第七章雷电放电及防雷保护装置课件.ppt

第七章雷电放电及防雷保护装置,雷电现象,富兰克林（Franklin Benjamin）,统一了天电和地电，彻底破除了人们对雷电的恐惧。1749年，他的夫人丽达在观看莱顿瓶串联实验时，无意碰到莱顿瓶上的金属杆，被电火花击倒在地，卧病一周，使他更坚定了探讨雷电实质的决心。他一方面列举了12条静电火花与雷电火花的相同之处，一方面通过岗亭实验和风筝实验（1752年6月）给予实验证明。他的一封封书信通过柯林森在英国皇家学会宣读，开始时受到的是嘲笑、怀疑，后来他的论文集电学实验与研究出版，特别是风筝实验的报告轰动了欧洲，使人们看到电学是一门有广大前景的科学，避雷针也成了人类破除迷信征服自然的一项重要技术成果，推动了电学、电工学的发展。,俄国化学家，哲学家 ，被誉为“俄国科学史上的彼得大帝” 18世纪中叶，电学还处于萌芽时期。在大西洋彼岸的美国科学家富兰克林做风筝实验，用莱顿瓶收集雷电的同时，俄国科学家罗蒙诺索夫和利赫曼也在重复富兰克林的风筝实验，舍身、忘死地研究雷电现象。他们在自己家的屋顶上架设了所谓的“雷电器”装置，在霹雳的雷声中观察雷电器上的电火花。而利赫曼在实验中不幸以身殉职。,罗蒙诺索夫（Lomonosov Mikhil Vasilievich）,雷电对电力系统的危害,1.雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压（大气过电压）从而造成电力系统的绝缘损坏和停电。,2.雷电放电所产生的巨大电流使导体熔断或通过电动力引起机械损坏。,7.1 雷电放电和雷电过电压,雷暴日及雷暴小时（雷电活动频度）,雷暴日,一年中发生雷电的天数,雷暴小时,一年中发生雷电的小时数,统计资料表明：在我国一个雷暴日（Td）大致克折合为3个雷暴小时(Th)。(通常取40个雷暴日作为基准),衡量雷电活动的雷电参数,少雷区,Td小于等于15,多雷区,Td大于40,强雷区,Td大于90或运行经验表明雷害特别严重的地区,地面落雷密度,地面落雷密度（ ）：每一雷暴日、每平方公里地面遭受雷击的次数,为什么引入“地面落雷密度”这一概念,“地面落雷密度”和“雷暴日”的联系,雷道波阻抗,雷电通道的长度可达数千米，而半径仅为数厘米，类似于一条具有分布参数的电力线路，从而具有某一等值的波阻抗，称为雷道波阻抗（Z0，我国有关规程建议取波阻抗为300欧）,雷道的极性,为什么防雷计算中一般按负极性雷考虑,雷电流i,幅值（I）：表示雷电强度的指标，是产生雷电过电压的根源,幅值大于I的雷电流出现的概率,雷电流的波头、陡度及波长,波前（2.6微秒）,波长（半波峰时间40微秒）,波前陡度：,雷电流的计算波形,双指数波；斜角波；斜角平顶波；半余弦波；,双指数波,0,i,t,I,T1,斜角波,0,i,t,斜角平顶波,0,i,t,I,T1,半余弦波,i,I,T1,雷电多重放电次数及总延续时间,统计数据表明：一次雷电放电往往包含多次重复放电；且每次雷电放电总的延续时间（包括多次重复放电）不同。,雷电放电能量,雷电放电能量不大，但由于雷电放电的持续时间很短，因此放电功率很大！,雷电过电压的形成,A,S,R,雷电先导,雷电过电压的计算等值回路,直击雷过电压计算案例,Case 1:雷击于地面上接地良好的物体：,雷电流：,雷电过电压：,Case 2:雷击于导线或避雷线：,感应雷过电压计算案例,雷击点与电力线路间距离大于65m时：,雷击于塔顶等靠近导线的接地物体时：,7.2 防雷保护装置,防雷保护装置的必要性,防雷保护装置的种类,避雷针、避雷线、保护间隙、各种避雷器、防雷接地,一、避雷针和避雷线,独立避雷针,构架避雷针,消雷器,保护原理,能使雷云电场发生突变，使雷电先导的发展沿着避雷针的方向发展，直击于其上，雷电流通过避雷针（线）及接地装置泄入大地而防止避雷针（线）周围的设备受到雷击,保护范围,是否处于避雷针（线）保护范围内的物体一定不会遭受雷击,单支避雷针保护范围,h:避雷针高度（m）,被保护物高度（m）,P:高度影响系数,一味地增加避雷针的高度是否是增大保护范围的“良策”,两支避雷针保护范围,a.定出保护范围上部边缘最低点高度：,二针间被保护物高度水平面上保护范围的一侧宽度：,两支不等高避雷针,避雷线的保护角,二、避雷器,什么是避雷器,与保护绝缘并联的能限制过电压波幅值的保护装置,避雷器的必要性,1.绕击率的问题,2过电压波沿线路入侵发电厂和变电所,保护间隙,为什么通常做成角形,防止主间隙被外物短接,绝缘支撑,作用原理：当雷电侵入波要危及它所保护的电气设备的绝缘时，间隙首先击穿，工作母线接地，避免了被保护设备上的电压升高，从而保护了设备。,优点:结构简单、制造方便,保护间隙的特点,缺点：,1.伏秒特性曲线比较陡（ ）绝缘配合不理想；2.间隙动作后会形成截波；3.熄弧能力低(电弧不即使熄灭有什么后果 ),管式避雷器（排气式避雷器）,结构,胶木管（增大机械强度）,作用原理,当排气式避雷器受到雷电波入侵时，内外间隙同时击穿，雷电流经间隙流入大地；过电压消失后，在工作电压作用下，流经间隙的工频续流电弧的高温使管内产气材料（电弧高温下能产生大量气体的纤维、塑料或特种橡胶）分解出大量气体，管内压力升高，气体从开口孔喷出，造成对电弧的强烈纵吹，从而使工频续流在1到3个周波内熄灭。,特点,其熄弧能力与工频续流大小有关，续流太大，产气过多，易使管子炸裂；续流太小，产气不足以熄弧，故对工频续流有上下限的规定。,缺点,伏秒特性较陡且会形成截波（同保护间隙）,虽有较强的灭弧能力，但在求得安装点的短路电流后，要选择一种合乎要求的管式避雷器有时并不容易。,运行维护比较麻烦,可靠性不高容易炸管,阀式避雷器,电力系统中对变压器进行防雷保护的主力（保护间隙和管式避雷器都不能胜任）,放电后工作电阻上的电压波形,阀片电阻的伏安特性,:非线性系数（数值越小，非线性程度越高，低温烧结的SiC阀片电阻的系数在0.2左右）,对阀片电阻的技术要求：,具有良好的非线性特性，大冲击电流时的阻值小，小电流的时候阻值大。,具有足够大的通流容量。（否则容易被大的冲击电流烧毁）,对火花间隙的技术要求：,避雷器工作的两个阶段,火花间隙击穿,火花间隙中续流电弧熄灭,火花间隙击穿阶段,具有平坦的伏秒特性，便于绝缘配合,火花间隙中续流电弧熄灭阶段,具有良好的灭弧性能，使电弧尽快熄灭。现代阀式避雷器能够熄灭幅值为80100A的续流电弧(我国生产的FS和FZ型避雷器，当工频继流不大于50A和80A时，能够在第一次过零时熄灭电弧)。,为什么火花间隙不采用单间隙,阀式避雷器的单元间隙,单个间隙工频放电电压2.7-3.0kV；,具有分路电阻的火花间隙,采用单间隙作为火花间隙在技术上不合理。因此实际的火花间隙往往由许多单元间隙串联组成。如110kV避雷器中，火花间隙由96个单元间隙串联而成。为了使这些单元间隙上的电压分布均匀，火花间隙上需并有分路电阻,为什么要在间隙两端并联电阻,由于间隙各电极对地和对高压端有寄生电容存在，使电压在各间隙上的分布不均匀，从而使每个火花间隙的作用得不到充分发挥，减弱了避雷器的熄弧能力，也降低了工频放电电压。,普通阀式避雷器系列,电气参数,(1).额定电压：避雷器两端子间允许的最大工频电压的有效值,(2).灭弧电压：保证能够在工频续流第一次经过零值时灭弧的条件下允许加在避雷器上的最高工频电压。（避雷器的设计依据）灭弧电压应当大于避雷器工作母线上可能出现的最高工频电压，否则将不能保证续流灭弧而使阀片烧坏。,(3). 工频放电电压：在工频电压下，避雷器将发生放电的电压值。（具有上限值和下限值（必须要高于内部过电压）,(4).冲击放电电压：对220kV及以下的避雷器，指的是标准雷电冲击波下的放电电压（幅值）的上限；对330kV及以上的超高压避雷器，除了雷电冲击放电电压外，还包括在标准操作冲击波下的放电电压（幅值）的上限。,(5). 残压：指雷电流通过避雷器时在阀片电阻上产生的压降,(6).保护比：指避雷器残压与灭弧电压之比。保护比愈小，说明残压愈低或灭弧电压愈高，显示保护性能愈好。,(7).保护水平：避雷器上可能出现的最大冲击电压峰值。,残压,标准雷电冲击放电电压,陡坡放电电压,显然：被保护设备的冲击绝缘水平应高于避雷器的保护水平,(7).阀式避雷器的冲击系数：冲击放电电压与工频放电电压的幅值比（越接近1越好，伏秒特性比较平坦）。,(8).避雷器工频放电电压的下限与灭弧电压之比。,磁吹型阀式避雷器,磁吹型阀式避雷器,阀式避雷器,改进发展,采用灭弧能力更强的磁吹火花间隙.,流通能力更大的高温阀片,旋弧型磁吹避雷器,灭弧删型磁吹避雷器,利用磁场对电弧的电动力，迫使间隙中的电弧加快运动、旋转或拉长，使弧柱中去电离作用加强，从而大大提高其灭弧能力。,性能改善,普通阀型避雷器只能用于雷电过电压防护。,磁吹型阀式避雷器还可以用于内部过电压的防护,为了防护内部过电压，技术上的关键是必须采用灭弧能力更强的磁吹火花间隙。当然提高阀片的流通能力也很重要（内部过电压的延续时间较长）。,金属氧化物避雷器（氧化锌MOA）,利用氧化锌并掺以微量的其它氧化物制成阀片，具有及其优异的非线性特性。（在工作电压下，其阻值很大，泄漏电流很小，小于1mA；而在过电压下，阻值急剧减小）其伏安特性可用下式表示：,ZnO 电阻,SiC 电阻,金属氧化物避雷器的特点,d.通流容量大，能制成重载避雷器；,c.无续流，动作负载轻（过电压对应的能量）、能重复动作实现保护,a.无间隙，所以结构大大简化、体积也可以缩小很多,b.保护性能优越,e.耐污性能好,避雷器的电气参数,(1).避雷器额定电压：相当于SiC避雷器的灭弧电压。指避雷器能够较长器期耐受的最大工频电压有效值。,(2).容许最大持续运行电压：能够长期持续运行的最大工频电压有效值。,(3).起始动作电压：避雷器开始进入动作状态以限制过电压。,(4).残压：放电电流流过避雷器时，其端子间出现的电压峰值。,(5).保护水平,雷电保护水平：,雷电冲击残压,陡坡冲击残压,操作保护水平：,操作冲击残压,防雷接地,前面所介绍的各种防雷保护装置（避雷针，避雷器，避雷线）最终都要将雷电流泻入大地，因此接地装置是整个防雷体系中不可缺少的一个重要组成部分。,接地：电气设备导电和非导电部分与大地的人为连接（利用接地装置，由接地体和接地引线组成），起着维持正常运行，保安，防雷，防干扰的作用,地：地中不受入地电流影响而保持零电位的土地,接地体,人工（“专职”）,自然（“兼职”）,接地的分类,a.工作接地：接地电阻在0.510欧的范围之内,b.保护接地：接地电阻在110欧的范围之内,c.防雷接地：接地电阻在130欧的范围之内,接地电阻,接地电阻是表征接地装置功能的一个重要电气参数。工作（保护）接地中，其是指接地装置流过工频或直流电流时的电阻，称为稳态电阻 ；防雷接地中，其是指接地装置流过冲击大电流时呈现的电阻，简称冲击电阻,接地电阻构成,稳态接地电阻的估算,(1).单个垂直接地体（Ld）,(2).多个垂直接地体,利用系数（小于1）,(3).水平接地体,防雷接地及有关计算,水平接地体等值电路,冲击接地电阻分析：,从上图可以看出：电感上的电压降将很大（雷电流的波前陡度很大），因此离雷电流入地点较远的接地体实际上已经不起作用，相当与缩短了接地体的长度，增大了接地电阻。,变小,雷电流泻入大地时，会在接地体周围产生火花放电区，相当于等效增加了接地体的尺寸，因而使其接地电阻变小。,变大,多根接地体构成的接地装置的冲击接地电阻,接地网的接地电阻,工频接地电阻：,冲击接地电阻：,