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1、第7章 变电站的防雷保护,7.1大气过电压的基本形式 7.2避雷针、避雷线和避雷器 7.3变电站的防雷保护 7.4接地装置,7.1大气过电压的基本形式,1.大气过电压及雷电的形成 大气过电压产生的根本原因是雷云放电所引起的。 电荷在雷云中分布是不均匀的，当雷云中电荷密集处的电场强度达到2530kV/cm时，就会使附近的空气电离，形成导电通道。电荷就沿着这个通道由电荷密集中心向地面扩展，称先导放电。 当先导放电通道到达地面时，大地的电荷与雷云中的电荷产生强烈的中和，出现了极大的电流，伴随着雷鸣和闪光，这就是主放电阶段。 主放电存在的时间极短，约50100s，电流可达数千安至几十万安，是全部雷电流
2、的最主要部分。主放电的过程是逆着先导通道发生的，当主放电到达云端时，主放电就结束。 主放电结束后，雷云中的残余电荷还会沿着主放电通道进入地面，称为余光放电。余光放电电流是雷电流的一部分，约数百安。,2.大气过电压的基本形式 雷云对大地的放电，将产生有很大破坏作用的大气过电压，其基本形式有三种： （1）直击雷过电压（直击雷）。 雷云直接击中房屋、杆塔、电力装置等物体时，强大的雷电流经过该物体的阻抗泄入大地，在该物体上产生较高的电压降，称为直击雷过电压。雷电流通过被击物体时，将产生有破坏作用的热效应和机械效应。 （2）感应过电压（感应雷）。当雷云在架空导线（或其他物体）上方时，由于静电感应，在架空
3、导线上积聚了大量异性束缚电荷，如图7-1所示。在雷云向大地等处由先导放电发展至主放电阶段而对大地放电时，线路上的电荷被释放，形成自由电荷流向线路两端，产生很高的过电压（高压线路可达几十万伏，低压线路达几万伏），将对电力网络造成危害。这种过电压，就是对电力装置有危害的静电感应过电压。 （3）侵入波（行波）过电压。架空线路遭受直接雷击或感应雷而产生的高电位雷电波，可能沿架空线路侵入变电站（配电所）而造成危险。这种波称为侵入波。据统计，这种雷电侵入波占电力系统雷害事故的50%以上。因此，对其防护问题应相当重视。,图7-1 架空线路上的静电感应过电压,3.有关雷电的名词 雷暴日：一天内只要听到雷声，即
4、称一个雷暴日。 少雷区：年平均雷暴日数不超过15的地区。 多雷区：年平均雷暴日数超过40的地区。 雷电活动特别强烈地区：年平均雷暴日数超过90的地区以及危害特别严重的地区。 雷暴小时：一个小时内只要听见雷声，即称一个雷暴小时。我国大部分地区一个雷暴日，约折合三个雷暴小时。,7.2避雷针、避雷线和避雷器,7.2.1避雷针和避雷线的结构和保护范围,1.避雷针和避雷线的作用和结构 避雷针和避雷线是防直雷击的有效措施。避雷针作用是吸引雷电，并安全导入大地，从而保护了附近的建筑和设备免受雷击。 避雷针由接闪器、引下线、接地体三部分组成。 独立避雷针还需要支持物，支持物可以是混凝土杆，木杆或由角钢、圆钢焊
5、接而成。,接闪器是避雷针的最重要部分，专用来接受雷云放电，可采用直径为1020毫米，长为12米的圆钢，或采用直径不小于25毫米的镀锌金属管。 引下线是接闪器与接地体之间的连接线，它将接闪器上的雷电流安全引入接地体，所以应保证雷电流通过时不致熔化，引下线一般采用直径为8毫米的圆钢或截面不小于25平方毫米的镀锌钢绞线。如果避雷针的本体是采用铁管或铁塔形式，则可以利用其本体做引下线，还可以利用钢筋混凝土杆的钢筋作引下线。 接地体是避雷针的地下部分，其作用是将雷电流直接泄入大地。接地体埋设深度不应小于0.6米，垂直接地体的长度不应小于2.5米，垂直接地体之间的距离一般不小于5米。接地体一般采用直径为1
6、9毫米的镀锌圆钢。 引下线与接闪器及接地体之间，以及引下线本身接头，都要可靠联接。联接处不许用绞合的方法，必须用烧焊或线夹、螺钉。 避雷线主要用来保护架空线路。它由悬挂在空中的接地导线，接地引下线和接地体组成。,2.单根避雷针保护范围的确定 保护范围是指被保护物在此空间范围内不致遭受雷击。保护范围的大小与避雷针的高度有关。应采用滚求法对避雷针、避雷线进行保护范围的计算。 滚求法是以hr为半径的一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物）或接闪器和地面（包括与大地接触能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位时，该部位就在接闪器的保护范围之内，如图7-
7、2所示。不同防雷建筑物的滚球半径如表7-1所示。,表7-1 滚球半径的确定,（1）当避雷针的高度hhr时，保护范围的确定方法如下： 距地面hr处作一平行于地面的平行线； 以避雷针的针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线的A、B两点； 分别以A、B两点为圆心，hr为半径作弧线，该弧线均与针尖相交，并与地面相切，从此弧线起到地面止的整个锥体空间就是避雷针的保护范围。 在被保护物的高度hx水平面上的保护半径为：,米 （7-1）,避雷针在地面上的保护半径为：,米 （7-2）,式中h为避雷针的高度；hx为被保护物的高度，m；hr为滚球半径，按表8-1确定；rx为避雷针在hx高度的水平面上的保护半径，m
8、；r0为避雷针在地面上的保护半径，m。 （2）当hhr时，除在避雷针上取高度hr的一点代替避雷针针尖作圆心外，其余的做法同（1），但在式（7-1）和（7-2）中h用hr代替。,图7-2 单根避雷针的保护范围,3.单根架空避雷线保护范围的确定 单根架空避雷线保护范围，当避雷线的高度h2hr时，无保护范围；当避雷线高度h2hr时应按下列方法确定保护范围，如图7-3所示。,（1）距地面hr处作一平行于地面的平行线； （2）以避雷线为圆心，hr为半径，作弧线交平行线的A、B两点； （3）以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该两弧线相交或相切并与地面相切。从该两弧线起到地面止就是保护范围； （4）当hrh
9、2hr时，保护范围最低点的高度h0按下式计算：,（米） （7-3）,（5）避雷线在hx高度的平面xx上的保护宽度，按下式计算：,（7-4）,式中bx为避雷线在hx高度xx平面上的保护宽度，m；h为避雷线的高度；hx为被保护物的高度，m；hr为滚球半径，按表7-1确定。,7.2.2避雷器的结构原理,避雷器是防止雷电波侵入的主要保护设备，与被保护设备并联。当雷电冲击波侵入时，避雷器能及时放电，并将雷电波导入地中，使电气设备免遭雷击。而过电压消失后，避雷器又能自动恢复到初始状态。同时避雷器还能保护操作过电压。常见的避雷器有: 阀型避雷器 管型避雷器 保护间隙 金属氧化物避雷器,（1）阀型避雷器。 阀
10、型避雷器是由装在密封瓷套管中的火花间隙和阀片（非线性电阻）串联组成。在瓷套管的上端有接线端子，下端通过接地引下线与接地体相连，其结构和外形如图7-4所示。,图7-4 阀型避雷器的结构 （a）FS-0.38型：1-上接线端子 2-火花间隙 3-云母片 4-瓷套管 5-阀片 6-下接线端 （b）FZ-10型：1-火花间隙 2-阀片 3-瓷套管 4-云母片 5-分路电阻,火花间隙按网络额定电压的高低，采用若干个单间隙叠合而成，单个平板型火花间隙如图7-5所示。,图7-5 单个平板型火花间隙 1-黄铜电极 2-云母片,单个平板型火花间隙由两个圆形黄铜电极和一个垫在中间的云母片2叠合而成。由于两黄铜电极
11、的间距小，面积较大，因而电场较均匀，可得到较平缓的放电伏秒特性，并能熄灭80A的工频续流电弧。阀片是由金刚砂（SiC）细粒（占70）、石墨（占10）和水玻璃（占20）在一定的高温下烧结而成，呈圆饼状。 阀片具有良好的非线性电阻特性及较高的通流能力。阀片的电阻不是常数，过电压时，阀片电阻变得很小，因而在通过较大雷电流时，不会使残压Uv（阀型避雷器火花间隙击穿后，雷电流在阀片上产生的电压降为残压）过高；雷电流过后，线路恢复为正常工频电压时，阀片电阻很大，限制了较小的工频续流，有利于火花间隙切断工频续流，使避雷器和电网恢复正常的运行状态。阀片最大通流能力达3040kA。阀片数目的多少是随网络额定电压
12、的高低增加或减少的。,阀型避雷器主要分为普通型和磁吹型两大类。普通型有FS和FZ两种系列；磁吹型有FCD和FCZ两种系列。 阀型避雷器的型号中的符号含义如下：F表示阀型；S表示线路用；Z表示电站用；D表示保护电机用；C表示磁吹型，字母后的数字表示避雷器的额定电压。 FS系列阀型避雷器阀片直径小，火花间隙无分路电阻（均压电阻），通流容量较小，一般用来保护小容量配电装置，在10kV及以下小型工厂的配电系统中，广泛用于变压器及电气设备的保护。 FZ系列阀型避雷器的阀片直径较大，火花间隙有均压电阻，通流容量较大，残压Uv和冲击放电电压（在大气过电压的作用下，避雷器的动作电压）都比FS型避雷器小，因此，
13、通常用于35kV及以上大、中型工厂的总降压变电站的电气设备的保护。 磁吹型避雷器的FCD系列由于冲击放电电压和残压均低于同级电压的其他型避雷器，常用于旋转类电机的保护； FCZ系列，因阀片的直径较大，通流容量也大，常用于变电站的高压电气设备的保护。,（2）管型避雷器（又叫排气式避雷器FE）。管型避雷器由产气管、内部间隙和外部间隙三部分组成。而产气管由纤维、有机玻璃或塑料组成。它是一种灭弧能力很强的保护间隙。管型避雷器结构示意图如图7-6所示。,图7-6 管型避雷器结构示意图 1-产气管 2-棒型电极 3-环形电极4-接地支座5-管口 6-线路 s1-外间隙 s2-内间隙,当沿线侵入的雷电波幅值
14、超过管型避雷器的击穿电压时，内外火花间隙同时放电，内部火花间隙的放电电弧使管内温度迅速升高，管内壁的纤维材料分解出大量高压气体，由环形电极端面的管口5喷出，形成强烈纵吹，使电弧在电流第一次过零时就熄灭。这时外部间隙的空气的介质强度迅速恢复，使管型避雷器与供电系统隔离。熄弧过程仅为0.01s。管型避雷器主要用于变电站进线线路的过电压保护。,（3）保护间隙。保护间隙是最简单、经济的防雷设备。常见的三种角形保护间隙结构如图7-7所示。,图7-7 角型保护间隙 （a）双支持绝缘子单间隙 （b）单支持绝缘子单间隙 （c）双支持绝缘子双间隙 s-保护间隙 s1-主间隙 s2-辅助间隙,这种角形保护间隙又称
15、羊角避雷器。其中一个电极接于线路，另一个电极接地。当线路侵入雷电波引起过电压时，间隙击穿放电，将雷电流导入大地。为了防止间隙被外物（如鸟、兽等）短接而造成短路故障，通常在其接地引下线中还串接一个辅助间隙s2，如图7-7（c）所示，这样即使主间隙被外物短接，也不致造成接地短路。 保护间隙保护性能差，灭弧能力弱，只用于室外且负荷不重要的线路上。,（4）金属氧化物避雷器。 金属氧化物避雷器的阀片以氧化锌（ZnO）为主要原料，阀片具有较理想的伏安特性，当作用在氧化锌阀片上的电压超过某一值（此值称为动作电压）时，阀片将“导通”，而后在阀片的残压与流过其本身的电流基本无关。 在工频电压下，阀片的电阻值极大
16、，能迅速抑制工频续流，因此可以不串联火花间隙来熄灭工频续流引起的电弧。 阀片通流能力强，阀片直径小。 金属氧化物避雷器具有无间隙、无续流、体积小、重量轻等优点，而且保护性能好，阀片的残压比阀型避雷器的低。 由于雷电流通过氧化锌避雷器没有工频续流的问题，因此可以承受多重雷击。,7.3变电站的防雷保护,7.3.1变配电所的直击雷保护 变配电所内有很多电气设备（如变压器等）的绝缘性能远比电力线路的绝缘性能低，而且变配电所又是电网的枢纽，如果变电站内发生雷害事故，将会造成很大损失，因此必须采用防雷措施。变电站对直击雷的防护，一般装设避雷针，装设避雷针应考虑两个原则： （1）所有被保护的设备均应处于避雷针的保护范围之内，以免受到直接雷击。 （2）当雷击避雷针后，雷电流沿引下线入地时，对地电位很高，如果它与被保护设备之间的绝缘距离不够，就有可能在避雷针受雷击之后，从避雷针至被保护设备发生放电，这种情况叫逆闪络或反击。,如图7-8所示，为防止反击，避雷针和被保护物之间应保持足够的安全距离SK，被保护物的外壳和避雷针的接地体在地中的距离Sd分别应
