1、 研究雷電過電壓的必要性： 雷電現象極為頻繁，產生的雷電過電壓可達數千kV，足以使電氣設備絕緣發生閃絡和損壞，引起停電事故。有必要理解雷電產生的原因、過程及參數，以理解防雷原理及設計防雷設備。有必要對輸電線路、發電廠和變電所的電氣裝置采取防雷保護措施。第5章 雷電及防雷設備 雷電的電氣參數 避雷針、避雷線的保護范圍 管型避雷器和閥型避雷線 金屬氧化物避雷器5.5 防雷接地裝置本章內容5.1 雷電的電氣參數 從電力工程的角度來看，雷電放電最值得我們注意的兩個方面是： 雷電放電在電力系統中引起很高的雷電過電壓，它是造成電力系統絕緣故障和停電事故的主要原因之一 產生巨大電流，使被擊物體炸毀、燃燒、使

2、導體熔斷或通過電動力引起機械損壞。先導放電階段 負極性雷在地面上感應出正電荷，雷云與地面之間形成強電場，雷云中的負電荷受電場作用不斷向下延伸，形成了一個不斷伸長的通道（先導），最終與地面短接主放電階段 通道產生突發的明亮，發出巨大的聲響，通道流過幅值很大的，延續時間近百微秒的沖擊電流 主放電是造成破壞作用，形成過電壓、電動力、爆破力的主要因素余輝放電階段 剩余電荷沿著雷電流通道繼續流向大地。電流逐漸衰減，約為100010A，持續時間約為幾ms。 余輝放電是造成物體熱效應的主要因素。 雷電放電過程 雷擊時計算雷電流電放電過程1 雷擊地面時 電荷線密度 雷電放電速度 雷電流2 雷擊中避雷針、地線或

3、導線時 有關的雷電參數 雷電放電受氣象條件、地形和地質等許多自然因素影響，帶有很大的隨機性，因而表征雷電特性的各種參數也就具有統計的性質。 主要的雷電參數有： 雷電日及雷電小時、地面落雷密度、雷電流幅值、雷電流等值波形等。 1.雷電日及雷電小時 雷電日Td 該地區一年內有雷電放電的平均天數。雷電小時Th 平均一年內的有雷電的小時數。雷電日與該地區所在緯度、當地氣象條件、地形地貌有關 Td 40，多雷區； 90，強雷區2. 地面落雷密度 每一雷電日每平方公里地面遭受雷擊的次數。 地面落雷密度和雷電日的關系式為： DL/T 6201997標準取 為基準，則3.雷電流幅值 按DL/T 6201997

4、標準，一般我國雷電日超過20的地區雷電流的概率分布為P：雷電流超過I的概率4.雷電流等值波形 雷電流的幅值隨各國自然條件的不同而差別較大，而測得的雷電流波形卻基本一致雷電流的波頭在15us的范圍內，多為；波尾多在20100us的范圍內，平均約為50us；按DL/T6201997標準，取為。 雷電沖擊試驗和防雷設計中常用的雷電流等值波形有雙指數波、斜角波和半余弦波三種。雷電流的等值波形(a)雙指數波 (b)斜角波 (c)半余弦波雙指數波特點:與實際波形最為接近,但比較麻煩斜角波特點:比較便于計算，用來分析波過程很方便半余弦波特點:較接近于實際,僅在特殊場合使用返回小 結雷電的放電過程 先導放電階

5、段 主放電階段 余輝放電階段雷擊時的等值電路主要的雷電參數有： 雷暴日及雷暴小時、地面落雷密度、雷電流幅值、雷電流等值波形返回 雷電放電作為一種強大的自然力的爆發是難以制止的，產生的雷電過電壓可高達數百至數千kV，如不采取防護措施，將引起電力系統故障，造成大面積停電。 目前人們主要是設法去躲避和限制雷電的破壞性，基本措施就是加裝避雷針、避雷線、避雷器等防雷保護裝置。 避雷針、避雷線用于防止直擊雷過電壓 避雷器用于防止沿輸電線路侵入變電所或發電廠的過電壓。5.2 避雷針、避雷線的保護范圍5.2.1 避雷針防雷原理及保護范圍1 避雷針防雷原理 避雷針是明顯高出被保護物體的金屬支柱，其針頭采用圓鋼或

6、鋼管制成作用是吸引雷電擊于自身，并將雷電流迅速泄入大地，從而使被保護物體免遭直接雷擊。避雷針需有足夠截面的接地引下線和良好的接地裝置，以便將雷電流安全可靠地引入大地。 2. 避雷針的保護范圍 避雷針的保護范圍是指被保護物體在此空間范圍內不致遭受直接雷擊,是按照保護概率99.9%確定的空間范圍。（1） 單支避雷針 P:高度影響系數 兩線外側的保護范圍按單根避雷線方法確定；兩線內側的保護高度由兩線及保護范圍上部邊緣最低點O的圓弧來確定。(2)兩支等高避雷針 式中：兩針間保護范圍上部邊緣最低點高度，mD 兩避雷針間的距離，m。任一高度的水平面上保護范圍 (3)兩支不等高避雷針兩支不等高避雷針的保護范

7、圍從低針頂點作一水平線，與高針保護范圍交于3點；以3針為一假想避雷針，作出低針2和3之間的保護范圍5.2.2 避雷線（地線）防雷原理及保護范圍 避雷線的防雷原理與避雷針相同，主要用于輸電線路的保護(1) 單根避雷線在hx水平面上每側保護范圍的寬度：當時 時 式中：rxhx水平面上每側保范圍的寬度，m；hx被保護物的高度，m；h避雷線的高度，m。(2)兩根平行避雷線兩線外側按單根確定。兩線間的保護范圍由通過兩避雷線1、2點及保護范圍邊緣最低點O的圓弧確定。 ：兩避雷線間保護范圍上部邊緣最低點的高度，m； D：避雷線間的距離，m。避雷線對導線的保護程度，工程中常用保護角來表示。保護角是指避雷線和外

8、側導線的連線與避雷線的垂線之間的夾角。保護角愈小，避雷線就愈可靠地保護導線免遭雷擊。一般=2030，即認為導線已處于避雷線的保護范圍之內。避雷線的保護角返回（3）保護角 管型避雷器和閥型避雷線 避雷針(線)不能完全避免設備不受雷擊;從輸電線路上也可能有危及設備絕緣的過電壓波傳入發電廠和變電所。 避雷器實質上是一種過電壓限制器，與被保護的電氣設備并聯連接，當過電壓出現并超過避雷器的放電電壓時，避雷器先放電，從而限制了過電壓的發展，使電氣設備免遭過電壓損壞。 避雷器的常用類型有：保護間隙、管型避雷器、閥式避雷器和金屬氧化物避雷器。1.對避雷器的基本要求絕緣強度的合理配合 避雷器與被保護設備的伏秒特

9、性應有合理的配合。在絕緣強度的配合中，要求避雷器的伏秒特性比較平直、分散性小。絕緣強度的自恢復能力 避雷器一旦在沖擊電壓作用下放電，就造成對地短路。隨之工頻短路電流（工頻續流）要流過此間隙，避雷器應當具有自行截斷工頻續流，恢復絕緣強度的能力，使電力系統得以繼續正常工作2.保護間隙 保護間隙是一種簡單的避雷器，按其形狀可分為：角型、棒形、環形和球型等，常用角形保護間隙如圖所示。1角型電極 2主間隙 3支柱絕緣子 4輔助間隙 5電弧的運動方向作用原理： 當雷電侵入波要危及它所保護的電氣設備的絕緣時，間隙首先擊穿，工作母線接地，避免了被保護設備上的電壓升高，從而保護了設備。優缺點： 優點：結構簡單、

10、制造方便 缺點： 伏秒特性曲線比較陡，絕緣配合不理想； 間隙動作后會形成截波； 熄弧能力低，需配合自動重合閘使用；應用范圍： 僅用于不重要和單相接地不會導致嚴重后果的場合。 排氣式避雷器1產氣管 2棒形電極 3環形電極 S1內間隙 S2外間隙3 管形避雷器（排氣式避雷器）作用原理由于產氣材料在泄漏電流作用下會分解，因此管子不能長時間接在工作電壓上，正常運行靠外間隙來隔離工作電壓。當排氣式避雷器受到雷電波入侵時，內外間隙同時擊穿，雷電流經間隙流入大地；過電壓消失后，在工作電壓作用下，流經間隙的工頻續流電弧的高溫使管內產氣材料分解出大量氣體，管內壓力升高，氣體從開口孔噴出，從而使工頻續流在第一次經

11、過零值時就熄滅。特點工頻續流太大，產氣過多，易使管子炸裂；續流太小，產氣不足以熄弧對工頻續流有上下限要求，需在型號中說明G:管形X:線路用W：產氣材料為纖維35：額定電壓為35kV1-5：最小、最大續流（kA)優缺點 熄弧能力比保護間隙要強但伏秒特性較陡且放電分散性大，且會形成截波，并受大氣條件影響較大應用范圍： 只用在輸電線路上絕緣比較薄弱的地方和用于變電所、發電廠的進線段保護。 4.閥式避雷器 保護間隙和管形避雷器動作時會產生截波，伏秒特性陡，不能用來承擔主變、發電機及變電站內重要設備的保護任務，必須對其加以改進。 閥式避雷器是由裝在密封瓷套中的多組火花間隙和多組非線性電阻閥片串聯組成。它

12、分普通型和磁吹型兩大類。（1）普通閥式避雷器a) 工作原理系統正常工作時，間隙將電阻閥片與工作母線隔離，以免由工作電壓在閥片電阻中產生電流使閥片燒壞。 當系統中出現過電壓且其幅值超過間隙放電電壓時，間隙擊穿，沖擊電流通過閥片流入大地，由于間隙放電的伏秒特性低于被保護設備的沖擊耐壓，設備得到保護。由于閥片的非線性特性，其電阻在流過大的沖擊電流時變得很小，故閥片上產生的殘壓將得到限制，使其低于被保護設備的沖擊耐壓，設備得到保護； 當過電壓消失后，工頻續流受閥片的非線性特性限制而很小，從而可在第一次過零時就將電弧切斷，而使繼電保護來不及動作。b) 閥片（非線性電阻） 閥片用碳化硅顆料,以陶料粘合劑低

13、溫（300-350）焙燒而成。其伏安特性如下圖 i1工頻續流 u1工頻電壓 i2雷電流 u2避雷器殘壓C：常數,與閥片材料、尺寸有關：非線性系數,與閥片材料有關閥片的作用限制工頻續流,保證火花間隙可靠熄弧當雷電過電壓擊穿時，不至于突然下降而形成截斷波基本結構和工作原理與普通閥式避雷器相同,不同點在于采用了磁吹式火花間隙，從而提高了滅弧能力。 閥片為碳化硅通過高溫(1350-1390）焙燒而成,通流容量很大（2）磁吹閥式避雷器（3）閥式避雷器的主要參數額定電壓： 避雷器兩端子間允許的最大工頻電壓的有效值滅弧電壓： 保證能夠在工頻續流第一次經過零值時滅弧的條件下允許加在避雷器上的最高工頻電壓。 滅

14、弧電壓應當大于避雷器工作母線上可能出現的最高工頻電壓，否則將不能保證續流滅弧而使閥片燒壞。沖擊放電電壓： 在沖擊電壓作用下避雷器動作的最小電壓幅值 一般低于被保護設備沖擊絕緣水平的20%-25%殘壓： 指雷電流通過避雷器時在閥片電阻上產生的壓降 殘壓應低于被保護設備沖擊絕緣水平的20%-25%，太低容易產生截波。保護比： 指避雷器殘壓與滅弧電壓之比。保護比愈小，說明殘壓愈低或滅弧電壓愈高，顯示保護性能愈好 間隙的存在會使放電電壓受避雷器內部氣壓的變化而變化, 不能用在高原地區。金屬氧化物避雷器(MOA)出現于20世紀70年代，其結構非常簡單，僅由相應數量的氧化鋅閥片密封在瓷套內組成，也稱氧化鋅

15、避雷器。 金屬氧化物避雷器的閥片是由以氧化鋅（ZnO）為主要原料，并添加其它微量的氧化鉍（Bi2O3）、氧化鈷（Co2O3）、氧化錳（MnO2）、氧化銻（Sb2O3）、氧化鉻（Cr2O3）等金屬氧化物作添加劑。 5.4 金屬氧化物避雷器 （1）氧化鋅閥片的伏安特性若10kA下閥片的殘壓相同，則工作電壓下SiC閥片流過的電流達到100-400A，必須加間隙ZnO閥片則只有10-5A的數量級，可不加間隙 （2）氧化鋅閥片的優點可做成無間隙 正常工作條件下，流過ZnO閥片的電流很小,不會燒壞閥片無續流 正常工作電壓下流過閥片的電流極小,相當于一個絕緣體,不存在工頻續流保護性能優越 在過電壓作用的全部

16、過程中都有電流,吸收過電壓能力強通流容量大 單位面積通流容量比SiC閥片大倍,可用來限制操作過電壓（3）氧化鋅避雷器的電氣參數最大持續運行電壓： 允許持續加在避雷器兩端的最大工頻電壓的有效值。取決于系統最大工作相電壓額定電壓： 避雷器兩端子間允許的最大工頻電壓的有效值殘壓： 放電電流通過避雷器時，兩端之間出現的電壓峰值保護比： 標稱放電電流下的殘壓與最大持續運行電壓峰值之比。 保護比越小，說明殘壓越小，最大持續運行電壓越大。避雷針作用是吸引雷電擊于自身，并將雷電流迅速泄入大地，從而使被保護物體免遭直接雷擊。避雷線主要用于輸電線路的保護。避雷器實質上是一種過電壓限制器。保護間隙管型避雷器閥式避雷器金屬氧化物避雷器小 結返回5.5 防雷接地裝置（1）保護接地 為了保證人身安全，無論在發、配電還是用電系統中都將電氣設備的金屬外殼接地，以保證金屬外殼固定為地電位。（2）工作接地 工作接地是根據電力系統正常運行方式的需要而設置的接地，如中性點接地。（3）防雷接地 當帶電體有接地故障時，故障電流向大地流散，以接地點為圓心，半徑20 m的圓面積內形成散流場(分布電位)。人站在散流場中，兩腳之間(以0.8 m計算)的電位差稱為跨步電壓。 接觸電壓是指人觸及漏電設備的外殼，加在人手和腳之間的電位差（腳距漏電設備，手觸及設備處距地面垂直距離）。 離接地點越近、兩腳距離越大，跨步電