雷电及防雷装置13线路防雷

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1、第12章 雷电及防雷装置,内容介绍,12.1 雷电放电及雷电的主要参数 12.2 避雷针与避雷线的保护范围 12.3 避雷器 12.4 防雷接地,雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压（也称大气过电压），它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一；雷电放电所产生的巨大电流，可能使被击物炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损坏。 为预防或限制雷电的危害性，在电力系统中采用一系列防雷措施和防雷保护装置。 雷云放电起源于雷云的形成（云的起电），这是一个气象物理现象。目前比较有代表性的理论有感应起电、对流起电、温差起电、水滴分裂起电、融化起电、冻结起电等，至今尚无定论。获得比较广泛认同的

2、水滴分裂起电理论。,12.1 雷电放电及雷电的主要参数,12.1.1 雷电的形成,在特定的大气和地形条件下，强大而潮湿的热气流在不断上升的过程中，内部的水滴被强烈碰撞分裂起电，细微的水沫带负电，被上升气流带往高空，形成大片带负电的雷云。带正电的水珠或凝聚成雨滴落下地面，或悬浮在云中，形成雷云下的局部正电荷区。 雷电放电大多数出现在雷云与雷云之间，少数发生在雷云与大地之间。而这少数的雷云与大地之间的雷电放电是引起雷害的主要因素。 雷云放电一般包括先导放电、主放电、余辉放电三个过程。另外由于雷云中往往会有几个电荷中心，故在整个雷电放电过程中经常会出现多次重复放电的现象。,雷云对地放电过程,（1）先

3、导放电过程 在雷云带有电荷后，其电荷往往会集中在几个带电中心，它们间的电荷数也不完全相等。当某一点的电荷较多，且在它附近的电场强度达到足以使空气绝缘发生击穿的程度（约2530kVcm）时，空气便开始游离，使这一部分空气由原来的绝缘状态变为导电性的通道。该导电性通道将由雷云不断向地面伸展，这个过程通常称为先导放电。 在雷云对大地的第一次放电过程中，先导放电是不连续的，雷云对地面的先导放电是逐级向下发展的。每一级长度约2550m，每一级的伸展速度约104kms，各级之间有3090s的停歇，所以先导放电的平均发展速度只有100800kms，约为光速的11000左右。因此，这种逐级向下发展的先导放电又

4、称为分级先导。 先导通道具有良好的导电性，带有与雷云同极性的剩余负电荷，先导通道头部的对地电位基本与雷云的对地电位相同，可高达10MV。另外，雷云与先导中的负电荷将在大地或地面物体上感应出大量的异号正电荷。,（2）主放电过程 当先导发展到接近地面或地面物体时，由于先导通道头部的极高电位，剩余的空气间隙中的电场强度将达到极高的程度，从而使空气发生强烈游离并产生高密度的等离子区。此区域沿先导通道自下而上迅速地向上传播，形成一条高电导率的等离子体通道，使先导通道以及雷云中的负电荷与大地中的正电荷发生强烈的中和，这个过程称为主放电过程。主放电发展的速度比先导放电的发展速度快得多，达到1.51071.5

5、108ms （12012的光速）。在主放电发展的极短时间内（约50100s），主放电通道中将流过幅值很大的电流，可高达几十至几百千安，使放电通道的温度急速升高至2104以上，从而形成了强烈的闪电和雷鸣。,（3）余辉放电和多重放电 主放电到达云端时，意味着主放电阶段结束。此时，雷云中剩下的电荷，将继续沿主放电通道下移，此时称为余辉放电阶段。余辉放电电流仅数百安，但持续的时间可达0.030.15s。至此，第一次雷电放电结束。但是，由于雷云中可能存在多个电荷中心，因此，在实际中雷云放电往往是多重的，它会沿原来的放电通道出现第二次放电、第三次放电，造成多重雷击，但此时先导不再是分级的，而是连续发展的。

6、,雷击放电的计算模型和等值电路,12.1.2 雷击物体时的计算模型及雷电流,雷击放电计算模型 (a)先导放电结束 (b) 主放电开始 (c) 主放电通道电路 (d)等值电路,先导通道具有较好的导电性，也具有分布参数的特征 ,其波阻抗为Z0 。 Z是被击物体与大地（零地位）之间的阻抗 。 可以把先导通道击中物体开始主放电的过程看作是沿着波阻抗为Z0的无限长的雷电通道，自天空向地面传来的前行波u0、i0（u0 = i0Z0）到达A点，从而在节点A上产生波的折反射的过程 。,uA = iAZ,雷电流应该是一个能够客观反映雷电本身强弱的参数，它应该与外界条件（如被击中物体的阻抗Z的大小）无关 一般把流

7、经被击物体的波阻抗为零时的电流被定义为“雷电流”。 但考虑实际上被击中物体的阻抗不可能为零值，故规程建议雷击中低接地电阻（一般为Z 30）的物体时流过该物体上的电流可以认为等于雷电流。 雷电流是可测的，其值约为雷电流波的两倍。i2i0,雷电流的定义,12.1.3 雷电参数,与实际最接近，但计算繁杂，较少采用。,用来分析与雷电流波前有关的波过程方便。,常用，分析10s以内的波过程等值性好。,分析雷电流波头比较接近，用于设计特殊大跨越、高杆塔时用,1雷道波阻抗 我国规程建议雷电通道的波阻抗Z0为300400。 2雷电流的波形及极性 实测结果表明，雷电流是单极性（7590负极性）的脉冲波。 常用的典

8、型等值计算波形主要有双指数波、斜角波、斜角平顶波和等值半余弦波等四种。,雷电流幅值是指脉冲电流所达到的最高值。 根据长期的实际测量结果，我国规程规定： 对于一般地区，雷电流幅值超过I的概率可按下式计算 式中 I雷电流幅值，kA； P幅值超过 I的雷电流出现的概率。 例如，雷击时出现大于88kA雷电流幅值的概率P约为10%。 对于陕南以外的西北地区、内蒙古自治区的部分地区等雷电活动较弱的地区（这类地区的年平均雷暴日数一般在20及以下），其雷电流幅值也较小，此时雷电流幅值概率可改用下式计算,3 雷电流幅值,（1） 根据有关实测结果，在线路防雷计算时，规程规定取雷电流波头时间为2.6S，波长为50

9、S。由于波长对防雷计算结果几乎无影响，为简化计算，一般可视波长为无限长。 （2）通常认为雷电流的陡度与幅值I有线性的关系，即幅值愈大，陡度也愈大。 根据规程规定，雷电流的平均陡度为 = I / 2.6 (kA/S)。 （3）实测表明，雷电流波前陡度的最大极限值一般可取50kA/S。,4雷电流波前时间、陡度及波长,表示某地区雷电的活动强度指标主要有雷暴日与雷暴小时。 （1）雷暴日Td是每年中有打雷的天数（即在1天内只要听到雷声就作为一个雷暴日）。 （2）雷暴小时是每年中有雷电的小时数。（即在1个小时内只要听到雷声就算作一个雷暴小时）。据统计，我国大部分地区雷暴小时与雷暴日的比值约为3。 （3）各

10、地的雷电活动强度可以有很大的差异。 根据长期统计的结果，在我国规程中绘制了全国平均雷暴日分布图，可用作防雷设计的依据。全年平均雷暴日数为40的地区为中等雷电活动强度区，如长江流域和华北的某些地区；年平均雷暴日不超过15日的为少雷区，如西北地区；超过40日的为多雷区，如华南某些地区。,5雷暴日与雷暴小时,雷云对地面的放电频度可用地面落雷密度来表示。规程规定： 每一雷暴日、每平方公里地面遭受雷击的次数称为地面落雷密度。世界各国对的取值不尽相同，通常认为年雷暴日数不同的地区的值也各不相同，一般雷暴日数较大的地区值也较大。我国有关标准建议在雷暴日为40的地区，取0.07。 输电线路落雷次数，对雷暴日为

11、40的地区，避雷线或导线平均高度为h的线路，每100km每年雷击的次数为 N=0.28(b+4h)，式中 b两根避雷线之间的距离。,6地面落雷密度和输电线路落雷次数,内容介绍,12.1 雷电放电及雷电的主要参数 12.2 避雷针与避雷线 12.3 避雷器 12.4 防雷接地,避雷针、避雷线可以防止雷电直接击中被保护物体，主要用于对直击雷的保护，以避免被保护物体直接遭受雷击；避雷器可以限制雷击线路时沿输电线路侵入变电所的雷电冲击波的幅值，保护变电所内电气设备的绝缘，因此主要用于对线路上的侵入波保护。 避雷针（线）的保护原理可归纳为：当雷云的先导向下发展到离地面一定高度时，远远高出地面的避雷针（线

12、）顶端会形成一个局部电场强度集中的区域，从而有可能在避雷针（线）顶端产生局部放电并形成向上的迎面先导，这将影响下行先导的发展方向。由于受避雷针、避雷线的向上先导的引导，雷电的向下先导将直接击中避雷针（线），然后通过与其相连的接地装置把巨大的雷电流直接泄入大地，从而使避雷针（线）周围的设备免遭雷击破坏。,12.2 避雷针和避雷线,为了使雷电流顺利泄入地下和降低雷击点的过电压，避雷针和避雷线除要有接闪器（避雷针的针头，避雷线的架空地线）外，必须有足够截面的可靠接地引下线和良好的接地体，其接地电阻应足够小。 避雷针比较适宜用于象发电厂和变电所那样相对集中的保护对象，而象架空线路那样伸展很广的保护对象

13、应采用避雷线。 避雷针和避雷线保护范围的定义：指在某一范围内物体遭受雷击可能性小于0.1%的空间区域。,（1）单支避雷针保护范围的计算 当hxh/2时，rx=(h-hx)P 当hxh/2时，rx=(1.5h-2hx)P h避雷针高度，m； hx被保护物高度，m； P-高度修正系数， 当h30m时，P=1； 当30mh120m，,12.2.1 避雷针的保护范围,由于两支针的联合屏蔽作用，两支等高避雷针联合保护范围比两避雷针各自单独的保护范围之和要大。其保护范围分为两针外侧的保护范围和两针内侧的保护范围两个部分。 两针外侧的保护范围仍然按单针避雷针的计算公式,（2）两支等高避雷针,两针内侧的保护范

14、围可利用下式求得： D两避雷针之间的水平距离，m； h0两避雷针联合保护范围上部边缘最低点的高度，m。2bx两避雷针之间在hx水平面上保护范围的最小宽度，m。 一般两针间的距离D不宜大于5h。,当h30m时，P=1； 当30mh120m，,两支不等高避雷针,首先按两个单针分别作出其保护范围； 然后由低针2的顶点作水平线，与高针1的保护范围交于点3，再以点3为一假想等高避雷针的顶点，作出两等高避雷针2和3的保护范围。 把以上两个保护范围叠加即可得到两支不等高避雷针的总的保护范围。 两针外侧的保护范围仍按单避雷针计算。,（3）多支等高避雷针,三支等高避雷针的联合保护范围可以采用每两支针作为一对组合

15、分别计算它们的联合保护范围，只要在被保护物高度的平面上各个两针之间的bx 0，则三针组成的三角形中间部分将均处于三针联合保护范围之内。 四根以上的等高多支避雷针的保护范围，可以按每三支针作为一个组合分别确定它们的保护范围，然后再叠加到一起即可得到多针的联合保护范围。 实际工程中，已知被保护物的高度、宽度和位置，确定避雷针的根数、位置和高度。,12.2.2 避雷线的保护范围,（1）单根避雷线 如图示，其一侧保护半径可按下式计算 当hxh/2时，rx=0.47(h-hx)P 当hxh/2时，rx=(h-1.53hx)P,当h30m时，P=1； 当30mh120m，,（2）两根等高的避雷线,避雷线外

16、侧的保护范围仍按单避雷线的计算公式确定，两根避雷线内侧的保护范围横截面则通过两根避雷线与保护范围上部边缘最低点O这三点所决定的圆弧来确定。O点的高度为 D两根避雷线之间的水平距离，m； h0两根避雷线联合保护范围上部边缘最低点的高度，m。 h避雷线的高度，m。,当h30m时，P=1； 当30mh120m，,（1）保护角的定义 保护角是指避雷线同外侧导线的连线与垂直线之间的夹角。 （2）保护角越小，避雷线对导线的屏蔽保护越可靠。一般取 2030，可以认为输电线路已处于避雷线的保护范围之内。,避雷线的保护范围的计算（避雷线作为架空输电线路的保护时）,内容介绍,12.1 雷电放电及雷电的主要参数 12.2 避雷针与避雷线的保护范围 12.3 避雷器 12.4 防雷接地,12.3 避雷器,避雷器是防止过电压损坏电力设备的保护装置。 它实质上就是一个放电器，当雷电侵入波或操作过电压波超过某