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1、第二篇电力系统过电压及其防护,第五章 雷电及防雷设备,主要内容,5.1 雷电放电过程及雷电参数5.2 防雷保护装置,雷电放电实质上是一种超长气隙的火花放电，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磁效应、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：雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压，它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一 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。,5.1 雷电放电过程及雷电参数,5.1.1 雷电放电的过程,水滴分裂起电理论：大水滴分裂成水
2、珠和细微的水沫，出现电荷分离现象，大水珠带正电，小水沫带负电，细微水沫被上升气流带往高空，形成大片带负电的雷云。雷云的底部大多是带负电荷，在地面上感应出大量的正电荷。带有大量不同极性的雷云之间、雷云对地之间就形成了强大的电场。,雷云中的电荷分布,当空间电场强度超过大气电离的放电的临界电场强度时，就会发生云间或对大地的火花放电。放电通道的电流可达几十或几百千安。,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，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，延续时间近百
3、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、爆破力的主要因素余辉放电阶段 剩余电荷沿着雷电流通道继续流向大地。电流逐渐衰减，约为100010A，持续时间约为几ms。余辉放电是造成物体热效应的主要因素。,雷电放电过程,5.1.2 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，主放电速度为vL，则雷击电阻率为零的大地时，流经通道的电流为vL,研究表明：雷电放电的先导通道具有分布参数的特性，可认为它是一个具有电感、电容等均匀分布参数的导电通道，称为雷电通道，其波阻抗为Z0.,1.雷击地面时,雷电先导通道中带有与雷云极性相同的电荷（一般雷云多为负极性），自雷云向大地
4、发展。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电荷。,主放电前,当先导发展到离大地一定距离时，先导头部与大地之间的空气间隙被击穿，雷电通道中的主放电过程开始，主放电自雷击点沿通道向上发展，若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电位。,主放电时,设先导通道中的电荷线密度为，主放电速度为vL，则雷击电阻率为零的大地时，流经通道的电流为vL,若雷击于具有分布参数特性的避雷针、线路或导线时，则雷击时电流的运动可描述如图，负极性电流波将自雷击点“0”沿被击物流动，同时，相同数量的正极性电流波将自雷击点“0”沿通道向上发展。,2 雷击中避雷针、地线或导线时,流经物体的电流波与
5、被击 物体的波阻抗有关当Zj=0时，流经被击物体 的电流定义为雷电流,雷云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放；从电源性质来看，这相当于一个电流源的作用过程；雷电放电的物理过程虽然很复杂，但从地面感受到的实际效果和防雷保护实际工程角度，可以把它看成是一个沿着固定波阻抗的雷电通道向地面传播电磁波的过程。可依据此建立计算模型。在雷电放电的过程中，人们能够测知的电量，是雷击地面时流过被击物体的电流i，然后再根据计算模型反推雷电波的电流。,注意理解：,为评价某地区雷电活动的强度，常用该地区多年统计所得到的平均出现雷暴日或雷暴小时来估计的在一天内或一小时内只要听到雷声就作为一个雷电日Td或一个雷电小
6、时Th由于不同年份的雷电日数变化很大，所以均采用多年平均值年平均雷电日,1、雷电日及雷电小时,5.1.3 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,Td 40，多雷区；90，强雷区,单位：次/100公里年,我国规程规定，对Td=40的地区，取 次/平方公里.雷电日,地面落雷密度：指每个雷电日每平方公里的地面上的平均落雷次数（单位：次/平方公里雷电日）,2、地面落雷密度和输电线路落雷次数,若一般高度的线路的等值受雷面的宽度为10h(h为线路平均高度(m)，则输电线路年平均遭受雷击的次数：,主放电过程可看作是一个电流波沿着波阻抗为Z0的雷电通道传播到雷击点的波过程。,雷电通道长
7、度数千米，半径仅为数厘米，类似于一条分布参数线路，具有某一等值波阻抗，称为雷电通道波阻抗。我国有关规程建议取Z0300,3、雷电通道的波阻抗,第2节 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。主要内容：避雷针和避雷线 避雷器 防雷接地,防雷保护装置的作用：,避雷针、避雷线：可以防止雷电直接击中被保护物体，也称作直击雷保护。避雷器：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。接地装置：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。
8、,避雷针 保护原理：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护物体免遭雷击。,一、避雷针和避雷线,避雷针（线）主要防直雷击：她是由金属制成，比被保护设备高，具有良好接地的装置。其作用是将雷吸引到自己身上，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。,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电构架上，或独立架设。,避雷线作用原理同避雷针，主要用于输电线路的保护，也可用于保护发电厂和变电所,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
9、力设备放电，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，以便可靠地切断在某次过零时的工频续流，使系统恢复正常,二、避雷器,避雷器的作用：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电气设备。,避雷器,避雷器,1.接地,电工中“地”是指地中不受入地电流的影响而保持着零电位的土地。接地是指将地面上的金属物体或电气回路中的某一节点，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。,电力系统的接地分为三类：,工作接地：根据系统正常运行要求设置。如三相系统的中性点接地，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。保护接地：为保障人身安
10、全而将电气设备金属外壳等接地，它在故障条件下才发挥作用防雷接地：用来将雷电流顺利泻入大地，以减小引起的过电压,三、防雷接地,2.接地电阻,接地电阻Re等于从接地体到地下远处零位面之间的电压Ue与流过的工频或直流电流Ie之比。,冲击接地电阻，工频或直流下的接地电阻，二者之比称为冲击系数。,当雷电流流过接地装置时，接地体和土壤所呈现的响应不同于工频响应，即冲击接地电阻一般不等于工频接地电阻,i的值一般小于1，但在接地体很长时也有可能大于1。,3、接地装置：埋于地下的一组人工接地导体，其功用是减小接地电阻，以降低雷电流通过避雷针（线）或避雷器时的过电压。垂直接地体水平接地体接地网,输电线路的防雷接地：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雷电流流过较低的接地电阻而进入大地；发电厂和变电站的防雷接地：根据安全和工作接地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加接地体以满足防雷接地的要求。,垂直接地体 水平接地体,小 结,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。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F的击穿电压Ub。变电所的防雷保护主要依靠阀式避雷器。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。防雷接地所泄放的电流是冲击大电流。,
