6-1雷電放電及雷電參數6-2避雷針和避雷線6-3避雷器6-4防雷接地第六章雷電參數及防雷設備大自然中的雷電現象大自然中的雷電現象6-1雷電放電及雷電參數1.先導放電2.主放電3.余輝放電迎面先導與下行先導相遇強烈中和速度快，持續時間極短（約50~100μs），電流極大（約幾十到幾百KA）（電閃、雷鳴）多重放電：一般雷云存在幾個電荷中心，繼而發生多次的放電（以后的雷電先導是連續的）分級發展，速度較慢，電流小殘余電荷繼續釋放能量持續時間長一.雷電放電1.雷電通道波阻抗Z0一般約為200~300Ω2.雷電流國際上習慣把雷擊于小接地阻抗（Z≈0或Z＜＜Z0

）物體時，流過該物體的電流定義為雷電流。

定義中的雷電流i恰好等于沿雷電通道而來的雷電流波（i0=συ）的兩倍。二.雷電參數在我國，一般地區：對西北、內蒙地區：3.雷電流幅值I及概率分布①標準沖擊波用于電力設備絕緣強度試驗②斜角平頂波用于一般線路的防雷設計建議波頭時間2.6μs，平均陡度α=③半余弦波用于設計特殊高塔4.雷電流波形5.極性90%左右為負極性雷雷暴日——該地區一年中能聽到雷聲的天數雷暴小時——該地區一年中能聽到雷聲的小時數。少雷區：＜15中雷區：15~40多雷區：＞40強雷區：≥906.雷暴日Td和雷暴小時Th7.地面落雷密度和輸電線路落雷次數（1）地面落雷密度γ每一雷暴日、每平方公里地面遭受雷擊的次數我國有關標準建議γ取為0.07次/（Km2.雷暴日）（2）輸電線路落雷次數及計算三.雷電過電壓及分類雷電過電壓又稱

——大氣過電壓還可稱

——外部過電壓大氣過電壓直擊雷過電壓感應雷過電壓侵入波過電壓高電壓技術—雷電放電及雷電參數了解原子的結構及電離的概念學習目標知曉雷電參數及相關數據知曉雷電放電對電力系統的危害性及雷電過電壓類型一般了解雷電放電的計算模型了解雷電放電的發展過程懂得分析計算線路年落雷次數01雷電放電0大自然中的雷電現象0大自然中的雷電現象0雷電科學發展簡史17世紀歐洲發現了正電和負電。第一個將實驗室人工產生的電（可稱為地電）與閃電聯系起來的是倫敦皇家學會館長FrancisHauksbee，1706年他觀察摩擦起電的放電不僅產生閃電，而且產生類似雷鳴的聲音，認為其與雷電類似。著名的風箏試驗（17世紀，富蘭克林）：240米長的纏繞鋼絲的麻繩上產生20cm的電火花，第一次向人們展示了雷電只不過是一種火花放電的秘密，通過大量實驗取得卓越成就，建立了現代雷電學說，認為雷擊是云層中大量陰電荷和陽電荷迅速中和而產生的現象。著名科學家GWRichman（高速攝影、自動錄波、雷電定向定位等現代測量技術對雷電進行的觀測研究，大大豐富了人們對雷電的認識。雷電過電壓：造成電力系統絕緣故障和停電事故的主要原因之一。巨大雷電流：有可能使被擊物體炸毀、燃燒、使導體熔斷或通過電動力引起機械損壞。雷電流熱效應：雷電流很大但作用時間很短，因此產生局部高溫，可使體積較小的金屬熔化，雷電通道溫度15000~20000℃，可引起森林火災。雷電的機械效應：雷電電流通過物體，發熱導致物體內的水分急劇蒸發，產生氣體，氣體膨脹的機械作用可使樹木劈裂，器物的破裂和爆炸。0雷電的危害水滴分類起電理論0雷云的形成1先導放電階段2主放電階段3余輝放電階段一.雷電放電213雷云中的電荷分布是不均勻的，當雷云中某個電荷密集中心的電場強度達到空氣擊穿場強（約25kV~30kV/cm）時，空氣便開始電離，形成指向大地的一段電離的微弱導電通道。1.先導放電主放電完成后，云中剩余電荷沿著導電通道開始流向大地，這一階段稱放電的余輝階段，電流數百安。

3.余輝放電先導靠近地面時，進入主放電階段，強烈的電荷中和過程，伴隨著雷鳴和閃光。主放電時間極短。電流幅值高達數十甚至數百千安。2.主放電一.雷電放電02雷電參數1.雷電活動頻度——雷暴日及雷暴小時雷暴日是一年中有雷電的天數，在一天內只要聽到雷聲就算作一個雷暴日。雷暴小時是一年中有雷電的小時數，在一個小時內只要聽到雷聲就算作一個雷暴小時。2.地面落雷密度地面落雷密度（γ）這個參數表示在一個雷暴日中，每平方公里地面上的平均落雷次數。對雷暴日為40的地區，我國《標準》取γ=0.07（次/雷暴日.km2）。3.雷電通道波阻抗雷電通道長度數千米，主放電時如同導體，類似一條分布參數線路，具有某一等值波阻抗，稱為雷道波阻抗。我國有關規程建議取Z0≈300Ω。4.雷電流的極性負極性雷約占75~90%，對設備危害大，故在防雷計算中一般均按負極性考慮。二.雷電參數5.雷電流幅值雷電流幅值是表示雷電強度的指標。據我國長期進行的大量實測結果，在一般地區雷電流幅值超過I的概率可用計算。

6.雷電流的波頭（T1）、陡度a及波長（T2）我國采用2.6μs的固定波頭長度。雷電流波頭的平均陡度為：a=

(kA/μs)

7.雷電流的計算波形1）標準沖擊波：2）斜角平頂波：其波前陡度a可由給定的雷電流幅值I和波頭時間決定。3）半余弦波：i=

二.雷電參數1）標準沖擊波用于電力設備絕緣強度試驗2）斜角平頂波用于一般線路的防雷設計建議波頭時間2.6μs，平均陡度α=3）半余弦波用于設計特殊高塔二.雷電參數在我國，一般地區：對西北、內蒙地區：二.雷電參數二.雷電參數地面落雷密度和輸電線路落雷次數少雷區：＜15中雷區：15~40多雷區：＞40強雷區：≥9003雷電過電壓及分類三.雷電過電壓及分類雷電過電壓又稱大氣過電壓還可稱外部過電壓大氣過電壓直擊雷過電壓感應雷過電壓侵入波過電壓三.雷電過電壓及分類高電壓技術—避雷針與避雷線了解原子的結構及電離的概念學習目標知道避雷針、避雷線的保護范圍及工程應用知道避雷針、避雷線的基本結構知道避雷針、避雷線的保護對象理解避雷針、避雷線的機理（實質）01避雷針的作用、原理一.避雷針的作用、原理1.作用防止被保護設備遭受直接雷擊2.原理將雷電吸引到自身，并將其安全導入地中，使附近的建筑和設備免遭直接雷擊實質上——引雷針！

獨立避雷針

構架避雷針3.基本結構（1）針頭又稱接閃器，φ10~12mm、長1~2m的鋼棒（2）引下線鍍鋅鋼絞線、圓鋼、扁鋼（3）接地裝置角鋼或圓鋼，長2.5m一.避雷針的作用、原理4.保護對象主要用于發電廠、變電所的直擊雷保護一.避雷針的作用、原理02避雷針的保護范圍二.避雷針的保護范圍保護范圍的定義：在保護范圍內，遭受雷擊的概率不超過0.1%hx水平面上保護范圍的截面1.單支避雷針(1)當hx≥0.5h時

(2)當hx

＜0.5h時P——高度影響系數當h≤30m時,p=1；當30m＜h≤120m時,hx水平面上保護范圍的截面h——避雷針的高度hx——被保護物高度rx——被保護物高度hx水平面上的保護半徑二.避雷針的保護范圍2.兩支等高避雷針外側的保護范圍的確定方法同單支避雷針內側的保護范圍：兩針間的距離兩針保護范圍上部邊緣最低點的高度兩針間hx水平面上一側的保護范圍最小處的最大保護寬度二.避雷針的保護范圍03避雷線三.避雷線1.保護原理:與避雷針相同2.保護對象:主要用于輸電線路的直擊雷保護（避雷線又稱“架空地線”）3.保護范圍:帶狀區域，通常用保護角α表示。

保護角α——避雷線同外側導線的連線與垂直線之間的夾角。α越小，防雷保護效果越好。一般線路的保護角為20°~30°三.避雷線高電壓技術—避雷器了解原子的結構及電離的概念學習目標領會金屬氧化物避雷器的優勢知道對避雷器的基本要求了解避雷器的技術發展（基本類型）及適用范圍熟知避雷器的工作原理理解避雷器的用途（實質）了解金屬氧化物避雷器的技術參數知道閥型避雷器的基本結構及各組成部分的作用與要求能看懂常用金屬氧化物避雷器的型號01避雷器的作用、保護原理一.避雷器的作用、保護原理限制沿線路侵入的雷電波（簡稱雷電侵入波）幅值的一種過電壓保護裝置。避雷器實質上是一個“放電器”，它與被保護設備并聯。當過電壓超過一定幅值時，避雷器先放電，從而限制了過電壓的幅值，使與之并聯的電氣設備得到保護。1.作用：2.原理02對避雷器的基本要求電力工程系林建軍編寫二.對避雷器的基本要求1.具有良好的伏秒特性，便于絕緣配合。避雷器應及時動作、殘壓（雷電流在避雷器上所形成的壓降）應盡量減小。避雷器的伏秒特性曲線應盡量平坦些。2.具有較強的絕緣自恢復能力，以免造成停電。避雷器應能迅速切斷工頻續流（由于工作電壓的作用，當沖擊過電壓消失后，仍然有工頻電弧電流通過避雷器），使系統盡快恢復正常運行，避免供電中斷。3.不應產生高幅值的截波，以免損壞被保護設備的縱絕緣。03基本類型電力工程系林建軍編寫三.基本類型①保護間隙（10KV及以下配電線路中不太重要的保護）②管型避雷器（變電站進線段保護輔助手段輸電線路上個別薄弱絕緣路段）③閥型避雷器（已淘汰）④氧化鋅避雷器（簡稱MOA，性能最優越）電力工程系林建軍編寫避雷器保護原理示意圖三.基本類型04保護間隙和管型避雷器四.保護間隙和管型避雷器實際上是一個具有較高滅弧能力的保護間隙！優缺點：請自行思考歸納優點：結構簡單，價格低廉。缺點：（1）伏秒曲線太陡，難以和被保護設備實現合理的絕緣配合。（2）滅弧能力差，影響供電可靠性（3）動作后會產生截波，對變壓器的縱絕緣不利。1.保護間隙（最原始、最簡單的避雷器）2.管型避雷器(排氣式避雷器)05閥型避雷器五.閥型避雷器-基本結構1）閥片電阻金剛砂(SiC)加粘合劑(水玻璃)焙燒制成。由多個閥片電阻串聯組合體構成。伏安特性u＝Ciα

α—非線性系數，約0.21.基本結構(閥片電阻+火花間隙+絕緣外套)閥片電阻作用？1)為何需要閥片電阻？避免出現對絕緣不利的截波2)為何需要非線性特性？通過大電流時(雷電流)呈現低電阻，以限制避雷器的殘壓，提高了保護性能;通過小電流時（工頻續流）呈現高電阻，以限制工頻續流，提高了滅弧性能。正常時——與工作母線隔離;雷電侵入時——及時放電以泄放雷電能量A.極間距離小，電場近似于均勻電場，伏秒特性較平坦易于實現絕緣配合。B.短弧相對長弧而言，更易于切斷，提高了間隙絕緣強度的恢復能力。2）火花間隙（1）作用（2）結構由多個火花間隙組成，單個電極是由黃銅材料沖壓制成，中間用云母墊圈隔開，其厚度一般為0.5~1mm。（3）意義五.閥型避雷器-基本結構1.系統正常時，火花間隙將閥片電阻和工作母線隔離，以免由工作電壓在閥片電阻中產生的電流使閥片電阻燒壞。2.工作過程3.雷電流消逝后，作用在閥片電阻上的電壓即為工頻電壓，此時閥片電阻的阻值將自動變大，限制了工頻續流以快速可靠滅弧。2.一旦工作母線上的過電壓侵入且超過其擊穿電壓值時，火花間隙將被及時擊穿并引導雷電流通過閥片電阻泄入大地。此時閥片電阻的阻值將自動變小以降低在其兩端形成的壓降（殘壓）。五.閥型避雷器-工作過程普通型磁吹型電站型(FZ)配電型(FS)電站型(FCZ)保護旋轉電機型(FCD)：火花間隙并聯均壓電阻：無均壓電阻電力工程系林建軍編寫3.類型電站型(FZ)配電型(FS)五.閥型避雷器-類型1）額定電壓（Ue）正常工作時加在避雷器上的工頻工作電壓。它應與避雷器安裝地點的電力系統的額定電壓等級相同。2）滅弧電壓（Umh）保證避雷器能夠在工頻續流第一次過零值時滅弧的條件下，允許加在避雷器上的最高工頻電壓。它應大于避雷器工作母線上可能出現的最高工頻電壓。根據實際運行經驗，并從安全的角度考慮，系統可能出現已經存在單相接地故障而非故障相的避雷器又發生放電的情況。(1)≥110KV系統：Umh=80%Um(2)20~60KV系統：Umh=100%Um(3)≤10KV系統：Umh=110%Um其中，Um=KUNUm—系統最大工作線電壓（kV）UN—系統標稱線電壓（KV）K—調壓系數當UN≥330KV時，K=1.1當UN≤220KV時，K=1.15五.閥型避雷器-主要電氣參數4.主要電氣參數3）殘壓(UC)避雷器通過雷電流（波形通常取8/20μs）時在其兩端的電壓降。在防雷計算中，通常規定：

≤220KV系統取5KA下的殘壓（Uc5）作為避雷器的最大殘壓

≥330KV系統取10KA下殘壓（Uc10）作為避雷器的最大殘壓。4）工頻放電電壓(Ugf)指的是在工頻電壓作用下，避雷器將發生放電的電壓值。由于間隙擊穿的分散性，要規定一個上、下限。太高了將影響其保護性能，太低了避雷器通流容量有限則可能爆炸。5.沖擊放電電壓(uf)指的是在沖擊電壓作用下避雷器放電的電壓（幅值）。通常Uf≈UC五.閥型避雷器-主要電氣參數06氧化鋅避雷器（MOA）以ZnO為主要材料，摻以其他微量金屬氧化物。ZnO閥片具有很理想的非線性伏安特性，其非線性系數約為α≈0.015~0.05。2.MOA的工作原理1）在工作電壓下，流經ZnO閥片的電流遠小于1mA(主要成分為電容電流)，相當于絕緣體，不會使閥片燒壞，可不用串聯間隙來隔離工作電壓2）當作用在ZnO閥片上的電壓超過某一值（起始動作電壓U1mA）時，將發生“導通”，“導通”后ZnO閥片的電阻很小，殘壓與流過它的電流大小基本無關3）當作用電壓降到動作電壓以下時，ZnO閥片“導通“終止，又相當于絕緣體，因此不存在工頻續流。無間隙、無續流六.金屬氧化物避雷器-伏安特性、工作原理1.氧化鋅閥片和伏安特性電力工程系林建軍編寫3.MOA的優越性（1）結構簡單、體積小、重量輕，便于規模化生產（2）保護特性優越殘壓更低、在整個過電壓作用期間均能釋放能量，有良好的陡波響應特性，特別適合用于GIS、直流系統的保護。（3）耐重復動作能力強MOA只吸收沖擊過電壓能量，不需要吸收續流能量（4）通流容量大，可作為內部過電壓的后備保護。（5）耐污性能好（采用硅像膠外套）六.金屬氧化物避雷器-優越性額定電壓的選擇：1）3~10kV系統：Ur≥K(1.1Um);2）35~66kV系統：Ur≥KUmK—切除接地短路故障時間系數，K=1.25~1.3。通常：1）3~10kV系統：Ur≥1.4Um2）35~66kV系統：Ur≥1.3Um3）110kV及以上系統：Ur≥0.75~0.80Um(1)額定電壓（有效值）考核避雷器熱負荷的一個參數，反映了避雷器對一定幅值的暫態過電壓的耐受能力。它是指在避雷器動作負載試驗條件所規定的一系列試驗中，允許施加在MOA上的最大工頻電壓有效值。(2)持續運行電壓（有效值）在運行中允許持久施加在避雷器兩端的工頻電壓有效值。它表征了MOA對長期作用的工頻電壓耐受能力。1）3~10kV系統：Uc≥1.1Um2）35~66kV系統：Uc≥Um3）

110kV及以上系統：Uc≥

選擇MOA持續運行電壓U時應滿足：Um—系統最大工作線電壓六.金屬氧化物避雷器-主要電氣參數(3)直流參考電壓U1mA又可稱為金屬氧化物避雷器的起始動作電壓，它處在伏安特性的拐點之處。(4)標稱放電電流我國規定，常用的MOA標稱放電電流有1、1.5、2.5、5、10、20KA6個等級，其波形參數為8/20μs。(5)工頻耐受電壓時間特性在規定條件下，對避雷器施加不同的工頻電壓，其不損壞或不發生熱崩潰所相應的最大持續時間。(6)最大殘壓在避雷器所允許最大陡波沖擊電流、雷電沖擊電流及操作沖擊電流下避雷器兩端電壓，它是表征避雷器保護水平的重要參數。電力工程系林建軍編寫六.金屬氧化物避雷器-主要電氣參數（7）壓比MOA在標稱電流下的殘壓與起始動作電壓的比值。目前的產品水平約為1.6~2。（8）荷電率MOA上的持續運行電壓峰值與起始動作電壓之比。（9）保護比標稱放電電流下的殘壓與最大持續運行電壓峰值的比值。（10）保護水平避雷器的沖擊放電電壓和標稱放電電壓下的殘壓的總稱，其值取它們之中的最大者。六.金屬氧化物避雷器-主要電氣參數序號避雷器型號避雷器額定電壓kV系統標稱電壓kV持續運行電壓kV直流1mA參考電壓（不小于）kV陡波沖擊電流殘壓（不大于）kV（峰值）雷擊沖擊電流殘壓（不大于）kV（峰值）操作沖擊電流殘壓（不大于）kV（峰值）標稱放電電流kA1HY5WS-17/50171013.62557.55042.552HY5WZ-17/45171013.62451.84538.353HY5WZ-51/134513540.87315413411454Y10W-100/260W10011079.6148297260226105Y1.5W-72/186W72110581031861741.56Y10W-200/520W204220159296594520452107Y1.5W-144/320W1442201162053202991.5氧化鋅避雷器型號六.金屬氧化物避雷器-主要電氣參數，型號高電壓技術—防雷接地了解原子的結構及電離的概念學習目標了解工程實用的防雷接地