高电压技术第5章 雷电及防雷设备(1)

38m 10m 50m 40m
例2：
某原油罐直径为10m，高出地面10m，若 采用单根避雷针保护，且要求避雷针与罐距 离不得少于5m，试计算该避雷针的高度。
rx hx
原油罐位置及距避雷针距离示意图
(2)两支等高避雷针
两线外侧的保护范围按 单根避雷线方法确定；两线 内侧的保护高度由两线及保 护范围上部边缘最低点o的圆 弧来确定。o点为假想避雷针 的顶点，其高度按下式计算：
先导放电阶段 主放电阶段 余辉放电阶段
： 主 电 子 崩 ； ： 二 次 电 子 崩 ； ： 流 注
1 2 3
图 负雷云下行雷的过程 (a)负下行雷的光学照片描绘图 (b)放电过程中雷电流的变化过程
5.1.3 雷电过电压的形成
1.直击雷过电压 雷击地面由先导放电转变为主放电的过程可以用一根已 充电的垂直导线突然与被击物体接通来模拟。
5.1.1 雷云的形成
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。太阳的热辐射使地面部分水分化为蒸汽，含 水蒸汽的空气受到炽热的地面烘烤而上升，会产 生向上的热气流。热气流每上升10km，温度下降 约10℃，热气流与高空冷空气相遇形成雨滴、冰 雹等水成物，水成物在地球静电场的作用下被极 化，形成热雷云。
•感应雷过电压
➢主要的雷电参数有： 雷暴日及雷暴小时、地面落雷密度、主放电通道波阻抗、 雷电流极性、雷电流幅值、雷电流等值波形、雷电流陡度等。
5.2 防雷保护设备
雷电放电作为一种强大的自然力的爆发是难以制止的， 产生的雷电过电压可高达数百至数千kV，如不采取防护措施， 将引起电力系统故障，造成大面积停电。 目前人们主要是设法去躲避和限制雷电的破坏性，基本 措施就是加装避雷针、避雷线、避雷器、防雷接地、电抗线 圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等防雷保护装置。 避雷针、避雷线用于防止直击雷过电压，避雷器用于防 止沿输电线路侵入变电所的感应雷过电压。
塔入地的雷电流从而降低塔顶电位，避雷线对导线的耦合
作用还可以降低导线上的感应雷过电压。
单根避雷线的保护范围如右图 所示，在hx水平面上每侧保护范围 的宽度按下列公式计算：
hx
hx
当
h 时 rx 0.47(h hx ) p 2
h 时 rx (h 1.53hx ) p 2
雷电流陡度是指雷电流随时间上升的速度。雷电流陡度 越大，对电气设备造成的危害也越大。雷电流陡度的直接测 量更为困难，常常根据一定的幅值、波头和波形来推算。 DL/T 620—1997标准取波头形状为斜角波，波头按2.6 s考虑， 雷电流陡度
a I 2.6
2、波形
雷电流的幅值随各国自然条件的不同而差别较大， 而测得的雷电流波形却基本一致。第一次负放电电流波
N=0.28(b+4h) b:两根避雷线之间的距离
0.3 d
雷暴日为40
5、主放电通道波阻抗
从工程实用的角度和地面感受的实际效果出 发，先导放电通道可近似为由电感和电容组成的 均匀分布参数的导电通道，其波阻抗为：
L0 Z0 C0
L0 为通道单位长度的电感量， C0 为通道单位长 度的电容量。主放电通道波阻抗与主放电通道雷 电流有关，雷电流愈大，波阻抗愈大。
(4)多支等高避雷针
由于发电厂或变电所的面积较大，实际上都采用多 支等高避雷针保护。三支等高避雷针所形成的三角形的 外侧保护范围分别按两支等高避雷针的计算方法确定。 四支及以上等高避雷针所形成的四角形或多角形，可先 将其分成两个或数个三角形，然后分别按三支等高避雷 针的方法计算。
三支等高避雷针在hx水平面上的保护范围如左图所示， 右图所示为四支等高避雷针在hx水平面上的保护范围。
5.5 0.5 120
例1： 图示一露天变电所和高为80米的烟囱的位 置，在烟囱上装了一根长2米的避雷针，要求 确定变电所的防护情况（变电所构架高10米）
练习 为了保护烟囱及附近的构筑物，在高73m 的烟囱上装设一根2m的避雷针，烟囱附近构筑 物的高度和相对位置如下图，试计算各构筑物 是否处于避雷针的保护范围之内。
(a)模拟先导放电
图 雷击大地时的计算模型 (b)模拟主放电 (c)主放电通道电路
(d)等值电路
2.感应雷过电压
由于雷云对地放电过程中，放电通道周围空间电磁场的急剧 变化，会在附近线路的导线上产生过电压。在雷云放电的先导阶 段，先导通道中充满了电荷，如下图所示当先导到达附近地面时， 主放电开始，先导通道中的电荷被中和，与之相应的导线上的束 缚电荷得到解放，以波的形式向导线两侧运动，如下图（b）所 示。
i I 0 (e
t
f 2.6s
e
t
)

I
f
I / 2.6kA / s
I i (1 cos t ) 2 / f
max
I di 2 dt max
3、雷暴日及雷暴小时 雷暴日Td 是指该地区平均一年内有雷电放电的 平均天数，单位d/a 。 雷暴小时Th 雷暴小时是指平均一年内的有雷电 的小时数，单位h/a。 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；>40，多雷区；>90，强雷区
的形式下降到地面。当上面所讲的带电云层一经形
成，就形成雷云空间电场。
由此可见，雷电的成因源于大气的运动。
5.1.2 雷电放电过程
作用于电力系统的雷电过电压最常见的 （约90%）是由带负电的雷云对地放电引起，称 为负下行雷，下面以负下行雷为例分析雷电放 电过程。负下行雷通常包括若干次重复的放电 过程，而每次可以分为先导放电、主放电和余 辉放电三个阶段。
雷云的形成过程是综合性的。 强气流将云中的水滴吹裂时，较大的残滴 带正电，较小的水珠带负电，小水珠被气流带 走，于是云的各部分带有不同的电荷，这是水 滴破裂效应。 水在结冰时，冰粒会带正电，没有结冰的 被风吹走小水珠将带负电，这是水滴结冰效应。
最后形成带正电的云粒子在云的上部，而负电的
水成物在云的下部，或者带负电的水成物以雨或雹
2. 避雷针的保护范围 表示避雷针的保护效能，通常采用保护范围的 概念，只具有相对意义。避雷针的保护范围是指被 保护物体在此空间范围内不致遭受直接雷击。我国 使用的避雷针的保护范围的计算方法，是根据小电 流雷电冲击模拟试验确定，并根据多年运行经验进 行了校验。保护范围是按照保护概率 99.9%确定的 空间范围（即屏蔽失效率或绕击率0.1%）。
6、雷电流极性 当雷云电荷为负时，所发生的雷云放电为负极 性放电，雷电流极性为负；反之，雷电流极性为正。 实测统计资料表明，不同的地形地貌，雷电流正负 极性比例不同，负极性所占比例在75%~90%之间，因 此，防雷保护都取负极性雷电流进行研究分析。
小结
➢雷云的形成主要是含水汽的空气的热对流效应。雷电源于大 气的运动。 ➢雷电的放电过程： 先导放电阶段 ➢雷电过电压的形成 •直击雷过电压 主放电阶段 余辉放电阶段
5.1 雷电的电气参数
人们对雷电现象的科学认识始于18世纪中叶， 著名科学家有富兰克林（Franklin）、M· B· 罗蒙诺索 夫（Jiomohocob）、L· B· 黎赫曼（Phxmah）等，如著 名的富兰克林风筝实验，第一次向人们揭示了雷电 只不过是一种火花放电的秘密，他们通过大量实验 取得卓越成就，建立了现代雷电学说，认为雷击是 云层中大量阴电荷和阳电荷迅速中和而产生的现象。 特别是利用高速摄影、自动录波、雷电定向定位等 现代测量技术对雷电进行的观测研究，大大丰富了 人们对雷电的认识。
形的波头较长，在峰值附近有明显的双峰；随后放电电
流波形的波头较短，没有双峰，电流陡度远大于第一次
放电，而电流幅值约为第一次放电的一半。
雷电冲击试验和防雷设计中常用的雷电流等值波形有双 指数波、斜角波和半余弦波三种。
图8-2 雷电流的等值波形 (a)双指数波 (b)斜角平顶波 (c)半余弦波
f 1.2s t 50 s
1 40m 2
45m
49m
A
3
二、滚球法
（1） 单支避雷针
h hr
高度为hx的平面上的保护半径
rx h(2hr h) hx (2hr hx )
地面上的保护半径
r0 h(2hr h)
二、滚球法
（2） 双支等高避雷针
D 2 h(2hr h)
按单支避雷针的方法计算
D 2 h(2hr h)
一、折线法
（1） 单支避雷针
单支避雷针的保护范围如下图所示:
rx (h hx ) P
rx (1.5h 2hx ) P
h (hx ) 2
(hx h ) 2
h 30m, P 1; 30 h 120m, P
图 单支避雷针的保护范围
5.5 ; h
h 120m, P
hO h D 7p
式中：
hO ——两针间保护范围上部边缘
最低点高度，m D ——两避雷针间的距离，m。 图 高度为h的两支等高避雷针的保护范围
hx
bx 1.5h
h
bx 1.5(h0 hx )
(3)两支不等高避雷针
两支不等高避雷针的保护范围如下图所示。
图 两支不等高避雷针的保护范围
D' f 7P
第5章 雷电及防雷设备
研究雷电过电压的必要性： 雷电现象极为频繁，产生的雷电过电压 可达数千kV，足以使电气设备绝缘发生 闪络和损坏，引起停电事故。 有必要理解雷电产生的原因、过程及参 数，以理解防雷原理及设计防雷设备。 有必要对输电线路、发电厂和变电所的 电气装置的采取防雷保护措施。
4、地面落雷密度 表征雷云对地放电的频繁程度以地面落雷密度 （ ）来表示，是指每一雷暴日每平方公里地面遭受 雷击的次数。地面落雷密度和雷暴日的关系式为：