高电压技术第7章_雷电放电(最终)

功能接地 有些设备在功能上即有加以接地的必要性。例如阴 极保护利用电化学防止金属的腐蚀，为了使防蚀电 流流入土壤或水中，则应在系统中进行接地。另外 为了保证计算机及其它电子设备的正常工作，必须 采用具有稳定电位的基准点，该基准点通过接地来 实现。 作业用接地 在停电作用时，需要采用接地来泄放线路中的充电 装置中的能量，以及防止电磁干扰在线路中的感应 电流的危害。另外也可以防止他人误操作对作业人 员的致命危害
因此 单 根避 雷线 的保护 半 径要比单根避雷针的保护半 径小得多
(四)两根等高避雷线
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。
二 避雷器的基本原理

避雷器是用以限制由线路传来的雷电过电压或由操作引
起的内部过电压的一种电气设备




2 保护接地

在电气设备发生故障时，电气设备的外壳将带 电，如果这时人接触设备外壳，将产生危险。 因此为了保证人身安全，所有电气设备的外壳 必须接地，这种接地称为保护接地
当电气设备的绝缘损坏而使外壳带电时，流过 保护接地装置的故障电流应使相应的继电保护 装置动作，切除故障设备，另外也可以通过降 低接地电阻保证外壳的电位在人体安全电压值 之下，从而避免因电气设备外壳带电而造成的 触电事故
二 雷电参数



雷电活动频率－雷暴日及雷暴小时 地面落雷密度 雷道波阻抗 雷电流幅值 雷电流的计算波形
三 雷电放电的计算模型
开关S闭合前后对应不同的
雷电放电阶段（先导放电和 主放电），A点电位发生变 化，从零突升到u=iZ 先导放电通道具有分布参数 特征，称为雷电通道，其波 阻抗为Z(300 ) 主放电过程，自雷云通过雷 电通道向地面传播的电磁波 （u0、i0）到达A点 由c图得出其彼德逊等值电 路

3 防雷接地

为了防止雷电对电力系统及人身安全的危害， 一般采用避雷针、避雷线及避雷器等雷电防护 设备 雷电防护设备都必须与合适的接地装置相连， 以将雷电流导入大地，这种接地称为防雷接地
流过防雷接地装置的雷电流幅值很大，可以达 到数百千安，但持续的时间很短，一般只有数 十微秒


接地的功能
降低电力设备绝缘水平 确保电力系统安全运行 输电线路杆塔接地装臵的接地电阻必须降低到一定值， 以降低雷击输电线路杆塔时的塔顶电位与导线的电位 差小于绝缘子串的50%冲击放电电压来保证线路的正常 运行 确保人身安全 当电气设备绝缘损坏或老化而使外壳带电时，保护 接地能够保证接触设备外壳的人员的人身安全 另外发变电站接地装臵通过降低接地电阻和采取均 压措施来保证接触电压满足人身安全要求
（一） 保护间隙
保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压 比后者低，使过电压波被限制到保护间隙的击 穿电压Ub。 缺点： 1）伏秒特性很陡； 2）保护间隙没有专门的灭弧装臵 3）产生大幅值的截波。 应用范围：仅用于不重要和单相接地不会导 致严重后果的场合。
（二）管式避雷器（亦称排气式避雷器）
它实质上是一只具有较强灭弧能力的保护间隙，其基 本元件为装在消弧管内的火花间隙，在安装时再串接 一只外火花间隙。 缺点： 1）续流太小时不能灭弧，太大时产气过多，使管子爆裂 2）伏秒特性和产生截波方面与保护间隙相似,维护较麻 烦 应用范围：仅安装在输电线路上绝缘比较薄弱的地方 和用于变电所、发电厂的进线段保护中。
避雷线的保护范围

保护线路
我国一般110kV以上线路采用避雷线 35kV线路的进线段 国外，如日本配电线路也用

保护500kV大型超高压发变电站
（三）单根避雷线
rx 0.47(h hx ) P rx (h 1.53hx ) P
（（ hx h ） 2
（ hx
h ） 2

感应雷电过电压与相邻导线间的过电压的区别

感应雷电过电压的极性与雷云的极性相反，相邻导线 间的感应过电压的极性与感应源同极性 感应雷电过电压发生在主放电阶段，相邻导线间的感 应过电压与感应源同时发生 感应雷电过电压的波前平缓、波长较长 感应雷电过电压在三相导线上同时发生，且数值相等
§7.2 防雷保护装置
第七章 雷电放电及防雷保护装置
§7.1 雷电放电和雷电过电压
雷电科学发展历史
雷电科学的建立
著名的风筝试验（ 17 世纪，富兰克林）： 240米长的缠绕钢丝的麻绳上产生20cm的电火 花 高速摄影、记录示波器、雷电定向定位仪等 现代化测量技术
一 雷电放电过程
基本过程：先导放电阶段 ；主放电阶段
(三) 普通阀式避雷器
变电所的防雷保护主要依靠阀式避雷器，它在 电力系统过电压保护和绝缘配合中都起着重要 的作用，它的保护特性是选择高电压电力设备 绝缘水平的基础。 结构：主要由火花间隙F及与之串联的工作电 阻R两大部分组成。
特点：
对工作电阻的首位要求是它应具有良好的非线 性伏安特性，即在冲击大电流下，阻值应很小， 让冲击电流顺利泄入地下，且残压不高；在工 频电流下，阻值要变大，以利灭弧。
4 接地电阻的定义及特性

接地电阻为接地体的地电位升与通过接地体流 入地中电流的比值。它与土壤特性及接地体的 几何尺寸有关。 电流流经接地体向地中散流时所遇到的土壤电 阻为散流电阻，通常所说的接地电阻包括接地 引线的电阻、接地引线与接地装置的接触电阻、 接地体本身的电阻、接地体和土壤间的接触电 阻及土壤的散流电阻。因为散流电阻比其它四 种电阻大得多，因此可以近似地认为接地电阻 等于散流电阻
避雷器应用于室 内变电站入口处
三 防雷接地
工作接地
保护接地 防雷接地
1 工作接地

交流电力系统根据中性点是否接地而分为中性点接 地系统和中性点绝缘系统，另外还有中性点通过电 阻或电感接地的中性点非有效接地系统 定义：我国在 110kV 及以上的电力系统中多采用中 性点接地的运行方式，其目的是为了降低电力设备 的绝缘水平 目的：降低作用在设备绝缘上的电压，因此设备的 绝缘水平也可以降低，即达到缩小设备绝缘尺寸、 降低设备造价的目的 在正常情况下，流过接地装置的电流为系统的不平 衡电流，而在系统发生短路故障时将有数十千安的 短路电路流过接地装置，持续时间0.5s左右
一 避雷针和避雷线
基本原理
保护范围 绕击率
一 避雷针和避雷线
电力系统中需要安装直接雷击防护装置，广泛 采用的即为避雷针和避雷线（又称架空地线）。 避雷针适宜用于变电所、发电厂这样相对集中 的保护对象；避雷线适宜用于象架空线路那样 伸展很广的保护对象。
基本原理
当雷云放电接近于地面时它使地面电场发生畸变， 在避雷针（线）的顶端，形成局部电场强度集中的 空间，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电 向避雷针（线）放电，再通过接地线和接地装臵将 雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击 保护范围 保护范围：表示避雷装臵的保护效能，保护范围 是相对的，每一个保护范围都有规定的绕击（概） 率，绕击指的是雷电绕过避雷装臵而击中被保护物 体的现象。我国有关规程所推荐的保护范围对应于 0.1％的绕击率。
(一)单支避雷针
rx (h hx ) P rx (1.5h 2hx ) P
（（ hx h ） 2
（ hx
h ） 2
h – 避雷针高度 P – 高度修正系数 当h<30m时,P＝1 5 .5 当30m<h<120m时,P＝ h rx- 被保护物的高度 hx- 保护范围
（二）两支等高避雷针（通过叠加求出联合保护范围）
避雷器的保护原理与避雷针不同。它实质上是一种放电 器，并联连接在被保护设备附近，当作用电压Baidu Nhomakorabea过避雷
器的放电电压时，避雷器即先放电，限制了过电压的发 展，从而保护了其他电气设备免遭击穿损坏
避雷器有以下四种类型： 1. 2. 3. 4. 保护间隙 管式（排气式）避雷器 阀型避雷器 氧化锌避雷器
避雷器保护作用原理示意

总 结
电力系统中广泛采用避雷针和避雷线作为直接
雷击防护装臵。 保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压比 后者低，使过电压波被限制到保护间隙F的击 穿电压Ub。 变电所的防雷保护主要依靠阀式避雷器。 ZnO 具有一系列优点，是避雷器发展的主要方向， 正在逐步取代普通阀式避雷器和磁吹避雷器。 防雷接地装臵可以是单独的，也可以与变电所、 发电厂的总接地网连成一体。防雷接地所泄放 的电流是冲击大电流。
30kV/cm
1 先导放电通道；2 强游离区；3 主放电通道
分级先导：多次先导 主放电的重复过程， 每次间歇时
间为几十毫秒，放电次数一般为2~3次，最多为４０次

雷电放电由带电荷的雷云引起 大多数的放电发生在雷云之间－不危险 少数的放电发生在雷云和大地之间－危险 对地放电的雷云大多数带负电荷，实测75％～90％ 理解以下几点： 雷云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放 从电源性质看，相当于一个电流源的作用过程 人们能够测知的电量，重要是流过被击物体的电流
20世纪50年代
20世纪60年代 20世纪70年代 20世纪80年代
SIC磁吹避雷器，复合式避雷器
ZnO压敏电阻，用于电子设备的保护 ZnO避雷器，用于交直流电力系统发、变电设备的保护， 正逐渐取代SiC避雷器 合成绝缘ZnO避雷器，用于发、变电设备保护外，还包括 线路防雷及深度限制操作过电压等
悬挂式避雷器应用于变电站
三 雷电放电的计算模型
能够测知的电量，主要是流过被击物的电流。跟据计算模 型（电流源模型）推出雷电波的参数 国际上定义雷击小接地阻抗物体时，流过该物体的电流定 义为雷电流
Z0 i 2i0 2i0 Z0 Z
A
2 i0 Z0
雷电流源
Z
被击电路
四 感应过电压
在雷电放电的先导阶段（假设为负先导），线路处于雷 云及先导通道与大地构成的电场之中。由于静电感应， 最靠近先导通道的一段导线上感应形成形成束缚电荷 主放电开始以后，先导通道中的负电荷自下而上被迅速 中和。相应电场迅速减弱，使导线上的正束缚电荷迅速 释放，形成电压波向两侧传播 由于主放电的平均速度很快，导线上的束缚电荷的释放 过程也很快，所以形成的电压波u＝iZ幅值可能很高。这 种过电压就是感应过电压的静电分量
检测接地故障

近年来为了保证人身和财产安全，低压线路采用漏 电断路器等各种故障保护装臵。如果线路的一点产 生接地故障，为了使保护装臵动作，则必须产生足 够大的接地故障电流。为确保满足该条件，则在降 压变压器二次侧中性点接地，该接地可以称为接地 故障检测用的接地

对中性点接地的线路，如果电气设备外壳不接地， 当由于绝缘破坏等原因使设备外壳带电时，通过杂 散电容构成回路产生的电流将不足以使保护设备可 靠动作，因此应将设备外壳接地
开发年代 19世纪7080年代 棒型放电间隙和熔丝 19世纪末 20世纪20年代 20世纪30年代 20世纪40年代 角形保护间隙，防止雷击损坏设备绝缘而造成事故 铝避雷器，氧化膜避雷器 管式避雷器，主要用于发电厂、变电所进线和线路的保 护 SiC避雷器，用于交直流系统发变电设备的保护，40年代 至50年代迅速发展，并一直应用至今 保护装臵类型
(四)磁吹式避雷器
与普通阀式避雷器类似，主要区别采用了灭弧 能力较强的磁吹火花间隙和通流能力较大的高 温阀片。 1、旋弧型磁吹避雷器 2、灭弧栅型磁吹避雷器
(五)金属氧化物避雷器（MOA）
氧化锌(ZnO)，具有极其优异的非线性特性。 优点： 1）可省去串联火花间隙，结构大大简单 2）由于具有极好的非线性伏安特性，保护性能 优越 3）无续流、动作负载轻、能重复动作实施保护 4）流通容量大，能制成重载避雷器 5）耐污性好
保护间隙和管型避雷器在间隙击穿后，保护 回路再也没有限流元件，保护动作都要造成接 地故障或相间短路故障，保护作用增多电力系 统故障率，影响电力系统的正常、安全运行。 应用氧化锌避雷器，从根本上避免保护作用产 生接地故障或相间短路故障，且不用自动重合 闸装臵就能减少线路雷害停电事故。
避雷器发展经历：从放电间隙到氧化锌避雷器
1 — 保护间隙 2 — 排气式避雷器 3 — 阀型避雷器 4 — 氧化锌避雷器 5 — 被保护电器设备
避雷器的基本要求

具有良好的伏秒特性，以易于实现合理的绝缘配合

应有较强的绝缘强度自恢复能力，以利于快速切断工
频续流，使系统得以继续运行
避雷器与电气设备的伏秒特性配合图
(a) (b) (c) 1——电气设备的伏秒特性， 2——避雷器的伏秒特性