《高电压工程基础》第9章 雷电及防雷装置

➢ 避雷器的技术要求
（1）过电压作用时，避雷器先于被保护电力设备放电，当然这要由两者 的全伏秒特性的配合来保证； （2）避雷器应具有一定的熄弧能力，以便可靠地切断在第一次过零时的 工频续流。
➢ 避雷器的种类
保护间隙，管式避雷器，阀式避雷器（包括金属氧化物避雷器）
一、保护间隙
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保护间隙常用双羊角状间隙， 取其有电弧上吹特性，我国常用于3 ~ 10kV电网中。保护间隙有一定的 限制过电压效果，但不能避免供电 中断。
➢ 雷电通道波阻抗
雷电通道如同一个导体，雷电流在导体中流动，对电流波呈现一定 的阻抗，该阻抗叫做雷电通道波阻抗 （规程建议取 300 ~ 400Ω）。
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➢ 雷电流的极性
国内外实测结果表明，负极性雷占绝大多数，约占 75 ~ 90 %。
➢ 雷电流幅值
雷电流：雷击具有一定参数的物体时，若被击物阻抗为零，流过被击物 的电流规程规定，雷电流是指雷击于的低接地电阻物体时，流过该物体 的电流。
➢ 雷电流的波形
标准波形
斜角平顶波
半余弦波
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9.3 避雷针和避雷线
➢ 避雷针（线）的保护原理
当雷云的先导向下发展，高出地面的避雷针（线）顶端形成局部电 场强度集中的空间，以至有可能影响下行先导的发展方向，使其仅对避 雷针（线）放电，从而使得避雷针（线）附近的物体免遭雷击。
➢ 对避雷针（线）的要求
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➢ 金属氧化物避雷器（MOA）
金属氧化物主要成份是氧化锌，有时也称为氧化锌避雷 器。金属氧化物避雷器有一系列优点： ①非线性系数α值很小。在额定电压作用下，通过的电流极 小，因此可以做成无间隙避雷器。 ②保护性能好。它不需间隙动作，电压一旦升高，即可迅 速吸收过电压能量，抑制过电压的发展；有良好的陡度响 应特性；性能稳定。 ③金属氧化物避雷器基本无续流，动作负载轻，耐重复动 作能力强。 ④通流容量大。避雷器容易吸收能量，没有串联间隙的制 约，仅与阀片本身的强度有关。同碳化硅（SiC）阀片比较， 氧化物阀片单位面积的通流能力大 4 ~ 4.5 倍。 ⑤结构简单，尺寸小，易于大批量生产，造价低。 ⑥适用于多种特殊需要。
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第9章 雷电及防雷装置
9.1 雷电放电的发展过程 9.2 雷电参数 9.3 避雷针和避雷线 9.4 避雷器 9.5 防雷接地
9.1 雷电放电的发展过程
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先导：不连续性（分级先导），历时约 0.005 ~ 0.010 s。每一级 先导发展速度相当高，但每发展到一定长度（平均约 50m）就有 一个 10 ~ 100 μs 的间隔。发展速度约为光速的 1/1000 。
h0 bx
hD 1.5(h0
/7hpxh)
双根不等高避雷针保护范围 单根避雷线保护范围
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两平行避雷线保护范围 避雷线保护角
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9.4 避雷器
➢ 避雷器的保护原理
当雷电入侵波或操作波超过某一电压值后，避雷器将优先于与其并 联的被保护电力设备放电，从而限制了过电压，使与其并联的电力设备 得到保护。
➢ 雷电活动强度——雷暴日及雷暴小时
雷暴日：每年中有雷电的天数。 雷暴小时：每年中有雷电的小时数。 年平均雷暴日不超过 15 的地区为少雷区；超过 40 的为多雷区；超
过 90 的地区及根据运行经验雷害特别严重的地区为强雷区。
➢ 落雷密度
地面落雷密度γ ：每一个雷暴日、每平方公里对地面落雷次数 。 电力行业标准DL/T620-1997建议取 γ = 0.07次／平方公里. 雷电日。
优点：结构简单、价廉。
缺点：保护效果差，与被保护设备的伏秒特性不易配合； 动作后产生的截波，对变压器匝间绝缘有很大的威胁。因此 它往往与其它防护措施配合使用。
二、管型避雷器
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外间隙
1—产气管；2—胶木管套； 3—棒电极；4—环形电极； 5—贮气室；6—动作指示器
内间隙
管式避雷器不但有一个切断电流的下限，而且还有一个 切断电流的上限。其安装点最大与最小短路电流要分别小于 和大于管式避雷器的上、下限。
9.5 防雷接地
接地：就是把设备与电位参照点的地球作电气上的连接， 使其对地保持一个低的电位差。
办法：在大地表面土层中埋设金属电极，这种埋入地中 并直接与大地接触的金属导体，叫做接地体，有时也称 为接地装置。
①工作接地：为了运行的需要，将电网某一点接地，其 目的是为了稳定对地电位与继电保护上的需要。 ②保护接地：为了保护人身安全，防止因电气设备绝缘 劣化，外壳可能带电而危及工作人员安全。 ③防雷接地：导泄雷电流，消除过电压对设备的危害。 ④静电接地：在可燃物场所的金属物体接地。
多个问隙串联电压分布 不均匀，使避雷器灭弧 能力降低。可使用并联 电阻使电压分布均匀。
阀片的伏安特性
a. 当电流增大时，阀片呈现 低阻值，使避雷器上电压降 低，增加了避雷器的保护效 果。b. 希望在工频电压升高 后流过间隙阀片的续流不超 过规定值，此时阀片呈现的 电阻要有足够的数值。
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主放电：时间 50 ~ 100 μs， 移动速度为光速的 1/20 ~ 1/2； 主放电时电流可达数千安， 最大可达200 ~ 300kA。
余辉：雷云中剩下的电荷继 续沿主放电通道下移，称为 余辉放电阶段。余辉放电电 流仅数百安，但持续的时间 可达 0.03 ~ 0.15 s。
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9.2 雷电参数
灭弧电压：对于有间隙避雷器，续流第一次经过零值保证 不重燃的条件下，允许作用在避雷器上的最高工频电压。
切断比：避雷器间隙的工频放电电压（下限）与续流过零 后间隙所能承受的最大工频电压（灭弧电压）之比，其值 越小越好。
残压：流过避雷器的冲击电流一定幅值（普通阀式避雷器 为 5kA），一定波形（8/20 μs），在阀片电阻上产生的最 大压降。
保护比：残压与灭弧电压之比，保护比的值越小越好。
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➢ 磁吹阀式避雷器
提高避雷器切断工频续流值的方法之一是“磁吹”，即 利用磁场电弧的电动力作用，使电弧拉长或旋转，以提高间 隙灭弧能力。
1—电极；2—灭弧盒； 3—分路电阻；4—灭弧栅； 5—主间隙；6—磁吹线圈； 7—辅助间隙
间隙由一对角形电极 1 组成， 磁场是轴向的，续流电弧被轴向 磁场力拉长，吹入灭弧栅 4，电 弧最终长度可达起始长度的数十 倍，灭弧盒2 用陶瓷或云母、玻 璃等材料制成，电弧在灭弧栅中 受到强烈的去游离作用，因而电 弧电阻很大，能起到限制续流的 作用，故称为限流间隙，它可切 断 450A 左右的续流。
管式避雷器伏秒特性陡，放电分散性大，动作产生截波， 放电特性受大气条件影响，故它主要用作保护线路弱绝缘， 以及电站的进线保护段。
三、阀压，间隙动作，冲击电流经阀 片流入大地；之后，阀片仅受到工频电压作用，由于非线性 关系，阀片电阻值增高，使流过的工频续流受到限制，并在 第一次过零瞬间，由间隙将此续流切断。
注意：避雷器从间隙击穿到工频续流被切断不超过半个周波， 因此电网在整个过程均保持正常供电。
➢ 普通阀式避雷器（火花间隙、非线性电阻）
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单个火花间隙的结构
a.保证间隙中 的电场为均匀 电场，伏秒特 性平缓；b.电 晕可缩短间隙 放电时间
u Cki
多个短间隙串联易 于切断工频续流。 （复合与散热）
一般地区：
lg p
I
44
少雷区： lg p I 88
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➢ 雷电流的波头、陡度及波长
波头： 1 ~ 5 μs 范围内变化，多为 2.5 ~ 2.6 μs，规程规定取2.6 μs；
波长： 20 ~ 100 μs ，多数为 50 μs 左右。为简化计算，视为无限长；
陡度：陡度 α 与幅值 I 有线性的关系，即幅值愈大，陡度也愈大。一般 认为陡度超过 50 kA/μs 的雷电流出现的概率已经很小（约为0.04）。
（1）为了使雷电流顺利地泄入大地，故要求避雷针（线）应有良好的接 地装置。 （2）被保护设备全面位于避雷针（线）的保护范围内。但为了防止与被 保护物之间的间隙击穿（也称为反击），它们之间应保持一定的距离。
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单根避雷针保护范围
双根等高避雷针保护范围
当 hx h / 2 时：rx (h hx ) ph 当 hx h / 2时：rx (1.5h 2hx ) ph