第11章雷电过电压及其防护

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第11章雷电过电压及其防护
11.1 雷电参数
雷电活动强度——雷暴日及雷暴小时 雷暴日及雷暴小时 雷电活动强度
雷暴日:每年中有雷电的天数。 雷暴日 雷暴小时:每年中有雷电的小时数。 雷暴小时 年平均雷暴日不超过 15 的地区为少雷区 少雷区;超过 40 的为多雷区 多雷区;超 少雷区 多雷区 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 强雷区。 强雷区
11.2.2 防雷接地 接地:就是把设备与电位参照点的地球作电气上的连接, 使其对地保持一个低的电位差。 办法:在大地表面土层中埋设金属电极,这种埋入地中 并直接与大地接触的金属导体,叫做接地体,有时也称 为接地装置。 ①工作接地:为了运行的需要,将电网某一点接地,其 目的是为了稳定对地电位与继电保护上的需要。 ②保护接地:为了保护人身安全,防止因电气设备绝缘 劣化,外壳可能带电而危及工作人员安全。 ③防雷接地:导泄雷电流,消除过电压对设备的危害。 ④静电接地:在可燃物场所的金属物体接地。
Ihd s
雷击杆塔或线路附近避雷线: U = α hd α —— 感应过电压系数,kV/m,其值等于以kA/µs为单位的雷电流平 均陡度值,即 α = I / 2.6。 hd ——导线平均高度,m。 实测表明,感应过电压峰值最大可达300 ~ 400kV。这对35kV及以 下的水泥杆线路可能引起闪络事故;110kV及以上的线路,由于绝缘水 平较高,一般不会引起闪络事故,且感应过电压同时存在于三相导线上, 故相间不存在电位差,只能引起对地闪络。
衡量输电线路防雷性能的两个指标: 衡量输电线路防雷性能的两个指标: 耐雷水平(单位:kA) 雷击线路不致引起绝缘闪络的最大雷电流幅值,称为 线路的耐雷水平。线路的耐雷水平愈高,线路绝缘发生闪 络的机会就愈小。 雷击跳闸率(单位:次/ l00km·40雷电日) 雷击跳闸率是指折算为统一的条件下,因雷击而引起 的线路跳闸的次数。此统一条件规定为每年 40 个雷电日 和 l00km 的线路长度。
dI = I ( Rch + Lgt / 2.6) dt
普通阀式避雷器(火花间隙、 普通阀式避雷器(火花间隙、非线性电阻)
a.保证间隙中 保证间隙中 的电场为均匀 电场,伏秒特 电场, 性平缓; 电 性平缓;b.电 晕可缩短间隙 放电时间
单个火花间隙的结构
u = Ck iα
多个短间隙串联易 于切断工频续流。 于切断工频续流。 复合与散热) (复合与散热)
11.3.5 输电线路的直击雷过电压
无避雷线时的直击雷过电压 1. 雷击导线的过电压及耐雷水平
雷击点电压: U A =
I Z IZ ⋅ = = 100 I 2 2 4
输电线耐雷水平:
U 50% I= 100
11.3.6. 雷击塔顶时的过电压及耐雷水平
塔顶电位: U = IRch + Lgt 导线电位:
A = (4hd + b) × 10 −3 × 100 = 0.1(4hd + b)
地面落雷密度γ为 0.07,如果取每年40个雷暴日作为标准值,每年 l00km输电线路受到的雷击次数(次/ (100km·40雷电日))为:
N = 0.28(4hd + b)
10.3.5 无避雷线时的感应雷过电压
雷击线路附近地面: U = 25
雷电流的波形
标准波形 斜角平顶波 半余弦波
11.2防雷保护的基本措施
12.2.1 避雷针和避雷线
避雷针( 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。
避雷器的技术要求
(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)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)
一、保护间隙
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。 优点 缺点:保护效果差,与被保护设备的伏秒特性不易配合; 缺点 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。
导线电位: U ' = α hd =
I ຫໍສະໝຸດ Baidud 2.6
绝缘子承受电压=塔顶电位-导线电位=
U j = U − (−U ') = I ( Rch + Lgt / 2.6 + hd / 2.6)
U 50% 耐雷水平: I = Rch + Lgt / 2.6 + hd / 2.6
10.3.5 输电线路雷击跳闸率的计算 根据模拟试验和运行经验,一般高度线路的避雷线和导线对地面的 遮蔽宽度取4hd + b,hd是上导线的平均高度,b为避雷线之间的宽度,这 样 ,l00km输电线路对地面的遮蔽面积,或受雷害面积(km2)为:
r 当 hx < h / 2 时: x = (1.5h − 2hx ) ph
h0 = h − D / 7 ph bx = 1.5(h0 − hx )
单根避雷线保护范围
10.2.2 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。
对避雷针(线)的要求 对避雷针(
(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。
单根避雷针保护范围
双根等高避雷针保护范围
r 当 hx ≥ h / 2 时: x = (h − hx ) ph
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
金属氧化物避雷器( 金属氧化物避雷器(MOA) ) 金属氧化物主要成份是氧化锌,有时也称为氧化锌避雷 器。金属氧化物避雷器有一系列优点: ①非线性系数α值很小。在额定电压作用下,通过的电流极 小,因此可以做成无间隙避雷器。 ②保护性能好。它不需间隙动作,电压一旦升高,即可迅 速吸收过电压能量,抑制过电压的发展;有良好的陡度响 应特性;性能稳定。 ③金属氧化物避雷器基本无续流,动作负载轻,耐重复动 作能力强。 ④通流容量大。避雷器容易吸收能量,没有串联间隙的制 约,仅与阀片本身的强度有关。同碳化硅(SiC)阀片比较, 氧化物阀片单位面积的通流能力大 4 ~ 4.5 倍。 ⑤结构简单,尺寸小,易于大批量生产,造价低。 ⑥适用于多种特殊需要。
阀片的伏安特性
多个问隙串联电压分布 不均匀, 不均匀,使避雷器灭弧 能力降低。可使用并联 能力降低。 电阻使电压分布均匀。 电阻使电压分布均匀。
a. 当电流增大时,阀片呈现 当电流增大时, 低阻值, 低阻值,使避雷器上电压降 低,增加了避雷器的保护效 果。b. 希望在工频电压升高 后流过间隙阀片的续流不超 过规定值, 过规定值,此时阀片呈现的 电阻要有足够的数值。 电阻要有足够的数值。
11.3.2 无避雷线时的感应雷过电压
雷击线路附近地面: U = 25
Ihd s
雷击杆塔或线路附近避雷线: U = α hd α —— 感应过电压系数,kV/m,其值等于以kA/µs为单位的雷电流平 均陡度值,即 α = I / 2.6。 hd ——导线平均高度,m。 实测表明,感应过电压峰值最大可达300 ~ 400kV。这对35kV及以 下的水泥杆线路可能引起闪络事故;110kV及以上的线路,由于绝缘水 平较高,一般不会引起闪络事故,且感应过电压同时存在于三相导线上, 故相间不存在电位差,只能引起对地闪络。
二、管型避雷器
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, 以及电站的进线保护段。
落雷密度
地面落雷密度γ 地面落雷密度 :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。
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 ~ 400 )。
灭弧电压:对于有间隙避雷器,续流第一次经过零值保证 灭弧电压 不重燃的条件下,允许作用在避雷器上的最高工频电压。 切断比:避雷器间隙的工频放电电压(下限)与续流过零 切断比 后间隙所能承受的最大工频电压(灭弧电压)之比,其值 越小越好。 残压:流过避雷器的冲击电流一定幅值(普通阀式避雷器 为 5kA),一定波形(8/20 µs),在阀片电阻上产生的最 大压降。 保护比:残压与灭弧电压之比,保护比的值越小越好。 保护比
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 %。
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 雷电流 的电流规程规定,雷电流是指雷击于的低接地电阻物体时,流过该物体 的电流。
一般地区:
I lg p = − 44
少雷区:
lg p = −
I 88
10.3 .3输电线路的直击雷过电压 输电线路的直击雷过电压 雷击导线的过电压及耐雷水平
I Z IZ = 100 I 雷击点电压: U A = ⋅ = 2 2 4
输电线耐雷水平:
U 50% I= 100
11.3.4 雷击塔顶时的过电压及耐雷水平
塔顶电位: U = IRch + Lgt
dI = I ( Rch + Lgt / 2.6) dt
11.3架空线路的雷击过电压
直击雷过电压
雷击 塔顶
雷击档距中央 的避雷线
雷击 导线
雷击线路 附近地面
感应雷过电压
输电线路防雷的任务: 输电线路防雷的任务: 采用技术上与经济上的合理措施,使系统雷害降低到运行 部门能够接受的程度,保证系统安全可靠运行。
输电线路防雷的措施( 四道防线” 输电线路防雷的措施(“四道防线”): (1) 防止雷直击导线 沿线架设避雷线,有时还要装避雷针与其配合 (2) 防止雷击塔顶或避雷线后引起绝缘闪络 降低杆塔的接地电阻,增大耦合系数,适当加强线路绝缘, 在个别杆塔上采用避雷器等 (3) 防止雷击闪络后转化为稳定的工频电弧 适当增加绝缘子片数,减少绝缘子串上工频电场强度,电 网中采用不接地或经消弧线圈接地方式 (4) 防止线路中断供电 采用自动重合闸,或双回路、环网供电等措施
磁吹阀式避雷器 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。 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,能起到限制续流的 作用,故称为限流间隙,它可切 断 450A 左右的续流。
三、阀型避雷器
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。
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,规程规定取2.6 µs; 波长: 20 ~ 100 µs ,多数为 50 µs 左右。为简化计算,视为无限长; 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)。
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