第5章 雷电及防雷1

第5章雷电及防雷保护装置本章知识架构5.1概述•高压输电线路分布广袤，延伸地域复杂，容易遭受雷击，引起停电事故。运行统计资料表明，雷害是造成高压输电线路停电事故的主要原因。•雷电放电时所产生的雷电流高达数十、甚至数百千安，从而引起巨大的电磁效应、机械效应和热效应。从电力系统的角度来看，可能导致绝缘损坏，被击物炸毁、燃烧，导体熔断或通过电动力引起设备机械损坏。•雷击无法制止,可设法去预防和限制它的破坏性，即装设防雷保护装置，采用防雷保护措施。•常用的防雷保护装置有避雷针、避雷线、避雷器和接地装置等，其原理如图5.1所示5.1概述避雷针（线）用以防止雷电直接击中被保护物体，因此，也称直击雷保护装置。避雷器用以防止沿输电线路侵入变电站的雷电波毁坏电气设备，所以也称侵入波保护装置。接地装置是埋设于地下的一组导体。它的作用是减小避雷针（线）或避雷器与大地（零电位）之间的电阻值，以降低雷击时的过电压幅值。5.2雷电放电过程•在雷雨季节里，太阳使地面水分部分化为蒸气，同时地面空气受到热地面的作用变热而上升，成为热气流。热气流遇到高空的冷空气后，水蒸气便凝成小水滴，形成热雷云。此外，水平移动的冷气团或暖气团，在其前锋交界面上也会因冷气团将湿热的暖气团抬高而形成面积极大的锋面雷云。在足够冷的高空，如在4km以上，水滴也会转化为冰晶。•雷云的带电过程可能是综合性的。•雷云中的电荷分布也远不是均匀的。•在对地的雷电放电中，雷电的极性是指自雷云下行到大地的电荷的极性。据统计，无论就放电的次数还是放电的电荷量来说，90％左右的雷是负极性的。•最常见的雷电是自雷云向下开始发展先导放电的。5.2雷电放电过程1.负雷云的下行雷过程•下行负先导在发展中会分成数支，这和空气中原来随机存在的离子团有关。当先导接近地面时，会从地面较突出的部分发出向上的迎面先导。当迎面先导与下行先导的一支相遇时，就产生了强烈的“中和”过程，出现极大的电流（数十到数百千安），这就是雷电的主放电阶段，伴随着出现雷鸣和闪光。主放电存在的时间极短，约为50～100μs。主放电的过程是逆着负先导的通道由下向上发展的。主放电到达云端时就结束了，然后云中的残余电荷经过先前的主放电通道流下来，称为余光阶段。由于云中的电阻较大，余光阶段对应的电流不大（约数百安），持续的时间却较长（0.03～0.15s）。•由于云中可能存在几个电荷中心，所以在第一个电荷中心完成上述放电过程之后，可能引起第二个、第三个中心向第一个中心放电，因此，雷电可能是多重性的。第二次及以后的放电，先导都是自上而下连续发展的（无停歇现象），而主放电仍是由下向上发展的。第二次及以后的主放电电流一般较小，不超过30KA。2.正雷云的下行雷过程与上述过程基本相同。但下行正先导的逐级发展是不明显的。无论正、负的下行先导，当它击中电阻较大的物体（如岩石或高电阻率的土壤）时，也会出现无主放电过程的情况。5.2雷电放电过程3.当地面有高耸的突出物时，不论正、负雷都有可能出现由突出物上行的先导，这种雷叫上行雷。•上行负先导（此时雷云为正极性）也是逐级发展的，只是每级的长度较小（5～18m）。•上行正先导的逐级发展不明显。•无论正、负的上行先导，在先导到达雷云时，大部分并无主放电过程发生，其放电电流一般为数百安，而持续时间很长，可达0.1S。4.雷电放电瞬间功率虽然极大，但雷电的能量却很小，即其破坏力极大，但实际利用的价值却很小。5.2雷电放电过程5.3雷电参数1．雷电流的波形与极性实测结果表明，虽然一次雷电放电由多个分量组成，但每个分量的雷电流都是单极性的脉冲波，而且绝大多数的雷电流都是负极性的，2．雷电流的幅值、陡度、波头和波长•波头是指脉冲电流上升到幅值的时间；波长是指脉冲电流从起始到衰减至一半幅值的持续时间。•雷电流的幅值随各国自然条件的不同而差别较大，而各国测得的雷电流波形却基本相同。雷电流的波头长度据统计多出现在1～5μs的范围内，平均为2～2.5μs。我国在防雷设计中建议取2.6μs的雷电流波头长度。•雷电流陡度的直接测量更为困难，我国采用2.6μs的固定波头时间，即认为雷电流的平均陡度α和雷电流幅值I线性相关:α＝I／2.63．雷暴日（Td）、雷暴小时和地面落雷密度（γ）•在一天或者一小时内只要听到雷声就算一个雷暴日（雷暴小时）•雷暴日的分布与地理位置有关。一般热而潮湿的地区比冷而干燥的区域多，陆地比海洋多，山区比平原多，阳面比阴面多。我国规定等于或少于15雷暴日为少雷区，40雷暴日以上为多雷区，超过90雷暴日为强雷区。•落雷密度γ指每雷暴日中每平方公里内落雷的次数。5.4避雷针和避雷线的保护范围5.4.l避雷针概述•防直击雷最常用的措施是装设避雷针（线）。•原理：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。•避雷针（线）的作用就是将雷吸引到自己身上并安全地导入地中。•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。保护范围是按照99.99％的保护概率（即屏蔽失效率或绕击率为0.l％）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算出的，并经多年实际运行经验的校核。5.4.2避雷针的保护范围5.4.3避雷线•避雷线（即架空地线）的作用原理与避雷针相同，主要用于输电线路的保护，也可用来保护发电厂和变电所。对于输电线路，避雷线除了防止雷电直击导线外，同时还有分流作用，以减小流经杆塔入地的雷电流，从而降低塔顶电位。而且避雷线对导线的耦合作用还可降低导线上的感应过电压。•避雷线的保护范围计算与避雷针基本相同。单根避雷线的保护范围如图5.5所示，并可按下式计算：5.4.3避雷线保护角是指避雷线与外侧导线之间的夹角，α越小，避雷线对导线的屏蔽保护作用越有效。为了降低正常运行时避雷线中感应电流的附加损耗，超高压线路常采用避雷线绝缘子，使避雷线通过一个小间隙再接地。正常运行时避雷线对地绝缘，雷击时间隙击穿使避雷线接地。5.5避雷器5.5.1避雷器及其基本要求•功能：避雷器（F）是用来防止雷电产生的过电压波沿线路侵入变配电所或其他建筑物内，以免危及被保护的电气设备的绝缘。•原理：避雷器实质上是一种限压器，并联在被保护设备的附近，当线路上传来的过电压超过避雷器的放电电压时，避雷器先行放电，把过电压波中的电荷引入地中，限制了过电压的发展，从而保护了其他电气设备免遭过电压的损害而发生绝缘损坏。•为了达到预想的保护效果，避雷器应满足以下基本要求。（1）具有良好的伏秒特性。避雷器与被保护设备之间应有合理的伏秒特性的配合，要求避雷器的伏秒特性比较平直、分散性小，避雷器伏秒特性的上限应不高于被保护设备伏秒特性的下限。（2）具有较强的绝缘自恢复能力。避雷器应具有能自行截断工频续流、恢复绝缘强度的能力，使电力系统能继续正常运行。•按其发展历史和保护性能的改进过程，避雷器主要分为保护间隙、管型避雷器、普通阀式避雷器及金属氧化物避雷器等类型。（一）保护间隙•保护间隙（FG）又称角型避雷器。保护间隙简单经济，维修方便，但灭弧能力小，保护性能差，容易造成系统接地或短路故障，引起线路开关跳闸或熔断器熔断。使线路停电。因此对于装有保护间隙的线路，一般要求装设自动重合闸装置，以提高供电可靠性。•保护间隙的安装---一个电极接线路，另一个电极通过接地线接地。为防止间隙被外物短接而造成接地或短路故障，只有一个间隙的保护间隙，必须在其公共接地引下线中间串入一个辅助间隙，这样即使主间隙被外物短接，也不致造成线路接地或短路。•保护间隙常用于配电系统、线路绝缘较薄弱处和发、变电所进线段保护。（二）排气式避雷器（FE）•组成又称管型避雷器，由产气管、内部间隙和外部间隙等三部分组成。•原理当雷电过电压波沿线路袭来时，排气避雷器的内、外间隙被击穿，强大的雷电流通过接地线泄放入地。由于这种避雷器放电时内阻接近于零，所以残压极小，但工频续流极大。雷电流和工频续流使产气管内部间隙发生强烈电弧，使管内壁材料烧灼而产生大量灭弧气体，由管口喷出，强烈吹弧，使电弧迅速熄灭。这时外部间隙的空气恢复绝缘，使避雷器与供电系统隔绝，恢复线路的正常运行。•排气式避雷器具有简单经济、残压很小的优点，但它动作时有电弧和气体从管中喷出，因此它只能用在室外，常用于配电系统、线路绝缘较薄弱处和发、变电所进线段保护。•排气式避雷器全型号的表示和含义排气式避雷器，其开断电流的上限，应不小于安装地点短路电流的最大有效值（计入非周期分量）；而开断电流的下限，应不大于安装地点短路电流的最小值（不计非周期分量）。因此排气式避雷器的全型号中表示有开断电流的上、下限。（三）阀式避雷器•组成主要由火花间隙和阀片组成，装在密封的瓷套管内。火花间隙用铜片冲制而成。每对间隙用厚0．5～lmm的云母垫圈隔开，阀片是用陶料粘固的电工用金刚砂（碳化硅）颗粒制成的，具有非线性电阻特性。•原理阀式避雷器在线路上出现雷电过电压时，其火花间隙被击穿，阀片电阻变得很小，能使雷电流顺畅地向大地泄放。当雷电过电压消失、线路上恢复工频电压时，阀片电阻又变得很大，使火花间隙的电弧熄灭，切断工频续流，从而复线路的正常运行。•典型产品FS4-10、FS-0.38阀式避雷器主要用于中小变配电所，称为“所用阀式避雷器”。FZ型(火花间隙旁并联有一串分流电阻。起均压作用，)用于发电厂和大型变配电站，通常称为“站用阀式避雷器”。FCD型磁吹阀式避雷器内部附加有磁吹装置来加速火花间隙中电弧的熄灭，从而进一步改善其保护性能，降低残压，专用来保护重要的而绝缘又较薄弱的旋转电机等。阀式避雷器全型号的表示和含义如下图5-32阀型避雷器的结构原理图FS4-10型（四）金属氧化物避雷器1．无火花间隙的金属氧化物避雷器其结构如图2－64所示。瓷套管内的阀电阻片是由氧化锌等金属氧化物烧结而成的多晶半导体陶瓷元件，具有理想的阀电阻特性。在雷电过电压作用下，其电阻变得很小，能顺畅地对地泄放雷电流。而在随后的工频电压下，其电阻又变得很大，从而能迅速有效地阻断工频续流。2．有火花间隙的金属氧化物避雷器其结构与前述的普通阀式（FS型）避雷器类似，只是这种金属氧化物避雷器采用的是氧化锌阀电阻片，其非线性特性更优异，因此有取代普通碳化硅阀式避雷器的趋向。3.金属氧化物避雷器全型号的表示和含义（四）金属氧化物避雷器5.5.2金属氧化物非线性电阻片金属氧化物非线性电阻片（MOV）具有优异的非线性伏安特性，是理想的过电压保护器件。1．金属氧化物非线性电阻片的构成•通常，MOV是由氧化锌（ZnO）、氧化铋（Bi2O3）、氧化钻（Co2O3）、氧化锑（Sb2O3）等金属氧化物组成。其中，ZnO占总摩尔数的90％以上。•MOV的微观结构如图5.7所示。它由ZnO晶粒，晶界层和尖晶石三部分组成。•ZnO晶粒是结构的主体，电阻率较低。包围在ZnO晶粒外的是晶界层。晶界层将各晶粒隔开，主要成分是Bi2O3，使电阻片具有明显的压敏特性。尖晶石是氧化锌和氧化锑为主组成的复合氧化物，尖晶石的作用是在烧结过程中，抑制ZnO晶粒的过分长大，以免晶界层减少，非线性特性变差。2．金属氧化物非线性电阻片的伏安特性•MOV的全伏安特性可分三个典型区域。•区域Ⅰ是低电场区（小电流区或预击穿区），在此区域中，其导电机理是在外加电场作用下，ZnO晶粒和晶界层的界面势垒降低，热电子穿过势垒，产生电流——肖特基效应。以U=CIα表示伏安关系，C为常数，与MOV尺寸和特性有关；α为MOV的非线性系数，较大，故伏安特性曲线陡峭，电压变化对电流的影响较小。•区域Ⅱ是中电场