具有良好的保护特性，便于和被保护设备配合。 在出现过电压时避雷器应及时动作、残压（雷 电流在避雷器上所形成的压降）应尽量减小。 ②具有较强的绝缘自恢复能力，以免造成停电 避雷器应能迅速切断工频续流（由于工作电压 的作用，当冲击过电压消失后，仍然有工频电弧电 流通过避雷器，称之），使系统尽快恢复正常运行， 避免供电中断。 ③不应产生高幅值的截波，以免损坏被保护设备的纵 绝缘（匝间绝缘）。

为负先导），线路处于雷云及先导通道与大地构成的电场之 中，由于静电感应，最靠近先导通道的一段导线上感应形成 束缚电荷，主放电开始以后，先导通道中的电荷自下而上被 迅速中和。相应电场迅速减弱，使导线上的正束缚电荷迅速 释放，形成电压波向两侧传播。称感应过电压的静电分量 感应电压的电磁分量：雷电通道中的雷电流在通道周围 空间建立了剧烈变化的磁场，使导线感应出很高的电压，为 感应电压的电磁分量。 感应过电压的电磁分量比静电分量小得多。一般只考虑静电 分量。
第二节
雷电的一般知识
一、雷云及雷电的形成 学说很多，但水、蒸汽、 强烈气流是形成雷云的 基本条件。
富兰克林：风筝、雷电
(一）看图
（二）雷电的形成过程 （三）关于雷电的描述 （四）雷电的能量和功率
二、雷电放电的形成过程
空气电场强度达到 25~30kV/cm，开始放电
1、先导放电
雷云中电荷密集处的电场强度很高，产生强烈 的空气游离过程，形成指向大地的一段导电通道 （雷电先导）过程。分级发展，每级停30~90μs 速度较慢（约为1/1000光速）
(4)避雷网分为明装避雷网和笼式避雷网两 大类。沿建筑物屋顶上部明装金属网格作为 接闪器，沿外墙装引下线接到接地装置上， 称为明装避雷网。 一般建筑物中常采用这种方法。而把整个 建筑物中的钢筋结构连成一体，构成一个大 型金属网笼，称为笼式避雷网。

1、避雷针的作用原理 (1)作用： 防止被保护设备 遭受直接雷击。 (2)原理： 将雷电吸引到自身上来， 并将其安全导入地中，使附近的建筑和设备免遭直 接雷击。故避雷针实质应称为为“引雷针”。
(二)雷电过电压的产生
1．直击雷过电压
di U iRch L 0 h dt
2．感应雷过电压 25 Ih d Ug S 式中 Ug —雷击大地时，感应过电压的 幅值，kV; I —雷电流幅值，kA; hd —导线悬挂点的平均高度，m; S —地面雷击点距线路的距离，m
防直击雷的措施：避 雷针、避雷线、避雷带、 避雷网
四、金属氧化物避雷器 （MOA） 1．氧化锌非线性电阻 片 以ZnO为主要材料， 掺以其他微量金属氧 化物。 ZnO阀片具有很理想 的非线性伏安特性， 其非线性系数约为 α≈0.015~0.05 。
U 理想避雷器
U
ZnO避雷器 SiC避雷器
线性电阻 I
I I＜1mA
I＞3kA
100A
图6—23 ZnO、SiC和理想避雷器 伏安特性的比较
各种接闪器的具体作用是：

(1)避雷针利用尖端放电的原理: 即当雷云放电时使地面电场畸变，从而在避雷 针的顶端形成局部场强集中的空间以影响雷闪先 导放电的发展方向，使雷云对避雷针放电并将雷 电流泄入地中，以达到保护附近的建筑物和电力 设备免遭雷击的目的。通常，避雷针用于发电厂 和变电站的直击雷保护;
例如：110kV线路：冲击耐压=700kV 110kV变压器：冲击耐压=425kV。 （而同电压等级的变压器冲击耐压高于电机）
●避雷器装设于变电站母线上及线路的终端。
（或者说避雷器应装于被保护设备前面）
2、原理 避雷器实质上是一个“放电器”，它与被保护设备 并联。当过电压超过一定幅值时，避雷器先放电， 从而限制了过电压的幅值，使与之并联的电气设 备得到保护。 ●避雷器放电后，雷电能量通过避雷器的接地装置 散泄到土壤中去。 ●雷电波消失，工频电压作用在冲击闪络通道上， 形成工频续流。 ●工频续流如果持续时间过长，继电保护动作，断 路器跳闸，供电中断。 ●避雷器要对设备起到保护作用，避雷器的冲击放 电电压和残压＜被保护设备的冲击耐压。
（二）阀型避雷器 主要由火花间隙和阀片电 阻组成。 1．阀片电阻 由金刚砂(SiC)加粘合剂(水玻璃 )焙烧制成。阀片电阻是由多 个阀片电阻串联组合体构成。 阀片电阻的伏安特性可表示为 u＝Ciα α—非线性系数，一般在0.2左 右
阀片电阻的作用： 1)阀片电阻的存在——避免出现对绝缘不利的截波 2)阀片电阻的非线性——通过大电流时(雷电流)呈 现低电阻，以限制避雷器的残压，提高了保护性 能;通过小电流时（工频续流）呈现高电阻，以 限制工频续流，提高了灭弧性能。
2、主放电 迎面先导与下行先导相遇， 产生强烈的中和过程。 速度快（1/20~1/2光速）， 持续时间极短（约 50~100μs），电流极大 （约几十到几百KA）， 出现闪电和雷鸣现象。
3、余辉放电 云中残余电荷经主放电 通道流下来的过程。 电流小（约几百安）， 持续时间较长（约 0.03~0.15s） 多重放电 一般雷云存在几个电荷 中心，继而发生多次 的放电（以后的雷电 先导是连续的）。