供配电工程第09章 防雷及过电压保护与接地
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Td值越大，则防雷要求也就越高。 2.雷击大地密度 雷击大地密度是每年每平方公里雷击大地的次数。 可根据雷暴日，按下式估算：
Ng 0.1Td
根据雷击大地密度可以计算出地面建筑物或架空线路遭受的年 预计雷击次数，从而采取相应的防雷措施。
3.雷电流波形和参数 雷电流由一个或多个不同的雷击组成： ➢持续时间小于2ms的短时间雷击（包括首次和首次以后的后 续短时间雷击） ➢持续时间大于2ms的长时间雷击
雷电流波形表示：T1 /T2（μs）
波头陡度定义为雷电流上升 期间雷电流的上升率，即
di / dt
首次短时间雷击的电流波形 取10/350μs；
短时间雷击电流波形
三、雷电波在线路中的传播
雷电波具有波的传播特性，是电流波和电压波伴随而 行的统一体。
雷电波在传播过程中到达线路参数发生突变的节点处，还 会发生折射和反射现象。
E Z1
u2
Z2 C
Hale Waihona Puke Baidu
图 波穿过电容时的折反射
四、雷电作用的形式
（1）直接雷 直接雷是指雷电直接击在架空线路、建筑 物、其他物体或外部防雷装置上产生电效应、 热效应和机械力者。
i0 Z0
A
Ri
由于受直接雷击，被击的架空线路、建筑物、其他物体 或外部防雷装置上会产生很高的电位，从而引起过电压。
A点电压幅值 UA IRi I 2I0
第二节 建筑物防雷
一、概述
雷击大地可能对建筑物及服务设施（如供电线路、通信线 路及其他服务设施）造成危害。 ➢建筑物或与其相连的服务设施遭雷击会因雷电的机械、热力、 化学和爆炸效应造成建筑物（或其内存物）及服务设施的物理 损坏，也会因雷电产生的接触电压和跨步电压导致人身受到伤 害。 ➢不但建筑物或服务设施遭雷击会导致建筑物内部电气和电子 系统故障，而且建筑物或与服务设施附近的雷击也会因雷电流 与这些系统间的阻性耦合及感应耦合产生的过电压造成电气和 电子系统故障。 ➢用户电气装置以及供电线路因雷电过电压发生故障时也会导 致在电气装置中出现操作过电压。
（4）雷击电磁脉冲（LEMP） 雷击电磁脉冲是指雷电流的电磁效应，它包含传导电涌（浪 涌）和辐射脉冲电磁场效应。
电涌——指由雷击电磁脉冲引发表现为过电压和（或）过 电流的瞬态波。
电涌可由雷击入户电源线路或附近地面产生，并经电源线 路本身传输到电气和电子系统；电涌也可由雷击建筑物或附近 地面而产生，通过环路感应或线路耦合的方式传递能量。
（二）雷电波的折射和反射
当雷电波沿传输线传播，遇到波阻抗发生突变的节点 时，都会在该节点上产生折射和反射。
u1f
u2f
A
u1b
Z2< Z1
雷电波的折射和反射
u1 u1f u1b
u2 u2f A点处 u1 u2
原因：由于节点两侧波阻抗的 改变，会使雷电波的电场能量 和磁场能量重新分配，经过节 点的雷电波的电压和电流峰值 也必然发生改变。
1 2
C0u 2
1 2
L0i 2
雷电波的折射和反射特性对防雷设计具有重要影响。
➢线路末端开路时，波阻抗无穷大，波在节点处发生正的全 反射。
末端电压U2=u2f=2E
在反射波所到之处电压提高1倍！
末端开路时波的折反射
➢波经过并联电容后，电压不 能突变。
波从直角波变为指数波。 因此，只要增加C的值，就能把 陡度限制在一定程度。
由于雷电波的等效频率很高，通常采用分布参数电路分析。
分布参数电路： 电流、电压不仅是时间的函 数，还是位置的函数，即：
u=u（x，t），i=i（x，t）
均匀无损的单导线
集中参数电路： 电流、电压只是时间的函数，在一个支路范围内与位置无关。 u=u(t)，i=i(t)
（一）雷电波的传播速度和波阻抗
雷电波在导线中传播时，其波头的行进速度称为雷电 波的传播速度，即
由此可见，雷电的成因源于大气的运动。
视频链接
雷云以带负电荷居多，且有多个负荷中心。
负下行雷通常包括若干次重复的放电过程，而每次可 以分为下列三个阶段： 先导（向下先导、迎面先导）放电－－主放电－－余辉放电
图9-1 雷云对地放电的发展过程和雷电流的波形
二、有关的雷电参数
1.雷暴日 雷暴日是指该地区平均一年内有雷电放电的平均天数。 雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关。 Td <15，少雷区； Td >40，多雷区； Td >90，强雷区
v dx 1 dt L0C0
计算表明，雷电波沿架空线传播的速度与光速（3×108m/s）相 同，而在电缆中传播的速度约为上值的1/2～1/3。
定义波阻抗
Z u L0 i C0
与线路长度和负载性质无关
1 2
C0u 2
1 2
L0i 2
与集中参数电路的欧姆定律不同，波阻抗表征的是沿导线传播的（对地） 电压波和电流波之间的动态比例关系，因为雷电波在传播过程中必须遵循存 在单位长度线路周围媒质中的电场能量和磁场能量一定相等的规律。
第九章 防雷及过电压保护 与接地
第一节 雷电有关知识 第二节 建筑物防雷 第三节 交流电气装置的过电压保护 第四节 电气装置的接地与等电位联结 本章小结
第一节 雷电有关知识
一、雷电放电过程
雷电是雷云之间或雷云对地面放电的一种自然现象。在防 雷工程中，主要关心的是雷云对大地的放电，称对地雷闪。
能产生雷电的带电云层称为雷云。 雷云的形成主要是含水汽的空气的热对流效应。 雷云的形成过程是综合性的。雷云起电机理：水滴破裂效 应，水滴结冰效应、吸收电荷效应等。 带电云层一经形成，就形成雷云空间电场。
（2）雷电感应（感应雷）
雷电感应是指雷电对大地放电 时在附近导体上产生的静电感应和
Ui
25
Ihc S
电磁感应，它可能使建筑物金属部
件之间产生火花放电，也可能导致
电力线路的绝缘闪络或损坏。
I0
I 2
Ui
（3）雷电波侵入 雷电侵波入是指由于雷电对架 空线路或金属管道的作用（如直接 雷或雷电感应），产生的雷电波可 能沿着这些管线侵入变电所内或建 筑物内，损坏电气设备和危及人身 安全。
影响建筑物以及服务设施的年平均雷击次数既取决于所 处地区的雷击大地密度，又取决于它们的尺寸、性质和所处 环境。
建筑物年预计雷击次数：
N kNg Ae
H＜100m时， Ae L W 2 L W H (200 H ) H 200 H 106
Ng 0.1Td
根据雷击大地密度可以计算出地面建筑物或架空线路遭受的年 预计雷击次数，从而采取相应的防雷措施。
3.雷电流波形和参数 雷电流由一个或多个不同的雷击组成： ➢持续时间小于2ms的短时间雷击（包括首次和首次以后的后 续短时间雷击） ➢持续时间大于2ms的长时间雷击
雷电流波形表示：T1 /T2（μs）
波头陡度定义为雷电流上升 期间雷电流的上升率，即
di / dt
首次短时间雷击的电流波形 取10/350μs；
短时间雷击电流波形
三、雷电波在线路中的传播
雷电波具有波的传播特性，是电流波和电压波伴随而 行的统一体。
雷电波在传播过程中到达线路参数发生突变的节点处，还 会发生折射和反射现象。
E Z1
u2
Z2 C
Hale Waihona Puke Baidu
图 波穿过电容时的折反射
四、雷电作用的形式
（1）直接雷 直接雷是指雷电直接击在架空线路、建筑 物、其他物体或外部防雷装置上产生电效应、 热效应和机械力者。
i0 Z0
A
Ri
由于受直接雷击，被击的架空线路、建筑物、其他物体 或外部防雷装置上会产生很高的电位，从而引起过电压。
A点电压幅值 UA IRi I 2I0
第二节 建筑物防雷
一、概述
雷击大地可能对建筑物及服务设施（如供电线路、通信线 路及其他服务设施）造成危害。 ➢建筑物或与其相连的服务设施遭雷击会因雷电的机械、热力、 化学和爆炸效应造成建筑物（或其内存物）及服务设施的物理 损坏，也会因雷电产生的接触电压和跨步电压导致人身受到伤 害。 ➢不但建筑物或服务设施遭雷击会导致建筑物内部电气和电子 系统故障，而且建筑物或与服务设施附近的雷击也会因雷电流 与这些系统间的阻性耦合及感应耦合产生的过电压造成电气和 电子系统故障。 ➢用户电气装置以及供电线路因雷电过电压发生故障时也会导 致在电气装置中出现操作过电压。
（4）雷击电磁脉冲（LEMP） 雷击电磁脉冲是指雷电流的电磁效应，它包含传导电涌（浪 涌）和辐射脉冲电磁场效应。
电涌——指由雷击电磁脉冲引发表现为过电压和（或）过 电流的瞬态波。
电涌可由雷击入户电源线路或附近地面产生，并经电源线 路本身传输到电气和电子系统；电涌也可由雷击建筑物或附近 地面而产生，通过环路感应或线路耦合的方式传递能量。
（二）雷电波的折射和反射
当雷电波沿传输线传播，遇到波阻抗发生突变的节点 时，都会在该节点上产生折射和反射。
u1f
u2f
A
u1b
Z2< Z1
雷电波的折射和反射
u1 u1f u1b
u2 u2f A点处 u1 u2
原因：由于节点两侧波阻抗的 改变，会使雷电波的电场能量 和磁场能量重新分配，经过节 点的雷电波的电压和电流峰值 也必然发生改变。
1 2
C0u 2
1 2
L0i 2
雷电波的折射和反射特性对防雷设计具有重要影响。
➢线路末端开路时，波阻抗无穷大，波在节点处发生正的全 反射。
末端电压U2=u2f=2E
在反射波所到之处电压提高1倍！
末端开路时波的折反射
➢波经过并联电容后，电压不 能突变。
波从直角波变为指数波。 因此，只要增加C的值，就能把 陡度限制在一定程度。
由于雷电波的等效频率很高，通常采用分布参数电路分析。
分布参数电路： 电流、电压不仅是时间的函 数，还是位置的函数，即：
u=u（x，t），i=i（x，t）
均匀无损的单导线
集中参数电路： 电流、电压只是时间的函数，在一个支路范围内与位置无关。 u=u(t)，i=i(t)
（一）雷电波的传播速度和波阻抗
雷电波在导线中传播时，其波头的行进速度称为雷电 波的传播速度，即
由此可见，雷电的成因源于大气的运动。
视频链接
雷云以带负电荷居多，且有多个负荷中心。
负下行雷通常包括若干次重复的放电过程，而每次可 以分为下列三个阶段： 先导（向下先导、迎面先导）放电－－主放电－－余辉放电
图9-1 雷云对地放电的发展过程和雷电流的波形
二、有关的雷电参数
1.雷暴日 雷暴日是指该地区平均一年内有雷电放电的平均天数。 雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关。 Td <15，少雷区； Td >40，多雷区； Td >90，强雷区
v dx 1 dt L0C0
计算表明，雷电波沿架空线传播的速度与光速（3×108m/s）相 同，而在电缆中传播的速度约为上值的1/2～1/3。
定义波阻抗
Z u L0 i C0
与线路长度和负载性质无关
1 2
C0u 2
1 2
L0i 2
与集中参数电路的欧姆定律不同，波阻抗表征的是沿导线传播的（对地） 电压波和电流波之间的动态比例关系，因为雷电波在传播过程中必须遵循存 在单位长度线路周围媒质中的电场能量和磁场能量一定相等的规律。
第九章 防雷及过电压保护 与接地
第一节 雷电有关知识 第二节 建筑物防雷 第三节 交流电气装置的过电压保护 第四节 电气装置的接地与等电位联结 本章小结
第一节 雷电有关知识
一、雷电放电过程
雷电是雷云之间或雷云对地面放电的一种自然现象。在防 雷工程中，主要关心的是雷云对大地的放电，称对地雷闪。
能产生雷电的带电云层称为雷云。 雷云的形成主要是含水汽的空气的热对流效应。 雷云的形成过程是综合性的。雷云起电机理：水滴破裂效 应，水滴结冰效应、吸收电荷效应等。 带电云层一经形成，就形成雷云空间电场。
（2）雷电感应（感应雷）
雷电感应是指雷电对大地放电 时在附近导体上产生的静电感应和
Ui
25
Ihc S
电磁感应，它可能使建筑物金属部
件之间产生火花放电，也可能导致
电力线路的绝缘闪络或损坏。
I0
I 2
Ui
（3）雷电波侵入 雷电侵波入是指由于雷电对架 空线路或金属管道的作用（如直接 雷或雷电感应），产生的雷电波可 能沿着这些管线侵入变电所内或建 筑物内，损坏电气设备和危及人身 安全。
影响建筑物以及服务设施的年平均雷击次数既取决于所 处地区的雷击大地密度，又取决于它们的尺寸、性质和所处 环境。
建筑物年预计雷击次数：
N kNg Ae
H＜100m时， Ae L W 2 L W H (200 H ) H 200 H 106