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1、4 4 雷电参数及防雷设施雷电参数及防雷设施 n4.1 雷电及其危害雷电及其危害n4.2 雷电参数雷电参数n4.3 避雷针和避雷线的保护范围避雷针和避雷线的保护范围n4.4 避雷器与电子设备防雷保护器件避雷器与电子设备防雷保护器件n4.4 接地装置接地装置4.1 雷电及其危害雷电及其危害n雷云的形成雷云的形成 (水滴冰冻学说水滴冰冻学说)n雷电放电雷电放电(先导放电、先导放电、 主放电主放电 、余光放电、余光放电 )n雷电的危害雷电的危害1. 直击雷直击雷 2. 感应雷（雷电感应过电压）感应雷（雷电感应过电压）3. 侵入波侵入波 4. 跨步电压和接触电压跨步电压和接触电压 5. 高电位引出高电
2、位引出4.2 雷电参数雷电参数 n雷暴日（雷暴日（Td）/雷暴小时（雷暴小时（Th） n地面落雷密度地面落雷密度n雷电流雷电流 1、雷电流幅值的概率分布、雷电流幅值的概率分布 2、雷电流波形、雷电流波形 3、雷电流陡度、雷电流陡度 4、雷电流的极性、雷电流的极性 n雷电放电的计算模型雷电放电的计算模型 先导通道的波阻抗的取值并不一致，但一般为几百到几千欧姆。先导通道的波阻抗的取值并不一致，但一般为几百到几千欧姆。 4.3 避雷针和避雷线的保护范围避雷针和避雷线的保护范围 n避雷针避雷针 避雷针由接闪器、引下线和接地体三部分组成避雷针由接闪器、引下线和接地体三部分组成 单根避雷针单根避雷针 两支
3、等高避雷针两支等高避雷针 n避雷线避雷线 避雷线的接闪器为悬挂在空中的水平接地导体。避雷线的接闪器为悬挂在空中的水平接地导体。 4.4 避雷器与电子设备防雷保护器件避雷器与电子设备防雷保护器件 n基本要求基本要求 1. 过电压限制器的放电电压应略高于系统的最大工过电压限制器的放电电压应略高于系统的最大工作电压。作电压。 2. 过电压限制器应具有良好的伏秒特性，与被保护过电压限制器应具有良好的伏秒特性，与被保护设备有合理的绝缘配合。设备有合理的绝缘配合。3. 过电压限制器应有较强的绝缘强度自恢复能力。过电压限制器应有较强的绝缘强度自恢复能力。 n避雷器的分类避雷器的分类 保护间隙、阀式避雷器、排
4、气式避雷器保护间隙、阀式避雷器、排气式避雷器 、氧化锌、氧化锌避雷器避雷器 避雷器的电气参数避雷器的电气参数（1）标称放电电流）标称放电电流 冲击波形为冲击波形为8/20s的放电电流峰值，单位的放电电流峰值，单位kA，用以区分，用以区分避雷器的等级。我国规定的标称电流有避雷器的等级。我国规定的标称电流有1、1.5、2.5、5、10和和20kA几个等级。几个等级。（2）残压）残压 包括标称放电电流下的残压、陡波电流下的残压和操作包括标称放电电流下的残压、陡波电流下的残压和操作冲击电流下的残压。其中陡波电流波形为冲击电流下的残压。其中陡波电流波形为1/5s，操作冲，操作冲击电流的波头时间为击电流的
5、波头时间为30100s。（3）雷电冲击保护水平）雷电冲击保护水平 避雷器标称放电电流下的残压值为其雷电冲击保护水平。避雷器标称放电电流下的残压值为其雷电冲击保护水平。陡波电流下的残压与标称放电电流下的残压之比不得大陡波电流下的残压与标称放电电流下的残压之比不得大于于1.15。（4）操作冲击保护水平）操作冲击保护水平 避雷器在操作冲击电流（波头时间为避雷器在操作冲击电流（波头时间为30100s）下的最大）下的最大残压。残压。（5）额定电压）额定电压 指能施加在避雷器两端的最大允许工频电压有效值，指能施加在避雷器两端的最大允许工频电压有效值，（6）最大持续运行电压）最大持续运行电压 为在运行中允许
6、持续地施加在避雷器上的最大工频电压有效为在运行中允许持续地施加在避雷器上的最大工频电压有效值，单位值，单位kV。其值一般应等于或大于额定电压的。其值一般应等于或大于额定电压的0.8倍，且倍，且不低于系统的最高运行相电压。不低于系统的最高运行相电压。（7）起始动作电压（又称参考电压或转折电压）起始动作电压（又称参考电压或转折电压） 通常指通过通常指通过1mA工频阻性电流分量峰值或工频阻性电流分量峰值或1mA直流电流时直流电流时避雷器端电压的峰值避雷器端电压的峰值U1mA。 （8）压比）压比 指避雷器在波形为指避雷器在波形为8/20S的标称冲击电流（例如的标称冲击电流（例如10kA）作）作用下的残
7、压用下的残压U10kA与起始动作电压与起始动作电压U1mA之比。压比之比。压比（U10kA/U1mA）愈小，表明避雷器的非线性愈好。）愈小，表明避雷器的非线性愈好。（9）荷电率）荷电率 指最大持续运行电压的幅值与起始动作电压的比值。指最大持续运行电压的幅值与起始动作电压的比值。 电子设备防雷保护器件电子设备防雷保护器件n电子设备的防雷器件分为电源系统防雷器件和电子设备的防雷器件分为电源系统防雷器件和信号系统防雷器件。由于电子设备的工作电压信号系统防雷器件。由于电子设备的工作电压低，很低的脉冲电压（如几伏）就可以造成电低，很低的脉冲电压（如几伏）就可以造成电子设备损坏，而且要在纳秒级的时间内将被
8、保子设备损坏，而且要在纳秒级的时间内将被保护设备接入等电位系统，并将雷电脉冲的能量护设备接入等电位系统，并将雷电脉冲的能量释放到大地。释放到大地。 n常用的电子设备防雷保护器件包括常用的电子设备防雷保护器件包括 :放电管、放电管、 TVS (瞬变电压抑制二极管瞬变电压抑制二极管 )、放电管（气体放电管和固体放电管）放电管（气体放电管和固体放电管）n气体放电管由两个或数个带间隙的金属电极组成，采用充气体放电管由两个或数个带间隙的金属电极组成，采用充以氩气或氖气等惰性气体的陶瓷密闭封装。当气体放电管以氩气或氖气等惰性气体的陶瓷密闭封装。当气体放电管两端的电压达到其击穿电压时，气体放电管开始放电，并
9、两端的电压达到其击穿电压时，气体放电管开始放电，并由高阻变成低阻，使放电流入地，使电极两端的电压不超由高阻变成低阻，使放电流入地，使电极两端的电压不超过被保护电子设备的击穿电压。过被保护电子设备的击穿电压。n 固体放电管是基于晶闸管原理的二端负阻器件。其作用相固体放电管是基于晶闸管原理的二端负阻器件。其作用相当于一个开关，在正常电压下，漏电流当于一个开关，在正常电压下，漏电流5A，对系统无影，对系统无影响；当出现的浪涌过电压大于其断态峰值电压，即产生雪响；当出现的浪涌过电压大于其断态峰值电压，即产生雪崩效应；当浪涌电流超过开关电流，其电压即为导通电压崩效应；当浪涌电流超过开关电流，其电压即为导
10、通电压（5V）。浪涌电流就被旁路入地，电子设备得到保护。）。浪涌电流就被旁路入地，电子设备得到保护。浪涌过后，电流减小，当小于最小维持电压时。固体放电浪涌过后，电流减小，当小于最小维持电压时。固体放电管自然恢复阻断状态。管自然恢复阻断状态。TVSnTVS是基于硅是基于硅PN结正向压降和反向雪崩击穿电压特性结正向压降和反向雪崩击穿电压特性制成的。在正常情况下呈高阻，在浪涌电压的作用下，制成的。在正常情况下呈高阻，在浪涌电压的作用下，TVS两极间的电压由额定反向关断电压上升到击穿电两极间的电压由额定反向关断电压上升到击穿电压，压，TVS被击穿，出现击穿电流，此时阻抗可以立即被击穿，出现击穿电流，此
11、时阻抗可以立即将得很低让大电流通过，其两端的电压被钳位在预定将得很低让大电流通过，其两端的电压被钳位在预定水平。随着脉冲电流衰减，水平。随着脉冲电流衰减，TVS两极之间的电压也不两极之间的电压也不断下降，直到恢复初态。断下降，直到恢复初态。nTVS的响应时间非常快，在亚纳秒级，可以吸收高达的响应时间非常快，在亚纳秒级，可以吸收高达数千瓦的功率。工作电压范围可在几伏至一百多伏之数千瓦的功率。工作电压范围可在几伏至一百多伏之间变化，可用于静电、感应雷过电压以及切换感性负间变化，可用于静电、感应雷过电压以及切换感性负载产生的瞬变电压的防护。载产生的瞬变电压的防护。 压敏电阻压敏电阻 n氧化锌压敏电阻
12、，是具有优良非线性特性的陶瓷电阻氧化锌压敏电阻，是具有优良非线性特性的陶瓷电阻元件。氧化锌压敏电阻是以氧化锌为主体材料，加入元件。氧化锌压敏电阻是以氧化锌为主体材料，加入适当掺杂物，用常规的陶瓷工艺制备而成的。适当掺杂物，用常规的陶瓷工艺制备而成的。 n与其它非线性元件（如二极管等）相比具有使用电压与其它非线性元件（如二极管等）相比具有使用电压范围宽（从几伏到几万伏以上），耐浪涌能力强，生范围宽（从几伏到几万伏以上），耐浪涌能力强，生产工艺简单、价格低、电压温度系数小等优点，但其产工艺简单、价格低、电压温度系数小等优点，但其钳位特性相对差一些。钳位特性相对差一些。 以上电子设备防雷器件可统称为
13、浪涌保护器件（以上电子设备防雷器件可统称为浪涌保护器件（SPD） 4.5 接地装置接地装置 n接地是指将电力系统或建筑物内的电气设备的接地是指将电力系统或建筑物内的电气设备的某一部分与大地相连接，与大地保持等电位。某一部分与大地相连接，与大地保持等电位。接地是由接地装置实现的。接地是由接地装置实现的。n接地装置包括接地体与接地线，接地体是埋设接地装置包括接地体与接地线，接地体是埋设于大地并直接与大地土壤接触的金属导体，其于大地并直接与大地土壤接触的金属导体，其作用是减小接地电阻，接地线是连接被接地物作用是减小接地电阻，接地线是连接被接地物与接地体的金属导线。与接地体的金属导线。一、接地电阻一、
14、接地电阻n接地电阻接地电阻R的数值等于接地装置的数值等于接地装置对地电压对地电压U与通过接地极流入地与通过接地极流入地中电流中电流I的比值的比值 n接地电阻接地电阻R的数值与大地的结构的数值与大地的结构和电阻率直接有关，还与接地体和电阻率直接有关，还与接地体的形状和几何尺寸有关。的形状和几何尺寸有关。二、接地的分类二、接地的分类（1）工作接地）工作接地 电力系统正常运行的需要而设置的接地。例如电力系统正常运行的需要而设置的接地。例如三相系统的中性点接地，双极直流输电系统的三相系统的中性点接地，双极直流输电系统的中点接地等。其作用是稳定电网的对地电位，中点接地等。其作用是稳定电网的对地电位，以降
15、低电气设备的绝缘水平，并有利于实现继以降低电气设备的绝缘水平，并有利于实现继电保护。工作接地要求的接地电阻一般为电保护。工作接地要求的接地电阻一般为0.55。（2）保护接地）保护接地 为了人身安全，而将电气设备的金属外壳、配为了人身安全，而将电气设备的金属外壳、配电装置的构架和线路杆塔等加以接地。这样可电装置的构架和线路杆塔等加以接地。这样可以保证金属外壳处于地电位，一旦设备绝缘损以保证金属外壳处于地电位，一旦设备绝缘损坏而使外壳带电时，不致有危险的电压升高对坏而使外壳带电时，不致有危险的电压升高对人身安全造成威胁。同时也要将接触电势和跨人身安全造成威胁。同时也要将接触电势和跨步电势限制在安全
16、范围。高压设备接地保护要步电势限制在安全范围。高压设备接地保护要求的接地电阻为求的接地电阻为110。（3）防雷接地）防雷接地 针对防雷保护的需要而设置的接地，比如杆塔的接地、针对防雷保护的需要而设置的接地，比如杆塔的接地、高层建筑物的接地、避雷装置的接地等，目的是将雷电流高层建筑物的接地、避雷装置的接地等，目的是将雷电流安全地导入大地，并减小雷电流通过接地装置时的地电位安全地导入大地，并减小雷电流通过接地装置时的地电位升高。架空输电线路杆塔的接地电阻一般不超过升高。架空输电线路杆塔的接地电阻一般不超过1030，避雷器的接地电阻一般不超过避雷器的接地电阻一般不超过5。冲击接地电阻冲击接地电阻:接
17、地极流过冲击电流呈现的接地电阻接地极流过冲击电流呈现的接地电阻, Ri 工频接地电阻工频接地电阻:接地极流过工频交流电流呈现的电阻，接地极流过工频交流电流呈现的电阻，Re 接地体的冲击系数接地体的冲击系数 :三、典型的接地装置三、典型的接地装置n输电线路杆塔和避雷针的接地常用占地面积不输电线路杆塔和避雷针的接地常用占地面积不大的垂直接地体或水平接地体，发电厂及变电大的垂直接地体或水平接地体，发电厂及变电站接地则采用面积能覆盖整个厂站的地网。站接地则采用面积能覆盖整个厂站的地网。n接地体主要是用扁钢、圆钢、角钢或钢管组成，接地体主要是用扁钢、圆钢、角钢或钢管组成，一般埋于地表面下一般埋于地表面下
18、0.51m处。水平接地体多用处。水平接地体多用宽度为宽度为2040mm、厚度不小于、厚度不小于4 mm的扁钢，的扁钢，或者用直径不小于或者用直径不小于6 mm的圆钢。垂直接地体的圆钢。垂直接地体多用角钢（多用角钢（20203 50505mm3）或钢管，）或钢管，长度约为长度约为2.5m，n垂直接地体垂直接地体n水平接地体水平接地体 当用宽度为b的扁钢时，d=b/2；当用边长为b的角钢时，d=0.84b。R为单根垂直接地体的接地电阻；称为接地体的利用系数。 n冲击接地电阻冲击接地电阻 雷电流作用下接地装置的冲击接地电阻的计算，通常雷电流作用下接地装置的冲击接地电阻的计算，通常是在工频接地电阻计算
19、的基础上，考虑冲击系数是在工频接地电阻计算的基础上，考虑冲击系数，的数值可根据计算分析和实验得到。的数值可根据计算分析和实验得到。 加大接地体的尺寸可以减少接地电阻，但由于雷电流加大接地体的尺寸可以减少接地电阻，但由于雷电流的等值频率很高，伸长接地体在雷电流的作用下，接的等值频率很高，伸长接地体在雷电流的作用下，接地体自身的电感将会产生很大影响，会增加接地体的地体自身的电感将会产生很大影响，会增加接地体的阻抗。所以，通常伸长接地体只在阻抗。所以，通常伸长接地体只在4060m的范围内有的范围内有效，超过这一范围对降低接地阻抗不起作用。效，超过这一范围对降低接地阻抗不起作用。n输电线路杆塔接地输电
20、线路杆塔接地 在高压输电线路的每一基杆塔下一般都设有接地装置，在高压输电线路的每一基杆塔下一般都设有接地装置，并通过引线（或金属杆塔本身）与避雷线相连，其目并通过引线（或金属杆塔本身）与避雷线相连，其目的是使击中避雷线和杆塔的雷电流通过较低的接地电的是使击中避雷线和杆塔的雷电流通过较低的接地电阻进入大地。阻进入大地。 高压线路杆塔都有混凝土基础，它们也起着接地体的高压线路杆塔都有混凝土基础，它们也起着接地体的作用，称为自然接地体。只有在土壤电阻率较低作用，称为自然接地体。只有在土壤电阻率较低（300m以下）的地区，自然接地体才有些作用。在以下）的地区，自然接地体才有些作用。在大多数情况下，单纯
21、依靠自然接地体是不能满足要求大多数情况下，单纯依靠自然接地体是不能满足要求的，需要装设人工接地装置。的，需要装设人工接地装置。 n发电厂和变电站的接地发电厂和变电站的接地 发电厂和变电站的接地，将同时起到工作接地、安全发电厂和变电站的接地，将同时起到工作接地、安全接地和防雷接地的作用。发电厂变电站的接地体主要接地和防雷接地的作用。发电厂变电站的接地体主要采用由扁钢水平敷设组成的地网，以将变电站内的设采用由扁钢水平敷设组成的地网，以将变电站内的设备与接地体相连，同时使站内的地表电位分布均匀，备与接地体相连，同时使站内的地表电位分布均匀，其面积其面积S大体与发电厂和变电所的面积相同。大体与发电厂和
22、变电所的面积相同。 四、工频接地电阻的测量四、工频接地电阻的测量n为了测量接地电阻，首先要在接地电极注入一定的电为了测量接地电阻，首先要在接地电极注入一定的电流，这就需要设置一个可供电流回路的电流极（图中流，这就需要设置一个可供电流回路的电流极（图中的电极的电极C）,并用电流表测出该电流，同时用电压表测并用电流表测出该电流，同时用电压表测出接地电极与电压极之间的电压（图中的电极出接地电极与电压极之间的电压（图中的电极P），这），这种测量接地电阻的方法为电流电压表法。种测量接地电阻的方法为电流电压表法。 n由于电压极由于电压极P不可能设在真正的无穷远处，而电流极的存不可能设在真正的无穷远处，而电
23、流极的存在又会使地中的电流场产生畸变从而影响到地面的电位分在又会使地中的电流场产生畸变从而影响到地面的电位分布，所以接地电阻的测量会存在误差。为了减小测量误差，布，所以接地电阻的测量会存在误差。为了减小测量误差，测量接地电阻时必须合理地设置电流极和电压极。测量接地电阻时必须合理地设置电流极和电压极。 n采用远离法和补偿法来提高测量精度采用远离法和补偿法来提高测量精度 远离法：把电流极打在远离被测接地电极远离法：把电流极打在远离被测接地电极10a的地方，同的地方，同时把电压极打在零位面，测量结果将会比实际值小时把电压极打在零位面，测量结果将会比实际值小10%，这在工程上是可以接受的。这在工程上是可以接受的。 补偿法：选择合适的电压极的位置，将电压极打在补偿法：选择合适的电压极的位置，将电压极打在DGP=0.618DGC处，就能测得正确的结果。处，就能测得正确的结果。
