第五章 雷电及防雷设备(2012级)

第五章 雷电及防雷设备
5.1雷电的电气参数
电力系统中的大气过电压主要是由雷电放电所造成 的。为了对大气过电压进行计算和采取合理的防护措 施，必须掌握雷电的电气参数。
5.1.1雷击时计算雷电流的等值电路和雷电流幅值
Z0
雷电先导通道中带有与雷云 极性相同的电荷（一般雷云多 为负极性），自雷云向大地发 展。
（2）双支等高避雷针
两针外侧的保护范围可按单针
计算方法确定，两针间的保护范围
应按通过两针顶点及保护范围上部
边缘最低点O的圆弧来确定，O点
的高度h0按下式计算：
h0

h

D 7p
D ——两针间的距离（m）
两避雷针之间高度为hx水平面上保护范 围的一侧的最小宽度：
bx 1.5(h0 hx )
为保证两针联合保护效果，两针间距离与针高之比D/h 不宜大于5。
避雷针一般用于保护发电厂和变电所，可根据不 同情况装设在配电构架上，或独立架设。
避雷线主要用于保护线路，也可用于保护发、变 电所。
独立避雷针
构架避雷针
要避雷针起到保护作用，两个要求：
要求避雷针必须很好接地；
要求被保护物体必须处在避雷针能提供可靠 屏蔽保护的一定空间范围内，这就是避雷针的 保护范围。
h h/2 hx
避雷针保护范围 折线法 h<=30m
避雷针高度h≤30m时修正系数p＝1
受保护区域
修正系数p——避雷针高度＞ 30m时
避雷针
rx=(h-hx)p 修正后 未修正 rx=(1.5h-2hx)p
h 30m
避雷针保护范围 折线法 h>30m
30m＜h≤120m时修正系数：p
30 h
如图可见，避雷针高度超过30m后其 保护范围随高度而增大的趋势减缓
避雷器应具有较强的绝缘自恢复能力
以利于快速切断工频续流，使被保护设备在雷电侵入波 过电压结束后能尽快恢复正常工作。
避雷器一旦在过电压作用下动作后，就转变为低阻状 态，使被保护设备端接的线路对地接近于短路，经过短时 间后，雷电侵入波过电压虽已消失，但原线路上的工频电 压却仍作用于避雷器上，使避雷器开始导通工频短路电流。 这时流过避雷器中的短路电流称为工频续流，它以电弧形 式出现，只要这种工频续流不中断，则避雷器就仍处在低 阻状态，被保护设备就无法正常工作。因此，避雷器应具 有自行切断工频续流和快速恢复到高阻状态的能力。
合或缺乏合适避雷器的场合。通常可将间隙配合自动重合闸使用。
管型避雷器
产气管
工作母线
外间隙 S2 环形电极
棒形电极
S1 内间隙
管型避雷器
此外，间隙间的电场是极不均匀电场，又裸露在大气环 境中，受气象条件的影响很大，因此它的伏秒特性很陡，且 分散性大，这将直接影响到它的保护效果。
还有当间隙被击穿后是直接接地，将会有截波产生，不 能用来保护有绕组的设备。由于它有以上的不足，也就限制 了它的使用范围。
由于保护间隙存在着灭弧能力差的缺点，它一般只使用于一些不太重要的场
在雷电侵入波消失后，线路上又恢复了正常传输的工频电压，这一工频电压 相对于雷电侵入波过电压来说是低的，于是避雷器将转变为高阻状态，接近于开 路，此时避雷器的存在将不会对线路上正常工频电压的传输产生影响。
避雷器的类型 保护间隙
管型避雷器 阀型避雷器 氧化锌避雷器
主要用来限制大气过电压，在超高压系统中还将 用来限制内过电压或作内过电压的后备保护。
h0

h

D 4p
D ——两线间的距离（m）
双避雷线联合保护范围
避雷线1 rx=0.47(h-hx)p
rx=(h-1.53hx)p
避雷线2
h h/2
D/4p
D 双避雷线联合保护范围 双避雷线在输电线路上应用极为广泛
受保护区域
避雷针与避雷线的应用范围
• 避雷针在变电所、发电厂等场合有广泛的 应用（集中保护场合）。
N 10h 100T次/100公里年
1000 0.015次/平方公里 雷电日
N — 每100公里线路受雷击次数
T — 线路经过地区年平均雷电日数
5.2避雷针、避雷线的保护范围
避雷针、避雷线的作用
将雷电吸引到避雷针（避雷线）上并安全地将雷电 流引入大地，从而保护设备。
因此，为防止设备遭受直接雷击，通常采用装设高 于被保护物的避雷针（或避雷线）。
避雷器的基本要求
•绝缘强度的合理配合 •绝缘强度的自恢复能力
•绝缘强度的合理配合：
• 避雷器的放电电压必须在一个确定的范围 内才能发挥保护作用。因此避雷器与被保护设 备的伏秒特性（即冲击绝缘强度）应有合理的 配合。
避雷器和被保护设备的伏秒特性的配合 1一被保护物的伏秒特性；2一避雷器的伏秒特性；3一最高工频电压
h h0=h-D/7p
两支避雷针联合保护范围
避雷针1
折线的确定方法 同单支避雷针
B
A
D
A'
B--B'展开
避雷针2 B'
A--A'展开
两支避雷针联合保护范围
两支避雷针的联合保护范围不是两个避雷针各自保护范围的“并集”，而 是比这个并集要大一些
图中蓝色虚线部分代表单支避雷针保护范围的界限
（3）两支不等高避雷针
由于雷云及先导电场的作用， 大地被感应出与雷云极性相反 的电荷。
主放电前
当先导发展到离大地一定距离
时，先导头部与大地之间的空气
间隙被击穿，雷电通道中的主放
电过程开始，主放电自雷击点沿 Z0 通道向上发展，若大地的土壤电

阻率为零，则主放电所到之处的
电位即降为零电位。
——先导中的电荷线密度

两针外侧的保护范围仍按单针计算。
两针内侧的保护范围先按单针作出高针1的保护范围，然 后经过较低针2的顶点作水平线与之交于点3，再设点3为一 假想的顶点，作出两等高针2和3的保护范围。
1
2f
3
h1 h2
D D
5.2.2避雷线（又称架空地线）的保护范围
（1）单根避雷线的保护范围
ห้องสมุดไป่ตู้
可按下式计算：
hx

h 2
雷电流的波头形状对防雷设计是有影响的， 因此建议在一般线路防雷设计中波头形状可取为 斜角波，其目的是为了便于分析计算；而在设计 特殊高杆塔时，可取半余弦波头。
5.1.3雷电日与雷电小时
一个地区的雷电活动强度，用雷电日 或雷电小时表示。
雷电日（雷电小时）是指一年中有雷电的 日数（小时数），在一天或一小时内只要听 到雷声就作为一个雷电日或一个雷电小时。
各种避雷器均有一个共同的特性，即在高电压作用下呈现低阻状态，而在低 电压作用下呈现出高阻状态。
在发生雷击时，雷电侵入波过电压沿线路传输到避雷器安装点后，由于这时 作用于避雷器上的电压很高，避雷器将动作，并呈现低阻状态，从而限制过电压， 同时将过电压引起的大电流泄放入大地，使与之并联的设备免遭过电压的损坏。
“0”沿通道向上发展。
iZ
Zj
雷击物体时电流波的运动
流经物体的电流可用下式计算：
iZ

vL
Z0 Z0 Z j
LZ0
Zj
——被击物体的波阻抗（或为被击物 体集中参数的阻抗值）
Z0
iZ
Zj
计算电流的等值电路
流经被击物体的电流波
抗Z j有关， Z j 越大则 i Z
越i Z与小被，击反物之体则的i Z波越阻大。
h h/2 hx
避雷针保护范围 折线法
受保护区域
上图中划定避雷针保护范围的方法称为折线法，用两段斜率不同的折线段 确定保护范围（建筑防雷中采用滚球法确定保护范围）
折线表达式中的p是修正系数，根据避雷针高度的不同进行有关修正
修正系数p——避雷针高度≤30m 时
rx
避雷针 rx=h-hx
rx=1.5h-2hx
L ——主放电速度
（实测表明，其速度约为0.1~0.5倍光速）
Z 0 ——波阻抗
主放电时
Z0
LZ0
L
计算雷电流的等值电路
若雷击于具有分布参数特性
的避雷针、线路或导线时，则
Z0
雷击时电流的运动可描述如图，
iZ
负极性电流波将自雷击点“0”
沿被击物流动，同时，相同数
量的正极性电流波将自雷击点
当 Z j 0 时，流经被击物体的电流定义为
“雷电流”，以i L 表i示L ， L 。但实际上
被击物体的波阻抗不可能为零值，故规程建议
雷击于低接电阻的物体时流过该物体的电流可
以认为等于雷电流iL 。
iZ

vL
Z0 Z0 Z j
iZ

vL
Z0 Z0 Z j
iZ
iL
Z0 Z0 Z j
5.2.1避雷针的保护范围
（1）单支避雷针
在高度hx水平面上，其半 径rx按下式计算：
hx

h 2
时，rx

(h

hx )
p
hx

h 2
时，rx

(1.5h

2hx )
p
h ——避雷针高度（m）
p ——高度影响系数。
单支避雷针保护范围
避雷针 rx=(h-hx)p
rx=(1.5h-2hx)p rx
度 来表示。 是指每个雷电日每平方公里的地
面上的平均落雷次数。
建议：
0.015次/平方公里 雷电日
卫星观测10年(1995－2005)得到的全国平均闪电密度分布图
输电线路高出地面有引雷作用，会将线路两 侧一定宽度内的地面落雷吸引到线路上来。 根据模拟试验和运行经验，一般高度的线路 的等值受雷面的宽度为10h（h为线路平均高 度（m）），线路年平均遭受雷击的次数可按 下式计算：