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1、课题9 防雷与接地,9.1 过电压与防雷 9.2 接地,9.1 过电压与防雷,过电压（over voltage）是指电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的异常电压的现象。 按照过电压产生的原因不同，可分为外部过电压和内部过电压两大类。 1.内部过电压 电力系统内部运行方式发生改变而引起的过电压称为内部过电压，又分为暂态过电压、操作过电压和谐振过电压三种。,9.1.1 过电压,暂态过电压是由于断路器操作或发生短路故障而使电力系统经历过渡过程以后重新达到某种暂时稳定的情况下所出现的过电压，又称工频电压升高。常见的有： 空载长线电容效应（费兰梯效应）。在工频电源作用下，由于远距离空载线路电容效应
2、的积累，使沿线电压分布不等，末端电压最高。 不对称短路接地。三相输电线路a相发生短路接地故障时，b、c相上的电压会升高。 甩负荷过电压。输电线路因发生故障而被迫突然甩掉负荷时，由于电源电动势尚未及时自动调节而引起的过电压。,操作过电压是由于进行断路器操作或发生突然短路而引起的衰减较快、持续时间较短的过电压，常见的有空载线路合闸和重合闸过电压、切除空载线路过电压、切断空载变压器过电压和弧光接地过电压。 谐振过电压是电力系统中电感、电容等储能元件在某些接线方式下与电源频率发生谐振所造成的瞬间高电压。一般按起因分为线性谐振过电压、铁磁谐振过电压和参量谐振过电压。,内部过电压的幅值一般不超过电网额定电
3、压的33.5倍，对供电系统的危害较小。这是因为它比大气过电压小得多，且电气设备和线路在设计时的绝缘强度留有一定的裕量。,2.外部过电压 外部过电压又称雷电过电压或大气过电压，是由大气中的雷云对地面放电而引起的，主要有直击雷过电压和感应雷过电压两种。雷电过电压的持续时间约为几十微秒，具有脉冲的特性，故常称为雷电冲击波。,1.雷电的形成 雷电的形成过程可分为气流上升、电荷分离和放电三个阶段。在雷雨季节，地面上的水分受热变成蒸汽上升，与冷空气相遇之后凝成水滴，形成积云。云中水滴受强气流摩擦产生电荷，小水滴容易被气流带走，形成带负电的云；较大水滴形成带正电的云。由于静电感应，大地表面与云层之间、云层与
4、云层之间会感应出异性电荷，当电场强度达到一定值时，即发生雷云与大地或雷云与雷云之间的放电。典型的雷击发展过程如图9.1所示。,9.1.2 雷与防雷设备,9.1.2.1 雷电基本知识,据测试，对地放电的雷云大多带负电荷。随着雷云中负电荷的积累，其电场强度逐渐增加，当达到2530 kV/cm时，使附近的空气绝缘破坏，便产生雷云放电。,2.雷电的特点及作用形式 （1） 雷电的特点 雷电流是一种冲击波，雷电流幅值Im的变化范围很大，一般为数十至数千安培。雷电流幅值一般在第一次闪击时出现，也称主放电。典型的雷电流波形如图9.2所示。雷电流一般在14 s内增长到幅值Im，雷电流在幅值以前的一段波形称为波头
5、；从幅值起到雷电流衰减至Im/2的一段波形称为波尾。雷电流是一个幅值很大、陡度很高的电流，具有很强的冲击性，其破坏性极大。,（2） 雷击的选择性 建筑物遭受雷击的部分是有一定规律的，建筑物易遭受雷击的部位如下: 平屋面或坡度不大于1/10的屋面檐角、女儿墙、屋檐，如图9.3（a）、（b）所示。 坡度大于1/10且小于1/2的屋面屋角、屋脊、檐角、屋檐，如图9.3（c）所示。 坡度不小于1/2的屋面屋角、屋脊、檐角，如图9.3（d）所示。,（3） 雷电击的基本形式 直击雷 当天空中的雷云飘近地面时，就在附近地面特别是凸出的树木或建筑物上感应出异性电荷。电场强度达到一定值时，雷云就会通过这些物体与
6、大地之间放电，发生雷击。这种直接击在建筑物或其他物体上的雷电叫直击雷。直击雷使被击物体产生很高的电位，引起过电压和过电流，不仅会击毙人畜、烧毁或劈倒树木、破坏建筑物，而且还会引起火灾和爆炸。, 感应雷 当建筑上空有雷云时，在建筑物上便会感应出相反电荷。在雷云放电后，云与大地电场消失了，但聚集在屋顶上的电荷不能立即释放，此时屋顶对地面便有相当高的感应电压，造成屋内电线、金属管道和大型金属设备放电，引起建筑物内的易爆危险品爆炸或易燃物品燃烧。这里的感应电荷主要是由于雷电流的强大电场和磁场变化产生的静电感应和电磁感应造成的，所以称为感应雷或感应过电压。, 雷电波侵入 当输电线路或金属管路遭受直接雷击
7、或发生感应雷，雷电波便沿着这些线路侵入室内，造成人员、电气设备和建筑物的伤害和破坏。雷电波侵入造成的事故在雷害事故中占相当大的比重，需引起足够重视。, 球形雷 球形雷的形成研究还没有完整的理论，通常认为它是一个温度极高的特别明亮的眩目发光球体，直径为1020 cm或更大。球形雷通常在电闪后发生，以每秒几米的速度在空气中漂行，它能从烟囱、门、窗或孔洞进入建筑物内部造成破坏。,3.雷暴日 雷电的大小、多少与气象条件有关，评价某地区雷电的活动频繁程度一般以雷暴日为单位。在一天内只要听到雷声或者看到雷闪就算一个雷暴日。由当地气象台站统计的多年雷暴日的年平均值称为年平均雷暴日数。年平均雷暴日不超过15天
8、的地区称为少雷区，超过40天的地区称为多雷区。,4.雷电的危害 雷电的形成伴随着巨大的电流和极高的电压，在它的放电过程中会产生极大的破坏力。雷电的危害主要是以下几方面： (1) 雷电的热效应 雷电产生强大的热能使金属熔化，烧断输电导线，摧毁用电设备，甚至引起火灾和爆炸。,(2) 雷电的机械效应 雷电产生强大的电动力可以击毁电杆，破坏建筑物，人畜亦不能幸免。 (3) 雷电的闪络放电 雷电产生的高电压会引起绝缘子烧坏，断路器跳闸，导致供电线路停电。,图9.1 雷云对地放电示意图,图9.2 雷电流波形,图9.3 建筑物易受雷击的部位,防雷装置由接闪器、接地引下线和接地体三部分组成。 1.避雷针 避雷
9、针属于接闪器，它是用镀锌圆钢或焊接钢管制成，头部呈尖形，为保证足够的雷电流流通量，其直径应不小于表9.1（见P276）给出的数值。避雷针的下端经引下线与接地装置焊接，形成可靠连接。避雷针通常安装在构架、支柱或建筑物上。,9.1.2.2 防雷装置,由于避雷针安装高度高于被保护物，又与大地相连，因此，当雷电先导临近地面时，避雷针能使雷电场发生畸变，改变雷电先导的通道方向，将之引向避雷针的本体。一旦雷电经避雷针放电，强大的雷电流就经避雷针、引下线泄放至大地而避免了被保护物遭受雷击。从这一意义上说，避雷针实质上是“引雷针”，而不是“避雷针”。,在避雷针下方有一个安全区域，处在这个安全区域内的被保护物遭
10、受直接雷击的概率非常小，该区域就称为避雷针的保护范围。避雷针的保护范围以往常用“折线法”计算，目前根据建筑物防雷设计规范（GB 5005794）采用“滚球法”来计算。,滚球法确定防护范围的步骤为：选择一个半径为hr（滚球半径）的球体，沿需防护直击雷的部分滚动。当球体触及接闪器或者同时触及接闪器和地面，而不能触及接闪器下方部位时，则该部位就在这个接闪器的保护范围之内。滚球半径hr是按不同建筑物的防雷类别确定的，见表9.2（见P277）。 避雷针保护的范围见图9.4，具体计算步骤如下：,（1） 当避雷针高度h小于或等于滚球半径hr时 距地面hr处作一平行于地面的平行线。 以避雷针针尖为圆心，以hr
11、为半径，作弧线交平行线于A、B两点。 分别以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该两条弧线上与避雷针尖相交，下与地面相切，再将此两条弧线以避雷针为轴旋转180，形成的圆弧曲面体空间就是避雷针的保护范围。, 避雷针在hx高度xx平面上的保护半径rx按下式确定： （2） 当避雷针高度h大于滚球半径hr时，取h=hr，再按第（1）条方法计算。,【例9.1】某厂有一座第二类防雷建筑物，高10 m，其屋顶最远一角距离高50 m的烟囱为15 m远，烟囱上装有一根2.5 m高的避雷针。试用“滚球法”验算此避雷针能否保护这座建筑物。 【解】已知h=50+2.5=52.5 m，hx=10 m，滚球半径hr=45 m
12、（第二类防雷建筑物），所以在rx水平面上避雷针的保护半径为 能保护该建筑物。,2.避雷线 避雷线的原理及作用与避雷针基本相同，它主要用于保护架空线路，因此又称为架空地线。避雷线的材料为35 mm2的镀锌钢线，分单根和双根两种，双根的保护范围大一些。避雷线一般架设在架空线路导线的上方，用引下线与接地装置连接，以保护架空线路免受直接雷击。单根避雷线的保护范围按下列方法确定，如图9.5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，作弧线交于平行线的A、B两点。 （3） 分别以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，从该弧线起到地面止
13、就是保护范围。 （4） 当避雷线的高度满足hrh2hr时，保护范围最高点的高度h0为 h0=2hr-h,（5） 避雷线在hx高度xx平面上的保护宽度bx为 （6） 当避雷线的高度h2hr时，无保护范围。,3.避雷网和避雷带 避雷网和避雷带普遍用来保护高层建筑物免遭直击雷和感应雷的侵害。避雷带采用直径不小于8 mm的圆钢或截面不小于48 mm2、厚度不小于4 mm的扁钢，沿屋顶周围装设，高出屋面100159 mm，支持卡间距为11.5 m。避雷网则除了沿屋顶周围装设外，屋顶上面还用圆钢或扁钢纵横连接成网状。避雷带、避雷网必须经12根引下线与接地装置可靠地连接。,4.避雷器 由前所述，当雷电所产生
14、的感应过电压沿架空线路侵入变配电所或其他建筑物内时，将发生闪络，甚至将电气设备的绝缘击穿。因此，假如在电气设备的电源进线端并联一种保护设备，如图9.6所示，令其放电电压低于被保护设备的绝缘耐压值，当过电压来临时，该保护设备立即对地放电，从而使被保护设备免受雷击。常用避雷器的形式有阀式、管式、保护间隙和金属氧化物等。,（1） 阀式避雷器 阀式避雷器主要分为普通阀式避雷器和磁吹阀式避雷器两大类。普通阀式避雷器有FS和FZ两种系列；磁吹阀式避雷器有FCD和FCZ两种系列。阀式避雷器型号中的符号含义如下：F阀式避雷器；S配（变）电作用；Z电站用；Y线路用；D旋转电机用；C具有磁吹放电间隙。,阀式避雷器
15、主要由平板火花间隙与碳化硅电阻片（阀片）串联而成，装在密封的瓷管内，外壳有接线螺栓供安装用。避雷器中的碳化硅电阻具有非线性特性,在正常电压时其阻值很大,过电压时其阻值随之变小。,阀式避雷器在正常的工频电压作用下火花间隙不被击穿，但在雷电波过电压下，避雷器的火花间隙被击穿；碳化硅电阻的阻值随之变得很小，雷电波巨大的雷电流顺利地通过电阻流入大地中，电阻阀片对尾随雷电流而来的工频电压呈现了很大的电阻，从而工频电流被火花间隙阻断，线路恢复正常运行。由此可见，电阻阀片和火花间隙的密切配合使避雷器很像一个阀门，对于雷电流“阀门”打开，对于工频电流“阀门”则关闭，故称之为阀式避雷器。,FS系列阀式避雷器的结
16、构如图9.7（a）所示，此系列避雷器阀片直径较小，通流容量较低，一般用于保护变配电设备和线路。FZ系列阀式避雷器的结构如图9.7（b）所示，此系列避雷器阀片直径较大，且火花间隙并联了具有非线性的碳化硅电阻，通流容量较大，一般用于保护35 kV及以上大、中型工厂中总降压变电所的电气设备。,磁吹阀式避雷器（FCD型）的内部附有磁吹装置来加速火花间隙中电弧的熄灭，专门用来保护重要的或绝缘较为薄弱的设备，如高压电动机等。,（2） 保护间隙和管式避雷器 保护间隙是最简单的防雷设备，其原理结构如图9.8所示。保护间隙一般用镀锌圆钢制成，由主间隙和辅助间隙两部分组成。主间隙做成角形的，水平安装，以便灭弧。为了防止主间隙被外来的物体短路而引起误动作，在主间隙的下方串联有辅助间隙。因为保护间隙灭弧能力弱，一般要求与自动重合闸装置配合使用，以提高供电的可靠性。,管式避雷器的基本元件是安装在产气管内的火花间隙，间隙由棒型和环型电极构成，如图9.
