高电压工程 09T教材

《高电压工程 09T教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高电压工程 09T教材（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第九章 雷电参数及防雷装置 高电压工程基础 主讲教师：田翠华 2 雷电是一种可怖而又壮观的自然现象，我国东周时庄子 上有记述：“阴阳分争故为电，阳阴交争故为雷，阴阳错行，天 地大骇，于是有雷、有霆。” 人们对雷电现象的科学认识始于18世纪中叶，著名科学家有 富兰克林（Franklin）、MB罗蒙诺索夫（Jiomohocob）、 LB黎赫曼（Phxmah）等，如著名的富兰克林风筝实验，第 一次向人们揭示了雷电只不过是一种火花放电的秘密，他们通 过大量实验取得卓越成就，建立了现代雷电学说，认为雷击是 云层中大量负电荷和正电荷迅速中和而产生的现象。特别是利 用高速摄影、自动录波、雷电定向定位等现代测

2、量技术对雷电 进行的观测研究，大大丰富了人们对雷电的认识。 3 能产生雷电的带电云层称为雷云。 雷云的形成主要是含水汽的空气的热对流效 应。太阳的热辐射使地面部分水分化为蒸汽，含 水蒸汽的空气受到炽热的地面烘烤而上升，会产 生向上的热气流。热气流每上升10km，温度下降 约10，热气流与高空冷空气相遇形成雨滴、冰 雹等水成物，水成物在地球静电场的作用下被极 化，形成热雷云。 雷云的形成 4 雷云的形成过程是综合性的。 强气流将云中的水滴吹裂时，较大的残滴带 正电，较小的水珠带负电，小水珠被气流带走， 于是云的各部分带有不同的电荷，这是水滴破裂 效应。 水在结冰时，冰粒会带正电，没有结冰的被风

3、吹走小水珠将带负电，这是水滴结冰效应。 5 最后形成带正电的云粒子在云的上部，而负电 的水成物在云的下部，或者带负电的水成物以雨或 雹的形式下降到地面。当上面所讲的带电云层一经 形成，就形成雷云空间电场。 由此可见，雷电的成因源于大气的运动。 6 作用于电力系统的雷电过电压最常见的（ 约90%）是由带负电的雷云对地放电引起，称为 负下行雷，下面以负下行雷为例分析雷电放电 过程。负下行雷通常包括若干次重复的放电过 程，而每次可以分为先导放电、主放电和余辉 放电三个阶段。 先导放电阶段 主放电阶段 余辉放电阶段 雷电放电过程 8 一、雷电放电的三个阶段 先导放电： E 30kV/cm 主放电: （

4、约50 100s ） 电流极大（ 数十上百千安） 余辉放电: v特点：电流不大 （数百安） 持续时间较长（ 0.03 0.15s） v特点：存在时间极短 9 负雷云下行雷的过程 (a)负下行雷的光学照片描绘图 (b)放电过程中雷电流的变化过程 10 雷电参数 雷电放电受气象条件、地形和地质等许多自然因素 影响，带有很大的随机性，因而表征雷电特性的各种参 数也就具有统计的性质。 主要的雷电参数有： 雷暴日及雷暴小时、地面落雷密度、主放电通道波 阻抗、雷电流极性、雷电流幅值、雷电流等值波形、雷 电流陡度等。 11 1.雷暴日及雷暴小时 雷暴日Td 是指该地区平均一年内有雷电放电的平 均天数，单位d

5、/a 。 雷暴小时Th 雷暴小时是指平均一年内的有雷电的 小时数，单位h/a。 雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形 地貌有关 Td 15 中雷区 40，多雷区；90，强雷区 (衡量雷电活动频繁的程度) 标准雷暴日：40 12 2 雷电流 雷击小接地阻抗（小于30欧姆）物体时，流 过该物体的电流定义为雷电流。其基本参数有雷 电流的幅值、波形、波头时间、陡度和极性 幅值 (Td20) 峰值等于或大于50kA的雷电流出现的概率为27% (Td20) 主放电通道波阻抗 300欧姆 13 电流的波形和最大陡度 波形 雷电冲击试验和防雷设计中常用的雷电流等值波形有 双指数波、斜角波和半余弦波三种。

6、 雷电流的等值波形 (a)双指数波 (b)斜角波 (c)半余弦波 14 t: 波头时间（波前时间） : 波长（半峰值时间） 1 4 s 平均2.6 s 2 0100 s 多为40 s 15 雷电流陡度 雷电流陡度是指雷电流随时间上升的速度。雷电流陡度 越大，对电气设备造成的危害也越大。雷电流陡度的直接测量 更为困难，常常根据一定的幅值、波头和波形来推算。DL/T 6201997标准取波头形状为斜角波，波头按2.6 考虑，雷电 流陡度 。计算雷电流冲击波波头陡度出现的概率可用 下列经验公式计算： 或 16 平顶斜角波 陡度 a= I/t= I/2.6 kA /s 防雷设计中取 t /2.6 /

7、40 s 17 当雷云电荷为负时，所发生的雷云放电为负极 性放电，雷电流极性为负；反之，雷电流极性为正 。实测统计资料表明，不同的地形地貌，雷电流正 负极性比例不同，负极性所占比例在75%90%之间， 因此，防雷保护都取负极性雷电流进行研究分析。 雷电流极性 18 3. 地面落雷密度 表征雷云对地放电的频繁程度以地面落雷密度来 表示，是指每一雷暴日每平方公里地面遭受雷击的次 数。地面落雷密度和雷暴日的关系式为： DL/T 6201997标准取 为基准，则 实测统计得:0.07 次/平方公里雷暴日 4.线路每百公里每年的雷击次数N 19 防雷保护设备 雷电放电作为一种强大的自然力的爆发是难以制止

8、的 ，产生的雷电过电压可高达数百至数千kV，如不采取防护措 施，将引起电力系统故障，造成大面积停电。 目前人们主要是设法去躲避和限制雷电的破坏性，基 本措施就是加装避雷针、避雷线、避雷器、防雷接地、电抗 线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等防雷保护装置。 避雷针、避雷线用于防止直击雷过电压，避雷器用于 防止沿输电线路侵入变电所的感应雷过电压。 20 避雷针（线）的作用:引雷 、泄雷 21 9.2.1 避雷针和避雷线保护范围 1.避雷针防雷原理 避雷针是明显高出被保护物体的金属支柱，其 针头采用圆钢或钢管制成，其作用是吸引雷电击于 自身，并将雷电流迅速泄入大地，从而使被保护物 体免遭直接雷击。

9、避雷针需有足够截面的接地引下 线和良好的接地装置，以便将雷电流安全可靠地引 入大地。 22 2. 避雷针的保护范围 表示避雷针的保护效能，通常采用保护范围的 概念，只具有相对意义。避雷针的保护范围是指被 保护物体在此空间范围内不致遭受直接雷击。我国 使用的避雷针的保护范围的计算方法，是根据小电 流雷电冲击模拟试验确定，并根据多年运行经验进 行了校验。保护范围是按照保护概率99.9%确定的 空间范围（即屏蔽失效率或绕击率0.1%）。 23 （1） 单支避雷针 单支避雷针的保护范围如图所示: 单单支避雷针针的保护护范围围 24 两线外侧的保护范围按单根避雷线方法确定；两线内侧的保护 高度由两线及保

10、护范围上部边缘最低点O的圆弧来确定。O点为假想 避雷针的顶点，其高度按下式计算： (2)两支等高避雷线 高度为h的两支等高避雷针的保护范围 式中： 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。 25 (3)两支不等高避雷针 两支不等高避雷针的保护范围如图所示。 两支不等高避雷针针的保护护范围围 26 (4)多支等高避雷针 由于发电厂或变电所的面积较大，实际上都采 用多支等高避雷针保护。三支等高避雷针所形成的 三角形的外侧保护范围分别按两支等高避雷针的计 算方法确定。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

11、法计算。 27 三支等高避雷针在hx水平面上的保护范围如图 （a）所示，图（b）所示为四支等高避雷针在hx水 平面上的保护范围。 三、四支等高避雷针针在hx水平面上的保护护范围围 (a)三支等高避雷针针在hx水平面上的保护护范围围 (b)四支等高避雷针针在hx水平面上的保护护范围围 28 2 避雷线防雷原理及保护范围 避雷线，通常又称架空地线，简称地线。避雷线的防 雷原理与避雷针相同，主要用于输电线路的保护，也可用 来保护发电厂和变电所，近年来许多国家采用避雷线保护 500kV大型超高压变电所。用于输电线路时，避雷线除了 防止雷电直击导线外，同时还有分流作用，以减少流经杆 塔入地的雷电流从而降

12、低塔顶电位，避雷线对导线的耦合 作用还可以降低导线上的感应雷过电压。 29 单根避雷线的保护范围如图所 示，在hx水平面上每侧保护范围的 宽度按下列公式计算： 当 时 时 式中：rxhx水平面上每侧保 护范围的宽度，m； hx被保护物的高度，m； h避雷线的高度，m。 单单根避雷线线的保护护范围围 避雷线的保护范围比避雷针小，因为其对雷云先导的畸变作用小于避雷针的缘故 30 两根等高平行避雷线的保 护范围如图所示。两线外侧的保 护范围按单根避雷线的计算方法 确定。两线间各横截面的保护范 围由通过两避雷线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： 两避雷线间保

13、护范围上部 边缘最低点的高度，m； D两避雷线间的距离，m。 两根平行避雷线线的保护护范围围 31 表示避雷线对导线的保护程 度，工程中常用保护角来表示 ，如图所示。保护角是指避雷线 和外侧导线的连线与避雷线的垂 线之间的夹角。保护角愈小，避 雷线就愈可靠地保护导线免遭雷 击。一般=20 30，这时即 认为导线已处于避雷线的保护范 围之内。 避雷线线的保护护角 绕击？ 电气几何模型？ 32 9.3 避雷器 避雷器是专门用以限制线路传来的雷电过电压或操作 过电压的一种防雷装置。避雷器实质上是一种过电压限制 器，与被保护的电气设备并联连接，当过电压出现并超过 避雷器的放电电压时，避雷器先放电，从而

14、限制了过电压 的发展，使电气设备免遭过电压损坏。 避雷器的常用类型有：保护间隙、排气式避雷器（常称 管型避雷器）、阀式避雷器和金属氧化物避雷器（常称氧 化锌避雷器）四种。 33 第三节 避雷器 n一 基本要求 避雷器就是一种普遍采用的侵入波保护装置，它是一种过 电压限制器。 n基本要求： （1）保护装置的冲击放电电压Ub(i)应低于被保护设备绝缘 的冲击耐压值。 n（2）放电间隙应有平坦的伏秒特性曲线和尽可能高的灭 弧能力。 34 一、保护间隙 优点：结构简单、价廉。 缺点：保护效果差，与被保护设备的伏秒特性不易配合 ；动作后产生的截波，对变压器匝间绝缘有很大的威胁。因 此它往往与其它防护措施

15、配合使用。分散性大。仅用于I0kV 以下的配电网中 保护间隙常用双羊角状间隙，取其 有电弧上吹特性，我国常用于3 10kV 电网中。保护间隙有一定的限制过电压 效果，但不能避免供电中断。 工频续流？ 过电压消失后，由工频电压形成的工频电弧继续流过间隙 35 二、管型避雷器 外间隙 内间隙 1产气管；2胶木管套； 3棒电极；4环形电极； 5贮气室；6动作指示器 能熄灭的续流具有一定的上限和下限。 排气式避雷器的主要缺点： 1) 伏秒特性太陡，放电分散性较大，难以和被保护设备实现 合理的绝缘配合 2) 排气式避雷器动作后会产生高幅值的截波，对变压器的纵 绝缘不利 线路保护，变电站的进线段保护 36

16、 三、阀型避雷器 当过电压达到间隙动作电压，间隙动作，冲击电流经阀 片流入大地；之后，阀片仅受到工频电压作用，由于非线性 关系，阀片电阻值增高，使流过的工频续流受到限制，并在 第一次过零瞬间，由间隙将此续流切断。 注意：避雷器从间隙击穿到工频续流被切断不超过半个周波 ，因此电网在整个过程均保持正常供电。 37 普通阀式避雷器（火花间隙、非线性电阻） 单个火花间隙的结构 a.保证间隙中 的电场为均匀 电场，伏秒特 性平缓；b.电 晕可缩短间隙 放电时间 阀片的伏安特性 多个短间隙串联易 于切断工频续流。 （复合与散热） 多个间隙串联电压分布 不均匀，使避雷器灭弧 能力降低。可使用并联 电阻使电压分布均匀。 a. 当电流增大时，阀片呈现 低阻值，使避雷器上电压降 低，增加了避雷器的保护效 果。b. 希望在工频电压升高 后流过间隙阀片的续流不超 过规定值，此时阀片呈现的 电阻要有足够的数值。 普通阀式避