,高电压工程基础,
施围 邱毓昌 张乔根（西安交通大学） 编著刘青（西安科技大学） 制作第 9章 雷电及防雷装置
9.1 雷电放电的发展过程
9.2 雷电参数
9.3 避雷针和避雷线
9.4 避雷器
9.5 防雷接地高电压工程基础高电压工程基础
9.1 雷电放电的发展过程先导,不连续性（分级先导），历时约 0.005 ~ 0.010 s。每一级先导发展速度相当高，但每发展到一定长度（平均约 50m）就有一个 10 ~ 100 μs 的间隔。发展速度约为光速的 1/1000 。
主放电,时间 50 ~ 100 μs，
移动速度为光速的 1/20 ~ 1/2；
主放电时电流可达数千安，
最大可达 200 ~ 300kA。
余辉,雷云中剩下的电荷继续沿主放电通道下移，称为余辉放电阶段。余辉放电电流仅数百安，但持续的时间可达 0.03 ~ 0.15 s。
高电压工程基础
9.2 雷电参数
雷电活动强度 —— 雷暴日及雷暴小时雷暴日,每年中有雷电的天数。 雷暴小时,每年中有雷电的小时数。
年平均雷暴日不超过 15 的地区为 少雷区 ；超过 40 的为 多雷区 ；超过 90 的地区及根据运行经验雷害特别严重的地区为 强雷区 。
落雷密度地面落雷密度 γ：每一个雷暴日、每平方公里对地面落雷次数 。
电力行业标准 DL/T620-1997建议取 γ = 0.07次／平方公里,雷电日。
雷电通道波阻抗雷电通道如同一个导体，雷电流在导体中流动，对电流波呈现一定的阻抗，该阻抗叫做雷电通道波阻抗 （规程建议取 300 ~ 400Ω）。
高电压工程基础
雷电流的极性国内外实测结果表明，负极性雷占绝大多数，约占 75 ~ 90 %。
雷电流幅值雷电流,雷击具有一定参数的物体时，若被击物阻抗为零，流过被击物的电流规程规定，雷电流是指雷击于的低接地电阻物体时，流过该物体的电流。
少雷区：
lg 88Ip
一般地区：
lg 44Ip
高电压工程基础
雷电流的波头、陡度及波长波头,1 ~ 5 μs 范围内变化，多为 2.5 ~ 2.6 μs,规程规定取 2.6 μs；
波长,20 ~ 100 μs,多数为 50 μs 左右。为简化计算,视为无限长 ；
陡度,陡度 α 与幅值 I 有线性的关系,即幅值愈大，陡度也愈大。一般认为陡度超过 50 kA/μs 的雷电流出现的概率已经很小（约为 0.04）。
雷电流的波形标准波形 斜角平顶波 半余弦波高电压工程基础
9.3 避雷针和避雷线
避雷针（线）的保护原理当雷云的先导向下发展，高出地面的避雷针（线）顶端形成局部电场强度集中的空间，以至有可能影响下行先导的发展方向，使其仅对避雷针（线）放电，从而使得避雷针（线）附近的物体免遭雷击。
对避雷针（线）的要求
（ 1）为了使雷电流顺利地泄入大地，故要求避雷针（线）应有良好的接地装置。
（ 2）被保护设备全面位于避雷针（线）的保护范围内。但为了防止与被保护物之间的间隙击穿（也称为反击），它们之间应保持一定的距离。
双根等高避雷针保护范围单根避雷针保护范围高电压工程基础
x /2hh? x x h()r h h p
当 时：
当 时：
x /2hh? x x h(1,5 2 )r h h p
0h
x 0 x
/7
1,5 ( )
h h D p
b h h
高电压工程基础双根不等高避雷针保护范围单根避雷线保护范围两平行避雷线保护范围避雷线保护角高电压工程基础
9.4 避雷器
避雷器的保护原理当雷电入侵波或操作波超过某一电压值后，避雷器将优先于与其并联的被保护电力设备放电，从而限制了过电压，使与其并联的电力设备得到保护。
避雷器的技术要求
（ 1）过电压作用时，避雷器先于被保护电力设备放电，当然这要由两者的全伏秒特性的配合来保证；
（ 2）避雷器应具有一定的熄弧能力，以便可靠地切断在第一次过零时的工频续流。
避雷器的种类保护间隙，管式避雷器，阀式避雷器（包括金属氧化物避雷器）
高电压工程基础一、保护间隙优点,结构简单、价廉。
缺点,保护效果差，与被保护设备的伏秒特性不易配合；
动作后产生的截波，对变压器匝间绝缘有很大的威胁。因此它往往与其它防护措施配合使用。
保护间隙常用双羊角状间隙，
取其有电弧上吹特性，我国常用于 3
~ 10kV电网中。保护间隙有一定的限制过电压效果，但不能避免供电中断。
高电压工程基础二、管型避雷器外间隙内间隙
1— 产气管； 2— 胶木管套；
3— 棒电极； 4— 环形电极；
5— 贮气室； 6— 动作指示器管式避雷器不但有一个切断电流的下限，而且还有一个切断电流的上限。其安装点最大与最小短路电流要分别小于和大于管式避雷器的上、下限。
管式避雷器伏秒特性陡，放电分散性大，动作产生截波，
放电特性受大气条件影响，故它主要用作保护线路弱绝缘，
以及电站的进线保护段。
高电压工程基础三、阀型避雷器当过电压达到间隙动作电压，间隙动作，冲击电流经阀片流入大地；之后，阀片仅受到工频电压作用，由于非线性关系，阀片电阻值增高，使流过的工频续流受到限制，并在第一次过零瞬间，由间隙将此续流切断。
注意,避雷器从间隙击穿到工频续流被切断不超过半个周波，
因此电网在整个过程均保持正常供电。
高电压工程基础
普通阀式避雷器（ 火花间隙、非线性电阻 ）
单个火花间隙的结构
a.保证间隙中的电场为均匀电场，伏秒特性平缓； b.电晕可缩短间隙放电时间阀片的伏安特性
ku C i
多个短间隙串联易于切断工频续流。
（复合与散热）
多个问隙串联电压分布不均匀，使避雷器灭弧能力降低。可使用并联电阻使电压分布均匀。
a,当电流增大时，阀片呈现低阻值，使避雷器上电压降低，增加了避雷器的保护效果。 b,希望在工频电压升高后流过间隙阀片的续流不超过规定值，此时阀片呈现的电阻要有足够的数值。
高电压工程基础灭弧电压,对于有间隙避雷器，续流第一次经过零值保证不重燃的条件下，允许作用在避雷器上的最高工频电压。
切断比,避雷器间隙的工频放电电压（下限）与续流过零后间隙所能承受的最大工频电压（灭弧电压）之比，其值越小越好。
残压,流过避雷器的冲击电流一定幅值（普通阀式避雷器为 5kA），一定波形（ 8/20 μs），在阀片电阻上产生的最大压降。
保护比,残压与灭弧电压之比，保护比的值越小越好。
高电压工程基础
磁吹阀式避雷器提高避雷器切断工频续流值的方法之一是“磁吹”，即利用磁场电弧的电动力作用，使电弧拉长或旋转，以提高间隙灭弧能力。
1— 电极； 2— 灭弧盒；
3— 分路电阻； 4— 灭弧栅；
5— 主间隙； 6— 磁吹线圈；
7— 辅助间隙间隙由一对角形电极 1 组成，
磁场是轴向的，续流电弧被轴向磁场力拉长，吹入灭弧栅 4，电弧最终长度可达起始长度的数十倍，灭弧盒 2 用陶瓷或云母、玻璃等材料制成，电弧在灭弧栅中受到强烈的去游离作用，因而电弧电阻很大，能起到限制续流的作用，故称为限流间隙，它可切断 450A 左右的续流。
高电压工程基础
金属氧化物避雷器 （ MOA）
金属氧化物主要成份是氧化锌，有时也称为氧化锌避雷器。金属氧化物避雷器有一系列优点：
① 非线性系数 α值很小 。在额定电压作用下，通过的电流极小，因此可以做成无间隙避雷器。
② 保护性能好 。它不需间隙动作，电压一旦升高，即可迅速吸收过电压能量，抑制过电压的发展；有良好的陡度响应特性；性能稳定。
③ 金属氧化物避雷器基本无续流，动作负载轻，耐重复动作能力强 。
④ 通流容量大 。避雷器容易吸收能量，没有串联间隙的制约，仅与阀片本身的强度有关。同碳化硅（ SiC）阀片比较，
氧化物阀片单位面积的通流能力大 4 ~ 4.5 倍。
⑤ 结构简单，尺寸小，易于大批量生产，造价低。
⑥ 适用于多种特殊需要 。
9.5 防雷接地接地：就是把设备与电位参照点的地球作电气上的连接，
使其对地保持一个低的电位差。
办法：在大地表面土层中埋设金属电极，这种埋入地中并直接与大地接触的金属导体，叫做接地体，有时也称为接地装置。
① 工作接地：为了运行的需要，将电网某一点接地，其目的是为了稳定对地电位与继电保护上的需要。
②保护接地：为了保护人身安全，防止因电气设备绝缘劣化，外壳可能带电而危及工作人员安全。
③防雷接地：导泄雷电流，消除过电压对设备的危害。
④静电接地：在可燃物场所的金属物体接地。
施围 邱毓昌 张乔根（西安交通大学） 编著刘青（西安科技大学） 制作第 9章 雷电及防雷装置
9.1 雷电放电的发展过程
9.2 雷电参数
9.3 避雷针和避雷线
9.4 避雷器
9.5 防雷接地高电压工程基础高电压工程基础
9.1 雷电放电的发展过程先导,不连续性（分级先导），历时约 0.005 ~ 0.010 s。每一级先导发展速度相当高，但每发展到一定长度（平均约 50m）就有一个 10 ~ 100 μs 的间隔。发展速度约为光速的 1/1000 。
主放电,时间 50 ~ 100 μs，
移动速度为光速的 1/20 ~ 1/2；
主放电时电流可达数千安，
最大可达 200 ~ 300kA。
余辉,雷云中剩下的电荷继续沿主放电通道下移，称为余辉放电阶段。余辉放电电流仅数百安，但持续的时间可达 0.03 ~ 0.15 s。
高电压工程基础
9.2 雷电参数
雷电活动强度 —— 雷暴日及雷暴小时雷暴日,每年中有雷电的天数。 雷暴小时,每年中有雷电的小时数。
年平均雷暴日不超过 15 的地区为 少雷区 ；超过 40 的为 多雷区 ；超过 90 的地区及根据运行经验雷害特别严重的地区为 强雷区 。
落雷密度地面落雷密度 γ：每一个雷暴日、每平方公里对地面落雷次数 。
电力行业标准 DL/T620-1997建议取 γ = 0.07次／平方公里,雷电日。
雷电通道波阻抗雷电通道如同一个导体，雷电流在导体中流动，对电流波呈现一定的阻抗，该阻抗叫做雷电通道波阻抗 （规程建议取 300 ~ 400Ω）。
高电压工程基础
雷电流的极性国内外实测结果表明，负极性雷占绝大多数，约占 75 ~ 90 %。
雷电流幅值雷电流,雷击具有一定参数的物体时，若被击物阻抗为零，流过被击物的电流规程规定，雷电流是指雷击于的低接地电阻物体时，流过该物体的电流。
少雷区：
lg 88Ip
一般地区：
lg 44Ip
高电压工程基础
雷电流的波头、陡度及波长波头,1 ~ 5 μs 范围内变化，多为 2.5 ~ 2.6 μs,规程规定取 2.6 μs；
波长,20 ~ 100 μs,多数为 50 μs 左右。为简化计算,视为无限长 ；
陡度,陡度 α 与幅值 I 有线性的关系,即幅值愈大，陡度也愈大。一般认为陡度超过 50 kA/μs 的雷电流出现的概率已经很小（约为 0.04）。
雷电流的波形标准波形 斜角平顶波 半余弦波高电压工程基础
9.3 避雷针和避雷线
避雷针（线）的保护原理当雷云的先导向下发展，高出地面的避雷针（线）顶端形成局部电场强度集中的空间，以至有可能影响下行先导的发展方向，使其仅对避雷针（线）放电，从而使得避雷针（线）附近的物体免遭雷击。
对避雷针（线）的要求
（ 1）为了使雷电流顺利地泄入大地，故要求避雷针（线）应有良好的接地装置。
（ 2）被保护设备全面位于避雷针（线）的保护范围内。但为了防止与被保护物之间的间隙击穿（也称为反击），它们之间应保持一定的距离。
双根等高避雷针保护范围单根避雷针保护范围高电压工程基础
x /2hh? x x h()r h h p
当 时：
当 时：
x /2hh? x x h(1,5 2 )r h h p
0h
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高电压工程基础双根不等高避雷针保护范围单根避雷线保护范围两平行避雷线保护范围避雷线保护角高电压工程基础
9.4 避雷器
避雷器的保护原理当雷电入侵波或操作波超过某一电压值后，避雷器将优先于与其并联的被保护电力设备放电，从而限制了过电压，使与其并联的电力设备得到保护。
避雷器的技术要求
（ 1）过电压作用时，避雷器先于被保护电力设备放电，当然这要由两者的全伏秒特性的配合来保证；
（ 2）避雷器应具有一定的熄弧能力，以便可靠地切断在第一次过零时的工频续流。
避雷器的种类保护间隙，管式避雷器，阀式避雷器（包括金属氧化物避雷器）
高电压工程基础一、保护间隙优点,结构简单、价廉。
缺点,保护效果差，与被保护设备的伏秒特性不易配合；
动作后产生的截波，对变压器匝间绝缘有很大的威胁。因此它往往与其它防护措施配合使用。
保护间隙常用双羊角状间隙，
取其有电弧上吹特性，我国常用于 3
~ 10kV电网中。保护间隙有一定的限制过电压效果，但不能避免供电中断。
高电压工程基础二、管型避雷器外间隙内间隙
1— 产气管； 2— 胶木管套；
3— 棒电极； 4— 环形电极；
5— 贮气室； 6— 动作指示器管式避雷器不但有一个切断电流的下限，而且还有一个切断电流的上限。其安装点最大与最小短路电流要分别小于和大于管式避雷器的上、下限。
管式避雷器伏秒特性陡，放电分散性大，动作产生截波，
放电特性受大气条件影响，故它主要用作保护线路弱绝缘，
以及电站的进线保护段。
高电压工程基础三、阀型避雷器当过电压达到间隙动作电压，间隙动作，冲击电流经阀片流入大地；之后，阀片仅受到工频电压作用，由于非线性关系，阀片电阻值增高，使流过的工频续流受到限制，并在第一次过零瞬间，由间隙将此续流切断。
注意,避雷器从间隙击穿到工频续流被切断不超过半个周波，
因此电网在整个过程均保持正常供电。
高电压工程基础
普通阀式避雷器（ 火花间隙、非线性电阻 ）
单个火花间隙的结构
a.保证间隙中的电场为均匀电场，伏秒特性平缓； b.电晕可缩短间隙放电时间阀片的伏安特性
ku C i
多个短间隙串联易于切断工频续流。
（复合与散热）
多个问隙串联电压分布不均匀，使避雷器灭弧能力降低。可使用并联电阻使电压分布均匀。
a,当电流增大时，阀片呈现低阻值，使避雷器上电压降低，增加了避雷器的保护效果。 b,希望在工频电压升高后流过间隙阀片的续流不超过规定值，此时阀片呈现的电阻要有足够的数值。
高电压工程基础灭弧电压,对于有间隙避雷器，续流第一次经过零值保证不重燃的条件下，允许作用在避雷器上的最高工频电压。
切断比,避雷器间隙的工频放电电压（下限）与续流过零后间隙所能承受的最大工频电压（灭弧电压）之比，其值越小越好。
残压,流过避雷器的冲击电流一定幅值（普通阀式避雷器为 5kA），一定波形（ 8/20 μs），在阀片电阻上产生的最大压降。
保护比,残压与灭弧电压之比，保护比的值越小越好。
高电压工程基础
磁吹阀式避雷器提高避雷器切断工频续流值的方法之一是“磁吹”，即利用磁场电弧的电动力作用，使电弧拉长或旋转，以提高间隙灭弧能力。
1— 电极； 2— 灭弧盒；
3— 分路电阻； 4— 灭弧栅；
5— 主间隙； 6— 磁吹线圈；
7— 辅助间隙间隙由一对角形电极 1 组成，
磁场是轴向的，续流电弧被轴向磁场力拉长，吹入灭弧栅 4，电弧最终长度可达起始长度的数十倍，灭弧盒 2 用陶瓷或云母、玻璃等材料制成，电弧在灭弧栅中受到强烈的去游离作用，因而电弧电阻很大，能起到限制续流的作用，故称为限流间隙，它可切断 450A 左右的续流。
高电压工程基础
金属氧化物避雷器 （ MOA）
金属氧化物主要成份是氧化锌，有时也称为氧化锌避雷器。金属氧化物避雷器有一系列优点：
① 非线性系数 α值很小 。在额定电压作用下，通过的电流极小，因此可以做成无间隙避雷器。
② 保护性能好 。它不需间隙动作，电压一旦升高，即可迅速吸收过电压能量，抑制过电压的发展；有良好的陡度响应特性；性能稳定。
③ 金属氧化物避雷器基本无续流，动作负载轻，耐重复动作能力强 。
④ 通流容量大 。避雷器容易吸收能量，没有串联间隙的制约，仅与阀片本身的强度有关。同碳化硅（ SiC）阀片比较，
氧化物阀片单位面积的通流能力大 4 ~ 4.5 倍。
⑤ 结构简单，尺寸小，易于大批量生产，造价低。
⑥ 适用于多种特殊需要 。
9.5 防雷接地接地：就是把设备与电位参照点的地球作电气上的连接，
使其对地保持一个低的电位差。
办法：在大地表面土层中埋设金属电极，这种埋入地中并直接与大地接触的金属导体，叫做接地体，有时也称为接地装置。
① 工作接地：为了运行的需要，将电网某一点接地，其目的是为了稳定对地电位与继电保护上的需要。
②保护接地：为了保护人身安全，防止因电气设备绝缘劣化，外壳可能带电而危及工作人员安全。
③防雷接地：导泄雷电流，消除过电压对设备的危害。
④静电接地：在可燃物场所的金属物体接地。
