变电站防雷保护与防雷范围计算2017.6.22

◇雷电侵入波
指的是雷击过程中，产生的冲击波沿着高压输电线路传播。
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☆第一章 雷电知识简述
※ 危害
雷击的破坏主要包括电作用的破坏、机械作用的破坏和热作用的破坏三个方面。电 作用的破坏主要有产生几百万伏的冲击电压能损坏电气设备的绝缘，造成大面积停电甚 至设备的报废，高电压损坏绝缘的同时，产生电火花或者爆炸事故的发生，另外，巨大 的雷电流可能引发周围产生强电场，可能导致触电伤亡事故的发生。机械作用主要是雷 电流通过被击物时，产生大量的热量，使气体气化膨胀可能导致爆炸，另外，由于电动 力的产生，也可能损坏电气设备。热作用的破坏主要是雷电流通过导体，产生的大量的
2
A hr hx
hr rx
hr
r0
B hr-h h
r1 hr (hr h x ) hx (2hr hx )
2 2
地面
rx r0 r1 h(2hr h) hx (2hr hx )
r1 r0=rx+r1
通常设计避雷针时，hx已知，滚球半径hr也已知， 因此r1已知。 因为 r0 hr 2 (hr h)2 h(2hr h) ，解方程可得：
的全部必须在避雷针的保护范围内，对于避雷针的保护范围，在下章
会做整体介绍。 雷电侵入波的防护，主要是在进线上加装避雷器。
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☆ 第三章 避雷针保护范围计算
变电站防雷装臵种类繁多，但是常用的防雷装臵主要有避雷针、避雷线、避雷网、 避雷带以及避雷器比较常见。 避雷针主要是对整个变电站的建筑物实施防雷。 避雷线主要是对高压输电线路以及进出变电站的线路实施防雷保护。 避雷网和避雷带也同样是对建筑物防雷。 避雷器主要对电力设备实施防雷保护的。 无论哪种防雷装臵，总体上都是由三大部分组成分别称为接闪器、引下线和接地装 臵三部分。 接闪器主要是接受雷击的部件，一般突出于建筑物或建筑物的金属屋顶都可做接 闪器，主要是把雷电引向自身，通过自身放电保护周围建筑物的，例如避雷针、避雷 线、避雷网和避雷带突出上面的部分都称为接闪器。引下线主要作用是通过雷电流， 保证雷电流通过时不至于融化引下线，一般用直径不小于 10mm 的圆钢或截面不小于 80mm2 的扁钢制成。接地装臵指的是埋在地下的部分，防雷装臵的接地装臵与一般的 接地装臵基本相同，所不同的是防雷装臵的接地体更大。
流经引下线和接地装臵泄入大地，从而使被保护物体免遭直接雷击。
因此，常规接闪器——避雷针的真正功能不是避雷，而是引雷，
靠“自我牺牲”，来换取其下面的物体得到保护。
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◇避雷针的保护范围计算（滚球法）
接闪器
hr 建筑物
定义 滚球法：是指以某一定半径hr的球体，沿需要防直击雷的部位滚动， 当球体只触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物），或只触 及接闪器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物），而不 触及需要保护的部位，则该部分就得到接闪器的保护。图中阴影部 分为该接闪器的保护范围。
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☆第二章 变电站防雷措施
※具体防护措施: 因为对于下形雷来说，雷电直接击打变电所电气设备上，或者架 空线路上的感应过电压都会以雷电波的形式侵入变电所，所以如何对
直击雷和雷电侵入波的防护称为变电站防雷的关键点。
直击雷的防护，主要采用的措施是避雷针，避雷针把雷电引向自 身，并把雷电流泄漏到大地中，整个变电站的建筑物和整个电力设备
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◇避雷针的保护范围计算（滚球法）
滚球半径的选择 根据建筑物的防雷类别，选择合适的滚球半径，确定接 闪器的保护范围，设计建筑物的直击雷防护系统。《建筑物 防雷设计规范》GB50057-2016中规定：
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◇避雷针的保护范围计算（滚球法）
滚球法的应用 1.确定接闪器的保护范围 2.设计直击雷防护装置 以下针对 1.单支避雷针 2.双支避雷针（等高的）
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◇单针的保护范围计算
避雷针 hr hr 滚动
单针保护范围的立体图，为一对称的圆弧曲面锥体
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◇单针的保护范围计算
根据滚球法定义，通过作图法确定单支避雷针的保护范围，分两种情形： 1.避雷针的高度h≤hr 2.避雷针的高度h>hr A B h≤hr：
hr hr
h 地面
步骤： 1. 离地面hr高度作一平行线平行于地面 2. 以避雷针的针尖为圆心，hr为半径画弧，交平行线与A、B两点 3. 分别以A、B为圆心，以hr为半径画弧，两弧交于针尖，并与地面相切 4. 将圆弧以避雷针为轴，旋转180度，所得的圆弧曲面圆锥体就是单支避雷针的保护范 围。
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◇单针的保护范围计算
A
hr hr
B
rx 地面 hx r1 r 0=r x+r 1
h
问题：h已知，求在hx高度上的保护半径rx?(公式法确定保护范 围) hx：建筑物高度 rx：为hx高度上的保护半径 r0：地面上的保护半径 h：避雷针的高度
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◇单针的保护范围计算
解：根据勾股定理
r0 hr (hr h)2 h(2hr h)
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◇避雷针的保护范围计算
滚球法： 假想有一个以雷击距为半径的 假想球体从天空而降，沿随机 路径逼近地面或地面上物体， 球体最先触及的且处于地电位 的点，是最可能的雷击点。
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◇避雷针的保护范围计算（滚球法） 原理
当雷云的下行先导向地面上被保护物体发展时，处在高处的接 闪器率先将先导引向自身，使雷击发生在接闪器上，让强大的雷电
h hr hr r02
2
横截面
2
若已知r0=r1+rx,可得
h hr hr (rx r1 )2
取（h≤hr)
h hr hr (rx r1 ) 2
2
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◇单针的保护范围计算
也就是说，如果下列变量已知： 1.滚球半径hr 单针的高度h 2.辅助变量r1 建筑物高度上单针的保护范围rx可求。
2）在h－hr部分，将会出现侧向暴露区，在避雷针的该部分上将会
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☆第一章 雷电知识简述
雷电通常有直击雷、感应雷和雷电侵入波三种形式。 ◇直击雷 带电荷的雷云电压可以达到几亿伏特，当雷云接近地面并对地面 物体放电时，就是我们常说的雷击，这种情况会发生激烈放电，并伴随着闪电 和雷鸣称为直击雷，雷电的放电过程通常分为先导放电、主放电和余光三个阶
段。
◇感应雷 也叫作感应过电压或雷电过电压，一般有静电感应和电磁感应两 种。静电感应的产生是由于雷云接近地面建筑物，在建筑物顶端感应出大量异 性电荷，而雷云并没有对建筑物放电，当雷云对其它物体或雷云放电时，建筑 物中的电荷会失去束缚，而沿着建筑物传播，这就形成了静电感应。电磁感应 是因为雷电流会在周围产生强烈变化的电磁场，而变化的电磁场会使周围的导 体产生很高的感应电压。
强雷（雷电流幅值较大）对应的滚球半径大;弱雷（雷电流幅值较小） 对应的滚球半径小。 典型值：30m 5.4kA; 45m 10.1kA; 60m 15.8kA
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◇避雷针的保护范围计算（滚球法）
hr 1
接闪器
hr 2
建筑物
同样的接闪器，选择不同的滚球半径，确定的保护范围是不同的；滚球半径越 小，确定的保护范围就越小；也就是说弱雷（雷电流幅值较小）时，保护范围较小。 幅值较小的雷电流可能穿越较大滚球半径对应的保护范围，击中被保护物体。
在建筑物或比较高的物体中感应出相反的电荷，会产生雷云对大地的放电，即
我们经常说的雷击现象，遭受雷击时，会产生很大的雷电流和雷电压，对于建 筑物及设备甚至人身都会产生极大的威胁。通常建筑物遭受雷击都是下形雷造 成的，下形雷主要是指雷电由雷云向地面建筑物行进的，反之称为上形雷，比 较少见。雷电的种类通常有三类，比较常见的是线形雷。片形雷比较少见，另 外有时候还能看到球形雷。
电时，架空线路中的感应电荷失去束缚，会沿着输电线路传播进入变电站，这
就是我们说的感应过电压也就是感应雷。都会造成变电站电气设备的损害。所 以对变电站的雷电防护尤其重要。
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☆第二章 变电站防雷措施
※变电站的防雷措施 主要分为外部防护和内部防护。 外部防护即把雷电通过接闪器接收，通过引下线导入大地把雷电流泄露到大 地中。第二是阻塞防护，即阻塞沿着输电线路或信号线侵入的过电压，此种防 护不仅用于雷电过电压防护也适用于内部过电压防护。第三，限制被保护设备 上的过电压幅值，主要由避雷器实现。避雷针、避雷网和避雷带及其引下线和 接地体构成了外部防雷系统，主要是对建筑物实施防雷保护的。 内部防雷则是防止内部过电压对电力设备的危害，是外部防雷系统无法满足 对于内部过电压的危害，为了防止内部过电压的危害，需要对电缆及保护设备 进行等电位连接。因为雷电引起损害的原因也是有巨大电位差的存在，对于防 雷的等电位连接，需要对进出线电缆，信号线，金属管道等都需要与避雷器进 行等电位连接，首先进行局部等电位连接，最后还要进行主等电位连接。
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◇ 避雷针
避雷针也称为引雷针，主要是把雷电引向自身，通过自身放电保护建筑物 ，避雷针高于被保护建筑物，避雷针保护建筑物的大体范围如下图所示。一般称 避雷针的保护范围为伞状保护，避雷针在雷云的作用下，其顶端电场强度最大， 所以吸引雷电流过来通过避雷针放电，之后通过引下线和接地体把雷电流泄入大 地，保护建筑物安全。
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◇避雷针的保护范围计算（滚球法）
☆滚球法特点
以雷击距为基础，将滚球半径与雷电流幅值联系起来，其保护范围能反 映与雷电流幅值的相关性。 《建筑物防雷设计规范》GB50057-2016中取雷击距经验公式为： hr=10Im0.65 Im : 雷电流幅值（kA） [Im=(hr/10)1.54] hr:滚球半径(吸引半径)(m)
特别提醒 ※ 实际需用的针高与h的关系 1、独立针，针高=h; 2、非独立针，针高=h-建高
避雷针
避雷针
h
h 建 高
建筑物
建筑物
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◇单针的保护范围计算
h>hr时，在避雷针上截取高度为hr的一点，代替避雷针针尖为圆心， 其他步骤同h≤hr。 特点：1） 在h>hr时，避雷针保护范围不随针高再增大
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◇ 避雷针
图 常见接闪器外形图
避雷针一般用镀锌钢管制成，避雷针的直径不得小于下列数值:
针长 1m 以下 针长 1～2m 圆钢 12mm，钢管 20mm 圆钢 16mm，钢管 25mm
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◇ 避雷针
※ 避雷针的保护范围计算
避雷针的保护范围的计算方法，国际电工委员会 IEC 推荐使用滚球法来确 定，也可以使用折线法来确定，对于同一类型的避雷针，采用滚球法的精确度 要高于折线法。 GB50057-2016规定采用滚球法来确定接闪器的保护范围。 雷电的放电过程比较复杂，收到很多因素的影响，所以绝对保证不受雷击是 不现实的。在保护范围内，尽可能的保护被保护物不会遭受雷击，我国的保护 概率是按照 99.9%确定的，这个雷击概率是完全可以接受的。
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变电站防雷保护与防雷范围计算
二0一七年六月
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变电站防雷保护与防雷范围计算
☆雷电知识简述
☆变电站防雷措施
☆避雷针保护范围计算（滚球法） ☆接地体及接地网
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☆第一章 雷电知识简述
雷电的实质是一种气体放电现象，叫做大气过电压。雷电的实质是云团在 大气中上下翻滚不断的摩擦碰撞而使某些云团带正电荷，而某些云团带负电荷， 当两个云团接近到一定距离时，击穿大气互相放电的过程，这就是人们在天空 经常看到的雷电，当带电云团接近大地附近的比较高的建筑物或者物体时，会
热量可能引发火灾，如果接触到易燃易爆物，则可能发生爆炸。
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☆第一章 雷电知识简述
雷电的放电过程基本上可以分为三个阶段，即先导放电、主放电和余光三个阶段。
雷电放电原理
雷电放电的雷电流波形
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☆ 第二章 变电站防雷措施
通过前面对雷电知识的简单介绍，大家都知道雷电的危害极大。对于电力系 统中的变电站而言，站内电气设备正常运行时，设备的绝缘水平都处于正常的 工作电压之下，设备的绝缘不会遭到损坏，但是当雷电发生时，雷电过电压和 雷电过电流会侵入电力设备，使电力设备的绝缘遭到破坏，超过了电气设备正 常的绝缘水平，雷电直接击中电气设备，会产生巨大的雷电流和雷电压，当通 过设备时，会产生电作用和热作用甚至机械作用的破坏。另外雷云在空中漂浮 时，会在架空线路上感应出相反的电荷，当雷云离开时或者雷云对地建筑物放