雷电放电最终

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1、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4 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4 基 本 过 程 ： 先 导 放 电 阶 段 ； 主 放 电 阶 段1 先 导 放 电 通 道 ； 2 强 游 离 区 ； 3 主 放 电 通 道30kV/

2、cm 4 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 23次 ， 最 多 为 次 u 雷 电 放 电 由 带 电 荷 的 雷 云 引 起u 大 多 数 的 放 电 发 生 在 雷 云 之 间 不 危 险u 少 数 的 放 电 发 生 在 雷 云 和 大 地 之 间 危 险u 对 地 放 电 的 雷 云 大 多 数 带 负 电 荷 ， 实 测 75 90u 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

3、， 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 二 雷 电 参 数u 雷 电 活 动 频 率 雷 暴 日 及 雷 暴 小 时u 地 面 落 雷 密 度u 雷 道 波 阻 抗u 雷 电 流 幅 值u 雷 电 流 的 计 算 波 形 三 雷 电 放 电 的 计 算 模 型4 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=iZ4 先 导 放 电 通 道 具 有 分 布 参 数特 征 ，

4、称 为 雷 电 通 道 ， 其 波阻 抗 为 Z(300 )4 主 放 电 过 程 ， 自 雷 云 通 过 雷电 通 道 向 地 面 传 播 的 电 磁 波（ u 0、 i0） 到 达 A点4 由 c图 得 出 其 彼 德 逊 等 值 电路 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 00 00 22 iZZ Zii 2i0

5、Z0 ZA雷 电 流 源 被 击 电 路 四 感 应 过 电 压 v 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v 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v 由 于

6、 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 感 应 雷 电 过 电 压 与 相 邻 导 线 间 的 过 电 压 的 区 别v 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v 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

7、 应 源 同 时 发 生v 感 应 雷 电 过 电 压 的 波 前 平 缓 、 波 长 较 长v 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 一 避 雷 针 和 避 雷 线4 基 本 原 理4 保 护 范 围4 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 ；

8、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 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 保 护 范 围 ： 表 示 避 雷 装 置 的 保

9、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 。 (一 )单 支 避 雷 针 h 避 雷 针 高 度 P 高 度 修 正 系 数 当 h30m时 ,P 1 当 30mh120m时 ,P r x- 被 保 护 物 的 高 度 hx- 保 护 范 围 h5.5Phhr xx )( Phhr xx )25.1( ）（ （ 2hh x ）（

10、 2hh x （ 二 ） 两 支 等 高 避 雷 针 （ 通 过 叠 加 求 出 联 合 保 护 范 围 ） 避 雷 线 的 保 护 范 围u 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u 保 护 500kV大 型 超 高 压 发 变 电 站 （ 三 ） 单 根 避 雷 线Phhr xx )(47.0 Phhr xx )53.1( ）（ （ 2hh x ）（ 2hh x 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 )

11、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u 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u 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 超 过

12、 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 1. 保 护 间 隙2. 管 式 （ 排 气 式 ） 避 雷 器3. 阀 型 避 雷 器4. 氧 化 锌 避 雷 器避 雷 器 有 以 下 四 种 类 型 ： 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 保 护 作 用 原 理 示 意 u 具 有 良 好 的 伏 秒 特 性 ， 以 易 于 实 现 合 理 的 绝 缘 配

13、 合u 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 避雷器的基本要求 (a) (b) (c) 1 电 气 设 备 的 伏 秒 特 性 ， 2 避 雷 器 的 伏 秒 特 性避 雷 器 与 电 气 设 备 的 伏 秒 特 性 配 合 图 （ 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

14、没 有 专 门 的 灭 弧 装 置 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

15、 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 。 (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

16、 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 。 (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

17、 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

18、 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 置 就 能 减 少 线 路 雷 害 停 电 事 故 。 开 发 年 代 保 护 装 置 类 型19世 纪 7080年 代 棒 型 放 电 间 隙 和 熔 丝19世 纪 末 角 形 保 护 间 隙 ， 防 止 雷

19、击 损 坏 设 备 绝 缘 而 造 成 事 故20世 纪 20年 代 铝 避 雷 器 ， 氧 化 膜 避 雷 器20世 纪 30年 代 管 式 避 雷 器 ， 主 要 用 于 发 电 厂 、 变 电 所 进 线 和 线 路 的 保护20世 纪 40年 代 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20世 纪 50年 代 SIC磁 吹 避 雷 器 ， 复 合 式 避 雷 器20世 纪 60年 代 ZnO压 敏 电 阻 ， 用 于 电 子 设 备 的 保 护20世 纪 70年 代 Z

20、nO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20世 纪 80年 代 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 避雷器发展经历：从放电间隙到氧化锌避雷器 悬 挂 式 避 雷 器 应 用 于 变 电 站 避 雷 器 应 用 于 室内 变 电 站 入 口 处 三 防 雷 接 地4 工 作 接 地4 保 护 接 地4 防 雷 接 地 1 工 作 接 地 交 流 电 力 系 统 根 据 中 性 点 是 否

21、 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

22、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 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

23、 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 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

24、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4降 低 电 力 设 备 绝 缘 水 平4确 保 电 力 系 统 安 全 运 行 输 电 线 路 杆 塔 接 地 装 置 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

25、电 电 压 来 保 证 线 路 的 正 常运 行4 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 置 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 4 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 置 。 如 果 线 路 的 一 点 产

26、生 接 地 故 障 ， 为 了 使 保 护 装 置 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

27、地 4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 。4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

28、 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 4 接地电阻的定义及特性4 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 。4 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

29、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 总 结4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 置 。 4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。 4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 。 4防 雷 接 地 装 置 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 。