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雷电及防雷设备本讲稿第一页，共三十八页主要内容主要内容5.1 雷电放电过程及雷电参数雷电放电过程及雷电参数5.2 防雷保护装置防雷保护装置本讲稿第二页，共三十八页 雷电放电实质上是一种超长气隙的雷电放电实质上是一种超长气隙的火花放电火花放电，它所产生的雷，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流高达数十、甚至数百千安，从而会引起巨大的电磁效应、电磁效应、机械效应和热效应。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：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雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压很高的雷电过电压，它是造成电力系，它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一统绝缘故障和停电事故的主要原因之一 产生巨大电流产生巨大电流，使被击物体炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引，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。起机械损坏。电力系统中的大气过电压主要是由雷电放电所造成的。电力系统中的大气过电压主要是由雷电放电所造成的。本讲稿第三页，共三十八页本讲稿第四页，共三十八页本讲稿第五页，共三十八页本讲稿第六页，共三十八页本讲稿第七页，共三十八页5.1 雷电放电过程及雷电参数雷电放电过程及雷电参数本讲稿第八页，共三十八页5.1.1 雷电放电的过程雷电放电的过程水水滴滴分分裂裂起起电电理理论论：大大水水滴滴分分裂裂成成水水珠珠和和细细微微的的水水沫沫，出出现现电电荷荷分分离离现现象象，大大水水珠珠带带正正电电，小小水水沫沫带带负负电电，细细微微水水沫沫被被上上升升气气流流带带往往高高空空，形形成成大大片片带带负负电电的的雷雷云云。雷雷云云的的底底部部大大多多是是带带负负电电荷荷，在在地地面面上上感感应应出出大量的正电荷。大量的正电荷。带有大量不同极性的雷云之间、雷云对地之间就形成了带有大量不同极性的雷云之间、雷云对地之间就形成了强大的电场强大的电场。雷云中的电雷云中的电荷分布荷分布当空间电场强度超过大当空间电场强度超过大气电离的放电的临界电气电离的放电的临界电场强度时，就会发生场强度时，就会发生云云间或对大地的火花放电间或对大地的火花放电。放电通道的电流可达几十放电通道的电流可达几十或几百千安。或几百千安。本讲稿第九页，共三十八页l先导放电阶段先导放电阶段 负极性雷在地面上感应出正电荷，雷云与地面之间形成强电场，负极性雷在地面上感应出正电荷，雷云与地面之间形成强电场，雷云中的负电荷受电场作用不断向下延伸，形成了一个不断伸长的雷云中的负电荷受电场作用不断向下延伸，形成了一个不断伸长的通道（先导），最终与地面短接通道（先导），最终与地面短接l主放电阶段主放电阶段 通道产生突发的明亮，发出巨大的声响，通道流过幅值很大的，通道产生突发的明亮，发出巨大的声响，通道流过幅值很大的，延续时间近百微秒的冲击电流延续时间近百微秒的冲击电流 主放电是造成破坏作用，形成过电压、电动力、爆破力的主要主放电是造成破坏作用，形成过电压、电动力、爆破力的主要因素因素l余辉放电阶段余辉放电阶段 剩余电荷沿着雷电流通道继续流向大地。电流逐渐衰减，剩余电荷沿着雷电流通道继续流向大地。电流逐渐衰减，约为约为1000100010A10A，持续时间约为几，持续时间约为几msms。余辉放电是造成物体热效应的主要因素。余辉放电是造成物体热效应的主要因素。雷电放电过程雷电放电过程本讲稿第十页，共三十八页5.1.2 5.1.2 雷击时计算雷电流的等值电路和雷电流幅值雷击时计算雷电流的等值电路和雷电流幅值设先导通道中的电荷线密度为设先导通道中的电荷线密度为设先导通道中的电荷线密度为设先导通道中的电荷线密度为 ，主放电速度为，主放电速度为，主放电速度为，主放电速度为v v v vL L L L，则雷击电阻率为零的大地时，流经通道的电流为则雷击电阻率为零的大地时，流经通道的电流为则雷击电阻率为零的大地时，流经通道的电流为则雷击电阻率为零的大地时，流经通道的电流为 v v v vL L L L研究表明研究表明：雷电放电的先导通道具有：雷电放电的先导通道具有分布参数的特性分布参数的特性，可，可认为它是一个具有电感、电容等均匀分布参数的导电通认为它是一个具有电感、电容等均匀分布参数的导电通道，称为道，称为雷电通道雷电通道，其波阻抗为，其波阻抗为Z Z0.0.1.1.雷击地面时雷击地面时本讲稿第十一页，共三十八页 雷电先导通道中带有与雷云雷电先导通道中带有与雷云极性相同的电荷（一般雷云多为极性相同的电荷（一般雷云多为负极性），自雷云向大地发展。负极性），自雷云向大地发展。由于雷云及先导电场的作用，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大地被感应出与雷云极性相反的电荷。电荷。主放电前本讲稿第十二页，共三十八页 当先导发展到离大地一定当先导发展到离大地一定距离时，先导头部与大地之间距离时，先导头部与大地之间的空气间隙被击穿，雷电通道的空气间隙被击穿，雷电通道中的主放电过程开始，主放电中的主放电过程开始，主放电自雷击点沿通道向上发展，若自雷击点沿通道向上发展，若大地的土壤电阻率为零，则主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放电所到之处的电位即降为零电位。电位。主放电时本讲稿第十三页，共三十八页设先导通道中的电荷线密度为设先导通道中的电荷线密度为设先导通道中的电荷线密度为设先导通道中的电荷线密度为 ，主放电速度为，主放电速度为，主放电速度为，主放电速度为v v v vL L L L，则雷击电阻率为零的大地时，流经通道的电流为则雷击电阻率为零的大地时，流经通道的电流为则雷击电阻率为零的大地时，流经通道的电流为则雷击电阻率为零的大地时，流经通道的电流为 v v v vL L L L本讲稿第十四页，共三十八页雷击物体时电流波的运动雷击物体时电流波的运动 若雷击于具有分布参数特性若雷击于具有分布参数特性的避雷针、线路或导线时，则雷的避雷针、线路或导线时，则雷击时电流的运动可描述如图，负击时电流的运动可描述如图，负极性电流波将自雷击点极性电流波将自雷击点“0 0”沿沿被击物流动，同时，相同数被击物流动，同时，相同数量的正极性电流波将自雷击量的正极性电流波将自雷击点点“0 0”沿通道向上发展。沿通道向上发展。2 雷击中避雷针、地线或导线时本讲稿第十五页，共三十八页v流经物体的电流波与被击流经物体的电流波与被击 物体的波阻抗有关物体的波阻抗有关v当当Z Zj j=0=0时，流经被击物体时，流经被击物体 的电流定义为雷电流的电流定义为雷电流本讲稿第十六页，共三十八页本讲稿第十七页，共三十八页n雷雷云云对对地地放放电电的的实实质质是是雷雷云云电电荷荷向向大大地地的的突突然然释释放放；从从电电源源性性质来看，这相当于一个质来看，这相当于一个电流源电流源的作用过程；的作用过程；n雷雷电电放放电电的的物物理理过过程程虽虽然然很很复复杂杂，但但从从地地面面感感受受到到的的实实际际效效果果和和防防雷雷保保护护实实际际工工程程角角度度，可可以以把把它它看看成成是是一一个个沿沿着着固固定定波波阻阻抗抗的的雷雷电电通通道道向向地地面面传传播播电电磁磁波波的的过过程程。可可依依据据此此建建立立计计算算模型。模型。n在在雷雷电电放放电电的的过过程程中中，人人们们能能够够测测知知的的电电量量，是是雷雷击击地地面面时时流流过过被击物体的电流被击物体的电流i，然后再根据计算模型反推雷电波的电流。，然后再根据计算模型反推雷电波的电流。注意理解：注意理解：本讲稿第十八页，共三十八页为为评评价价某某地地区区雷雷电电活活动动的的强强度度，常常用用该该地地区区多多年年统统计计所得到的平均出现雷暴日或雷暴小时来估计的所得到的平均出现雷暴日或雷暴小时来估计的在在一一天天内内或或一一小小时时内内只只要要听听到到雷雷声声就就作作为为一一个个雷雷电电日日Td或或一个一个雷电小时雷电小时Th由由于于不不同同年年份份的的雷雷电电日日数数变变化化很很大大，所所以以均均采采用用多多年年平平均均值值年平均雷电日年平均雷电日1、雷电日及雷电小时、雷电日及雷电小时5.1.3 雷电参数雷电参数雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关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；，多雷区；90，强雷区，强雷区本讲稿第十九页，共三十八页单位：次单位：次/100公里公里年年我国规程规定，对我国规程规定，对Td=40的地区，取的地区，取 次次/平方公里平方公里.雷电日雷电日地地面面落落雷雷密密度度：指指每每个个雷雷电电日日每每平平方方公公里里的的地地面面上上的的平平均均落雷次数（单位：次落雷次数（单位：次/平方公里平方公里雷电日）雷电日）2、地面落雷密度和输电线路落雷次数、地面落雷密度和输电线路落雷次数若若一一般般高高度度的的线线路路的的等等值值受受雷雷面面的的宽宽度度为为10h(h为为线线路路平均高度平均高度(m)，则输电线路年平均遭受雷击的次数：，则输电线路年平均遭受雷击的次数：本讲稿第二十页，共三十八页主主放放电电过过程程可看作是一个电流波沿着波阻抗为Z Z0 0的雷电通道传播到雷击点的波过程。雷雷电电通通道道长长度度数数千千米米，半半径径仅仅为为数数厘厘米米，类类似似于于一一条条分分布布参参数数线线路路，具具有有某某一一等等值值波波阻阻抗抗，称称为为雷电通道波阻抗雷电通道波阻抗。我国有关规程建议取我国有关规程建议取Z03003、雷电通道的波阻抗、雷电通道的波阻抗本讲稿第二十一页，共三十八页第第2 2节节 防雷保护装置防雷保护装置 为防止设备遭受直接雷击，通常采用装设高于被保护为防止设备遭受直接雷击，通常采用装设高于被保护物的避雷针（或避雷线），其作用是将雷电吸引到避雷针物的避雷针（或避雷线），其作用是将雷电吸引到避雷针上并安全地将雷电流引入大地，从而保护了设备。上并安全地将雷电流引入大地，从而保护了设备。主要内容：主要内容：避雷针和避雷线避雷针和避雷线 避雷器避雷器 防雷接地防雷接地本讲稿第二十二页，共三十八页防雷保护装置的作用：防雷保护装置的作用：避雷针、避雷线避雷针、避雷线：可以防止雷电直接击中被保护物体，：可以防止雷电直接击中被保护物体，也称作直击雷保护。也称作直击雷保护。避雷器避雷器：防止沿输电线侵入变电所的雷电过电压波，：防止沿输电线侵入变电所的雷电过电压波，因此也称作侵入波保护。因此也称作侵入波保护。接地装置接地装置：减少避雷针（线）或避雷器与大地（零电：减少避雷针（线）或避雷器与大地（零电位）之间的电阻值，以达到降低雷电过电压幅值的目的。位）之间的电阻值，以达到降低雷电过电压幅值的目的。本讲稿第二十三页，共三十八页避雷针避雷针 保护原理：保护原理：当雷云放电时使地面电场畸变，在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，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。护物体免遭雷击。一、避雷针和避雷线一、避雷针和避雷线避雷针（线）主要防直雷击避雷针（线）主要防直雷击：她是由金属制成，比被保：她是由金属制成，比被保护设备高，具有良好接地的装置。其作用是将雷护设备高，具有良好接地的装置。其作用是将雷吸引吸引到自到自己身上，并安全导入地中，从而保护了附近比它矮的己身上，并安全导入地中，从而保护了附近比它矮的设备和建筑免受雷击。设备和建筑免受雷击。本讲稿第二十四页，共三十八页避雷针的保护对象：避雷针的保护对象：一般用于保护发电厂和变电站，可根据不同情况装设在配一般用于保护发电厂和变电站，可根据不同情况装设在配电构架上，或独立架设。电构架上，或独立架设。本讲稿第二十五页，共三十八页 避雷线避雷线作用原理同避雷针，主要用于输电线路的保护，也作用原理同避雷针，主要用于输电线路的保护，也可用于保护发电厂和变电所可用于保护发电厂和变电所本讲稿第二十六页，共三十八页对避雷器的基本技术要求对避雷器的基本技术要求 过电压作用时，避雷器先于被保护电力设备放电，过电压作用时，避雷器先于被保护电力设备放电，这需要由两者的伏秒特性的配合来保护这需要由两者的伏秒特性的配合来保护 避雷器应具有一定的熄弧能力，以便可靠地切断避雷器应具有一定的熄弧能力，以便可靠地切断在某次过零时的工频续流，使系统恢复正常在某次过零时的工频续流，使系统恢复正常二、避雷器二、避雷器避雷器的作用：避雷器的作用：是用以限制由线路传来的雷电过电是用以限制由线路传来的雷电过电压（雷电入侵波）或由操作引起的内部过电压的一种压（雷电入侵波）或由操作引起的内部过电压的一种电气设备。电气设备。本讲稿第二十七页，共三十八页避雷器避雷器本讲稿第二十八页，共三十八页避雷器避雷器本讲稿第二十九页，共三十八页本讲稿第三十页，共三十八页本讲稿第三十一页，共三十八页1.接地接地电电工工中中“地地”是是指指地地中中不不受受入入地地电电流流的的影影响响而而保保持持着着零零电电位位的的土土地地。接接地地是是指指将将地地面面上上的的金金属属物物体体或或电电气气回回路路中中的的某某一一节节点点，通通过导体与大地相连，使该物体或节点与大地经常保持等电位。过导体与大地相连，使该物体或节点与大地经常保持等电位。电力系统的接地分为三类：电力系统的接地分为三类：工工作作接接地地：根根据据系系统统正正常常运运行行要要求求设设置置。如如三三相相系系统统的的中中性性点点接接地地，其作用是稳定电网的对地电位，以降低电气设备的绝缘水平。其作用是稳定电网的对地电位，以降低电气设备的绝缘水平。保保护护接接地地：为为保保障障人人身身安安全全而而将将电电气气设设备备金金属属外外壳壳等等接接地地，它它在在故障条件下才发挥作用故障条件下才发挥作用防雷接地防雷接地：用来将雷电流顺利泻入大地，以减小引起的过电压：用来将雷电流顺利泻入大地，以减小引起的过电压三、三、防雷接地防雷接地本讲稿第三十二页，共三十八页2.接地电阻接地电阻接地电阻接地电阻Re等于从接地体到地下等于从接地体到地下远处零位面远处零位面之间的电压之间的电压Ue与流与流过的工频或直流电流过的工频或直流电流Ie之比。之比。冲击接地电阻，工频或直流下的接地电阻，二者之比称为冲冲击接地电阻，工频或直流下的接地电阻，二者之比称为冲击系数。击系数。本讲稿第三十三页，共三十八页v当当雷雷电电流流流流过过接接地地装装置置时时，接接地地体体和和土土壤壤所所呈呈现现的的响响应应不不同同于于工工频频响响应应，即即冲冲击击接接地地电电阻阻一一般般不不等于工频接地电阻等于工频接地电阻i的值一般小于的值一般小于1，但在接地体很长时也有可能大于，但在接地体很长时也有可能大于1。本讲稿第三十四页，共三十八页3、接地装置：、接地装置：埋埋于于地地下下的的一一组组人人工工接接地地导导体体，其其功功用用是是减减小小接接地地电电阻阻，以以降低降低雷电流通过避雷针（线）或避雷器时的雷电流通过避雷针（线）或避雷器时的过电压过电压。垂直接地体垂直接地体水平接地体水平接地体接地网接地网本讲稿第三十五页，共三十八页n输电线路的防雷接地输电线路的防雷接地：在每一基杆塔下一般都有接地装在每一基杆塔下一般都有接地装置，并通过引线与避雷线相连，其目的是使击中避雷线的置，并通过引线与避雷线相连，其目的是使击中避雷线的雷电流流过较低的接地电阻而进入大地；雷电流流过较低的接地电阻而进入大地；n发电厂和变电站的防雷接地发电厂和变电站的防雷接地：根据根据安全安全和和工作接地工作接地要求要求敷设一个统一的接地网，然后再在避雷针和避雷器下面增敷设一个统一的接地网，然后再在避雷针和避雷器下面增加接地体以满足加接地体以满足防雷接地防雷接地的要求。的要求。本讲稿第三十六页，共三十八页 垂直接地体垂直接地体 水平接地体水平接地体本讲稿第三十七页，共三十八页小小 结结电电力力系系统统中中广广泛泛采采用用避避雷雷针针和和避避雷雷线线作作为为直直接接雷雷击击防防护护装装置。置。保保护护间间隙隙与与被被保保护护绝绝缘缘并并联联，它它的的击击穿穿电电压压比比后后者者低低，使使过过电压波被电压波被限制限制到保护间隙到保护间隙F的击穿电压的击穿电压Ub。变电所的防雷保护主要依靠变电所的防雷保护主要依靠阀式避雷器阀式避雷器。防防雷雷接接地地装装置置可可以以是是单单独独的的，也也可可以以与与变变电电所所、发发电电厂厂的的总接地网连成一体。防雷接地所泄放的电流是冲击大电流。总接地网连成一体。防雷接地所泄放的电流是冲击大电流。本讲稿第三十八页，共三十八页