高电压 第9章 雷电及防雷装置

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。
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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。
高电压工程基础 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。
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
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
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。
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。
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。
（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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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。
2.阀片
SiC 、MOV都是非线性电阻，其伏安； 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。
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。
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
•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。
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。
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
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
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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。
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。
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
高电压工程基础
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。
（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
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
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