雷电及防雷保护装置

第九章雷电及防雷保护装置（2学时）9.1雷云放电及雷电过电压9.1.1雷云的产生和雷电放电过程电力系统在运行时，由于各种原因，系统中某些部分的电压可能升高，甚至大大超过正常工作电压，危及设备的绝缘。这种危及设备绝缘的过电压可能是大气过电压或内部过电压。其中，大气过电压是由于雷电而形成的，它是造成电力系统故障的主要原因之一。雷电是由雷云放电引起的，关于雷云的聚集和带电至今还没有令人满意的解释，目前比较普遍的看法是：热气流上升时冷凝产生冰晶，气流中的冰晶碰撞后分裂导致较轻的部分带负电荷并被风吹走形成大块的雷云；较重的部分带正电荷并可能凝聚成水滴下降，或悬浮在空中形成一些局部带正电的云区。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，离地大约500~10000m。它在地面上感应出大量的正电荷。随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度（大气中约为30kV/cm，有水滴存在时约为10kV/cm）时，就会发生云间或对大地的火花放电。在防雷工程中，主要关心的是雷云对大地的放电。雷云对大地放电通常分为先导放电和主放电两个阶段。云一地之间的线状雷电在开始时往往从雷云边缘向地面发展，以逐级推进方式向下发展。每级长度约10~200m，每级的伸展速度约107m/s，各级之间有10~100µs的停歇，所以平均发展速度只有（1~8）×105m/s，这种放电称为先导放电。当先导接近地面时，地面上一些高耸的物体（如塔尖或山顶）因周围电场强度达到了能使空气电离的程度，会发出向上的迎面先导。当它与下行先导相遇时，就出现了强烈的电荷中和过程，出现极大的电流（数十到数百千安），伴随着雷鸣和闪光，这就是雷电的主放电阶段。主放电的过程极短，只有50~100µs，它是沿着负的下行先导通道，由下而上逆向发展，故又称“回击”，其速度高达2×107~1.5×108m/s。以上是负电荷雷云对地放电的基本过程，可称为下行负雷闪；对应于正电荷雷云对地放电的下行正雷闪所占的比例很小，其发展过程亦基本相似。9.1.2雷击时的等值电路雷击地面发生主放电的开始，可以用图9－2中开关S的闭合来表示。图中Z是被击物与大地（零电位）之间的阻抗，σ是先导放电通道中电荷的线密度，S闭合之前相当于先导放电阶段。S突然闭合，相当于主放电开始，如图9－2（b）所示。发生主放电时，将有大量的正、负电荷沿先导通道逆向运动，并中和雷云中的负电荷。由于电荷的运动形成电流i，因此雷击点A的电位也突然发生变化（u=iZ）。雷电流i的大小与先导通道的电荷密度以及主放电的发展速度有关（i=σv）。在防雷研究中，最关心的是雷击点A的电位升高，而可以不考虑主放电速度、先导电荷密度及具体的雷击物理过程，因此可以从A点的电位出发来把雷电放电过程简化为一个数学模型，如图9－2（c）所示；进而得到其彼得逊等值电路，如图9－2中（d）、（e）所示。图中，Z0表示雷电通道的波阻抗（我国规程建议取300~400Ω）。需要说明的是：尽管雷云有很高的初始电位才可能导致主放电，但地面被击物体的电位并不取决于这一初始电位，而是取决于雷电流与被击物体阻抗的乘积。所以，从电源的性质看，雷电具有电流源的性质。研究表明，尽管先导放电是不规则的树枝状，但它还是具有分布参数的特征，作为粗略估计一般假设它是一个具有均匀电感、电容等分布参数的导电通道，即可以假设其波阻抗是均匀的。------------As-S)(a------------As-)(bs+vA(c)(a)先导放电；（b）主放电；（c）计算模型；（d）电压源等值电路；（e）电流源等值电路ZZZv0Zooo0u0i(d)(e)ZZ0Z0ZAAoo02u02ii0Z图9－2雷电放电模型和等值电路在雷击点A与地中零电位面之间串接着一个阻抗，它可以代表被击中物体的接地电阻R，也可以代表被击物体的波阻抗Z。从图9－2（e）中可以看出，当Z=0时，i=2i0；若ZZ0（如Z≤30Ω），仍然可得i≈2i0。所以国际上习惯于把流经波阻抗为零（或接近于零）的被击物体的电流称为“雷电流”。从其定义可以看出，雷电流i的幅值恰好等于沿通道Z0传来的流动电流波i0的幅值的两倍。9.2雷电参数及雷电活动特性9.2.1雷电流幅值和波形雷电放电涉及气象、地貌等自然条件，随机性很大，关于雷电特性的诸参数因此具有统计的性质，需要通过大量实测才能确定，防雷保护设计的依据即来源于这些实测数据。在防雷设计中，最关心的是雷电流波形、幅值分布及落雷密度等参数。(1)幅值分布的概率雷电流是单极性的脉冲波。对一般地区，我国现行标准推荐雷电流幅值分布的概率如下：88lgIP其中，I为雷电流幅值（kA）；P为幅值大于I的雷电流概率。例如，当雷击时，出现幅值大于50kA雷电流的概率为33%，大于88kA的概率为10%。该公式是从1025个有效的雷电流观测数据中归纳出来的。（9－1）对年雷暴日数小于20的地区（我国除陕南以外的西北地区、内蒙古的部分地区），雷电流幅值较小，P可按下式计算：44lgIP（9－2）(2)波形和极性虽然雷电流的幅值随各国气象条件相差很大，但各国测得的雷电流波形却是基本一致的。根据实测统计，雷电流的波头时间大多为1~5µs，平均为2~2.5µs。我国的防雷规程建议雷电流的波头时间取2.6µs，此时雷电流的平均波头陡度与幅值成正比，即6.2Ia（9－3）kA/s雷电流的波长大多为20~100µs，平均约为50µs，大于50µs的仅占18~30%。因此，在保护计算中，雷电流的波形可以采用2.6/50µs的双指数波。在线路防雷设计中，一般可取斜角平顶波头以简化计算，我国规程规定雷电波的波头时间采用2.6µs。而在特高塔的防雷设计中，为更接近于实际，可取半余弦波头，其表达式为)cos1(2tIi（9－4）其中，I为雷电流幅值；ω为角频率，ω=π/τf=1.2106s-1，τf——为波头时间（2.6s）。对半余弦波头，其最大陡度出现在t=τf/2时，其值为平均陡度的π/2倍。根据国内外的实测统计，75~90%的雷电流是负极性的。因此电气设备的防雷保护和绝缘配合一般都按负极性雷进行研究。9.2.2雷暴日和雷暴小时为了表征不同地区的雷电活动频繁程度，常用年平均雷暴日作为计量单位。雷暴日是一年中有雷电的天数，在一天内只要听到雷声就算一个雷暴日。我国各地雷暴日的多少和纬度及距海洋的远近有关。海南岛及广东的雷州半岛雷电活动频繁而强烈，平均年雷暴日高达100~133。北回归线（北纬23.5）以南一般在80以上（但台湾省只有30左右），北纬23.5到长江一带约为40~80，长江以北大部地区（包括东北）多在20~40，西北多在20以下。西藏沿雅鲁藏布江一带约达50~80。我国把年平均雷暴日不超过15的叫少雷区，超过40的叫多雷区，超过90的叫强雷区。在防雷设计中，要根据雷暴日的多少因地制宜。雷暴小时是一年中有雷暴的小时数，在一小时内只要听到雷声就算一个雷电小时。据统计，我国大部分地区雷暴小时与雷暴日之比约为3。我国规程建议采用雷暴日作为计算单位。9.2.3地面落雷密度和输电线路落雷次数雷暴日和雷暴小时中，包含了雷云之间的放电，而防雷实际中关心的是云—地之间的放电。地面落雷密度表征了雷云对地放电的频繁程度，其定义为每平方公里每雷暴日的对地落雷次数，用γ表示。世界各国根据各自的具体情况，γ的取值不同。根据我国标准规定，对雷暴日T=40的地区，γ=0.07次/平方公里雷暴日。输电线路的存在，改变了雷云—地之间的电场分布，有引雷作用。根据模拟试验及运行经验，线路每侧的引雷宽度为2h（h为避雷线的平均高度，m）。因此，对雷暴日T=40地区，避雷线或导线平均高度为h的线路，每100km每年雷击的次数)4(28.01001000)4(hbThbN次（9－5）其中，b为两根避雷线之间的距离，m。9.3避雷针和避雷线雷电过电压的幅值可高达数十万伏、甚至数百万伏，如不采取防护措施，电力设备的绝缘一般是难以耐受的。防直击雷最常用的措施是装设避雷针（线）。当雷云的先导通道开始向下伸展时，其发展方向几乎完全不受地面物体的影响，但当先导通道到达某一离地高度，空间电场已受到地面上一些高耸的导电物体的畸变影响，在这些物体的顶部聚集起许多异号电荷而形成局部强场区，甚至可能向上发展迎面先导。由于避雷针（线）一般均高于被保护对象，它们的迎面先导往往开始得最早、发展得最快，从而最先影响下行先导的发展方向，使之击中避雷针（线），并顺利泄入地下，从而使处于它们周围的较低物体受到屏蔽保护、免遭雷击。在先导放电的起始阶段，由于和地面物体相距甚远（雷云高度达数km），地面物体的影响很小，先导随机地向任意方向发展。当先导放电发展到距地面高度较小的距离H时，才会在一定范围内受到高度为h的避雷针（线）的影响，发生对避雷针（线）的放电。在传统的避雷针保护作用的模拟试验中，一般当h≤30m时，采用H≈20h；当h＞30m时，H≈600m。避雷针（线）是接地的导电物，它们的作用就是将雷吸引到自己身上并安全地导入地中。因此，避雷针（线）的名称其实并不确切，叫做“引雷针（线）”更为合适。为了使雷电流顺利下泄，必须有良好的导电通道；因此，避雷针（线）的基本组成部分是接闪器（引发雷击的部位）、引下线和接地体。避雷针（线）的保护范围是指被保护物体在此空间范围内不致遭受雷击。由于雷电的路径受很多偶然因素的影响，要保证被保护物绝对不受直接雷击是不现实的，因此保护范围是按照99.9%的保护概率（即屏蔽失效率或绕击率为0.1%）而定的。保护范围是根据在实验室中进行的雷电冲击电压放电的模拟试验结果而求出的，并经多年实际运行经验的校核。hrhx水平面上保护范围的截面1.5hxh/2hx45o图9－3单支避雷针的保护范围9.3.1避雷针的保护范围单支避雷针的保护范围如图9－3所示，它是一个旋转的圆锥体。设避雷针的高度为h（m），被保护物体的高度为hx（m），在hx高度上避雷针保护范围的半径rx由下述公式决定：phhrhhphhrhhxxxxxx)25.1(2)(2时，当时，当（9－6）其中p是考虑避雷针高度影响的校正系数，称为高度影响系数。当h≤30m时，p=1；当30m＜h≤120m时，；当h＞120m时，按120m计算。hp5.5工程上多采用两根或多根避雷针以扩大保护范围。两支等高避雷针相距不太远时，由于两针的联合屏蔽作用，使两针中间部分的保护范围比单针时要大，避雷针外侧的保护范围与单根避雷针时相同，保护范围如图9－4所示。两针间保护范围的上部边缘应按通过两针顶点及中间最低点O的圆弧确定。O点的高度h0按下式计算：pDhh70（9－7）其中D为两针间的距离（m），系数p与式（9－6）中相同。两针间高度为hx的水平面上的保护范围的截面如图9－4（c）所示，其最小宽度bx为)(5.10xxhhb（9－8）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。图9-4两支等高避雷针的联合保护范围当两支避雷针不等高时，两外侧的保护范围仍按单针方法求出。两针之间的保护范围可按如下方法（如图9－5所示）确定：首先按单针作出高针1的保护范围，然后由低针2的顶点作水平线与之交与3，再设3为一假想避雷针的顶点，按两根等高避雷针的方法，求出2~3之间的保护范围。由于发电厂或变电站的面积较大，实际上都采用多支避雷针保护的方法。图9－6表示三支和四支等高避雷针的保护范围。对于三支避雷针的情况，其外侧的保护范围分别按两根避雷针的方法确定，其内侧根据被保护物体的高度hx，分别计算各相邻两针之间的保护范围，只要内侧的最小宽度都满足bx≥0，那么三支针组成的三角形的中间部分都能受到三支针的联合保护。四支及以上多支避雷针的保护范围，可先将其分成两个或多个三角形，然后按三支等高针的方法计算。123D'Df2h1h图9-5两支不等高避雷针1及2的保护范围123（a）4213（b）34xb31D12D12D23D23D4