电力系统大气过电压及保护

避雷线保护范围
5.2 防雷保护装置
二、避雷器
➢避雷器的作用是限制过电压。 ➢避雷器的类型主要有保护间隙、管型避雷器、 阀型避雷器和氧化锌避雷器。
➢ 对避雷器的基本技术要求
❖ 绝缘强度的合理配合：过电压作用时，避雷器先于 被保护电力设备放电，需要两者的伏秒特性配合。
❖ 绝缘强度的自恢复能力：应具有一定的熄弧能力， 以便可靠切断过零时的工频续流。
➢ 输电线路年平均遭受雷击的次数
N10 h100T
1000
单位：次/100公里•年
5.1 雷电放电过程及雷电参数
3、雷电通道的波阻抗 雷电通道长度数千米，半径仅为数厘米，类似
于一条分布参数线路，具有某一等值波阻抗，称为 雷道波阻抗。
主放电过程可看作是一个电流波沿着波阻抗为Z0的 雷道投射到雷击点的波过程。
5.3 输电线路的防雷保护
一、输电线路耐雷性能的若干指标 二、输电线路的感应雷过电压 三、输电线路直击雷过电压
5.3 输电线路的防雷保护
一、输电线路耐雷性能的若干指标
➢输电线路的耐雷性能和所采用防雷措施效果在工程 上用耐雷水平和雷击跳闸率来衡量。
每100km线路的年落雷次数N
N10h100T
1000
5.2 防雷保护装置
一、避雷针和避雷线 二、避雷器 三、防雷接地
5.2 防雷保护装置
现代电力系统中实际采用的防雷保护装置主要有：避雷针、 避雷线、保护间隙、各种避雷器、防雷接地、电抗线圈、 电容器组、消弧线圈、自动重合闸等等。
5.2 防雷保护装置
一、避雷针和避雷线
➢避雷针
保护原理：当雷云放电时使地面电场畸变， 在避雷针顶端形成局部场强集中的空间以影 响雷电先导放电的发展方向，使雷电对避雷 针放电，再经过接地装置将雷电流引入大地 从而使被保护物体免遭雷击。
5.2 防雷保护装置
2. 阀型避雷器
变电所的防雷保护主要依靠 阀式避雷器，它在电力系统过电 压保护和绝缘配合中都起着重要 的作用，它的保护特性是选择高 电压电力设备绝缘水平的基础。
结构：主要由火花间隙及与之串联的 非线性电阻（阀片）两大部分组成。
5.2 防雷保护装置
火花间隙： 结构特点； 电压分布（并联电阻）； 作用
2、接地电阻
接地电阻Re等于从接地体到地下远处零位面之间的电压 Ue与流过的工频或直流电流Ie之比。
冲击接地电阻，工频或直流下的接地电阻，二者之比称 为冲击系数。
5.2 防雷保护装置
保护接地：
接触电压：站立点与接地设备之 间的电压（1.8m高， 0.8m水平 距离）； 跨步电压：人的两脚之间的电位 差（0.8m水平距离 ）。 流过人体电流危险值（10mA）
➢ 防雷接地装置可以是单独的，也可以与变电所、发电 厂的总接地网连成一体。
主要内容
5.1 雷电放电过程及雷电参数 5.2 防雷保护装置
5.3 输电线路的防雷保护
5.4 发电厂和变电所的防雷保护 5.5 变压器的防雷保护
5.3 输电线路的防雷保护
电力系统的防雷保护包括了线路、变电所、发电 厂等各个环节。
雷电放电实质上是一种超长气隙的火花放电， 它所产生的雷电流高达数十、甚至数百千安， 从而会引起巨大的电磁效应、机械效应和热效 应。
从电力工程的角度来看，最值得我们注意的两个方面是： ➢ 雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压，它是造成 电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一； ➢ 产生巨大电流，使被击物体炸毁、燃烧、使导体熔断或通 过电动力引起机械损坏。
雷电是自然中最宏伟壮观的现象也 是最普遍的现象之一，它对人类的 生活环境、工作条件等都造成了很 大的影响，因此对雷电的研究和防 护意义重大。
早在18世纪初，富兰克林等物理学 家已经揭示了闪电就是电的本质， 随着物理学的进一步发展，人们对 雷电这一自然现象有了更深刻的认 识。
5.1 雷电放电过程及雷电参数
5.1 雷电放电过程及雷电参数
一、雷电放电的过程 二、雷电参数 三、雷击时计算雷电流的等值电路
5.1 雷电放电过程及雷电参数
一、雷电放电的过程
水滴分裂起电理论：大水滴分裂成水珠和细微的水沫，出现 电荷分离现象，大水珠带正电，小水沫带负电，细微水沫被 上升气流带往高空，形成大片带负电的雷云。
雷云中的 电荷分布
一般地区，雷电流幅值超过的概率可按下式计算
6、雷电流的波前时间、陡度及波长 ➢雷电流的波前时间T1处于1～4us的范围内，平均为 2.6us。波长T2处于20～100us的范围内，多数为40us左 右。 ➢我国防雷设计采用2.6/40us的波形；在绝缘的冲击高 压试验中，标准雷电冲击电压的波形定为1.2/50us。
5.2 防雷保护装置
1. 保护间隙与管型避雷器
保护间隙与被保护绝缘并联，它 的击穿电压比后者低，使过电压 波被限制到保护间隙的击穿电压。
缺点： ▪伏秒特性陡； ▪保护间隙没有专门的灭弧装置； ▪产生截波，不能保护有绕组设备。 应用范围：仅用于不重要和单相接地不会导致严重后果的场合。
5.2 防雷保护装置
1. 保护间隙与管型避雷器
管型避雷器实质上是一只具有较强灭弧能力的保护间 隙，其基本元件为装在消弧管内的火花间隙，在安装 时再串接一只外火花间隙。
缺点： ▪工频续流太小时不能灭弧，太大时产气过多，使管子爆裂； ▪伏秒特性和产生截波方面与保护间隙相似，维护较麻烦；
应用范围：仅安装在输电线路上绝缘比较薄弱的地方和用于变 电所、发电厂的进线段保护中。
5.2 防雷保护装置
二、避雷器
➢ 避雷器的相关参数和术语
❖残压：雷电流流过避雷器产生的电压峰值。我国 规定流过避雷器的雷电流大小为5kA（330kV及 以上为10kA）的残压作为设计依据。
❖工频续流：过电压消失后，由工作电压产生的工 频电弧电流；
❖ 通流容量：避雷器耐受通过电流的能力； ❖ 起始动作电压； ❖ 额定电压。
➢ 由于不同年份的雷电日数变化很大，所以均采用多 年平均值——年平均雷电日
5.1 雷电放电过程及雷电参数
➢ 雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、
地形地貌有关T
5.1 雷电放电过程及雷电参数
2、地面落雷密度和输电线路落雷次数 ➢地面落雷密度γ指每个雷电日每平方公里的地面 上的平均落雷次数（单位：次/平方公里•雷电日） 我国标准对Td=40的地区，取
5.2 防雷保护装置
特点：
无火花间隙，结构非常简单； 伏安特性平坦，保护性能好；（α ：0.01～0.04） 无续流，作动作负载轻，重复动作能力强； 通流容量大； 耐污性能好
5.2 防雷保护装置
三、防雷接地
1. 接地
电工中“地”是指地中不受入地电流的影响而保持着零电位的土 地。电气设备导电部分和非导电部分与大地的人为连接称为接地。
我国有关规程建议取300～400Ω。
5.1 雷电放电过程及雷电参数
4、雷电的极性
负极性雷击均占75～90%，对设备绝缘危害较大， 防雷计算中一般均按负极性考虑。
5、雷电流的幅值 通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻(≤30Ω)的
物体时流过雷击点的电流。它近似等于电流入射波I0 的两倍，即
5.1 雷电放电过程及雷电参数
5.2 防雷保护装置
防雷接地
❖ 当雷电流流过接地装置时，接地体和土壤所呈现的响 应不同于工频响应，即冲击接地电阻一般不等于工频 接地电阻；
❖ 火花效应和电感效应。
αi的值一般小于1，但在接地体很长时也有可能大于1。
5.2 防雷保护装置
3、接地装置
❖ 垂直接地体
Re
2l
(l
n8l d
1)
❖ 水平接地体
[次/(100km.年)]
γ — 地面落雷密度； h — 避雷线的平均对地高度； T —雷暴日数
5.3 输电线路的防雷保护
（1）耐雷水平 耐雷水平是指雷击线路时，其绝缘尚不至于发生闪络的
最大雷电流幅值，单位为kA。 我国标准规定各级电压线路应有的耐雷水平值见下表：
5.3 输电线路的防雷保护
（2）雷击跳闸率 雷击跳闸率是指折算为统一条件（规定每年40个雷电 日和100km的线路长度）下，因雷击而引起的线路跳 闸的次数。单位为“次/(100km·40雷暴日)”。
隔离工作电压，避免电阻阀片长期流过电流； 伏秒特性平坦，易与被保护设备伏秒特性配合； 工频续流电弧被分割成许多短弧，是电弧容易熄灭。
电阻阀片：
阀片电阻的伏安特性 u=Ciα ；（α ：非线性系数）
作用 避免出现对绝缘不利的截波； 限制工频续流以利于熄弧； 限制作用于被保护设备上的冲击电压。
Re
2l
l2 (ln
A)
hd
❖ 接地网
Hale Waihona Puke BaiduRe
(
B 1 ) S Lnl
小结
➢ 电力系统中广泛采用避雷针和避雷线作为直接雷击
防护装置。
➢ 保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压比后者 低，使过电压波被限制到保护间隙F的击穿电压Ub。
➢ ZnO具有一系列优点，是避雷器发展的主要方向，正逐 步取代普通阀式避雷器和磁吹避雷器。
第二篇 电力系统过电压及其防护
第五章 电力系统大气过电压及保护
主要内容
5.1 雷电放电过程及雷电参数
5.2 防雷保护装置 5.3 输电线路的防雷保护 5.4 发电厂和变电所的防雷保护 5.5 变压器的防雷保护 5.6 旋转电机的防雷保护
5.1 雷电放电过程及雷电参数
5.1 雷电放电过程及雷电参数
5.2 防雷保护装置
特点： 对工作电阻（阀片）的首位要求是它应具有良好 的非线性伏安特性，即在冲击大电流下，阻值应 很小，让冲击电流顺利泄入地下，且残压不高； 在工频电流下，阻值要变大，以利于灭弧。
5.2 防雷保护装置
3. 金属氧化物避雷器（MOA） 氧化锌(ZnO)，具有极其优异的非线性特性。
iL vL
5.1 雷电放电过程及雷电参数
iZ
vL
Z0 Z0 Zj
❖流经物体的电流波与被击 物体的波阻抗有关
❖当Zj=0时，流经被击物体
的电流定义为雷电流
iL vL
5.1 雷电放电过程及雷电参数
iZ
iL
Z0 Z0 Zj
主要内容
5.1 雷电放电过程及雷电参数
5.2 防雷保护装置
5.3 输电线路的防雷保护 5.4 发电厂和变电所的防雷保护 5.5 变压器的防雷保护
电力系统的接地分为三类：
工作接地：根据系统正常运行要求设置（0.5-10Ω） 保护接地：为保障人身安全而将电气设备金属外壳等接地，它 在故障条件下才发挥作用（1-10Ω） 防雷接地：将雷电流顺利泻入大地，减小过电压（1-30Ω）。
特点： a.雷电流幅值大； b.雷电流变化快，等值频率高
5.2 防雷保护装置
❖ 绕击率：雷电绕过避雷装置而击于被保护物体的现象，
规程推荐的保护范围是对应0.1%绕击率而言；
❖ 避雷针保护第一要对直击雷屏蔽，第二要防止反击。
5.2 防雷保护装置
避雷线
❖作用原理同避雷针，主要用于输电线路的保护， 也可用于保护发电厂和变电所；
❖保护范围的长度与线路等长，而且两端还有其保 护的半个圆锥体空间；
➢ 避雷针保护范围
rx(hhx)P (hxh 2)
rx(1.5h2hx)P (hxh 2)
h≤ 30m， P＝1 30m <h≤ 120m，P 5 .5
h
h – 避雷针高度 P – 高度修正系数 hx - 被保护物的高度 rx - 保护范围
避雷针保护范围
5.2 防雷保护装置
❖ 保护范围：由模拟试验确定，不能认为在保护范围内 的物体就完全不受雷直击，在保护范围外的物体就完 全不受保护；
5.1 雷电放电过程及雷电参数
➢ 雷电流波前的平均陡度为
(kA/us)
7、雷电流的计算波形 在防雷计算中，按不同要求采用不同的计算波形
1、双指数波
5.1 雷电放电过程及雷电参数
2、斜角波
3、斜角平顶波
5.1 雷电放电过程及雷电参数
半余弦波
5.1 雷电放电过程及雷电参数
三、雷击时计算雷电流的等值电路
❖在架空输电线路上多采用保护角α来表示避雷线 的保护程度；
❖保护角：避雷线的铅垂线与避雷线和边导线连线 的夹角，α越小，雷击导线的概率越小，对导线 的屏蔽保护越可靠。
避雷线保护范围
rx0.47(hhx)P (hxh 2) rx(h1.53hx)P (hxh 2)
因此单根避雷线的保护 半径要比单根避雷针的保 护半径小。
5.1 雷电放电过程及雷电参数
雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的火花放电
5.1 雷电放电过程及雷电参数
二、雷电参数
1、雷暴日及雷暴小时
➢ 为评价某地区雷电活动的强度，常用该地区多年统 计所得到的平均出现雷暴日或雷暴小时来估计的
➢ 在一天内或一小时内只要听到雷声就作为一个雷电 日Td或一个雷电小时Th