高电压 第9章 雷电及防雷装置

9.4 避雷器
高电压工程基础
9.4 避雷器
避雷器的保护原理
当雷电入侵波或操作波超过某一电压值后，避雷器将优先于与其并 联的被保护电力设备放电，从而限制了过电压，使与其并联的电力设备 得到保护。
1－被保护绝缘
避雷器23的－－阀保技式护术避间要雷隙器或求管式避雷器
（1）过电压作用时，避雷器先于被保护电力设备放电，当然这要由两者 的全伏秒特性的配合来保证；
2.阀片
SiC 、MOV都是非线性电阻，其伏安特性如图
如图 所示，表达式为
u CI
式中，C为常数； α 为非 线性系数，0<α <1，其值 愈小愈好。
必须用 火花间隙
MOV的非线性优于SiC阀片：
若在冲击电流10kA下残压（电阻）相同，则在额定电压 （灭弧电压）下SiC阀片的电流是400A，而MOV阀片的电流 近乎为零。
普通阀式避雷器
•灭弧电压－指避雷器能可靠地熄灭续流电弧时的最大工频作
用电压。灭弧电压应大于避雷器安装点可能出现的最大工频电 压。规程规定：
中性点有效接地系统，灭弧电压取最高运行（线）电压的
80％；
中性点非有效接地系统，灭弧电压应不低于设备最高运行
线电压的100％。（当发生单相接地故障时，仍能继续运行。 另外两相的避雷器因雷电而动作，作用在它上面的最大工频电
外间隙的作用是使消弧管在线路正常运行时与工作电压隔 离，以免管子材料加速老化或在管壁受潮时发生沿面放电。
2、管型避雷器
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管式避雷器不但有一个切断电流的下限，而且还有一个 切断电流的上限。其安装点最大与最小短路电流要分别小于 和大于管式避雷器的上、下限。
管式避雷器伏秒特性陡，放电分散性大，动作产生截波， 放电特性受大气条件影响，故它主要用作保护线路弱绝缘， 以及电站的进线段保护。
能起到限制续流的作用，故称为限流间
1—电极；2—灭弧盒； 3—分路电阻；4—灭弧栅； 5—主间隙；6—磁吹线圈； 7—辅助间隙
隙，它可切断 450A 左右的续流。
用于电压较高的如保护变电所用 的FCZ系列磁吹避雷器中。
1.火花间隙-磁吹式 灭弧栅型
1－磁吹线圈 2－辅助间隙 3－主间隙 4－主电极 5－灭弧栅 6－分路电阻 7－阀片电阻
器，指的是在标准雷电波下的放电电压（幅值）的上限。对于 330kV及以上超高压系统用的避雷器，除了雷电冲击放电电压 外，还包括在标准操作冲击波下的放电电压（幅值）的上限。
•工频放电电压－普通避雷器是靠间隙与阀片的配合使电弧
不能维持而熄灭的，因此这种避雷器的灭弧能力和通流容量 是有限的，一般不容许它们在持续时间较长的内过电压下动 作，以免损坏。因此，其工频放电电压除了有上限外，还规 定有下限，以保证它们不至于在内过电压作用下误动作。
2、管型避雷器
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外间隙
1—产气管；2—胶木管套； 3—棒电极；4—环形电极； 5—贮气室；6—动作指示器
内间隙
管式避雷器由两个串连的间隙组成，一个S1在管内，称为 内间隙；另一个S2在管外，称为外间隙。
当有雷电冲击波时，间隙S1 、 S2均被击穿，冲击电流又加 上工频续流电弧的高温，使产气管（气化纤维/塑料/特种橡胶） 内产生数十至数百个大气压的气体，通过环形电极开口孔喷出 产气管对弧柱强烈纵吹，使其在工频续流1～3周期内的某一过 零时熄灭。
普通阀式避雷器 2.阀片（非线性电阻）
SiC阀片：由金刚砂(SiC)粉末与粘合剂(如水玻璃等)模压成 圆饼，在320℃温度下焙烧而成。
sic（金刚砂）焙烧成 Φ55－100mm园饼状
MOV阀片：由氧化锌，还有氧化铋bi及一些其它的金属氧 化物经过锻烧、混料、选 粒、成型、表面处理等工艺过程 而制成。
3、阀式避雷器
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当过电压达到间隙动作电压，间隙动作，冲击电流经阀 片流入大地；之后，阀片仅受到工频电压作用，由于非线性 关系，阀片电阻值增高，使流过的工频续流受到限制，并在 第一次过零瞬间，由间隙将此续流切断。
注意：避雷器从间隙击穿到工频续流被切断不超过半个周波， 因此电网在整个过程均保持正常供电。
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保护间隙常用双羊角状间隙， 取其有电弧上吹特性，我国常用于3 ~ 10kV电网中。保护间隙有一定的 限制过电压效果，但不能避免供电 中断。
优点：结构简单、价廉。
缺点：保护效果差，与被保护设备的伏秒特性不易配合；动 作后产生的截波，对变压器匝间绝缘有很大的威胁。因此它 往往与其它防护措施配合使用。
压等于该电网额定（线）电压的100～110％）。
•冲击系数－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，这样间隙的伏秒特性就比较平坦， 易于绝缘配合。
•切普断通比阀－式等避于雷避器雷器工频放电电压的下限与灭弧电压K之切＝比。UU工灭频弧放
灭弧电压是避雷器最重要的设计依据，而切断比是表征间隙灭 弧能力的一个技术指标，切断比愈接近于1，该间隙的灭弧性 能愈好。
当两者尺寸相同时，MOV的通流能力是SiC的4～4.5倍。直 接将MOV串连起来不带间隙构成MOA能直接挂网运行，且 在冲击电压过后工频电压作用下是无续流的。
普通阀式避雷器
主要技术指标
•额定电压－指正常运行时作用在避雷器上的工频工作电压，
也就是该避雷器的电网额定电压。
•冲击放电电压［Ub(i)］－对额定电压为220kV及以下的避雷
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9.2 雷电参数
1. 雷电活动强度——雷暴日及雷暴小时
雷暴日：每年中有雷电的天数。 雷暴小时：每年中有雷电的小时数。 年平均雷暴日不超过 15 的地区为少雷区；超过 40 的为多雷区；超
过 90 的地区及根据运行经验雷害特别严重的地区为强雷区。
2. 落雷密度
地面落雷密度γ ：每一个雷暴日、每平方公里对地面落雷次数 。 电力行业标准DL/T620-1997建议取 γ = 0.07次／平方公里. 雷电日。
•残压(UR) －指波形为8/20 μs的一定幅值的冲击电流流过避雷
器时，在阀片上产生的电压峰值称为避雷器的残压。国标规定： 220kV及以下避雷器冲击电流幅值为5kA，330kV及以上避雷 器幅值为10kA。
•通流容量 －包括冲击通流容量和工频通流容量。冲击通流容
量是用具有一定波形和幅值的所允许通过的次数表示的；而工 频通流容量以一定幅值的半波电流所允许通过的次数来表示， 因为在工频半波内，避雷器必须吸收半波能量完成工频灭弧。
3. 雷电通道波阻抗
雷电通道如同一个导体，雷电流在导体中流动，对电流波呈现一定 的阻抗，该阻抗叫做雷电通道波阻抗 （规程建议取 300 ~ 400Ω）。
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4. 雷电流的极性
国内外实测结果表明，负极性雷占绝大多数，约占 75 ~ 90 %。
5. 雷电流幅值
雷电流：雷击具有一定参数的物体时，若被击物阻抗为零，流过被击物 的电流。规程规定，雷电流是指雷击于Rj ≦30Ω的低接地电阻物体时， 流过该物体的电流。
主放电：时间 50 ~ 100 μs， 移动速度为光速的 1/20 ~ 1/2； 主放电时电流可达数千安， 最大可达200 ~ 300kA。到达 云端时，主放电结束 。
余辉：雷云中剩下的电荷继 续沿主放电通道下移，称为 余辉放电阶段。余辉放电电 流仅数百安，但持续的时间 可达 0.03 ~ 0.15 s。
（1）为了使雷电流顺利地泄入大地，故要求避雷针（线）应有良好的接 地装置。 （2）被保护设备全面位于避雷针（线）的保护范围内。但为了防止与被 保护物之间的间隙击穿（也称为反击），它们之间应保持一定的距离。
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单根避雷针保护范围
双根等高避雷针保护范围
当 hx h / 2 时：rx (h hx ) ph 当 hx h / 2时：rx (1.5h 2hx ) ph
（2）避雷器应具有一定的熄弧能力，以便可靠地切断在第一次过零时的 工频续流。
避雷器的种类
保护间隙，管式避雷器，阀式避雷器（包括金属氧化物避雷器）
避雷器保护作用原理示意
1 — 保护间隙 2 — 管式（排气式）避雷器 3 — 带间 隙阀式避雷器 4 — 无间隙阀式避雷器 5 — 被保护电器设备
1、保护间隙
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普通阀式避雷器（火花间隙、非线性电阻）
1. 火花间隙-平板（FZ）
单个火花间隙的结构
a.保证间隙中 的电场为均匀 电场，伏秒特 性平缓；b.电 晕可缩短间隙 放电时间
多个短间隙串联易 于切断工频续流。 （复合与散热）
多个问隙串联电压分布 不均匀，使避雷器灭弧 能力降低。可使用并联 电阻使电压分布均匀。
有间隙阀式避雷器和无间隙氧化锌避雷器动作情况对比
避雷器端电压 避雷器端电压
普通阀式避雷器
1火花间隙 2非线性电阻
u Cki
阀片的伏安特性
普通阀式避雷器 工作原理
在系统正常工作无过电压时，间隙将阀片与工作导线隔开，
以免由于工作电压在阀片中产生的电流使阀片长期受热烧坏。
当系统中出现过电压且其幅值超过间隙放电电压时，间隙
少雷地区：
lg p
I
44
一般地区：
lg p
I
88
高电压工程基础
6. 雷电流的波头、陡度及波长
波头： 1 ~ 5 μs 范围内变化，多为 2.5 ~ 2.6 μs，规程规定工程计算通常 取2.6 μs；
波长： 20 ~ 100 μs ，多数为 50 μs 左右；
陡度：陡度 α 与幅值 I 有线性的关系，即幅值愈大，陡度也愈大。一般 认为陡度超过 50 kA/μs 的雷电流出现的概率已经很小（约为0.04）。
击穿冲击电流通过阀片流入大地。大的冲击电流使非线性电阻 阻值变得很小，阀片上压降（残压）得到控制，另由于残压存 在，不会形成截波。
当过电压消失后，间隙中的电弧并不随之熄灭，由工频电
压产生的电弧电流(工频续流)仍将继续存在，此续流远较冲击电 流为小，故阀片电阻变得很大，进一步限制了工频续流的数值， 使间隙能在工频续流第一次经过零值 时将电弧切断。
h0 bx

hD 1.5(h0
/ 7 ph hx )

高电压工程基础
双根不等高避雷针保护范围
单根避雷线保护范围
hx

h 2
时
rx 0.47(h hx ) p
hx

h 2
时 rx (h 1.53hx ) p
单根避雷线保护范围
hO

h

D 4p
高电压工程基础
两平行避雷线保护范围 避雷线保护角
当雷电流很大时，除阀片的残压之外， 磁吹线圈1 （频率高）压降较大，则分 流间隙2击穿将线圈短路，使避雷器的 压降不致增大。 当工频电流通过时，主间隙3电弧压降 大于续流在线圈中的压降（线圈阻抗变 得很小），分流间隙电弧会自动熄灭， 使续流转入线圈产生吹弧作用。主间隙 的磁场由与主间隙串连的磁吹线圈产生。 主间隙的续流电弧被磁场吹入灭弧栅的 夹缝内，被拉长或分割成许多短弧而迅 速熄灭。
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第9章 雷电及防雷装置
9.1 雷电放电的发展过程 9.2 雷电参数 9.3 避雷针和避雷线 9.4 避雷器 9.5 防雷接地
9.1 雷电放电的发展过程
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先导：不连续性（分级先导），历时约 0.005 ~ 0.010 s。每一级 先导发展速度相当高，但每发展到一定长度（平均约 50m）就有 一个 10 ~ 100 μs 的间隔。发展速度约为光速的 1/1000 左右。
7. 雷电流的波形
标准波形
斜角平顶波
半余弦波
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9.3 避雷针和避雷线
避雷针（线）的保护原理
当雷云的先导向下发展，高出地面的避雷针（线）顶端形成局部电 场强度集中的空间，以至有可能影响下行先导的发展方向，使其仅对避 雷针（线）放电，从而使得避雷针（线）附近的物体免遭雷击。
对避雷针（线）的要求
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普通阀式避雷器（火花间隙、非线性电阻）
1.火花间隙-磁吹式
灭弧栅型
间隙由一对角形电极 1 组成，磁场
是轴向的，续流电弧被轴向磁场力拉长，
吹入灭弧栅 4，电弧最终长度可达起始
长度的数十倍，灭弧盒2 用陶瓷或云母、
玻璃等材料制成，电弧在灭弧栅中受到
强烈的去游离作用，因而电弧电阻很大，
高电压工程基础 Biblioteka Baidu 普通阀式避雷器（火花间隙、非线性电阻） 1.火花间隙-磁吹式
提高避雷器切断工频续流值的方法之一是“磁吹”，即 利用磁场电弧的电动力作用，使电弧拉长或旋转，以提高间 隙灭弧能力。
旋弧型
能可靠切断300kA的工频电流， 切断比为1.3左右。 用于电压较低的如保护旋转电机 用的FCD系列磁吹避雷器中。