1、第8章 雷电及防雷保护装置,电力系统在运行时，由于各种原因，系统中某些部分的电压可能升高，甚至大大超过正常工作电压，危及设备的绝缘。雷击引起的过电压是造成电力系统故障的主要原因。雷电是大自然中宏伟而恐怖的气体放电现象。而雷电是由雷云放电引起的，但是关于雷云的聚集和带电至今还没有令人比较满意的解释。,8.1 雷云放电及雷电过电压,热气流上升时冷凝产生冰晶等水成物，冰晶碰撞分裂，导致较轻的部分带负电荷并被风吹走，形成雷云；带正电荷的较重部分可能形成局部带正电的云区或者凝聚成水滴下降。整块雷云可以有若干个电荷密集中心，负电荷中心位于雷云的下部，它在地面上感应出大量的正电荷。这样，在带有大量不同极性或
2、不同数量电荷的雷云之间，或雷云与大地之间就形成了强大的电场。主要关心的是雷云对大地的放电！,雷电放电的发展过程和雷电流的波形,雷云放电通常分为先导部分和主放电两个阶段。图中为下行负雷闪的照片。,起始下行先导,分级先导的发展,云地间的线状雷电在开始时往往从雷云边缘向地发展，以逐级推进方式向下发展。每级长度约10-200m，速度 ，各级之间有10 100us的停歇。,雷电放电的发展过程和雷电流的波形,第一次放电结束后，由于主放电通道还保持高于周围大气的电导率，别的电荷中心将沿已有的主放电通道对地放电 重复雷击。,迎面先导产生,主放电,当先导接近地面时，地面上一些高耸的物体（如塔尖或山顶）因周围电场
3、强度达到了能使空气电离的程度，会发出向上的迎面先导。当上行先导与下行先导相遇时，就出现了强烈的电荷中和过程，产生极大的电流，并伴随雷鸣和闪光，这就是雷电的主放电阶段。,8.1.2 雷击时的等值电路,主放电瞬间，可用开关S的闭合来模拟 Z是被击物的阻抗。 由于电荷运动形成电流，因此雷击点的电位发生突然变化uiZ,雷电具有电流源的性质。 当Z0时，i=2*i0; 一般，Z0300-400 ，ZZ0，因此，也可认为i=2*i0 i称为雷电流,波形和极性,我国防雷规程建议值为：2.6/50 s，平均陡度为在保护计算中，可取双指数波，为简化计算，一般可取斜角平顶波。但在特高塔的设计中，可取半余弦波头，表
4、达式为：,I为雷电流幅值；为角频率，=/f=1.2106s-1，f 为波头时间（2.6s）。,极性：75%-90%的雷为负极性雷，因此一般按照负极性雷进行研究。,8.2 雷电参数及雷电活动规律,在雷电设计中，最关心的是雷电流波形、幅值分布及落雷密度等8.2.1 雷电流幅值和波形 对于雷暴日数20的地区，我国现行推荐雷电流幅值分布的概率为：,对于雷暴日数20的地区(除陕南以外的西边地区、内蒙古部分地区） ，我国现行推荐雷电流幅值概率为：,8.2.2 雷暴日和雷暴小时,年平均雷暴日和年平均雷暴小时是表征雷电活动频繁程度的指标。 雷暴日：一年中有雷电的天数。在一天之内，只要听到雷声就算一个雷暴日。
5、雷暴小时：一年中有雷电的小时数。在一小时之内，只要听到雷声就算一个雷暴小时。 我国大部分地区的雷暴小时与雷暴日之比为3。 我国规程建议采用雷暴日作为计算单位。,8.2.3 地面落雷密度和输电线路落雷次数,地面落雷密度反映了云地之间的放电。地面落雷密度：每平方公里每雷暴日的对地落雷次数，用表示。e.g. 我国标准规定：对雷暴日T40的地区，=0.07次/km2雷暴日输电线路的存在，改变了雷云地之间的电场分布，根据模拟试验和运行经验，输电线路每侧的引雷宽度为2hb（hb为避雷线或无避雷线时导线的平均高度） e.g. 对每100km的输电线路，每年遭雷击的次数为：,8.3 避雷针和避雷线,在雷云先导
6、放电的起始阶段： 由于与地面物体相距甚远，地面物体的影响很小，先导随机地向任意方向发展。 当先导发展到达某一离地高度： 空间电场已受到地面上一些高耸的导电物体的影响而畸变，在这些物体的顶部聚集起许多异号电荷而形成局部强场区，甚至可能向上发展迎面先导。由于避雷针（线）一般均高于被保护对象，它们的迎面先导往往开始得最早、发展最快，最后将雷云中的电荷顺利泄入地下，从而使处于它们周围的较低物体受到屏蔽保护、免遭雷击。,“引雷针（线）” 接地的导电体，其作用是将雷吸引到自己身上并安全地导入地中。 结构：接闪器（引发雷击）、引下线、接地体,8.3 避雷针和避雷线,防直击雷最常用的措施是装设避雷针（线） 避
7、雷针（线）的保护范围是按照99.9%的概率计算的。,p为高度影响系数,8.3 避雷针和避雷线,当两支避雷针不等高时，两针外侧的保护范围仍按单针方法求出。 1、求出髙针1的保护范围； 2、由低针2的顶点做水平线与之交 与3； 3、设3为一假想避雷针顶点，按照两根等高避雷针的方法，求出2-3点保护范围；,对于多支避雷针的保护范围，可先将其分成两或多个三角形，然后按照等高方法 计算。如各边的保护范围一侧最小宽度满足bx0，则全部面积都受到保护。,避雷线的保护长度与线等长，因此适用与架空线路与大型建筑群。,单根避雷线的保护范围,两根避雷线的保护范围,保护角是指避雷线与所保护的外侧导线之间的连线与经过避
8、雷线的铅垂线之间的夹角 。 保护角越小，避雷线对导线的屏蔽保护作用就越好。 有些国家还采用负保护角。,8.4 避雷器,当发生绕击或者感应时，过电压波将沿线路传播入侵发电厂、变点站等。 避雷器实质上是一种具有非线性电阻特性的限压器，并联在被保护设备附近。 1、高阻抗当电压没有达到避雷器的动作电压时，呈现高阻抗； 2、低阻抗当过电压超过避雷器的动作电压时，避雷器先行放电，电阻变小，把过电压中的电荷引入大地中，限制过电压的发展。,8.4 避雷器,避雷器的要求： 良好的伏秒特性：冲击系数：冲击放电电压与工频放电电压之比。冲击系数越小，伏秒特性越平缓，保护性能越好。 绝缘自恢复能力按发展历程看： 保护间
9、隙、管型避雷器、普通阀式避雷器、磁吹避雷器、金属氧化物避雷器等。,氧化锌（ZnO）避雷器,ZnO避雷器又叫金属氧化物避雷器（MOA）。ZnO避雷器由ZnO电阻片组成，具有优异的非线性伏安特性，因此可以取消火花间隙，实现无间隙无续流，且造价低廉。,（1） ZnO晶粒，粒径为10m左右，电阻率为110cm； （2） 包围着ZnO晶粒的Bi2O3晶界层，厚度为0.1m左右，电阻率大于1010cm； （3） 零散分布于晶界层中的尖晶石Zn7Sb2O12。ZnO电阻片的非线性特性主要取决于晶界层，在低电场下其电阻率很高；当层间电位梯度达到104105V/cm时，其电阻率急剧下降到低阻状态,ZnO的伏安特
10、性曲线,区域为低电场区，电流密度与电场强度的开方成正比，非线性系数约为0.10.2； 区域为中电场区，晶界层电阻Rv减小，非线性系数大为下降，约为0.010.04； 区域为高场强区，ZnO本体电阻R起主要作用，电流与电压成正比，伏安特性曲线向上翘。,ZnO避雷器的主要优点：,无间隙结构简单、重量轻、无电压分布不均、放电电压不稳定等，保护可靠性高 无续流不需吸收续流能量，动作负载轻；可承受多次重复雷击或者重复操作过电压 电气设备所受过电压可减低在整个过电压阶段都有电流流过，因此降低了过电压幅值 通流容量大不受串联间隙被灼伤的制约，阀片的通流能力仅与本身通流能力有关。可并联进一步提高通流能力。 易于制成直流避雷器,ZnO避雷器的电气性能,额定电压能短期耐受的最大工频电压有效值 最大持续运行电压能长期持续运行的最大工频电压有效值 起始动作电压（参考电压、转折电压）开始进入动作状态的电压，通常为U1mA 压比在8/20us的冲击电流规定值下，残压与起始动作电压之比。越小，非线性越好。 荷电率最大场强工作电压与起始动作电压之比 工频耐受电压特性对工频过电压的耐受能力 保护比额定残压与最大长期工作电压峰值之比。越小，保护性能越好,
