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1、全国注册电气工程师考试 供配电专业部分,13 防雷及过电压保护,1 了解电力系统过电压的种类和过电压水平； 2 熟悉交流电气装置过电压保护设计要求及限制措施； 3 掌握建筑物防雷的分类及措施； 4 掌握建筑物防雷设计的计算方法和设计要求。,13.1 电力系统过电压的种类和过电压水平,1.系统运行中出现于设备绝缘上的电压 （1）系统运行中出现于设备绝缘上的电压有： a)正常运行时的工频电压； b)暂时过电压(工频过电压、谐振过电压)； c)操作过电压； d)雷电过电压。,（2）相对地暂时过电压和操作过电压的标么值如下： a)工频过电压的； b)谐振过电压和操作过电压的。 注：Um为系统最高电压。
2、 系统最高电压的范围： a)范围，3.6kVUm252kV； b)范围，Um=252kV。,2.电器设备在运行中承受的过电压,电力系统内部的过电压主要有： （1）工频过电压：由于电网运行方式的突然改变，引起某些电网工频电压的升高。 （2）操作过电压：由于电网内开关操作引起的过电压。 （3）谐振过电压：由系统电感和电容组成的谐振回路引起的过电压。,3.电力系统的过电压水平 （1）系统的工频过电压水平 线路断路器的变电所侧 1.3p.u. 线路断路器的线路侧 1.4p.u. 对110kV及220kV系统，工频过电压一般不超过1.3p.u.；3kV10kV和35kV66kV系统，一般分别不超过 和
3、。,（2）系统的操作过电压水平 相对地 110kV中性点直接接地：3.0p.u. 66kV及以下中性点不接地或低阻抗接地：4.0p.u 35kV及以下中性点低阻抗接地：3.2p.u 相间3110kV系统是相对地操作过电压的1.5倍。,13.2 交流电气装置过电压保护设计要求及限制措施,雷电放电过程,放电开始时，微弱发光通道以107108cm/s的平均速度以断续脉冲形式向地面伸长，这一阶段称为先导放电。 当先导到达地面或与迎面先导会合后，就开始从地面向雷云发展的主放电阶段。在主放电阶段中，雷云与大地之间所聚焦的大量电荷发生强烈“中和”，放出能量，发出强烈的闪光和震耳的雷鸣。主放电持续时间约为50
4、s100s。,随后进入持续时间为0.05s0.15s的间歇阶段，雷云中的残余电荷经原先的主放电通道向地面传播，形成余辉阶段。 在第一次放电过程完成之后，还可能发生第二次或随后多次的放电，这是因为雷云中存在着多个空间电荷聚焦中心。,雷电参数,1雷电日与雷电小时 为了表示不同地区雷电活动的频繁程度，通常利用每年平均雷电日为计量单位。 雷电日的定义是在一天内只要听到雷声（一次或一次以上）就算一个雷电日。在不同年份观测到的雷电日数变化较大，一般是取多年的平均值，即年平均雷电日。,我国把年平均雷电日不超过15的地区叫做少雷区；超过15但不超过40地区叫中雷区；超过40不超过90地区叫多雷区，超过90及根
5、据运行经验雷害特殊重地区的叫强雷区。,雷电参数,2地面落雷密度 雷云对地放电的频繁程度，用地面落雷密度表示，其定义是每个雷电日每平方公里上的年平均落雷次数。 式中 年平均密度，次/km2a； 年平均雷暴日，d/a。,雷电流与雷电过电压的近似表示,对于单极性的雷电流和雷电暂态过电压脉冲波形，通常采用幅值、波头时间和波长时间等三个参数加以描述. 对于振荡型波形，还要附加上主振频率这个参数。,雷电流与雷电过电压的近似表示,1雷电流幅值的累积概率 对于年平均雷电日大于20的地区，我国传统采用以下经验公式来表示雷电流幅值累积概率： 式中 雷电流幅值，kA； 表示雷电流幅值 超过的概率。,雷电流与雷电过电
6、压的近似表示,波头与波长时间定义的作图方法示意,雷电流与雷电过电压的近似表示,2波头时间 先由纵轴上的0.1、0.9和1.0三个刻度分别作三条平行于横轴的平行线，前两条平行线分别与波形曲线的波头部分相交于A、B两点，过A、B两点作一条直线，该直线与第三条平行线和横轴分别交于C、D两点，由C点引横轴的垂线，其垂足E点与D点之间的时间即定义为波头时间，用 表示。,雷电流与雷电过电压的近似表示,为了定义波长时间，再由纵轴上0.5刻度作横轴的平行线，该平行线与波形曲线的波尾部分相交于F点，从F点引横轴的垂线，其垂足G点与D点之间的时间即定义为波长时间，用 表示。由于波长时间也是波形曲线衰减到半幅值所需
7、要的时间,它习惯上也被称为半幅值时间。,感应过电压,1静电感应 当线路或设备附近发生雷云放电时，虽然雷电流没有直接击中线路或设备，但在导线上会感应出大量的和雷云极性相反的束缚电荷，当雷云对大地上其他目标放电后，雷云中所带电荷迅速消失，导线上的感应电荷就会失去雷云电荷的束缚而成为自由电荷，并以光速向导线两端急速涌去，从而出现过电压，称为静电感应过电压。,一般由雷电引起局部地区感应过电压，在架空线路可达300400kV，在低压架空线路上可达100kV，在通信线路上可达4060kV。,感应过电压,2电磁感应 由于雷电流有极大的峰值和陡度，在它周围有强大的变化电磁场，处在此电磁场中的导体会感应出极大的
8、电动势，使有气隙的导体之间放电，产生火花，引起火灾。,由雷电引起的静电感应和电磁感应统称为感应雷（又叫二次雷）。解决的办法是将建筑物的金属屋顶、建筑物内的大型金属物品等，做良好的接地处理，使感应电荷能迅速流向大地，防止在缺口处形成高电压和放电火花。,直击雷过电压,带电的雷云与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象，称作直击雷。当雷云通过线路或电气设备放电时，放电瞬间线路或电气设备将流过数十万安的巨大雷电流，此电流以光速向线路两端涌去，大量电荷将使线路发生很高的过电压，势必将绝缘薄弱处击穿而将雷电流导入大地，这种过电压为直击雷过电压。,直击雷电流（在短时间内以脉冲的形式通过）的峰值有几十千安，甚至上
9、百千安。雷电流的峰值时间（从雷电流上升到1/2峰值开始，到下降到1/2峰值为止的时间间隔）通常有几微秒到几十微秒。 防止直击雷的措施主要采取避雷针、避雷带、避雷线、避雷网作为接闪器，把雷电流接受下来，通过接地引下线和接地装置，将雷电流迅速而安全送到大地,雷电波的侵入,雷电波的侵入主要是指直击雷或感应雷从输电线路、通信光缆、无线天线等金属的引入线引入建筑物内，发生闪击和雷击事故。 由于直击雷在建筑物或建筑物附近入地，通过接地网入地时，接地网上会有数十千伏到数百千伏的高电位，这些高电位可以通过系统中的N线、保护接地线或通信系统的地线，以波的形式传入室内，沿着导线的传播方向扩大范围。,防止雷电波侵入
10、的主要措施是在输电线路等能够引起雷电波侵入的设备，在进入建筑物前装设避雷器保护装置，它可以将雷电高电压限制在一定的范围内，保证用电设备不被高电压冲击击穿。,雷电及防雷设备,1.雷电过电压及其对保护设计的要求 （1）避雷针和避雷线 1）单支避雷针的保护范围,单支避雷针的保护范围 (h30m时，45),a)避雷针在地面上的保护半径，应按下式计算： r1.5hP 式中 r保护半径，m； h避雷针的高度，m； P高度影响系数，h30m，P1； 30mh120m，；当h120m时， 取其等于120m。,b)在被保护物高度hx水平面上的保护半径应按下列方法确定： 1)当hx0.5h时 rx(h-hx)Ph
11、aP 式中rx避雷针在hx水平面上的保护半径， m； hx被保护物的高度，m； ha避雷针的有效高度，m。 2)当hx0.5h时 rx(1.5h-2hx)P,2）两支等高避雷针的保护范围,高度为h的两等高避雷针的保护范围,a)两针外侧的保护范围应按单支避雷针的计算方法确定。 b)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的圆弧确定，圆弧的半径为 。O点为假想避雷针的顶点，其高度应按下式计算 式中 hO两针间保护范围上部边缘最低点 高度，m； D两避雷针间的距离，m。,两针间hx水平面上保护范围的一侧最小宽度应按图确定。当 时，取 。 求得bx后，可按图绘出两针间的保护范围。 两
12、针间距离与针高之比D/h不宜大于5。,3）多支等高避雷针的保护范围 a)三支等高避雷针所形成的三角形的外侧保护范围应分别按两支等高避雷针的计算方法确定。如在三角形内被保护物最大高度hx水平面上，各相邻避雷针间保护范围的一侧最小宽度bx0时，则全部面积受到保护。,(a)三支等高避雷针在hx水平面上的保护范围； (b)四支等高避雷针在hx水平面上的保护范围,b)四支及以上等高避雷针所形成的四角形或多角形，可先将其分成两个或数个三角形，然后分别按三支等高避雷针的方法计算。如各边的保护范围一侧最小宽度bx0，则全部面积即受到保护。,4）单根避雷线在hx水平面上每侧保护范围的宽度(图6)： a)当 时
13、rx0.47(h-hx)P 式中rx每侧保护范 围的宽度，m。 b)当 时 rx(h-1.53hx)P,单根避雷线的保护范围 (h30m时，25),5）两根等高平行避雷线的保护范围 a)两避雷线外侧的保护范围应按单根避雷线的计算方法确定。 b)两避雷线间各横截面的保护范围应由通过两避雷线1、2点及保护范围边缘最低点O的圆弧确定。O点的高度应按下式计算： 式中：hO两避雷线间保护范围上部边缘 最低点的高度，m； D两避雷线间的距离，m； h避雷线的高度，m。,两根平行避雷线的保护范围,c）两避雷线端部的两侧保护范围仍按单根避雷线保护范围计算。两线间保护最小宽度按下列方法确定： 当 时 bx0.4
14、7(hO-hx)P 当 时 bx(hO1.53hx)P,6）不等高避雷针、避雷线的保护范围 两支不等高避雷针的保护范围 a)两支不等高避雷针外侧的保护范围应分别按单支避雷针的计算方法确定。,b)两支不等高避雷针间的保护范围应按单支避雷针的计算方法，先确定较高避雷针1的保护范围，然后由较低避雷针2的顶点，作水平线与避雷针1的保护范围相交于点3，取点3为等效避雷针的顶点，再按两支等高避雷针的计算方法确定避雷针2和3间的保护范围。通过避雷针2、3顶点及保护范围上部边缘最低点的圆弧，其弓高应按下式计算： 式中 f圆弧的弓高，m； D避雷针2和等效避雷针3间的距 离，m。,c)对多支不等高避雷针所形成的
15、多角形，各相邻两避雷针的外侧保护范围按两支不等高避雷针的计算方法确定；三支不等高避雷针，如在三角形内被保护物最大高度hx水平面上，各相邻避雷针间保护范围一侧最小宽度bx0，则全部面积即受到保护；四支及以上不等高避雷针所形成的多角形，其内侧保护范围可仿照等高避雷针的方法确定。 d)两根不等高避雷线各横截面的保护范围，应仿照两支不等高避雷针的方法计算。,7）山地和坡地上的避雷针，由于地形、地质、气象及雷电活动的复杂性，避雷针的保护范围应有所减小。避雷针的保护范围可按式(4)式(6)的计算结果和依图4确定的bx等乘以系数0.75求得；式(7)可修改为；式(13)可修改为。 利用山势设立的远离被保护物
16、的避雷针不得作为主要保护装置。,8）相互靠近的避雷针和避雷线的联合保护范围可近似按下列方法确定： 避雷针、线外侧保护范围分别按单针、线的保护范围确定。内侧首先将不等高针、线划为等高针、线，然后将等高针、线视为等高避雷线计算其保护范围。 避雷针和避雷线的联合保护范围,（3）阀式避雷器 1）采用阀式避雷器进行雷电过电压保护时，除旋转电机外，对不同电压范围、不同系统接地方式的避雷器选型如下： a)有效接地系统，范围应该选用金属氧化物避雷器；范围宜采用金属氧化物避雷器。 b)气体绝缘全封闭组合电器(GIS)和低电阻接地系统应该选用金属氧化物避雷器。,c)不接地、消弧线圈接地和高电阻接地系统，根据系统中谐
