雷电及防雷设备

第五章雷电及防雷设备5.1雷电的电气参数电力系统中的大气过电压主要是由雷电放电所造成的。为了对大气过电压进行计算和采取合理的防护措施，必须掌握雷电的电气参数。5.1.1雷击时计算雷电流的等值电路和雷电流幅值0Z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。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0Z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）0Z——波阻抗主放电时L0Z0ZL计算雷电流的等值电路0ZjZZiZi雷击物体时电流波的运动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。Zi0Z0ZL计算电流的等值电路jZ流经物体的电流可用下式计算：jLZZZZvi00jZ——被击物体的波阻抗（或为被击物体集中参数的阻抗值）流经被击物体的电流波与被击物体的波阻抗有关，越大则越小，反之则越大。当时，流经被击物体的电流定义为“雷电流”，以表示，。但实际上被击物体的波阻抗不可能为零值，故规程建议雷击于低接电阻的物体时流过该物体的电流可以认为等于雷电流。ZijZjZZiZi0jZLiLLiijLZZZZvi00jLZZZZii00等值电流源电路ZiLijZ0ZZi0Z0ZiLjZ等值电压源电路jLZZZZvi00雷电流i为一非周期冲击波，其幅值与气象、自然条件等有关，是个随机变量，只有通过大量实测才能正确估计其概率分布规律。图5.45.1.2雷电流波形雷电流的波头和波尾皆为随机变量，对于中等强度以上的雷电流，波头在1——4微秒范围内，其平均波尾约为40微秒。雷电流的波头形状对防雷设计是有影响的，因此建议在一般线路防雷设计中波头形状可取为斜角波，其目的是为了便于分析计算；而在设计特殊高杆塔时，可取半余弦波头。5.1.3雷电日与雷电小时一个地区的雷电活动强度，用雷电日或雷电小时表示。雷电日（雷电小时）是指一年中有雷电的日数（小时数），在一天或一小时内只要听到雷声就作为一个雷电日或一个雷电小时。由于不同年份的雷电日数变化很大，所以均采用多年平均值——年平均雷电日。全国53年(1954~2006)平均雷电日数分布图我国把年平均雷电日不超过15日的地区叫少雷区，多于40日的地区叫多雷区，多于90日的地区叫强雷区。5.1.4地面落雷密度和输电线路落雷次数雷云对地放电的频率可用地面落雷密度来表示。是指每个雷电日每平方公里的地面上的平均落雷次数。建议：雷电日平方公里次/015.0卫星观测10年(1995－2005)得到的全国平均闪电密度分布图输电线路高出地面有引雷作用，会将线路两侧一定宽度内的地面落雷吸引到线路上来。根据模拟试验和运行经验，一般高度的线路的等值受雷面的宽度为10h（h为线路平均高度（m）），线路年平均遭受雷击的次数可按下式计算：电日数线路经过地区年平均雷—线路受雷击次数—年公里次TNThN100/100100010雷电日平方公里次/015.05.2避雷针、避雷线的保护范围避雷针、避雷线的作用将雷电吸引到避雷针（避雷线）上并安全地将雷电流引入大地，从而保护设备。因此，为防止设备遭受直接雷击，通常采用装设高于被保护物的避雷针（或避雷线）。避雷针一般用于保护发电厂和变电所，可根据不同情况装设在配电构架上，或独立架设。避雷线主要用于保护线路，也可用于保护发、变电所。要避雷针起到保护作用，两个要求：要求避雷针必须很好接地；要求被保护物体必须处在避雷针能提供可靠屏蔽保护的一定空间范围内，这就是避雷针的保护范围。由于雷电路径受很多偶然因素的影响，因此要保证被保护物绝对不受直接雷击是不现实的。一般保护范围是指具有0.1%左右雷击概率的空间范围而言。实践证明，此雷击概率是可以接受的。避雷针避雷针的保护范围受保护区域受到保护失去保护避雷针图中的受保护区域并非100％安全受保护区域只是保证在该区域中雷击概率是很小的数值5.2.1避雷针的保护范围（1）单支避雷针在高度hx水平面上，其半径rx按下式计算：phhrhhxxx)(2时，phhrhhxxx)25.1(2时，hp——避雷针高度（m）——高度影响系数。单支避雷针保护范围上图中划定避雷针保护范围的方法称为折线法，用两段斜率不同的折线段确定保护范围（建筑防雷中采用滚球法确定保护范围）折线表达式中的p是修正系数，根据避雷针高度的不同进行有关修正hxhrxh/2rx=(h-hx)prx=(1.5h-2hx)p避雷针受保护区域避雷针保护范围折线法修正系数p——避雷针高度≤30m时避雷针高度h≤30m时修正系数p＝1hxhrxh/2rx=h-hxrx=1.5h-2hx避雷针受保护区域避雷针保护范围折线法h=30m修正系数p——避雷针高度＞30m时hrx=(h-hx)prx=(1.5h-2hx)p避雷针避雷针保护范围折线法h30m30m修正后未修正30m＜h≤120m时修正系数：如图可见，避雷针高度超过30m后其保护范围随高度而增大的趋势减缓hp30（2）双支等高避雷针两针外侧的保护范围可按单针计算方法确定，两针间的保护范围应按通过两针顶点及保护范围上部边缘最低点O的圆弧来确定，O点的高度h0按下式计算：pDhh70D——两针间的距离（m）两避雷针之间高度为hx水平面上保护范围的一侧的最小宽度：)(5.10xxhhb为保证两针联合保护效果，两针间距离与针高之比D/h不宜大于5。两支避雷针联合保护范围h折线的确定方法同单支避雷针避雷针1两支避雷针联合保护范围避雷针2h0=h-D/7pDAA'A--A'展开BB'B--B'展开两支避雷针的联合保护范围不是两个避雷针各自保护范围的“并集”，而是比这个并集要大一些图中蓝色虚线部分代表单支避雷针保护范围的界限（3）两支不等高避雷针2132h1hfDD两针外侧的保护范围仍按单针计算。两针内侧的保护范围先按单针作出高针1的保护范围，然后经过较低针2的顶点作水平线与之交于点3，再设点3为一假想的顶点，作出两等高针2和3的保护范围。5.2.2避雷线（又称架空地线）的保护范围（1）单根避雷线的保护范围可按下式计算：phhrhhxxx)53.1(2时，phhrhhxxx)(47.02时，单根避雷线保护范围hxhrxh/2rx=0.47(h-hx)prx=(h-1.53hx)p避雷线受保护区域避雷线保护范围（2）两根等高平行避雷线的保护范围两线外侧的保护范围应按单线计算，两线横截面的保护范围可以通过两线1，2点及保护范围上部边缘最低点O的圆弧确定，O点的高度应按下式计算：pDhh40D——两线间的距离（m）双避雷线联合保护范围hh/2rx=0.47(h-hx)prx=(h-1.53hx)p避雷线1受保护区域双避雷线联合保护范围D/4p避雷线2D双避雷线在输电线路上应用极为广泛避雷针与避雷线的应用范围•避雷针在变电所、发电厂等场合有广泛的应用（集中保护场合）。•避雷线适用于输电线路防雷（分布保护场合），在变电所里有时也在电气主回路上空布置多条避雷线进行雷电防护。避雷针是不是越高越好？•答案：ו随着避雷针高度的增加，其保护范围的增加越来越有限，同时其保护范围内免受雷击的概率变得不确定。•在提高避雷针高度上下功夫不如采用多针联合保护。5.3管型避雷器与阀型避雷器避雷器的作用限制过电压以保护电气设备，同时提高系统工作的可靠性。当系统中出现过电压时，避雷器既要保证电气设备不受过电压的损害，又要保证系统不会跳闸停电保证能可靠运行。避雷器的保护原理将流动过电压波中的雷电荷引入地中，限制过电压，保护其他电气设备。避雷器的类型保护间隙管型避雷器阀型避雷器氧化锌避雷器主要用来限制大气过电压，在超高压系统中还将用来限制内过电压或作内过电压的后备保护。避雷器的基本要求•绝缘强度的合理配合：避雷器的放电电压必须在一个确定的范围内才能发挥保护作用。因此避雷器与被保护设备的伏秒特性（即冲击绝缘强度）应有合理的配合。•绝缘强度的自恢复能力：避雷器一旦在冲击电压作用下放电，就造成对地短路。随之工频短路电流（工频续流）要流过此间隙，它以电弧放电的形式出现。当工频短路电流第一次过零时，避雷器应具有自行截断工频续流，恢复绝缘强度的能力，使电力系统得以继续正常工作，不致于跳闸停电。5.3.1保护间隙与管型避雷器主气隙辅助气隙瓷瓶保护间隙被保护设备角型保护间隙及其与被保护设备的连接保护间隙保护间隙由两个电极（即主间隙和辅助间隙）组成，它是最简单的一种避雷器。电极做成角型是为了使工频电弧在自身电动力和热气流作用下易于上升被拉长而自行熄灭。为使被保护设备得到可靠保护，间隙的伏秒特性上限应低于被保护设备绝缘的冲击放电伏秒特性的下限并有一定的安全裕度。当雷电波入侵时，间隙先击穿，工作母线接地，避免了被保护设备上的电压升高，从而保护了设备。过电压消失后，间隙中仍有由工作电压所产生的工频短路电流（称为续流），由于间隙的熄弧能力差，往往不能自行熄灭，将引起断路器的跳闸，这样，虽然保护间隙限制了过电压，保护了设备，但将造成线路跳闸事故，破坏系统的工作可靠性。此外，间隙间的电场是极不均匀电场，又裸露在大气环境中，受气象条件的影响很大，因此它的伏秒特性很陡，且分散性大，这将直接影响到它的保护效果。还有当间隙被击穿后是直接接地，将会有截波产生，不能用来保护有绕组的设备。由于它有以上的不足，也就限制了它的使用范围。通常可将间隙配合自动重合闸使用。S2S1内间隙外间隙产气管棒形电极工作母线环形电极管型避雷器管型避雷器管型避雷器实质上是一个能自动熄弧的保护间隙。它有两个互相串联的间隙:一个在大气中称为外间隙s2，其作用是隔离工作电压避免产气管被流经管子的工频泄露电流所烧坏；另一个间隙s1装在管内称为内间隙或灭弧间隙。外间隙内间隙管由纤维、塑料或橡胶等产气材料制成。雷击时，内外间隙同时击穿，雷电流经间隙流入大地；过电压消失后，内外间隙的击穿状态将由导线上的工作电压所维持，此时流经间隙的工频电弧电流为工频续流，其值为管型避雷器安装处的短路电流，工频续流电弧的高温，使管内产生大量气体，其压力可达数十以至上百个大气压，气体从开口端喷出，强烈地吹动电弧，使其在工频续流第一次经过零值时熄灭。管型避雷器的熄弧能力与工频续流大小有关，续流太大产气过多，管内气压太高将造成管子炸裂；续流太小，产气过少，管内气压太低不足以熄弧，故管型避雷器熄灭工频续流有上下限的规定，通常在型号中表明。管型避雷器的主要缺点：（1）伏秒特性较陡且放电分散性较大，而一般变压器和其他设备绝缘的冲击放电伏秒特性较平，二者不能很好配合；（2）管型避雷器动作后工作母线直接接地形成截断波，对变压器绝缘不利。（3）管型避雷器放电特性受大气条件影响较大。管型避雷器与保护间隙比较仅有一点改进，即能自动熄弧，其他缺点与保护间隙完全一样。因此，管型避雷器目前只用于保护输电线路的个别地段，如大跨越和交叉跨越处，或变电所的进线段。主气隙辅助气隙瓷瓶内间隙管型避雷器5.3.2阀型避雷器保护间隙和管型避雷器的共同严重缺点是：动作时产生截断波，伏秒特性陡，击穿电压不稳定。所以不能担负主变、发电机及变电站内主要设备的保护任务。进一步改进就出现了阀型避雷器。工作母线间隙电阻阀片阀型避雷器阀型避雷器的基本元件为间隙和非线性电阻，间隙与非线性电阻（又称阀片）相串联。（1）工作原理在电力系统正常工作时，间隙将电阻阀片与工作母线隔离，以免由母线的工作电压在电阻阀片中产生的电流烧坏阀片。当系统中出现过电压且其幅值超过间隙放电电压时，间隙击穿，由于间隙放电的伏秒特