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1、第七章 雷电放电及防雷保护装置,人们对雷电现象的科学认识始于18世纪中叶，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，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阴电荷和阳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。,雷电放电实质上是一种超长气隙的火花放电，它所产生的雷电流高达数十、甚至数百千安，从而会引起巨大的电磁效应、机械效应和热效应。 从电力工程的角度来看，最值得我们注意的两个方面是： 雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压，它是造成电力系统绝缘故
2、障和停电事故的主要原因之一 ；（着重探讨） 产生巨大电流，使被击物体炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损坏。,第一节 雷电放电和雷电过电压,雷云的形成 雷电放电过程 雷电参数 雷电过电压的形成,一、雷云的形成,雷云的形成机理获得比较广泛认同的是水滴分裂起电理论：大水滴分裂成水珠和细微的水沫，出现电荷分离现象，大水珠带正电，小水沫 带负电，细微水沫被上升 气流带往高空，形成大片 带负电的雷云。 雷云下部局部正电荷区。,探测气球所测得的云中电荷分布表明，在雷云的顶部往往充斥着正电荷。（另外一种起电机理解释）在离地面45km的高空，大气温度经常处于-10-20，因而此处的水分已变成冰晶，它们
3、与空气摩擦时也会起电，冰晶带负电、空气带正电。带正电的气流携带着冰晶碰撞时造成的细微碎片向上运动，使雷云的上部充满正电荷，而带负电的大粒冰晶下降到云的下部时，因此处气温已在0以上，冰晶融化为带负电的水滴。 整块雷云可以有若干个电荷中心，负电荷中心位于雷云的下部、距地面50010000m的范围内。直接击向地面的放电通常从负电荷中心边缘开始。,雷电放电过程 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。 雷电放电就其本质而言是一种超
4、长气隙的火花放电。,雷电放电的发展过程,先导：不连续性（分级先导），历时约 0.005 0.010 s。每一级先导发展速度相当高，但每发展到一定长度（平均约 50m）就有一个 10 100 s 的间隔。发展速度约为光速的 1/1000 。,主放电：时间 50 100 s，移动速度为光速的 1/20 1/2；主放电时电流可达数千安，最大可达200 300kA。,余辉：雷云中剩下的电荷继续沿主放电通道下移，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 0.03 0.15 s。,三、雷电参数,(一)雷电活动频度 雷暴日及雷暴小时 雷暴日Td是一年中发生雷电的天数，以听到雷声为准，在一天内
5、只要听到过雷声，无论次数多少，均计为一个雷暴日。 雷暴小时Th是一年中发生雷电放电的小时数，在一个小时内只要有一次雷电，即计为一个雷电小时。 一个雷暴日折合三个雷暴小时。 雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关 Td 40，多雷区； Td 90，强雷区,(二)地面落雷密度( )和雷击选择性 表示每平方公里地面在一个雷暴日受到的平均雷击次数。 我国标准对Td 40的地区，取 0.07 (三)雷道波阻抗（Z0） 雷电通道长度数千米，半径仅为数厘米，类似于一条分布参数线路，具有某一等值波阻抗，称为雷道波阻抗。 主放电过程可看作是一个电流波沿着波阻抗为Z0的雷道投射到雷击点的波过程。 我国
6、有关规程建议取Z0 300,(四)雷电的极性 负极性雷击均占7590%，对设备绝缘危害较大,防雷计算中一般均按负极性考虑。 (五)雷电流幅值 （ ） 通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻( 30)的物体时流过雷击点的电流。它近似等于电流入射波 的两倍， 即 。 一般地区，雷电流幅值超过 的概率可按下式计算,(六)雷电流的波前时间、陡度及波长 雷电流的波前时间T1处于14us的范围内，平均为2.6us。波长T2（半峰值时间） 处于20100us的范围内，多数为40us左右。 我国防雷设计采用2.6/40us的波形；在绝缘的冲击高压试验中，标准雷电冲击电压的波形定为1.2/50us 。 我国规定波前
7、时间T1=2.6 us 雷电流波前的平均陡度 (kA/us) 波前陡度的最大极限值一般可取50 kA/us左右。,(八)雷电的多重放电次数及总延续时间 有55的对地雷击包含两次以上的重复冲击；35次冲击者有25%；10次以上者有4%。平均重复冲击次数取3次。 一次雷电总延续时间，有50%小于0.2s。 (九)放电能量 放电能量其实不大，但是在极短时间内放出的，因而所对应的功率很大。雷电放电就象把原先产生雷云时所吸收的能量在一瞬间返还给大自然。,雷击所造成的危害主要有两种形式。一是带电的云层对大地上的某一点发生猛烈放电，叫“直击雷”。当“直击雷”发生时，往往会对地面的物体产生强大的打击作用，其破
8、坏力也是巨大的。另一种叫“感应雷”，它的形成过程是由带电云层的静电感应作用，使地面某一范围带上异种电荷。当“雷电”发生后，云层带电迅速消失，而地面某些范围内由于地电阻或导体电阻的存在，当瞬间大电流流过时，就会导致小范围或局部的瞬间过电压。或者由于直击雷放电过程中，强大的脉冲电流周围的导线或金属物产生电磁感应而发生瞬间过电压，以致形成闪击的现象，称“感应雷”。“感应雷”造成的瞬间过电压，指在微秒到毫秒之内产生的尖峰冲击电压。,四、雷电过电压的形成,1.直击雷过电压 雷击地面由先导放电转变为主放电的过程可以用一根已充电的垂直导线突然与被击物体接通来模拟。,图 雷击大地时的计算模型 (a)模拟先导放
9、电 (b)模拟主放电 (c)主放电通道电路 (d)等值电路,+,雷电先导通道中带有与雷云极性相同的电荷（一般雷云多为负极性），自雷云向大地发展。 由于雷云及先导电场的作用，大地被感应出与雷云极性相反的电荷。,主放电前,当先导发展到离大地一定距离时，先导头部与大地之间的空气间隙被击穿，雷电通道中的主放电过程开始，主放电自雷击点沿通道向上发展，若大地的土壤电阻率为零，则主放电所到之处的电位即降为零电位。,先导中的电荷线密度,主放电速度 （实测表明，其速度约为0.10.5倍光速）,波阻抗,主放电时,雷击物体时电流波的运动,若雷击于具有分布参数特性的避雷针、线路或导线时，则雷击时电流的运动可描述如图，
10、负极性电流波将自雷击点“0”沿被击物流动，同时，相同数量的正极性电流波将自雷击点“0”沿通道向上发展。,2.感应雷过电压 由于雷云对地放电过程中，放电通道周围空间电磁场的急剧变化，会在附近线路的导线上产生过电压。在雷云放电的先导阶段，先导通道中充满了电荷，如图（a）所示当先导到达附近地面时，主放电开始，先导通道中的电荷被中和，与之相应的导线上的束缚电荷得到释放，以波的形式向导线两侧运动，如图（b）所示。,图 感应雷过电压的形成 (a)先导放电阶段 （b）主放电阶段,在先导放电阶段，虽然有束缚电荷的存在，但是由于负电荷移动较慢，故线路上产生的的电流较小，相应的电压也较小，可忽略。主放电阶段，负电
11、荷迅速被中和，束缚的正电荷产生的电场使导线对地形成一定电压，而雷电流产生的磁通在导线也感应出一定电压。这两者之和就是感应雷击过电压，分别称为雷击过电压的静电分量和电磁分量。,感应雷击过电压与相邻导线间的感应电压有很大的不同： （1）感应雷击过电压的极性一定与雷云的极性相反，而相邻导线间的感应电压的极性一定与感应源相同。 （2）这种感应过电压一定要在雷云及其先导通道中的电荷被中和后，才能出现，而相邻导线间的感应电压却与感应源同生同灭。 （3）感应雷击过电压的波前平缓（T1=数微妙到数十微妙）、波长较长（T2=数百微妙）。 （4）感应雷击过电压在三相导线上同时出现，且数值基本相等，故不会出现相间电
12、位差和相间闪络；如幅值较大，也只可能引起对地闪络。,以上是没有避雷线的情况，如果在导线上方装有接地的避雷线，由于它的电磁屏蔽作用，会使导线上的感应过电压降低，因为在导线的附近出现了带地电位的避雷线，会使导线的对地电容C增大，另一方面，避雷线位于导线之上，吸引了一部分电力线，使导线上感应出来的束缚电荷Q减少。导线的对地电压为: U=Q/C 显然Q的减少和C的增大将使电压U降低。 另一方面，从电磁感应的角度来看，装设避雷线相当于在“导线大地”回路的近旁增加了一个“避雷线大地”短路环，因而部分抵消导线上的电磁感应电动势，所以感应雷击过电压的电磁分量会受到削弱。,第二节 防雷保护装置,避雷针和避雷线
13、保护间隙和避雷器 防雷接地,现代电力系统中实际采用的防雷保护装置主要有：避雷针、避雷线、保护间隙、各种避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等等。,一、避雷针和避雷线 电力系统中需要安装直接雷击防护装置，广泛采用的即为避雷针和避雷线（又称架空地线）。 避雷针适宜用于变电所、发电厂这样相对集中的保护对象；避雷线适宜用于象架空线路那样伸展很广的保护对象。 保护原理：当雷云放电时使地面电场畸变，在避雷针顶端形成局部场强集中的空间以影响雷电先导放电的发展方向，使雷电对避雷针放电，再经过接地装置将雷电流引入大地从而使被保护物体免遭雷击。 保护范围：表示避雷装置的保护效能，保护范围是相
14、对的，每一个保护范围都有规定的绕击（概）率，绕击指的是雷电绕过避雷装置而击中被保护物体的现象。我国有关规程所推荐的保护范围对应于0.1的绕击率。,避雷针的基本构成： 一个独立避雷针由接闪器、接地引下线和接地装置组成。接闪器是指避雷针最上端12m长的一段，一般由直径不小于12mm的圆钢或直径不小于20mm的焊接钢管制成。接地引下线是连接接闪器和接地装置的一段导体，采用直径不小于8mm的圆钢或截面积不小于48mm2、厚度不小于4mm的扁钢制作。接地装置是接地体和接地线的总和，是为了降低接地电阻而完成的接地整体。既然避雷针的实质是引雷装置，所以接闪器没有必要作得很复杂、不用分叉、也不用采用镀银等。,
15、避雷线 作用原理同避雷针，主要用于输电线路的保护，也可用于保护发电厂和变电所 保护范围的长度与线路等长，而且两端还有其保护的半个圆锥体空间 在架空输电线路上多采用保护角来表示避雷线的保护程度 保护角：避雷线的铅垂线与避雷线和边导线连线的夹角， 越小，雷击导线的概率越小，对导线的屏蔽保护越可靠,单根避雷针保护范围,hx-被保护物体高度； h-避雷针高度 P-高度修正系数,单根避雷线保护范围,两平行避雷线保护范围,避雷线保护角,单支避雷针的保护范围是一个以其本体为轴线的曲线圆锥体，像一座圆帐篷。它的侧面边界线实际上是曲线，但我国规程建议近似地用折线来拟合，以简化计算。 不难看出：最大的保护半径即为
16、地面上（hx=0）的保护半径rg=1.5h。 从h越高、修正系数P越小可知：为了增大保护范围，而一味的提高避雷针的高度并非良策，合理的解决办法应是采用多支（等高或不等高）避雷针做联合保护。 单根避雷线的保护半径要比单根避雷针的保护半径小得多 ，这是因为它的引雷空间要比同样高度的避雷针小。,某变电所配电构架高11m，宽10.5m，拟在构架侧旁装设独立避雷针进行保护，避雷针距构架至少5m。试计算避雷针最低高度。,二、保护间隙和避雷器,避雷器的作用是限制过电压以保护电气设备。 避雷器的种类： 保护间隙： 用于限制大气过电压。一般用于配电线路。 管型避雷器：系统、线路和发、变电所进线段保护 阀型避雷器：发电厂、变电所保护；220kV 以下用于限制大气过电压，超高
