第八章-雷电及防雷设备分析.ppt

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1、第八章第八章 雷电及防雷保护装置雷电及防雷保护装置-雷电放电过程雷电放电过程雷电放电实质上是一种长气隙的雷电放电实质上是一种长气隙的火花放电火花放电-雷电参数雷电参数雷暴日与雷暴小时雷暴日与雷暴小时地面落雷密度与输电线的落雷次数地面落雷密度与输电线的落雷次数雷电的极性雷电的极性雷电流幅值雷电流幅值雷电流的波前时间、陡度及波长雷电流的波前时间、陡度及波长雷电流的计算波形雷电流的计算波形雷电通道波阻抗雷电通道波阻抗雷暴日与雷暴小时雷暴日与雷暴小时一年中发生雷电的天数（小时），以听到雷一年中发生雷电的天数（小时），以听到雷一年中发生雷电的天数（小时），以听到雷一年中发生雷电的天数（小时），以听到雷声

2、为准。声为准。声为准。声为准。少少 雷雷 区区 ：T Td d15 15 如：中国西北如：中国西北中等雷区中等雷区 ：15T15Td d40 40 Td40 如：华南某些地区如：华南某些地区雷电强烈区：雷电强烈区：T Td d90 90 如：海南岛如：海南岛 雷州半岛。雷州半岛。标准雷暴日为标准雷暴日为4040日日地面落雷密度地面落雷密度与输电线的落雷次数与输电线的落雷次数N地面落雷密度：地面落雷密度：每雷暴日、每平每雷暴日、每平方公里地面落雷次数。方公里地面落雷次数。DL/T620-1997推荐，在雷暴日为推荐，在雷暴日为40的地区：的地区：1）地面落雷密度：）地面落雷密度：=0.07次次/

3、km22）每）每100km输电线每年雷击次数输电线每年雷击次数 bb导线间的距离导线间的距离hh导线的平均对地高度导线的平均对地高度举例：举例：220kV线路，线路，b=11.6m，h=24.5m 百公里雷击次数：百公里雷击次数：N=30.7次次500kV线路，线路，b=18.6m，h=27.25m百公里雷击次数：百公里雷击次数：N=35.7次次75%90%的雷击都是负极性的的雷击都是负极性的雷电的极性雷电的极性雷电流幅值雷电流幅值雷电流通常定义为雷击于小接地雷电流通常定义为雷击于小接地电阻电阻(30)的物体时流过雷击的物体时流过雷击点的电流点的电流。雷电流幅值与出现概率可下式计雷电流幅值与出

4、现概率可下式计算算:雷电流幅值概率（雷电流幅值概率（%）陕南以外的西北地区、内蒙古陕南以外的西北地区、内蒙古自治区的部分地区等自治区的部分地区等（这类地（这类地区的年平均雷暴日数一般在区的年平均雷暴日数一般在2020以下）以下）雷电流幅值较小，可由雷电流幅值较小，可由给定的概率按图查出雷电流幅给定的概率按图查出雷电流幅值后减半。值后减半。雷电流的波前时间、陡度及波长雷电流的波前时间、陡度及波长A A A A）双指数波）双指数波）双指数波）双指数波 b b b b）斜角波）斜角波）斜角波）斜角波 c c c c）斜角平顶波）斜角平顶波）斜角平顶波）斜角平顶波 d d d d）等值）等值）等值）等

5、值余弦波余弦波余弦波余弦波在线路防雷设计中，雷电流波头一般取在线路防雷设计中，雷电流波头一般取在线路防雷设计中，雷电流波头一般取在线路防雷设计中，雷电流波头一般取2.62.62.62.6微微微微秒，波头形状取斜角形；在设计特殊高塔时，秒，波头形状取斜角形；在设计特殊高塔时，秒，波头形状取斜角形；在设计特殊高塔时，秒，波头形状取斜角形；在设计特殊高塔时，可取半余弦波。可取半余弦波。可取半余弦波。可取半余弦波。平均陡度：平均陡度：雷电通道波阻抗雷电通道波阻抗 建议取建议取400400欧姆欧姆放电能量放电能量 雷电的功率很大，但能量有限雷电的功率很大，但能量有限雷电过电压的形成雷电过电压的形成8.2

6、 8.2 避雷针、避雷线的保护范围避雷针、避雷线的保护范围防直击雷防直击雷避雷针，避雷线避雷针，避雷线防侵入波防侵入波避雷器避雷器新华网重庆新华网重庆2007年月日电（记者王金年月日电（记者王金涛、刘卫宏）重庆市开县义和镇兴业村小学涛、刘卫宏）重庆市开县义和镇兴业村小学日遭受雷击，造成名小学生死亡、日遭受雷击，造成名小学生死亡、名小学生受伤，其中人重伤。名小学生受伤，其中人重伤。避雷针（避雷针（Lightning Rod）辞海中避雷针的解释：一种防直击雷的装置。由金属棒组成，装在独立架构或建筑物顶上。它与接地引下线和接地装置配合，能把一定范围的高空雷电引向自身，泄入大地以保护周围建筑物或屋外电

7、气装置免遭或少遭雷击。避雷针的保护原理先导先导主放电电子崩流柱先导主放电+避雷针（线）的保护原理可以归为：避雷针（线）的保护原理可以归为：避雷针尖场强高，大量感应电荷畸避雷针尖场强高，大量感应电荷畸变电场，并吸引雷电变电场，并吸引雷电先导先导沿向避雷沿向避雷针方向发展，直击于其上；针方向发展，直击于其上；针尖放电引起上行先导，更加吸引针尖放电引起上行先导，更加吸引下行先导向避雷针方向发展；下行先导向避雷针方向发展；避雷针保护动画演示：避雷针保护动画演示：雷云+避雷针与避雷线的保护范围：避雷针与避雷线的保护范围：保护范围保护范围是指被保护物在此空间是指被保护物在此空间内遭受雷击概率（绕击率）在可

8、内遭受雷击概率（绕击率）在可接受值之内。接受值之内。绕击绕击指的是雷电绕过避雷装置而指的是雷电绕过避雷装置而击中被保护物体的现象。击中被保护物体的现象。电力系统标准与统计数据电力行业标准电力行业标准DL/T620-1997规定的避规定的避雷针保护范围内绕击率预计为雷针保护范围内绕击率预计为0.1%，保护范围可靠性为保护范围可靠性为0.999。统计了我国统计了我国4272（变电所（变电所.年）的运行年）的运行经验绕击率为经验绕击率为0.07%，表明低于预计的表明低于预计的0.1%，是可接受的。，是可接受的。避雷针的保护范围计算避雷针的保护范围计算u单支避雷针保护范围；单支避雷针保护范围；u两支等

9、高避雷针联合保护范围；两支等高避雷针联合保护范围；u两支不等高避雷针联合保护范围；两支不等高避雷针联合保护范围；u三支避雷针联合保护范围；三支避雷针联合保护范围；u多支避雷针联合保护范围。多支避雷针联合保护范围。单只避雷针的保护范围单只避雷针的保护范围垂直保护范围截面水平保护范围截面P单只避雷针的保护范围单只避雷针的保护范围垂直保护范围截面水平保护范围截面高度修正系数h 30m P=130m h 120mh120m 取取P=120m计算计算 P练习题：练习题：某电厂有一原油罐，直径10m，高出地面10m，用独立避雷针保护，要求针距罐壁至少5m，试问避雷针的高度不低于多少米。10m5m10mh=

10、?根据题意：根据题意：rx15mrx15m由公式由公式r rx x(1.5h(1.5h2h2hx x)P (h)P (hx xh/2)h/2)r rx x(1.5h(1.5h2h2hx x)P15m)P15m且且h hx x=10m=10m若针高若针高h h30m30m，P P1 1，解得：，解得：h23.3mh23.3mhh25m25m答案：思考题：1、除了传统的针形避雷针，还有哪些防直击雷的装置？2、能否设计计算机程序进行避雷针保护范围计算，并显示三维图象？小结：小结：雷电是由于雷云引起的云间和云地之雷电是由于雷云引起的云间和云地之间的长间隙放电；间的长间隙放电；地面落雷对电力系统造成危害

11、；地面落雷对电力系统造成危害；雷电具有多种参数，其中包括雷暴日、雷电具有多种参数，其中包括雷暴日、落雷密度等重要参数；落雷密度等重要参数；避雷针在一定范围内能保护低于它的避雷针在一定范围内能保护低于它的物体，并存在一定的绕击率。物体，并存在一定的绕击率。两只等高避雷针保护范围两只等高避雷针保护范围1 1）外侧按单针保）外侧按单针保护范围计算；护范围计算；2 2）内侧最低保护）内侧最低保护高度高度h0hD/7P3 3）水平面最窄处）水平面最窄处 宽度宽度:bx=1.5(h0 hx)两只不等高避雷针保护范围两只不等高避雷针保护范围三只避雷针保护范围三只避雷针保护范围按每两只针的不同组合，分别计算联

12、合保护范围，只要计算出的所有bx0，则中间部分均能保护四支及四支以上避雷针保护范围四支及四支以上避雷针保护范围四支及以上等高避雷针所形成的四四支及以上等高避雷针所形成的四角形或多角形，可先将其分成两个角形或多角形，可先将其分成两个或几个三角形；或几个三角形；然后分别按三支等高避针的方法计然后分别按三支等高避针的方法计算；算；如各边保护范围的一侧最小宽度如各边保护范围的一侧最小宽度 b b0 0，则全部面积即受到保护。，则全部面积即受到保护。单根避雷线的保护范围单根避雷线的保护范围r rx x=0.47(h-h=0.47(h-hx x)P,)P,h hx x h/2 h/2r rx x=(h-1

13、.53h=(h-1.53hx x)P,)P,h hx xh/2h/2避雷线的保护角避雷线的保护角杆塔上避雷线对边导杆塔上避雷线对边导线的保护角线的保护角110110及及220220千伏线路，千伏线路，一般采用一般采用20200 030300 0左右。左右。500kV500kV线路一般线路一般1515左左右。右。8.3 8.3 避雷器（避雷器（Lightning Arrester）保护间隙保护间隙排气式避雷器排气式避雷器阀式避雷器阀式避雷器金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器避雷器保护作用原理示意图避雷器保护作用原理示意图1 1 1 1保护间隙保护间隙保护间隙保护间隙 2 2 2 2排气式避雷器排气

14、式避雷器排气式避雷器排气式避雷器 3 3 3 3阀型避雷器阀型避雷器阀型避雷器阀型避雷器 4 4 4 4氧化锌避雷器氧化锌避雷器氧化锌避雷器氧化锌避雷器 5 5 5 5 被保护电器设备被保护电器设备被保护电器设备被保护电器设备 避雷器的基本要求：避雷器的基本要求：具有良好的伏秒特性，以易于实现具有良好的伏秒特性，以易于实现合理的绝缘配合合理的绝缘配合避雷器伏秒特性避雷器伏秒特性避雷器伏秒特性避雷器伏秒特性电气设备伏秒特性电气设备伏秒特性电气设备伏秒特性电气设备伏秒特性50%t50%t具有一定的通流容量，具有一定的通流容量，其残压必其残压必须低于被保护物的冲击耐压须低于被保护物的冲击耐压；l l

15、具具应有较强的绝缘强度自恢复应有较强的绝缘强度自恢复能力，以利于快速切断工频续能力，以利于快速切断工频续流，使系统得以继续运行流，使系统得以继续运行保护间隙保护间隙保护间隙的缺点保护间隙的缺点1 1、伏秒特性陡峭，保护性能不是很、伏秒特性陡峭，保护性能不是很好；好；2 2、没有专门的灭弧装置，灭弧能力、没有专门的灭弧装置，灭弧能力有限；有限；3 3、保护间隙动作后产生大幅值的截、保护间隙动作后产生大幅值的截波，对变压器等设备绝缘不利。波，对变压器等设备绝缘不利。管式避雷器管式避雷器（排气式避雷器）（排气式避雷器）阀式避雷器阀式避雷器阀式避雷器的工作原理阀式避雷器的工作原理1 1）SiC阀片电阻

16、具有阀片电阻具有非线性非线性，2 2）避雷器放电后，残压较低且平坦）避雷器放电后，残压较低且平坦金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器（MOA）Metal Oxide Surge Arresters无间隙无间隙MOAMOA与阀式避雷器相比的优点与阀式避雷器相比的优点：1 1）基本无工频泄漏电流，省去）基本无工频泄漏电流，省去了火花间隙，结构大大简化；了火花间隙，结构大大简化；2 2）通流容量大、无工频续流；）通流容量大、无工频续流；3）保护性能更加优越：1.伏安特性更优；2.伏秒特性更平坦；MOAMOA避雷器由于其优异的性能，避雷器由于其优异的性能，已经得到广泛应用，并基本已经得到广泛应用，并基本完

17、全取代阀式避雷器完全取代阀式避雷器MOAMOA避雷器的电气参数避雷器的电气参数1)1)额定电压额定电压 施加到避雷器端子间的最大容许施加到避雷器端子间的最大容许工频电压工频电压(kV,(kV,有效值有效值)亦即在保证熄灭工频续流的条件亦即在保证熄灭工频续流的条件下下,允许加在间隙上的工频电压。允许加在间隙上的工频电压。2)2)残压残压 u uresres放电电流通过避雷器时在端子间的放电电流通过避雷器时在端子间的最大电压值最大电压值(kV kV 峰值峰值)220kV220kV及以下系统及以下系统 u5u5330kV330kV及以上系统及以上系统 u10u103)3)参考电压参考电压u uref

18、ref直流参考电压直流参考电压:在直流参考电流在直流参考电流(1mA)(1mA)下测出的避雷器上下测出的避雷器上的电压的电压8.4 8.4 防雷接地防雷接地Grounding for Lightning 接地的基本概念：接地的基本概念：指地面上的金属物体或电气回指地面上的金属物体或电气回路中的某一点通过导体（通常指接路中的某一点通过导体（通常指接地装置）与大地相联，使该物体或地装置）与大地相联，使该物体或节点与大地保持等电位。节点与大地保持等电位。工作接地保护接地防雷接地防静电接地接地的类型：接地的类型：1 1）工作接地）工作接地根据电力系统正常运行的需要而设根据电力系统正常运行的需要而设置的

19、接地置的接地交流电力系统根据中性点是否接地交流电力系统根据中性点是否接地而分为而分为中性点接地系统中性点接地系统和和中性点绝中性点绝缘系统缘系统，另外还有中性点通过电阻，另外还有中性点通过电阻或电感接地的或电感接地的中性点非有效接地系中性点非有效接地系统统。2 2）保护接地）保护接地 在电气设备发生故障时，电气在电气设备发生故障时，电气设备的外壳将带电，如果这时人设备的外壳将带电，如果这时人接触设备外壳，将产生危险。因接触设备外壳，将产生危险。因此为了保证人身安全，所有电气此为了保证人身安全，所有电气设备的外壳必须接地，设备的外壳必须接地，这种接地这种接地称为保护接地。称为保护接地。3 3）静

20、电接地）静电接地 为防止静电电荷积累产生为防止静电电荷积累产生的火花，对可燃物造成的危险，的火花，对可燃物造成的危险，将金属物体接地，泄放电荷。将金属物体接地，泄放电荷。4 4）防雷接地）防雷接地 雷电防护设备都必须与雷电防护设备都必须与合适的接地装置相连，以将合适的接地装置相连，以将雷电流导入大地，这种接地雷电流导入大地，这种接地称为防雷接地；称为防雷接地；工程用接地电阻工程用接地电阻接接接接地地地地电电电电阻阻阻阻接地引线电阻接地引线电阻接地引线电阻接地引线电阻接地体本身接地体本身接地体本身接地体本身接地体与大地接接地体与大地接接地体与大地接接地体与大地接触电阻触电阻触电阻触电阻大地溢流电

21、阻大地溢流电阻大地溢流电阻大地溢流电阻=一般，前三一般，前三种忽略不计种忽略不计跨步电压跨步电压跨步电压跨步电压无穷远处零电位无穷远处零电位无穷远处零电位无穷远处零电位接触电压接触电压接触电压接触电压电力系统工作接地电阻值电力系统工作接地电阻值一般在一般在0.50.51010范围内范围内发电厂、变电所电气装置发电厂、变电所电气装置保护接保护接地地的接地电阻要求简介：的接地电阻要求简介：有效接地和低电阻接地系统，一般情况下，接地装置的接地电阻应符合下式：R2000/I；当接地电阻不符合上式要求时，可通过技术经济比较，增大接地电阻，但不得大于5，并验算跨步电压和接触电压；交流电气装置的接地交流电气

22、装置的接地 DL/TDL/T 62119976211997不接地、消弧线圈接地和高电阻接地系统不接地、消弧线圈接地和高电阻接地系统中：中：高压与发电厂、变电所电力生产用低压电高压与发电厂、变电所电力生产用低压电气装置共用的接地装置应符合下式气装置共用的接地装置应符合下式 R120/I 但不超过4高压电气装置的接地装置，应符合下式 R250/I 但不超过10在高土壤电阻率地区的接地电阻不应大于30 发电厂、变电所电气装置发电厂、变电所电气装置雷电保护雷电保护接地接地的接地电阻的接地电阻 独立避雷针独立避雷针(含悬挂独立避雷线的架构含悬挂独立避雷线的架构)的的接地电阻。在土壤电阻率不大于接地电阻。

23、在土壤电阻率不大于500m500m的地区不应大于的地区不应大于10 10；变压器门型构上避雷针、线的接地电阻应变压器门型构上避雷针、线的接地电阻应符合符合DL/T 6201997DL/T 6201997交流电气装置的过交流电气装置的过电压保护和绝缘配合电压保护和绝缘配合的要求的要求 发电厂和变电所有爆炸危险且爆炸后可能发电厂和变电所有爆炸危险且爆炸后可能波及发电厂和变电所内主设备或严重影响波及发电厂和变电所内主设备或严重影响发供电的建发供电的建(构构)筑物，防雷电感应的接地筑物，防雷电感应的接地电阻不应大于电阻不应大于3030。发电厂的易燃油和天然气设施防静电接发电厂的易燃油和天然气设施防静电

24、接地的接地电阻不应大于地的接地电阻不应大于3030。架空线路杆塔保护接地的接地电阻不宜大架空线路杆塔保护接地的接地电阻不宜大于于3030。架空线路雷电保护接地的接地电阻应符合架空线路雷电保护接地的接地电阻应符合DL/T 6201997DL/T 6201997交流电气装置的过电交流电气装置的过电压保护和绝缘配合压保护和绝缘配合的要求。的要求。冲击雷电流下接地电阻的变化冲击雷电流下接地电阻的变化出现火花效应，使接地电阻出现火花效应，使接地电阻减小；减小；当接地体长度较长时出现电感效应，使接地电阻增大；冲击电流流过的接地电阻：冲击接地电阻Rch冲击系数ch，一般小于1接地电阻的计算接地电阻的计算单根

25、垂直接地体单根垂直接地体采用扁钢：采用扁钢：采用角钢钢：采用角钢钢：单根水平接地体A:A:形状系数形状系数表1系数A与接地体型式的关系 接地体 K接地体 K K接地体 L1/L2 K18.458.451.55.811.2719.219.226.421.46 L L2 2/4D/4D2 2 3 8.172.38 5.53 410.4D D D DL L L LL L L L2 2 2 2 L L L L1 1 1 1 变电所地网接地电阻计算经验公式变电所地网接地电阻计算经验公式：土壤电阻率：土壤电阻率L:L:全部水平接地体的总长度，全部水平接地体的总长度，m m；S:S:接地网所占的总面积接地网

26、所占的总面积人工接地极工频接地电阻简易计算式接 地 极 型 式简 易 计 算 式垂 直 式R 0.3 单根水平式R 0.03 复 合 式(接地网)注 1 垂直式为长度3m左右的接地极；2 单根水平式为长度60m左右的接地极；3 复合式中，S为大于100m2的闭合接地网的面积；r为与接地网面积S等值的圆的半径，即等效半径。多根垂直接地体并联多根垂直接地体并联ch冲击利用系数冲击利用系数土壤电阻率土壤电阻率计算雷电保护接地装置所采用的土壤计算雷电保护接地装置所采用的土壤电阻率，应取雷季中最大可能的数值，电阻率，应取雷季中最大可能的数值，并按下式计算并按下式计算0 0 土壤电阻率，土壤电阻率，mm；

27、0 0雷季中无雨水时所测得的雷季中无雨水时所测得的土壤电阻率，土壤电阻率，mm；考虑土壤干燥所取的季节考虑土壤干燥所取的季节系数。系数。雷电保护接地装置的季节系数雷电保护接地装置的季节系数 埋 深m 值水平接地极23m的垂直接地极0.51.41.81.21.40.8.1.251.451.151.32.5.1.01.11.01.1(深埋接地极)注：测定土壤电阻率时，如土壤比较干燥，则应采用表中的较小值；如比较潮湿，则应采用较大值。小结：电力系统中电气装置按用途接地有电力系统中电气装置按用途接地有4 4种种类型：类型：工作工作(系统系统)接地、保护接地、接地、保护接地、雷电保护接地、防静电接地；雷电保护接地、防静电接地；发电厂、变电所内，不同用途和不同电发电厂、变电所内，不同用途和不同电压的电气装置、设施，应使用一个总的压的电气装置、设施，应使用一个总的接地装置，接地电阻应符合其中最小值接地装置，接地电阻应符合其中最小值的要求；的要求；小结：冲击电流作用下的接地电阻为冲击接地冲击电流作用下的接地电阻为冲击接地电阻；电阻；多根接地极之间会存在屏蔽效应，使接多根接地极之间会存在屏蔽效应，使接地电阻增大；地电阻增大；土壤电阻率，对接地电阻有决定性影响，土壤电阻率，对接地电阻有决定性影响，也是设计接地装置的重要依据。也是设计接地装置的重要依据。