第六章 雷电及防雷设备

3、地面落雷密度，γ——每个雷暴日每平方公里地面上的平均落 雷次数。和Td成正比。
电力系统中需要安装直接雷击防护装置，广泛采用的即为避雷针和 避雷线（又称架空地线）。
避雷针适宜用于变电所、发电场这样相对集中的保护对象；避雷线 适宜用于象架空线路那样伸展很广的保护对象。
保护原理：避雷针（线）一般均高于被保护对象，当雷云放电接近 地面时它使地面电场发生畸变，在其顶端形成局部电场强度集中的 空间，因此，它们的迎面先导往往开始得最早，发展得最快，最先 影响雷电下行先导的发展方向，使之击向避雷针（线），并顺利泄 入地下，使处于它们周围的较低物体受到屏蔽保护、免遭雷击。
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雷电是大自然中的一种放电现象。从积极的方面来看： 1、雷电可将无机物合成11种氨 基酸，这些物质的出现，是生 命起源的基础，从生命起源学 说认为，是雷电孕育了地球上 的生命；
2、雷电不断补充电离层放电失 去的电荷，保持电离层总电荷量 大体平衡，使这层生命的保护屏 障得以保存，使地球上的生命不 致被宇宙射线灭绝。
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接地是指将地面上的金属或电气回路中的某一节点通过导体与大地 保持等电位。 避雷装置由接地装置和接地引下线组成。
接地装置的作用是减小接地电阻，以降低雷电流通过避雷针（线） 或避雷器上的过电压。 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：用来将雷电流顺利泻入大地，以减小引起的过电压 （1~30Ω）
避雷器按其发展历史和保护性能可分为：保护间隙，管式（排气式） 避雷器，普通阀式避雷器，磁吹避雷器，金属氧化物避雷器等类型。
一、保护间隙 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。 缺点： 1）伏秒特性很陡； 2）没有专门的灭弧装置 3）产生大幅值的截波。
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。
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三、阀式避雷器 1、普通阀式避雷器
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。 一切阀片的伏按特性都可以用下式表示：
Z T F R 磁套 FV
雷电放电可能发生在雷云之间、雷云与地面之间、同一雷云内部
雷电的成因仍为摩擦生电及云块切割磁力线，把不同电荷进一 步分离。由此可见，雷电的成因或者说主要能源来自于大气的运动， 没有这些运动，是不会有雷电的。这也说明了为什么雷电总伴随着 狂风骤雨而出现。 发生在雷云与地面之间的雷电放电是造成雷害的主要因素。
P
30 h

5.5 h
当h ≥30m时， P=120
2、两支等高避雷针：保护范围不是两个避雷针的保护范围的简单 相加，在两针外侧的保护范围按单支避雷针的计算方法确定，两针 间的保护范围按通过两针定点及保护范围上部边缘最低点O的圆弧 确定。
二、避雷线的保护范围 避雷线的保护宽度和保护范围比避雷针要小 单根避雷线
雷电放电所产生的雷电流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，我们得注意两个方面
一、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
二、雷电放电所产生的巨大电流，有可能使被击物体炸毁、燃 烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损坏 本课程中将着重探讨的是前一类问题。
二、排气式避雷器（管式避雷器） 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： 1）续流太小时不能灭弧，太大时产气过多，使管子爆裂维护较麻烦 2）伏秒特性和产生截波方 面与保护间隙相似
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。
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5、威尔逊假说：地球本身就是一个巨大的电容器。大地带负电荷，而地球上空 存在一个带正电的电离层，这两者之间便形成一个已充电的电容器，它们之间的 电压为300KV左右，并且场强为上正下负。当地面含水蒸气的空气受到炽热的地 面烘烤受热而上升，或者较温暖的潮湿空气与冷空气相遇而被垫高都会产生向上 的气流。这些含水蒸气的上升时温度逐渐下降形成雨滴、冰雹（称为水成物）， 这些水成物在地球静电场的作用下被极化。负电荷在上，正电荷在下，它们在重 力作用下落下的速度比云滴和冰晶（这二者称为云粒子）要大，因此极化水成物 在下落过程中要与云粒子发生碰撞。碰撞的结果是其中一部分云粒子被水成物所 捕获，增大了水成物的体积，另一部分未被捕获的被反弹回去。而反弹回去的云 粒子带走水成物前端的部分正电荷，使水成物带上负电荷。由于水成物下降的速 度快，而云粒子下降的速度慢，因此带正、负两种电荷的微粒逐渐分离（这叫重 力分离作用），如果遇到上升气流，云粒子不断上升，分离的作用更加明显。最 后形成带正电的云粒子在云的上部，而带负电的水成物在云的下部，或者带负电 的水成物以雨或雹的形式下降到地面。当下面所讲的带电云层一经形成，就形成 雷云空间电场，空间电场的方向和地面与电离层之间的电场方向是一致的，都是 上正下负，因而加强了大气的电场强度，使大气中水成物的极化更厉害，在上升 气流存在在情况下更加剧重力分离作用，使雷云发展得更快。
A. 直击雷： 所谓直击雷，是指雷电直接击在建筑物、构架、树木、动植物 上，因电效应、热效应和机械力效应等造成建筑物等损坏以及人员 伤亡。一般防直击雷是通过外部避雷装置即：接闪器（避雷针、避 雷带、避雷网、避雷线）、引下线、接地装置构成完整的电气通路， 将雷电流泄入大地。然而接闪器、引下线和接地装置的导通只能保 护建筑物本身免受直击雷的损毁，但雷电仍然会透过多种形式及途 径破坏电子设备。 B. 感应雷： 所谓感应雷，是指雷云放电时，在附近导体上产生的静电感应 和电磁感应等现象称之为感应雷击。雷电在雷云之间或雷云对地的 放电时，会在附近的电源线路、信号线路、埋地管道、设备间连接 线和铁路钢轨等等导体上产生静电和电磁感应过电压，使串联在线 路中间或终端的电子设备遭到损害。
当hx≥h/2 rx=0.47(h-hx)P 当hx<h/2 rx=(h-1.53hx)P
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避雷针和避雷线并不能保证100%的屏蔽效果，仍有一定的绕击 率；另外从输电线路上有可能有危及设备绝缘的过电压波传入发电 厂和变电所。所以还需要另一类与被保护绝缘相并联的能限制过电 压波幅值的保护装置，统称为避雷器。
雷电放电实质上是长空气间隙的放电，其特点： 1、雷电放电可自上而下发展——下行雷；可自下而上发展——上行 雷； 2、雷电放电具有重复性； 3、雷云有极性，雷云下部的电荷决定了雷云的极性。会引起破坏 作用的雷云对敌放电的绝大多数（80%以上）是负极性的。
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一、雷电放电的计算模型 雷电通道具有分布参数的特征， 其波阻抗Z0，
iz i
Z 0 Z Z0 i Z0 Z
从实际效果看，累计物体的过程 可以看成是一个数值为雷电流一 般的电流伯颜政一条波阻抗为Z0 的通道向被击物体传播的过程。
二、雷电参数 1、雷电流的幅值、波头、陡度及波长 波前时间
半峰值时间 雷电流随时间上升的变化 率，由幅值和波头决定
4、波形
2、雷暴日和雷暴小时——表征不同地区雷电活动频繁程度 雷暴日（Td） ：某地区一年中有雷电放电的天数。以听到一次及以 上雷声为一个雷暴日。 雷暴小时（Th） ：某地区一个小时内听到一次及以上雷声为一个雷 暴小时。一个雷暴日折算为三个雷暴小时。
几个评价阀式避雷器性能的技术指标 阀式避雷器的特性参数 1、额定电压 2、灭弧电压——指该避雷器尚能可靠熄灭续流电弧时的最大工作 电压。 3、冲击放电电压——指的是在标准雷电冲击波下的放电电压的上 限。 4、工频放电电压 5、残压——指冲击电流通过避雷器时，在工作电阻上产生的电压 峰值。 1、阀式避雷器的保护水平——它表示该避雷器上可能出现的最大 冲击电压的峰值。 2、阀式避雷器的冲击系数——它等于避雷器冲击放电电压与工频 放电电压幅值之比。一般希望它接近于1，这样避雷器的伏秒特 性比较平坦，利于绝缘配合。 3、切断比——它等于避雷器工频放电电压的下限与灭弧电压之比。 切断比接近于1，说明该火花间隙的灭弧性能越好、灭弧能力越强。
2、温差起电理论：一般情况下，如果一块物体冷热不均，则热端 带负电，冷端带正电。云中的冰晶、水滴、冰雹等，因接触、碰并、 破碎、摩擦等作用，使得冰晶带正电，水滴、冰雹等带负电。冰晶 的密度小于水滴，小而轻，漂浮在云的上部，因此云的上部通常带 正电。 3、感应起电理论：在晴天电场的作用下，云滴被极化，使它们下 半部带正电，上半部带负电，通过云内的运动，产生上正下负两个 主要的电荷中心，两个中心建立后，方向向下的电场得以加强，便 会产生一个正反馈机制。 4、切割磁力线理论：北半球的云在大陆架上一般自西向东移动， 而地球的磁力线则是由南极指向北极根据右手定则判断，正电荷向 上移动，负电荷向下运动。
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一、避雷针的保护范围 1、单支避雷线：保护范围是一个以其本体为轴线的曲线圆锥体 当 hx≥h/2
rx ( h hx ) p ha p
当 hx≤h/2
rx ( 1.5h 2hx ) p
h—避雷器的高度 P—高度修正系数 当h ≤30m时， P=1 30m<h ≤120m,
6、摩擦起电：雷电的出现是与气流、风速密切相关的，而且与地 球磁场也有一定的联系。雷雨云内部的不停运动和相互磨擦而使雷 雨云产生大量的正、负电荷的小微粒，即所谓的摩擦生电。这样， 庞大的雷雨云就相当于一块带有大量正、负电荷的云块，而这些正、 负电荷不断地产生，同时也在不断地的复合，当这些云块在水平方 向向东或向西迅速移动时（最大风速可达40m/s），它与地球磁场 磁力线产生切割，这就好像导体切割磁力线产生电流一样，云中的 正、负电荷将产生定向移动，其移动的方向可按右手定则来判断。 若云块是由西向东移动，而地磁场磁力线则是由地球南极指向地球 的北极，因此大量的正电荷向上移动，负电荷向下移动，这样云的 下部将积聚越来越多的负电，而云的上部积聚大量的正电，当电场 强度达到足够高（25～30KV/cm）时将引起雷云间的强烈放电，或 是雷云中的内部放电，或是雷云对地放电，即所谓的雷电。
u=Ciα 式中：C—常数，等于流过1A电 流时的压降，其值取决于阀片的 材料及尺寸； α —非线性指数，其值与阀片的 材料与工艺过程有关。 2、磁吹型阀式避雷器（磁吹避雷器） 采用了灭弧能力较强的磁吹火花间隙和通流能力较大的高温阀片 旋弧型磁吹避雷器；灭弧栅型磁吹避雷器
I
Ri
阀片的作用：限制工频续流，保证火花间隙可靠熄弧。
4、保护比——它等于避雷器的残压与灭弧电压之比。保护比越小， 表明残压低或灭弧电压高，意味着绝缘上受到的过电压小，而工频 续流又能很快被切断，因而该避雷器的保护性能越好。
三、（氧化锌避雷器）金属氧化物避雷器(MOA) 与传统的有串联间隙的SiC避雷器比较，无间隙ZnO避雷器具有以 下优点： 1、由于省去了串联火花间隙，所以结构大大简化、体积也可缩小 很多。 2、保护性能优越：由于ZnO阀片具有优异的非线性伏安特性，进一 步降低其保护水平和被保护设备绝缘水平的潜力很大。 3、无续流、动作负载轻、能重复动作实施保护。 4、通流容量大，能制成重载避雷器。 5、耐污性能好。
雷云的形成 不管是直击雷还是感应雷都与带电的云层存在分不开，带电的 云层称为雷云。有关雷云形成的假说很多，包括感应起电、对流起 电、温差起电、水滴分裂起电、融化起电、冻结起电等，但至今尚 未有一种被公认为无懈可击的完整学说。 1、水滴分裂起电理论： 水滴在气流的剧烈运动中 分裂成带负电的较大颗粒 和带正电的较小颗粒，后 者被上升气流带到高空。 云底带少量的正电：地面 的感应或地面的尖端物体 带的正电荷被强烈的上升 气流带入云底。
最常见的一些接地体的工频接地电阻计算公式如下：
Re ຫໍສະໝຸດ BaiduRi
Ue Ie Ui Ii
1. 单根垂直接地体 当l
d
时
Re

2 l
ln
8l 1 d
2. 多根垂直接地体
R' e
Re n
R i Re
3. 水平接地体
Re

2 L
(ln
L2 A) hd
4.伸长接地体：在土壤电阻率较高的岩石地区，需要加 大接地体的尺寸。只在40m~60m范围内有效。