6.雷电放电及防雷装置

单根避雷针保护范围
双根等高避雷针保护范围
rx (h hx ) ph 当 hx h / 2 时：
rx (1.5h 2hx ) ph 当 hx h / 2时：
h0 h D / 7 ph bx 1.5( h0 hx )
hx-被保护物体高度； h-避雷针高度 P-高度修正系数
Hale Waihona Puke Baidu
• 避雷线
– 作用原理同避雷针，主要用于输电线路的保护， 也可用于保护发电厂和变电所 – 保护范围的长度与线路等长，而且两端还有其 保护的半个圆锥体空间 – 在架空输电线路上多采用保护角α来表示避雷 线的保护程度 – 保护角：避雷线的铅垂线与避雷线和边导线连 线的夹角， α越小，雷击导线的概率越小，对 导线的屏蔽保护越可靠
• 避雷针的基本构成： • 一个独立避雷针由接闪器、接地引下线和接 地装置组成。接闪器是指避雷针最上端1~2m 长的一段，一般由直径不小于 12mm 的圆钢 或直径不小于 20mm 的焊接钢管制成。接地 引下线是连接接闪器和接地装置的一段导体， 采用直径不小于8mm的圆钢或截面积不小于 48mm2、厚度不小于4mm的扁钢制作。接地 装置是接地体和接地线的总和，是为了降低 接地电阻而完成的接地整体。。既然避雷针 的实质是引雷装置，所以接闪器没有必要作 得很复杂、不用分叉、也不用采用镀银等。
由于雷云及先导电场的作用， 大地被感应出与雷云极性相反 的电荷。
主放电前
当先导发展到离大地一定距离 时，先导头部与大地之间的空气 间隙被击穿，雷电通道中的主放 电过程开始，主放电自雷击点沿 通道向上发展，若大地的土壤电 阻率为零，则主放电所到之处的 电位即降为零电位。

L
——先导中的电荷线密度 ——主放电速度 （实测表明，其速度约为0.1~0.5倍光速）
• 4 雷电的极性 • 负极性雷击均占75～90%，对设备绝缘危害较大, 防雷计算中一般均按负极性考虑。
• 5 雷电流幅值 （ I ） • 通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻(≤ 30Ω)的 物体时流过雷击点的电流。它近似等于电流入射 I 即 2I 0 I0 波 的两倍， 。 • 一般地区，雷电流幅值超过 I 的概率可按下式计 算 I lg P 88
• 6 雷电流的波前时间、陡度及波长 • 雷电流的波前时间T1处于1～4us的范围内， 平均为2.6us。波长T2（半峰值时间） 处于 20～100us的范围内，多数为40us左右。 • 我国防雷设计采用2.6/40us的波形；在绝缘 的冲击高压试验中，标准雷电冲击电压的波 形定为1.2/50us 。 • 我国规定波前时间T1=2.6 us • 雷电流波前的平均陡度 (kA/us) • 波前陡度的最大极限值一般可取50 kA/us左 右。
四、雷电过电压的形成
1.直击雷过电压 雷击地面由先导放电转变为主放电的过程可以用一根已充电 的垂直导线突然与被击物体接通来模拟。
+
(a)模拟先导放电
图 雷击大地时的计算模型 (b)模拟主放电 (c)主放电通道电路
(d)等值电路
Z0

雷电先导通道中带有与雷云 极性相同的电荷（一般雷云多 为负极性），自雷云向大地发 展。
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。
三、雷电参数
• 1 雷电活动频度 雷暴日及雷暴小时 • 雷暴日Td是一年中发生雷电的天数，以听到雷声 为准，在一天内只要听到过雷声，无论次数多少， 均计为一个雷暴日。 • 雷暴小时Th是一年中发生雷电放电的小时数，在 一个小时内只要有一次雷电，即计为一个雷电小 时。 • 一个雷暴日折合三个雷暴小时。 • 雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形 地貌有关 • Td <15，少雷区； Td >40，多雷区； Td >90，强 雷区
• 2 地面落雷密度( )和雷击选择性 • 表示每平方公里地面在一个雷暴日受到的平均雷 击次数。 • 我国标准对Td ＝40的地区，取 ＝0.07 • 3 雷道波阻抗（Z0） • 雷电通道长度数千米，半径仅为数厘米，类似于一 条分布参数线路，具有某一等值波阻抗，称为雷道 波阻抗。 • 主放电过程可看作是一个电流波沿着波阻抗为Z0的 雷道投射到雷击点的波过程。 • 我国有关规程建议取Z0≈ 300Ω
图 感应雷过电压的形成 (a)先导放电阶段 （b）主放电阶段
• 在先导放电阶段，虽然有束缚电荷的存在，但是由于负电 荷移动较慢，故线路上产生的的电流较小，相应的电压也 较小，可忽略。主放电阶段，负电荷迅速被中和，束缚的 正电荷产生的电场使导线对地形成一定电压，而雷电流产 生的磁通在导线也感应出一定电压。这两者之和就是感应 雷击过电压，分别称为雷击过电压的静电分量和电磁分量。
• 以上是没有避雷线的情况，如果在导线上方装有 接地的避雷线，由于它的电磁屏蔽作用，会使导 线上的感应过电压降低，因为在导线的附近出现 了带地电位的避雷线，会使导线的对地电容C增大， 另一方面，避雷线位于导线之上，吸引了一部分 电力线，使导线上感应出来的束缚电荷Q减少。导 线的对地电压为: U=Q/C • 显然Q的减少和C的增大将使电压U降低。 • 另一方面，从电磁感应的角度来看，装设避雷线 相当于在“导线—大地”回路的近旁增加了一个 “避雷线—大地”短路环，因而部分抵消导线上 的电磁感应电动势，所以感应雷击过电压的电磁 分量会受到削弱。
• 雷击所造成的危害主要有两种形式：
• 一是带电的云层对大地上的某一点发生猛烈放电， 叫“直击雷”。当“直击雷”发生时，往往会对 地面的物体产生强大的打击作用，其破坏力也是 巨大的。 • 另一种叫“感应雷”，它的形成过程是由带电云 层的静电感应作用，使地面某一范围带上异种电 荷。当“雷电”发生后，云层带电迅速消失，而 地面某些范围内由于地电阻或导体电阻的存在， 当瞬间大电流流过时，就会导致小范围或局部的 瞬间过电压。或者由于直击雷放电过程中，强大 的脉冲电流周围的导线或金属物产生电磁感应而 发生瞬间过电压，以致形成闪击的现象，称“感 应雷”。“感应雷”造成的瞬间过电压，指在微 秒到毫秒之内产生的尖峰冲击电压。
•
• 感应雷击过电压与相邻导线间的感应电压有 很大的不同：
• （1）感应雷击过电压的极性一定与雷云的极性相 反，而相邻导线间的感应电压的极性一定与感应源 相同。 • （2）这种感应过电压一定要在雷云及其先导通道 中的电荷被中和后，才能出现，而相邻导线间的感 应电压却与感应源同生同灭。 • （3）感应雷击过电压的波前平缓（T1=数微妙到数 十微妙）、波长较长（T2=数百微妙）。 • （4）感应雷击过电压在三相导线上同时出现，且 数值基本相等，故不会出现相间电位差和相间闪络； 如幅值较大，也只可能引起对地闪络。
双根不等高避雷针保护范围
两平行避雷线保护范围
避雷线保护角
单根避雷线保护范围
• 单支避雷针的保护范围是一个以其本体为轴线的 曲线圆锥体，像一座圆帐篷。它的侧面边界线实 际上是曲线，但我国规程建议近似地用折线来拟 合，以简化计算。 • 不难看出：最大的保护半径即为地面上（hx=0） 的保护半径rg=1.5h。 • 从h越高、修正系数P越小可知：为了增大保护范 围，而一味的提高避雷针的高度并非良策，合理 的解决办法应是采用多支（等高或不等高）避雷 针做联合保护。 • 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 ，这是因为它的引雷空间要比同样高度 的避雷针小。
第一节 雷电放电和雷电过电压
雷云的形成 雷电放电过程 雷电参数 雷电过电压的形成
一、雷云的形成
• 雷云的形成机理获得比较 广泛认同的是水滴分裂起 电理论：大水滴分裂成水 珠和细微的水沫，出现电 荷分离现象，大水珠带正 电，小水沫 带负电，细微 水沫被上升 气流带往高空， 形成大片 带负电的雷云。 • 雷云下部局部正电荷区。
第二节 防雷保护装置
避雷针和避雷线 保护间隙和避雷器 防雷接地
• 现代电力系统中实际采用的防雷保护装置 主要有：避雷针、避雷线、保护间隙、各 种避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器 组、消弧线圈、自动重合闸等等。
• 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。 • 保护原理：当雷云放电时使地面电场畸变，在避雷针顶端 形成局部场强集中的空间以影响雷电先导放电的发展方向， 使雷电对避雷针放电，再经过接地装置将雷电流引入大地 从而使被保护物体免遭雷击。 • 保护范围：表示避雷装置的保护效能，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 电绕过避雷装置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。
雷电放电的发展过程
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 30 ~ 90 μs 的间隔。发展速度约为100~1000km/s 。 主放电：时间 50 ~ 100 μs， 移动速度为20000~150000km/s ； 主放电时电流可达数百千安。
• 雷电放电实质上是一种超长气隙的火花放电， 它所产生的雷电流高达数十、甚至数百千安， 从而会引起巨大的电磁效应、机械效应和热 效应。 • 从电力工程的角度来看，最值得我们注意的 两个方面是： 雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电 压，它是造成电力系统绝缘故障和停电事故 的主要原因之一 ； 产生巨大电流，使被击物体炸毁、燃烧、使 导体熔断或通过电动力引起机械损坏。
Z0


Z 0 ——波阻抗
主放电时
Z0
iZ
0
若雷击于具有分布参数特 性的避雷针、线路或导线时， 则雷击时电流的运动可描述如 图，负极性电流波将自雷击点 “0”沿被击物流动，同时，相 同数量的正极性电流波将自雷 击点“0”沿通道向上发展。
iZ
Zj
雷击物体时电流波的运动
2.感应雷过电压
由于雷云对地放电过程中，放电通道周围空间电磁场的急剧变化，会在 附近线路的导线上产生过电压。在雷云放电的先导阶段，先导通道中充满了 电荷，如图（a）所示当先导到达附近地面时，主放电开始，先导通道中的电 荷被中和，与之相应的导线上的束缚电荷得到释放，以波的形式向导线两侧 运动，如图（b）所示。
• 雷电放电过程 • 作用于电力系统的雷电过电压最常见的 （约90%）是由带负电的雷云对地放电引 起，称为负下行雷，下面以负下行雷为例 分析雷电放电过程。负下行雷通常包括若 干次重复的放电过程，而每次可以分为先 导放电、主放电和余辉放电三个阶段。 • 雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的 火花放电。
第6章
雷电放电及防雷保护装置
人们对雷电现象的科学认识始 于18世纪中叶，著名的富兰克 林风筝实验，第一次向人们揭 示了雷电只不过是一种火花放 电的秘密，通过大量实验取得 卓越成就，建立了现代雷电学 说，认为雷击是云层中大量阴 电荷和阳电荷迅速中和而产生 的现象。特别是利用高速摄影、 自动录波、雷电定向定位等现 代测量技术对雷电进行的观测 研究，大大丰富了人们对雷电 的认识。
•
探测气球所测得的云中电荷分布表明，在雷 云的顶部往往充斥着正电荷。（另外一种起电机 理解释）在离地面4~5km的高空，大气温度经常 处于-10~-20℃，因而此处的水分已变成冰晶，它 们与空气摩擦时也会起电，冰晶带负电、空气带 正电。带正电的气流携带着冰晶碰撞时造成的细 微碎片向上运动，使雷云的上部充满正电荷，而 带负电的大粒冰晶下降到云的下部时，因此处气 温已在0℃以上，冰晶融化为带负电的水滴。 • 整块雷云可以有若干个电荷中心，负电荷中心位 于雷云的下部、距地面500~10000m的范围内。 直接击向地面的放电通常从负电荷中心边缘开始。
7 雷电流的计算波形
• 8 雷电的多重放电次数及总延续时间 • 有55％的对地雷击包含两次以上的重复冲击； 3～5次冲击者有25%；10次以上者有4%。 平均重复冲击次数取3次。 • 一次雷电总延续时间，有50%小于0.2s。 • 9 放电能量 • 放电能量其实不大，但是在极短时间内放出 的，因而所对应的功率很大。雷电放电就象 把原先产生雷云时所吸收的能量在一瞬间返 还给大自然。