《雷电放电最终》PPT课件.ppt

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1、第七章 雷电放电及防雷保护装置张张张张宁宁宁宁福州大学电力系福州大学电力系7.1 雷电放电和雷电过电压雷电科学发展历史雷电科学发展历史4雷电科学的建立雷电科学的建立著著名名的的风风筝筝试试验验（1717世世纪纪，富富兰兰克克林林）：240240米米长长的的缠缠绕绕钢钢丝丝的的麻麻绳绳上上产产生生20cm20cm的的电电火火花花高高速速摄摄影影、记记录录示示波波器器、雷雷电电定定向向定定位位仪仪等等现代化测量技术现代化测量技术一一 雷电放电过程雷电放电过程4基本过程：先导放电阶段基本过程：先导放电阶段 ；主放电阶段；主放电阶段1 先导放电通道；2 强游离区；3 主放电通道30kV/cm4分级先导

2、：多次先导分级先导：多次先导 主放电的重复过程，主放电的重复过程，每次间歇时每次间歇时间为几十毫秒，放电次数一般为间为几十毫秒，放电次数一般为2323次，最多为次次，最多为次u雷电放电由带电荷的雷云引起雷电放电由带电荷的雷云引起u大多数的放电发生在雷云之间不危险大多数的放电发生在雷云之间不危险u少数的放电发生在雷云和大地之间危险少数的放电发生在雷云和大地之间危险u对地放电的雷云大多数带负电荷，实测对地放电的雷云大多数带负电荷，实测75759090u 理解以下几点：理解以下几点：雷云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放雷云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放从电源性质看，相当于一个电流源

3、的作用过程从电源性质看，相当于一个电流源的作用过程人们能够测知的电量，重要是流过被击物体的电流人们能够测知的电量，重要是流过被击物体的电流二二 雷电参数雷电参数u 雷电活动频率雷暴日及雷暴小时雷电活动频率雷暴日及雷暴小时u 地面落雷密度地面落雷密度u 雷道波阻抗雷道波阻抗u 雷电流幅值雷电流幅值u 雷电流的计算波形雷电流的计算波形三三 雷电放电的计算模型雷电放电的计算模型4开关开关S S闭合前后对应不同的闭合前后对应不同的雷电放电阶段（先导放电和雷电放电阶段（先导放电和主放电），主放电），A A点电位发生变点电位发生变化，从零突升到化，从零突升到u=iZu=iZ4先导放电通道具有分布参数先导放

4、电通道具有分布参数特征，称为雷电通道，其波特征，称为雷电通道，其波阻抗为阻抗为Z(300Z(300 )4主放电过程，自雷云通过雷主放电过程，自雷云通过雷电通道向地面传播的电磁波电通道向地面传播的电磁波（u u0 0、i i0 0）到达）到达A A点点4由由c c图得出其彼德逊等值电图得出其彼德逊等值电路路三 雷电放电的计算模型能够测知的电量，主要是流过被击物的电流。跟据计算模能够测知的电量，主要是流过被击物的电流。跟据计算模型（电流源模型）推出雷电波的参数型（电流源模型）推出雷电波的参数国际上定义雷击小接地阻抗物体时，流过该物体的电流定国际上定义雷击小接地阻抗物体时，流过该物体的电流定义为雷电

5、流义为雷电流2i0Z0ZA雷电流源被击电路四四 感应过电压感应过电压v在雷电放电的先导阶段（假设为负先导），线路处于雷在雷电放电的先导阶段（假设为负先导），线路处于雷云及先导通道与大地构成的电场之中。由于静电感应，云及先导通道与大地构成的电场之中。由于静电感应，最靠近先导通道的一段导线上感应形成形成束缚电荷最靠近先导通道的一段导线上感应形成形成束缚电荷v主主放放电电开开始始以以后后，先先导导通通道道中中的的负负电电荷荷自自下下而而上上被被迅迅速速中中和和。相相应应电电场场迅迅速速减减弱弱，使使导导线线上上的的正正束束缚缚电电荷荷迅迅速速释放，形成电压波向两侧传播释放，形成电压波向两侧传播v由由

6、于于主主放放电电的的平平均均速速度度很很快快，导导线线上上的的束束缚缚电电荷荷的的释释放放过过程程也也很很快快，所所以以形形成成的的电电压压波波u uiZiZ幅幅值值可可能能很很高高。这这种过电压就是感应过电压的静电分量种过电压就是感应过电压的静电分量感应雷电过电压与相邻导线间的过电压的区别感应雷电过电压与相邻导线间的过电压的区别v感感应应雷雷电电过过电电压压的的极极性性与与雷雷云云的的极极性性相相反反，相相邻邻导导线线间的感应过电压的极性与感应源同极性间的感应过电压的极性与感应源同极性v感感应应雷雷电电过过电电压压发发生生在在主主放放电电阶阶段段，相相邻邻导导线线间间的的感感应过电压与感应源

7、同时发生应过电压与感应源同时发生v感应雷电过电压的波前平缓、波长较长感应雷电过电压的波前平缓、波长较长v感应雷电过电压在三相导线上同时发生，且数值相等感应雷电过电压在三相导线上同时发生，且数值相等7.2 防雷保护装置一一 避雷针和避雷线避雷针和避雷线4基本原理基本原理4保护范围保护范围4绕击率绕击率一一避雷针和避雷线避雷针和避雷线电力系统中需要安装直接雷击防护装置，广泛电力系统中需要安装直接雷击防护装置，广泛采用的即为避雷针和避雷线（又称架空地线）。采用的即为避雷针和避雷线（又称架空地线）。避雷针适宜用于变电所、发电厂这样相对集中避雷针适宜用于变电所、发电厂这样相对集中的保护对象；避雷线适宜用

8、于象架空线路那样的保护对象；避雷线适宜用于象架空线路那样伸展很广的保护对象。伸展很广的保护对象。基本原理基本原理 当雷云放电接近于地面时它使地面电场发生畸变，当雷云放电接近于地面时它使地面电场发生畸变，在避雷针（线）的顶端，形成局部电场强度集中的空在避雷针（线）的顶端，形成局部电场强度集中的空间，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避间，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针（线）放电，再通过接地线和接地装置将雷电流雷针（线）放电，再通过接地线和接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击引入大地，从而使被保护物体免遭雷击保护范围保护范围 保护范围：表示避雷装置的保护效能，保

9、护范围是保护范围：表示避雷装置的保护效能，保护范围是相对的，每一个保护范围都有规定的绕击（概）率，相对的，每一个保护范围都有规定的绕击（概）率，绕击指的是雷电绕过避雷装置而击中被保护物体的现绕击指的是雷电绕过避雷装置而击中被保护物体的现象。我国有关规程所推荐的保护范围对应于象。我国有关规程所推荐的保护范围对应于0.10.1的的绕击率。绕击率。(一)单支避雷针 h h 避雷针高度避雷针高度 P P 高度修正系数高度修正系数 当当h30mh30m时时,P,P1 1 当当30m30mh120mh120m时时,P,P r rx x-被保护物的高度被保护物的高度 h hx x-保护范围保护范围（二）两支

10、等高避雷针（通过叠加求出联合保护范围）避雷线的保护范围避雷线的保护范围u保护线路保护线路我国一般我国一般110kV110kV以上线路采用避雷线以上线路采用避雷线35kV35kV线路的进线段线路的进线段国外，如日本配电线路也用国外，如日本配电线路也用u保护保护500kV500kV大型超高压发变电站大型超高压发变电站（三）单根避雷线（三）单根避雷线 因因此此单单根根避避雷雷线线的的保保护护半半径径要要比比单单根根避避雷雷针针的的保保护护半半径径小得多小得多 (四四)两根等高避雷线两根等高避雷线 两线外侧的保护范围按单根避雷线方法确两线外侧的保护范围按单根避雷线方法确定；两线内侧的保护高度由两线及保

11、护范围定；两线内侧的保护高度由两线及保护范围上部边缘最低点上部边缘最低点O O的圆弧来确定。的圆弧来确定。二二 避雷器的基本原理避雷器的基本原理u避雷器是用以限制由线路传来的雷电过电压或由操作引避雷器是用以限制由线路传来的雷电过电压或由操作引起的内部过电压的一种电气设备起的内部过电压的一种电气设备u避雷器的保护原理与避雷针不同。它实质上是一种放电避雷器的保护原理与避雷针不同。它实质上是一种放电器，并联连接在被保护设备附近，当作用电压超过避雷器，并联连接在被保护设备附近，当作用电压超过避雷器的放电电压时，避雷器即先放电，限制了过电压的发器的放电电压时，避雷器即先放电，限制了过电压的发展，从而保护

12、了其他电气设备免遭击穿损坏展，从而保护了其他电气设备免遭击穿损坏1.1.保护间隙保护间隙2.2.管式（排气式）避雷器管式（排气式）避雷器3.3.阀型避雷器阀型避雷器4.4.氧化锌避雷器氧化锌避雷器避雷器有以下四种类型：避雷器有以下四种类型：1 1 保护间隙保护间隙 2 2 排气式避雷器排气式避雷器 3 3 阀型避雷器阀型避雷器 4 4 氧化锌避雷器氧化锌避雷器 5 5 被保护电器设备被保护电器设备 避雷器保护作用原理示意避雷器保护作用原理示意 u具有良好的伏秒特性，以易于实现合理的绝缘配合具有良好的伏秒特性，以易于实现合理的绝缘配合u应有较强的绝缘强度自恢复能力，以利于快速切断工应有较强的绝缘

13、强度自恢复能力，以利于快速切断工频续流，使系统得以继续运行频续流，使系统得以继续运行 避雷器的基本要求 (a)(b)(c)11电气设备的伏秒特性，电气设备的伏秒特性，2 2避雷器的伏秒特性避雷器的伏秒特性避雷器与电气设备的伏秒特性配合图避雷器与电气设备的伏秒特性配合图（一）（一）保护间隙保护间隙 保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压比后者低，使过电压波被限制到保护间隙的击比后者低，使过电压波被限制到保护间隙的击穿电压穿电压U Ub b。缺点：缺点：1 1）伏秒特性很陡；）伏秒特性很陡；2 2）保护间隙没有专门的灭弧装置）保护间隙没有专门的灭弧装置 3 3

14、）产生大幅值的截波。）产生大幅值的截波。应用范围：仅用于不重要和单相接地不会导应用范围：仅用于不重要和单相接地不会导致严重后果的场合。致严重后果的场合。（二）管式避雷器（亦称排气式避雷器）它实质上是一只具有较强灭弧能力的保护间隙，其基它实质上是一只具有较强灭弧能力的保护间隙，其基本元件为装在消弧管内的火花间隙，在安装时再串接本元件为装在消弧管内的火花间隙，在安装时再串接一只外火花间隙。一只外火花间隙。缺点：缺点：1 1）续流太小时不能灭弧，太大时产气过多，使管子爆裂）续流太小时不能灭弧，太大时产气过多，使管子爆裂 2 2）伏秒特性和产生截波方面与保护间隙相似）伏秒特性和产生截波方面与保护间隙相

15、似,维护较麻维护较麻烦烦 应用范围：仅安装在输电线路上绝缘比较薄弱的地方应用范围：仅安装在输电线路上绝缘比较薄弱的地方和用于变电所、发电厂的进线段保护中。和用于变电所、发电厂的进线段保护中。(三三)普通阀式避雷器普通阀式避雷器 变电所的防雷保护主要依靠阀式避雷器，它在变电所的防雷保护主要依靠阀式避雷器，它在电力系统过电压保护和绝缘配合中都起着重要电力系统过电压保护和绝缘配合中都起着重要的作用，它的保护特性是选择高电压电力设备的作用，它的保护特性是选择高电压电力设备绝缘水平的基础。绝缘水平的基础。结构：主要由火花间隙结构：主要由火花间隙F F及与之串联的工作电阻及与之串联的工作电阻R R两大部分

16、组成。两大部分组成。特点：对工作电阻的首位要求是它应具有良好的非线对工作电阻的首位要求是它应具有良好的非线性伏安特性，即在冲击大电流下，阻值应很小，性伏安特性，即在冲击大电流下，阻值应很小，让冲击电流顺利泄入地下，且残压不高；在工让冲击电流顺利泄入地下，且残压不高；在工频电流下，阻值要变大，以利灭弧。频电流下，阻值要变大，以利灭弧。(四)磁吹式避雷器 与普通阀式避雷器类似，主要区别采用了灭弧与普通阀式避雷器类似，主要区别采用了灭弧能力较强的磁吹火花间隙和通流能力较大的高能力较强的磁吹火花间隙和通流能力较大的高温阀片。温阀片。1 1、旋弧型磁吹避雷器、旋弧型磁吹避雷器 2 2、灭弧栅型磁吹避雷器

17、、灭弧栅型磁吹避雷器(五)金属氧化物避雷器（MOA）氧化锌氧化锌(ZnO)(ZnO)，具有极其优异的非线性特性。，具有极其优异的非线性特性。优点：优点：1 1）可省去串联火花间隙，结构大大简单）可省去串联火花间隙，结构大大简单 2 2）由于具有极好的非线性伏安特性，保护性能）由于具有极好的非线性伏安特性，保护性能优越优越 3 3）无续流、动作负载轻、能重复动作实施保护）无续流、动作负载轻、能重复动作实施保护 4 4）流通容量大，能制成重载避雷器）流通容量大，能制成重载避雷器 5 5）耐污性好）耐污性好 保护间隙和管型避雷器在间隙击穿后，保护保护间隙和管型避雷器在间隙击穿后，保护回路再也没有限流

18、元件，保护动作都要造成接回路再也没有限流元件，保护动作都要造成接地故障或相间短路故障，保护作用增多电力系地故障或相间短路故障，保护作用增多电力系统故障率，影响电力系统的正常、安全运行。统故障率，影响电力系统的正常、安全运行。应用氧化锌避雷器，从根本上避免保护作用产应用氧化锌避雷器，从根本上避免保护作用产生接地故障或相间短路故障，且不用自动重合生接地故障或相间短路故障，且不用自动重合闸装置就能减少线路雷害停电事故。闸装置就能减少线路雷害停电事故。开发年代开发年代保护装置类型保护装置类型1919世纪世纪7070 8080年代年代棒型放电间隙和熔丝棒型放电间隙和熔丝1919世纪末世纪末角形保护间隙，

19、防止雷击损坏设备绝缘而造成事故角形保护间隙，防止雷击损坏设备绝缘而造成事故2020世纪世纪2020年代年代铝避雷器，氧化膜避雷器铝避雷器，氧化膜避雷器2020世纪世纪3030年代年代管式避雷器，主要用于发电厂、变电所进线和线路的保管式避雷器，主要用于发电厂、变电所进线和线路的保护护2020世纪世纪4040年代年代SiCSiC避雷器，用于交直流系统发变电设备的保护，避雷器，用于交直流系统发变电设备的保护，4040年代年代至至5050年代迅速发展，并一直应用至今年代迅速发展，并一直应用至今2020世纪世纪5050年代年代SICSIC磁吹避雷器，复合式避雷器磁吹避雷器，复合式避雷器2020世纪世纪6

20、060年代年代ZnOZnO压敏电阻，用于电子设备的保护压敏电阻，用于电子设备的保护2020世纪世纪7070年代年代ZnOZnO避雷器，用于交直流电力系统发、变电设备的保护，避雷器，用于交直流电力系统发、变电设备的保护，正逐渐取代正逐渐取代SiCSiC避雷器避雷器2020世纪世纪8080年代年代合成绝缘合成绝缘ZnOZnO避雷器，用于发、变电设备保护外，还包括避雷器，用于发、变电设备保护外，还包括线路防雷及深度限制操作过电压等线路防雷及深度限制操作过电压等避雷器发展经历：从放电间隙到氧化锌避雷器悬挂式避雷器应用于变电站避雷器应用于室避雷器应用于室内变电站入口处内变电站入口处三三 防雷接地防雷接地

21、4 工作接地工作接地4 保护接地保护接地4 防雷接地防雷接地1 1 工作接地工作接地交交流流电电力力系系统统根根据据中中性性点点是是否否接接地地而而分分为为中中性性点点接接地地系系统统和和中中性性点点绝绝缘缘系系统统，另另外外还还有有中中性性点点通通过过电电阻或电感接地的中性点非有效接地系统阻或电感接地的中性点非有效接地系统定定义义：我我国国在在110kV110kV及及以以上上的的电电力力系系统统中中多多采采用用中中性性点点接接地地的的运运行行方方式式，其其目目的的是是为为了了降降低低电电力力设设备备的绝缘水平的绝缘水平目目的的：降降低低作作用用在在设设备备绝绝缘缘上上的的电电压压，因因此此设

22、设备备的的绝绝缘缘水水平平也也可可以以降降低低，即即达达到到缩缩小小设设备备绝绝缘缘尺尺寸寸、降低设备造价的目的降低设备造价的目的在在正正常常情情况况下下，流流过过接接地地装装置置的的电电流流为为系系统统的的不不平平衡衡电电流流，而而在在系系统统发发生生短短路路故故障障时时将将有有数数十十千千安安的的短路电路流过接地装置，持续时间短路电路流过接地装置，持续时间0.5s0.5s左右左右2 2 保护接地保护接地在在电电气气设设备备发发生生故故障障时时，电电气气设设备备的的外外壳壳将将带带电电，如如果果这这时时人人接接触触设设备备外外壳壳，将将产产生生危危险险。因因此此为为了了保保证证人人身身安安全

23、全，所所有有电电气气设设备备的的外外壳壳必须接地，这种接地称为保护接地必须接地，这种接地称为保护接地当当电电气气设设备备的的绝绝缘缘损损坏坏而而使使外外壳壳带带电电时时，流流过过保保护护接接地地装装置置的的故故障障电电流流应应使使相相应应的的继继电电保保护护装装置置动动作作，切切除除故故障障设设备备，另另外外也也可可以以通通过过降降低低接接地地电电阻阻保保证证外外壳壳的的电电位位在在人人体体安安全全电电压压值值之之下下，从从而而避避免免因因电电气气设设备备外外壳壳带带电电而而造造成成的的触电事故触电事故3 3 防雷接地防雷接地为为了了防防止止雷雷电电对对电电力力系系统统及及人人身身安安全全的的

24、危危害害，一一般般采采用用避避雷雷针针、避避雷雷线线及及避避雷雷器器等等雷雷电电防防护护设备设备雷雷电电防防护护设设备备都都必必须须与与合合适适的的接接地地装装置置相相连连，以将雷电流导入大地，这种接地称为防雷接地以将雷电流导入大地，这种接地称为防雷接地流流过过防防雷雷接接地地装装置置的的雷雷电电流流幅幅值值很很大大，可可以以达达到到数数百百千千安安，但但持持续续的的时时间间很很短短，一一般般只只有有数数十微秒十微秒接地的功能接地的功能4降低电力设备绝缘水平降低电力设备绝缘水平4确保电力系统安全运行确保电力系统安全运行 输输电电线线路路杆杆塔塔接接地地装装置置的的接接地地电电阻阻必必须须降降低

25、低到到一一定定值值，以以降降低低雷雷击击输输电电线线路路杆杆塔塔时时的的塔塔顶顶电电位位与与导导线线的的电电位位差差小小于于绝绝缘缘子子串串的的50%50%冲冲击击放放电电电电压压来来保保证证线线路路的的正正常常运行运行4确保人身安全确保人身安全当当电电气气设设备备绝绝缘缘损损坏坏或或老老化化而而使使外外壳壳带带电电时时，保保护护接地能够保证接触设备外壳的人员的人身安全接地能够保证接触设备外壳的人员的人身安全另另外外发发变变电电站站接接地地装装置置通通过过降降低低接接地地电电阻阻和和采采取取均均压措施来保证接触电压满足人身安全要求压措施来保证接触电压满足人身安全要求4检测接地故障检测接地故障近

26、近年年来来为为了了保保证证人人身身和和财财产产安安全全，低低压压线线路路采采用用漏漏电电断断路路器器等等各各种种故故障障保保护护装装置置。如如果果线线路路的的一一点点产产生生接接地地故故障障，为为了了使使保保护护装装置置动动作作，则则必必须须产产生生足足够够大大的的接接地地故故障障电电流流。为为确确保保满满足足该该条条件件，则则在在降降压压变变压压器器二二次次侧侧中中性性点点接接地地，该该接接地地可可以以称称为为接接地地故障检测用的接地故障检测用的接地对对中中性性点点接接地地的的线线路路，如如果果电电气气设设备备外外壳壳不不接接地地，当当由由于于绝绝缘缘破破坏坏等等原原因因使使设设备备外外壳壳

27、带带电电时时，通通过过杂杂散散电电容容构构成成回回路路产产生生的的电电流流将将不不足足以以使使保保护护设设备备可可靠动作，因此应将设备外壳接地靠动作，因此应将设备外壳接地4功能接地功能接地有有些些设设备备在在功功能能上上即即有有加加以以接接地地的的必必要要性性。例例如如阴阴极极保保护护利利用用电电化化学学防防止止金金属属的的腐腐蚀蚀，为为了了使使防防蚀蚀电电流流流流入入土土壤壤或或水水中中，则则应应在在系系统统中中进进行行接接地地。另另外外为为了了保保证证计计算算机机及及其其它它电电子子设设备备的的正正常常工工作作，必必须须采采用用具具有有稳稳定定电电位位的的基基准准点点，该该基基准准点点通通

28、过过接接地地来来实现。实现。4作业用接地作业用接地在在停停电电作作用用时时，需需要要采采用用接接地地来来泄泄放放线线路路中中的的充充电电装装置置中中的的能能量量，以以及及防防止止电电磁磁干干扰扰在在线线路路中中的的感感应应电电流流的的危危害害。另另外外也也可可以以防防止止他他人人误误操操作作对对作作业业人人员的致命危害员的致命危害4 接地电阻的定义及特性4接接地地电电阻阻为为接接地地体体的的地地电电位位升升与与通通过过接接地地体体流流入入地地中中电电流流的的比比值值。它它与与土土壤壤特特性性及及接接地地体体的的几何尺寸有关。几何尺寸有关。4电电流流流流经经接接地地体体向向地地中中散散流流时时所

29、所遇遇到到的的土土壤壤电电阻阻为为散散流流电电阻阻，通通常常所所说说的的接接地地电电阻阻包包括括接接地地引引线线的的电电阻阻、接接地地引引线线与与接接地地装装置置的的接接触触电电阻阻、接接地地体体本本身身的的电电阻阻、接接地地体体和和土土壤壤间间的的接接触触电电阻阻及及土土壤壤的的散散流流电电阻阻。因因为为散散流流电电阻阻比比其其它它四四种种电电阻阻大大得得多多，因因此此可可以以近近似似地地认认为为接接地地电电阻阻等于散流电阻等于散流电阻总总结结4电力系统中广泛采用避雷针和避雷线作为直接电力系统中广泛采用避雷针和避雷线作为直接雷击防护装置。雷击防护装置。4保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压

30、比保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压比后者低，使过电压波被限制到保护间隙后者低，使过电压波被限制到保护间隙F F的击的击穿电压穿电压U Ub b。4变电所的防雷保护主要依靠阀式避雷器。变电所的防雷保护主要依靠阀式避雷器。ZnOZnO具有一系列优点，是避雷器发展的主要方向，具有一系列优点，是避雷器发展的主要方向，正在逐步取代普通阀式避雷器和磁吹避雷器。正在逐步取代普通阀式避雷器和磁吹避雷器。4防雷接地装置可以是单独的，也可以与变电所、防雷接地装置可以是单独的，也可以与变电所、发电厂的总接地网连成一体。防雷接地所泄放发电厂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。的电流是冲击大电流。