第十三节绝缘接地及防雷技术(一)

2019/12/18绝缘、防雷及接地技术2019/12/18雷电的危害全球任何时刻大约有2000个地点遇上雷暴，平均每天约发生800万次闪电，每次闪电在微秒级的瞬间释放出约55kW.h的能量。•森林火灾有50％以上因雷电引发；•人们居住生活的建筑物屡遭雷击破坏；•电力、石化等工业设施常因雷击而发生灾难性事故。2019/12/18雷灾的特点(1)受灾面大大扩展，从电力、建筑这两个传统领域扩到几乎所有行业部门。(2)从二维空间入侵变为三维人侵。从闪电直击，过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场从三维空间入侵到任何角落，无孔不入地造成灾害。（3）雷灾的经济损失和危害程度大大增加了，它袭击的对象本身的宜接经济损失并不太大，面由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。（4）微电子技术的应用广泛渗透到各种生产和生活领域促进社会经济的发展，这是大好事。但是微电子器件极端灵敏、它的这一特点又容易受到无孔不入的LEMP的作用，或者造成微电子设备的失控，或者是损坏。2019/12/18牵引供电系统防雷技术研究意义雷电放电在供电系统中引起很高的雷电过电压，它是造成供电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。2019/12/18高速铁路防雷技术研究的意义广深铁路自1998年开通以来，发生多起雷击引起设备损坏的事故。广深铁路长139.46km，在2000年1月间共发生雷击接触网跳闸45次，其中广深线平湖牵引变电所雷击跳闸占事故总跳闸的比例达57.7%.南昆线昆明局管内的325.8km接触网，在1999年3月27～8月31日期间，发生雷击接触网跳闸85次。2019/12/18雷电的本质早在18世纪初，富兰克林等物理学家已经揭示了“闪电就是电”的本质，而随着物理学的进一步发展，人们对雷电这一自然现象有了更深刻的认识。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。2019/12/18闪电的分类（形状）枝状闪电带状闪电2019/12/18闪电的分类（形状）叉状闪电片状闪电2019/12/18闪电的分类（形状）云间闪电2019/12/18闪电的分类（形状）球状闪电联珠状闪电2019/12/18闪电的分类（形状）晴天霹雳2019/12/18闪电的分类按空间位置分类:云闪：云内闪电和云际闪电（两片云之间）。地闪：俗称落地雷，防雷研究主要对象。云闪地闪2019/12/18四种不同类型的地闪四种不同类型的地闪示意图正地闪：将云中正电荷释放到地。负地闪：将云中负电荷释放到地。2019/12/18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。雷电的形成2019/12/18雷电的形成国外雷云电荷分布示意图图示为美国肯尼迫航天中心和美国国家航天局于1990年发布的关于雷云电荷分布的研究成果。最上部为正电荷区(P区)、中间为负电荷区(N区)和下部为正电荷区(P区)。2019/12/18雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的火花放电。第一次主放电箭状先导第三次主放电雷电的放电过程2019/12/18雷击的种类一、直击雷雷云直接对地面建筑物或人放电2019/12/18雷击的种类二、感应雷雷云通过静电感应或电磁感应，在附近的金属体上产生感应电压2019/12/18雷击种类三、雷电电磁脉冲（LEMP）雷电电磁脉冲对信号及通信系统造成干扰。并损坏敏感电子元件2019/12/18(一)雷电放电的计算模型雷电过电压2019/12/18直接雷击过电压典型实例分析雷击于地面接地良好的物体（假设接地电阻Ri=15Ω）根据彼德逊法则，接地点（A）的电流计算可等效为右图，则计算得到电流iA≈2i0（推导计算），A点电压uA=iARi2i0Z0RiAO2019/12/18直接雷击过电压典型实例分析雷击于导线或档距中央避雷线根据彼德逊法则，接地点（A）的电流计算可等效为下图，令Z0=300Ω，Z=400Ω，计算A点电压。2019/12/18雷击于线路附近大地的情况雷击于线路附近大地或接地的线路杆塔顶部等，在绝缘的导线上引起感应过电压。感应过电压典型实例分析2019/12/18(一)雷电活动频度雷暴日（Td）：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）：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。注意点（1）一个雷暴日折合三个雷暴小时。（2）雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关（3）Td15，少雷区；40，多雷区；90，强雷区雷电参数2019/12/18(二)地面落雷密度地面落雷密度g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g=0.07。运行经验表明：某些地面落雷密度远远大于上述平均值，它们或者是一块土壤电阻率远小于周边地区的场地、或者在山谷边的小河近旁、或者是迎风的山坡等。它们被称为易击区，在为发电厂、变电所、输电线路选址时应尽量避免这些地方。雷电参数2019/12/18(三)雷道波阻抗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(四)雷电波的极性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。雷电参数2019/12/1802II88lgIP(五)雷电流幅值通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻(Ri≤30Ω)的物体时流过雷击点的电流。它近似等于电流入射波I0的两倍，即I一般地区，雷电流幅值超过的概率可按下式计算雷电参数2019/12/18波前陡度的最大极限值一般可取50kA/us左右。(六)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1.2/50us6.2Ia雷电流波前的平均陡度(kA/us)雷电参数2019/12/18(七)雷电流的计算波形1、双指数波2、斜角波3、斜角平顶波4、半余弦波雷电参数2019/12/18(八)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(九)放电能量A=QU=107V×20C＝20×107W.s，放电能量不大，但是在极短时间内放出的，因而功率很大。雷电参数2019/12/181、雷电流的特性雷电放电速度很快，雷电流的幅值很大，陡度很高，且其电流的大小与土壤电阻率、雷击点的散流电阻有关。2、雷电的危害分为三类直击雷——雷直接击在建筑物和设备上而发生的机械效应和热效应。感应雷——雷电流产生的电磁效应和静电效应。高电位的引入——雷电流沿电气线路和管道引入建筑物的内部。雷电防护基础2019/12/183、耐雷水平电气设备或其他设备能承受的最大雷电流冲击而不至于损坏时的电流，单位一般是kA。2019/12/18现代防雷体系高空防雷区低空防雷区地下防雷区2019/12/18高空防雷区2019/12/18低空防雷区2019/12/18地下防雷区2019/12/18接闪器防护范围的确定接闪器（避雷针、避雷线、避雷带、避雷网）的防护范围一般用滚球法明确定，不同的防雷等级所用球的半径不同2019/12/18输电线路避雷线的防雷效果采用不同半径的滚球所得到到避雷线的防护范围不一样，对应的绕击概率也不相同2019/12/18只要能设法制止上述发展过程中任一环节的实现，就可避免雷击引起长时间停电事故。线路雷害事故发展过程及防护措施2019/12/18(一)避雷线（架空地线）110kV及以上架空输电线路防雷措施是沿全线架设避雷线；35kV及以下的线路主要依靠架设消弧线圈和自动重合闸来进行防雷保护。（二）降低杆塔接地电阻提高线路耐雷水平和减少反击概率的主要措施。杆塔的工频接地电阻一般为10～30Ω。（三）加强线路绝缘增加绝缘子串中的片数、改用大爬距悬式绝缘子、增大塔头空气间距等等，但有相当大的局限性。一般优先采用降低杆塔接地电阻的办法来提高线路耐雷水平。（四）耦合地线作为一种补救措施，具有一定的分流作用和增大导地线之间的耦合系数，因而能提高线路的耐雷水平和降低雷击跳闸率。输电线路上采用的各种防雷保护措施2019/12/18(五)消弧线圈能使雷电过电压所引起来的一相对地冲击闪络不转变成稳定的工频电弧，即大大减小建弧率和断路器的跳闸次数。(六)避雷器仅用作线路上雷电过电压特别大或绝缘薄弱点的防雷保护。它能免除线路绝缘的冲击闪络，并使建弧率降为零。(七)不平衡绝缘一回路的三相绝缘子片数少于另一路的三相。(八)自动重合闸线路绝缘不会发生永久性的损坏或劣化。输电线路上采用的各种防雷保护措施2019/12/18接触网无避雷线，不能有效防止直击雷。铁路隧道内接触网对地的空气间隙太小，规范规定困难值为240mm，耐雷水平仅11kA，超过雷电流概率为75％，与绝缘子不匹配。接触网支柱是利用回流线作闪络保护地线的集中接地，支柱基础上的螺栓可起到一定的接地作用，但普遍接地电阻较大。接触网防雷技术可以参考输电线路的防雷措施，但从客观环境看，接触网防雷较为复杂一些。接触网防雷的特点接触网的防雷2019/12/18日本防雷现状区域划分防雷措施架空避雷线避雷器设置位置A区雷害严重且重要线路，进行全面防雷保护全线架设避雷线1.牵引变电所出口2.接触网隔离开关两侧3.架空线与电缆连接处4.架空线终端B区雷害比较严重且重要的线路，对雷害场所、重点设备进行必要的防雷保护特别需要的场所沿接触网架设避雷线1、牵引变电所出口2、接触网隔离开关两侧3、架空线与电缆连接处4、架空线终端C区A和B以外的区域1.牵引变电所出口2.接触网隔离开关两侧3.架空线与电缆连接处2019/12/18S状horn每间隔200m加一个带放电horn的绝缘子来分段在架空地线分段区间的中间进行接地。接地阻抗30Ω以下2019/12/18～信号設備単巻変圧器饋電変電所線条変圧器AT供电线接触导线钢轨AT保护线中性线避雷器放电开始电压42kV放电器放电开始电压：5kV接地阻抗10Ω以下2019/12/18国内接触网防雷现状在TB10009-98《铁路电气牵引供电设计规范》中规定：1、吸流变压器的原边应设避雷装置。2、重雷区及超重雷区，下列重点位置应设避雷装置。1）分相和站场端部的绝缘关节；2）长度2000m及以上隧道的两端；3）供电线或AF线连接到接触网上的连接处。通过规范可以看出，我国电气化铁路接触网防雷工程设计中，除了通过绝缘子自恢复绝缘外，还在接触网系统相关位置设置了避雷器以达到防雷的目的。2019/12/181－避雷器2－回流线3－承力索4－接触网导线图4接触网示意图加避雷器2019/12/18两种主要的避雷器用于接触网线路的避雷器主要有两种，一种是火花间隙形避雷器，另一种是氧化锌避雷器2019/12/18在接触网上安装避雷器的优点:•避雷器的体积小、重量轻，安装在现有接触网上不会明显增加支柱的机械负荷。•避雷器的结构紧凑、安装方式简单，便于现场安装和更换。•避雷器的保护水平与接触网的绝缘水平配合良好，特别是带间隙避雷器的50％冲击放电电压与接触网绝缘子的放电特性一致，且正、负极性的分散性要小。2019/12/18变电所的防雷保护变电所的直击雷保护避雷器保护变电所的进线段保护变电所防雷的几个具体问题2019/12/18装设避雷针或