tceic.com
学霸学习网 这下你爽了
当前位置:首页 >> 工学 >>

5雷电放电及防雷保护装置_图文

第七章

雷电放电及防雷保护装置

人们对雷电现象的科学认识始 于18世纪中叶,著名的富兰克 林风筝实验,第一次向人们揭 示了雷电只不过是一种火花放 电的秘密,通过大量实验取得 卓越成就,建立了现代雷电学 说,认为雷击是云层中大量阴 电荷和阳电荷迅速中和而产生 的现象。特别是利用高速摄影、 自动录波、雷电定向定位等现 代测量技术对雷电进行的观测 研究,大大丰富了人们对雷电 的认识。

? 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 ;(着重探讨) ?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。

第一节 雷电放电和雷电过电压
?雷云的形成 ?雷电放电过程 ?雷电参数 ?雷电过电压的形成

一、雷云的形成
? 雷云的形成机理获得比较 广泛认同的是水滴分裂起 电理论:大水滴分裂成水 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。 ? 雷云下部局部正电荷区。

?

探测气球所测得的云中电荷分布表明,在雷 云的顶部往往充斥着正电荷。(另外一种起电机 理解释)在离地面4~5km的高空,大气温度经常 处于-10~-20℃,因而此处的水分已变成冰晶,它 们与空气摩擦时也会起电,冰晶带负电、空气带 正电。带正电的气流携带着冰晶碰撞时造成的细 微碎片向上运动,使雷云的上部充满正电荷,而 带负电的大粒冰晶下降到云的下部时,因此处气 温已在0℃以上,冰晶融化为带负电的水滴。 ? 整块雷云可以有若干个电荷中心,负电荷中心位 于雷云的下部、距地面500~10000m的范围内。 直接击向地面的放电通常从负电荷中心边缘开始。

? 雷电放电过程 ? 作用于电力系统的雷电过电压最常见的 (约90%)是由带负电的雷云对地放电引 起,称为负下行雷,下面以负下行雷为例 分析雷电放电过程。负下行雷通常包括若 干次重复的放电过程,而每次可以分为先 导放电、主放电和余辉放电三个阶段。 ? 雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的 火花放电。

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。

三、雷电参数
? (一)雷电活动频度 雷暴日及雷暴小时 ? 雷暴日Td是一年中发生雷电的天数,以听到雷声 为准,在一天内只要听到过雷声,无论次数多少, 均计为一个雷暴日。 ? 雷暴小时Th是一年中发生雷电放电的小时数,在 一个小时内只要有一次雷电,即计为一个雷电小 时。 ? 一个雷暴日折合三个雷暴小时。 ? 雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形 地貌有关 ? Td <15,少雷区; Td >40,多雷区; Td >90,强 雷区

? (二)地面落雷密度( ? )和雷击选择性 ? ? 表示每平方公里地面在一个雷暴日受到的平均雷 击次数。 ? 我国标准对Td =40的地区,取 ? =0.07 ? (三)雷道波阻抗(Z0) ? 雷电通道长度数千米,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,称为雷道 波阻抗。 ? 主放电过程可看作是一个电流波沿着波阻抗为Z0的 雷道投射到雷击点的波过程。 ? 我国有关规程建议取Z0≈ 300Ω

? (四)雷电的极性 ? 负极性雷击均占75~90%,对设备绝缘危害较大, 防雷计算中一般均按负极性考虑。
? (五)雷电流幅值 ( I ) ? 通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻(≤ 30Ω)的 物体时流过雷击点的电流。它近似等于电流入射 I 2I I0 波 的两倍,?即 0 。 ? 一般地区,雷电流幅值超过 I 的概率可按下式计 算 I lg P ? ? 88

? (六)雷电流的波前时间、陡度及波长 ? 雷电流的波前时间T1处于1~4us的范围内, 平均为2.6us。波长T2(半峰值时间) 处于 20~100us的范围内,多数为40us左右。 ? 我国防雷设计采用2.6/40us的波形;在绝缘 的冲击高压试验中,标准雷电冲击电压的波 形定为1.2/50us 。 ? 我国规定波前时间T1=2.6 us ? 雷电流波前的平均陡度 (kA/us) ? 波前陡度的最大极限值一般可取50 kA/us左 右。

? (八)雷电的多重放电次数及总延续时间 ? 有55%的对地雷击包含两次以上的重复冲击; 3~5次冲击者有25%;10次以上者有4%。 平均重复冲击次数取3次。 ? 一次雷电总延续时间,有50%小于0.2s。 ? (九)放电能量 ? 放电能量其实不大,但是在极短时间内放出 的,因而所对应的功率很大。雷电放电就象 把原先产生雷云时所吸收的能量在一瞬间返 还给大自然。

? 雷击所造成的危害主要有两种形式。一是带电的 云层对大地上的某一点发生猛烈放电,叫“直击 雷”。当“直击雷”发生时,往往会对地面的物 体产生强大的打击作用,其破坏力也是巨大的。 另一种叫“感应雷”,它的形成过程是由带电云 层的静电感应作用,使地面某一范围带上异种电 荷。当“雷电”发生后,云层带电迅速消失,而 地面某些范围内由于地电阻或导体电阻的存在, 当瞬间大电流流过时,就会导致小范围或局部的 瞬间过电压。或者由于直击雷放电过程中,强大 的脉冲电流周围的导线或金属物产生电磁感应而 发生瞬间过电压,以致形成闪击的现象,称“感 应雷”。“感应雷”造成的瞬间过电压,指在微 秒到毫秒之内产生的尖峰冲击电压。

四、雷电过电压的形成
1.直击雷过电压 雷击地面由先导放电转变为主放电的过程可以用一根已充电 的垂直导线突然与被击物体接通来模拟。

+

(a)模拟先导放电

图 雷击大地时的计算模型 (b)模拟主放电 (c)主放电通道电路

(d)等值电路

Z0

??

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。
?
?L
——先导中的电荷线密度 ——主放电速度 (实测表明,其速度约为0.1~0.5倍光速)

Z0

??

??

Z 0 ——波阻抗
主放电时

Z0

iZ

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。

iZ

Zj

雷击物体时电流波的运动

2.感应雷过电压
由于雷云对地放电过程中,放电通道周围空间电磁场的急剧变化,会在 附近线路的导线上产生过电压。在雷云放电的先导阶段,先导通道中充满了 电荷,如图(a)所示当先导到达附近地面时,主放电开始,先导通道中的电 荷被中和,与之相应的导线上的束缚电荷得到释放,以波的形式向导线两侧 运动,如图(b)所示。

图 感应雷过电压的形成 (a)先导放电阶段 (b)主放电阶段

? 在先导放电阶段,虽然有束缚电荷的存在,但是由于负电 荷移动较慢,故线路上产生的的电流较小,相应的电压也 较小,可忽略。主放电阶段,负电荷迅速被中和,束缚的 正电荷产生的电场使导线对地形成一定电压,而雷电流产 生的磁通在导线也感应出一定电压。这两者之和就是感应 雷击过电压,分别称为雷击过电压的静电分量和电磁分量。

?

? 感应雷击过电压与相邻导线间的感应电压有 很大的不同:
? (1)感应雷击过电压的极性一定与雷云的极性相 反,而相邻导线间的感应电压的极性一定与感应源 相同。 ? (2)这种感应过电压一定要在雷云及其先导通道 中的电荷被中和后,才能出现,而相邻导线间的感 应电压却与感应源同生同灭。 ? (3)感应雷击过电压的波前平缓(T1=数微妙到数 十微妙)、波长较长(T2=数百微妙)。 ? (4)感应雷击过电压在三相导线上同时出现,且 数值基本相等,故不会出现相间电位差和相间闪络; 如幅值较大,也只可能引起对地闪络。

? 以上是没有避雷线的情况,如果在导线上方装有 接地的避雷线,由于它的电磁屏蔽作用,会使导 线上的感应过电压降低,因为在导线的附近出现 了带地电位的避雷线,会使导线的对地电容C增大, 另一方面,避雷线位于导线之上,吸引了一部分 电力线,使导线上感应出来的束缚电荷Q减少。导 线的对地电压为: U=Q/C ? 显然Q的减少和C的增大将使电压U降低。 ? 另一方面,从电磁感应的角度来看,装设避雷线 相当于在“导线—大地”回路的近旁增加了一个 “避雷线—大地”短路环,因而部分抵消导线上 的电磁感应电动势,所以感应雷击过电压的电磁 分量会受到削弱。

第二节 防雷保护装置
?避雷针和避雷线 ?保护间隙和避雷器 ?防雷接地

? 现代电力系统中实际采用的防雷保护装置 主要有:避雷针、避雷线、保护间隙、各 种避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器 组、消弧线圈、自动重合闸等等。

? 一、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。 ? 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。 ? 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,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0.1%的绕击率。

? 避雷针的基本构成: ? 一个独立避雷针由接闪器、接地引下线和接 地装置组成。接闪器是指避雷针最上端1~2m 长的一段,一般由直径不小于12mm的圆钢 或直径不小于20mm的焊接钢管制成。接地 引下线是连接接闪器和接地装置的一段导体, 采用直径不小于8mm的圆钢或截面积不小于 48mm2、厚度不小于4mm的扁钢制作。接地 装置是接地体和接地线的总和,是为了降低 接地电阻而完成的接地整体。既然避雷针的 实质是引雷装置,所以接闪器没有必要作得 很复杂、不用分叉、也不用采用镀银等。

? 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 – 保护范围的长度与线路等长,而且两端还有其 保护的半个圆锥体空间 – 在架空输电线路上多采用保护角α来表示避雷 线的保护程度 – 保护角:避雷线的铅垂线与避雷线和边导线连 线的夹角, α越小,雷击导线的概率越小,对 导线的屏蔽保护越可靠

单根避雷针保护范围

双根等高避雷针保护范围

r 当 hx ? h / 2 时: x ? (h ? hx ) ph
r 当 hx ? h / 2 时: x ? (1.5h ? 2hx ) ph

h0 ? h ? D / 7 ph ? ? bx ? 1.5(h0 ? hx ) ?

hx-被保护物体高度; h-避雷针高度 P-高度修正系数

双根不等高避雷针保护范围

两平行避雷线保护范围

避雷线保护角

单根避雷线保护范围

? 单支避雷针的保护范围是一个以其本体为轴线的 曲线圆锥体,像一座圆帐篷。它的侧面边界线实 际上是曲线,但我国规程建议近似地用折线来拟 合,以简化计算。 ? 不难看出:最大的保护半径即为地面上(hx=0) 的保护半径rg=1.5h。 ? 从h越高、修正系数P越小可知:为了增大保护范 围,而一味的提高避雷针的高度并非良策,合理 的解决办法应是采用多支(等高或不等高)避雷 针做联合保护。 ? 单根避雷线的保护半径要比单根避雷针的保护半 径小得多 ,这是因为它的引雷空间要比同样高度 的避雷针小。

? 某变电所配电构架高11m,宽10.5m,拟在 构架侧旁装设独立避雷针进行保护,避雷针 距构架至少5m。试计算避雷针最低高度。

二、保护间隙和避雷器
? 避雷器的作用是限制过电压以保护电气设备。 ? 避雷器的种类: ? 保护间隙: 用于限制大气过电压。一般用于 配电线路。 ? 管型避雷器:系统、线路和发、变电所进线段 保护 ? 阀型避雷器:发电厂、变电所保护;220kV 以下用于限制大气过电压,超高压系统用于限 制内过电压或做内过电压后备保护 ? 金属氧化物避雷器(MOA):

? 对避雷器的基本技术要求 –正常运行时,避雷器内部如何隔离工作电压, –过电压作用时,避雷器先于被保护电力设备放电,这需 要由两者的伏秒特性的配合来保护(绝缘强度配合 VS曲线) –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(绝缘强度的自恢 复能力) –以上两条对有间隙的避雷器(保护间隙、管型避雷器、 阀型避雷器)是适宜的,对于MOA的基本要求则不同

–无间隙,长期工作在系统工作电压和间或承受各种过电 压,工频下流过很小的泄漏电流,过电压下残压应小于 被保护设备冲击绝缘强度,它必须具有长时间工频稳定 性和过电压下的热稳定性

二、保护间隙和避雷器
避雷器的理论依据: 感应雷或入侵波作用在被保护设备 上时,可能使设备的绝缘破坏,如何来 保护设备免受危险电压的破坏呢? 气体间隙的放电现象—如右图所示, 两个间隙在同一个冲击电压的作用下, 如果间隙2总是先于间隙1放电,即间隙 2的伏秒特性完全位于间隙1的伏秒特性 曲线的下面,并且要有足够低的残压, 那么先放电的间隙2就能保护后放电的 间隙1,即间隙1是被保护设备,间隙2 是保护设备。于是发明了第一种避雷 器—保护间隙。避雷器要保护被保护物 的基本条件就是避雷器总要先于被保护 设备放电,并且要有足够低的残压。

(一)保护间隙
保护间隙
当雷电波入侵时: 间隙先击穿、工作母线接地 过电压消失后: 间隙中仍有由工作电压 所产生的工频电弧电流 ——续流 缺点: 1)伏秒特性很陡; 2)保护间隙没有专门 的灭弧装置 3)产生大幅值的截波。

? 通常把间隙的电极做成角型,它有助于使工频电 弧在电动力和上升热气流的作用下,向上运动并 拉长,以利于电弧的自熄。为了防止主间隙被外 物(例如小鸟)短接而引起误动作,在下方还串 接了一个辅助间隙2。 ? 目前仅用于不重要和单相接地不会导致严重后果 的场合,例如那些低压配电网和中性点非有效接 地电网中。

当雷电波入侵时,间隙先击穿,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。 过电压消失后,间隙中仍有由工作电压所产生的工 频短路电流(称为续流),由于间隙的熄弧能力差,往 往不能自行熄灭,将引起断路器的跳闸,这样,虽然保 护间隙限制了过电压,保护了设备,但将造成线路跳闸 事故,破坏系统的工作可靠性。 此外,间隙间的电场是极不均匀电场,又裸露在大 气环境中,受气象条件的影响很大,因此它的伏秒特性 很陡,且分散性大,这将直接影响到它的保护效果。 还有当间隙被击穿后是直接接地,将会有截波产生, 不能用来保护有绕组的设备。由于它有以上的不足,也 就限制了它的使用范围。 通常可将间隙配合自动重合闸使用。

? (二)管式避雷器 ? (亦称排气式避雷器,用于输电线路) 外间隙 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

内间隙

? 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,在安装时再串接一只外火 花间隙。 ? 增设火花间隙F2的目的是为了在正常运行时把消弧管与工 作电压隔开,以免管子加速老化或在管壁受潮时发生沿面 放电。

? ?

?

? ? ? ? ?

管由纤维、塑料或橡胶等产气材料制成。 雷击时,内外间隙同时击穿,雷电流经间隙流入大地; 过电压消失后,内外间隙的击穿状态将由导线上的工作电 压所维持,此时流经间隙的工频电弧电流为工频续流,其 值为管型避雷器安装处的短路电流,工频续流电弧的高温, 使管内产生大量气体,其压力可达数十以至上百个大气压, 气体从开口端喷出,强烈地吹动电弧,使其在工频续流第 一次经过零值时熄灭。 管型避雷器的熄弧能力与工频续流大小有关,续流太 大产气过多,管内气压太高将造成管子炸裂;续流太小, 产气过少,管内气压太低不足以熄弧,故管型避雷器熄灭 工频续流有上下限的规定,通常在型号中表明。 缺点: 1)续流太小时不能灭弧,太大时产气过多,使管子爆裂 2)伏秒特性和产生截波方面与保护间隙相似 维护较麻烦 3)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。

阀式避雷器
阀式避雷器是由装在密封瓷套中的多组火花 间隙和多组非线性电阻阀片串联组成。它分普通 型和磁吹型两大类。 普通阀式避雷器的单个火花间隙结构如图8-16 所示,电极由黄铜圆盘冲压而成,两电极间以云母 垫圈隔开形成间隙,间隙距离为0.5~1.0mm,间隙 电场接近均匀电场,单个间隙的工频放电电压约为 2.7~3.0kV(有效值)。阀片的伏安特性如图所示。

(三)普通阀式避雷器
? 变电所的防雷保护主要依 靠阀式避雷器,其主要由 火花间隙F及与之串联的 工作电阻R(阀片)两大 部分组成。间隙冲击放电 电压低于被保护设备的冲 击耐压强度。

? 阀型避雷器的基本工作原理如下: ? 在电力系统正常工作时,间隙将电阻阀片与工作母线隔离, 以免由母线的工作电压在电阻阀片中产生的电流使阀片烧 坏。当系统中出现过电压且其峰值超过间隙放电电压时, 间隙击穿,冲击电流通过阀片流入大地,由于阀片(碳化 硅SiC,亦称金刚砂为主要原料)的非线性特性, ? 故在阀片上产生的压降(残压)将得到限制,使其低于被 保护设备的冲击耐压,设备就得到了保护。当过电压消失 后,间隙中由工作电压产生的工频电弧电流(工频续流) 将继续流过避雷器,此续流受阀片电阻的非线性特性所限 制远小于冲击电流,使间隙能在工频续流在第一次经过零 值时就将电流切断。这样避雷器从间隙击穿到工频续流的 切断不超过半个工频周期,继电保护来不及动作系统就已 恢复正常。 ? 特点: ? 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,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。

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。 阀片的作用:限制工频续流,保证火花间隙可靠熄弧; 当雷电过电压击穿时,电压不至于突然下降形成截断波;

? 普通阀式避雷器(火花间隙、非线性电阻)
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

单个火花间隙的结构

多个短间隙串联易 于切断工频续流。 (复合与散热)

多个间隙串联电压分布 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。

? 阀式避雷器的火花间隙由大量单元间隙串联组成, 例如110kv避雷器中,上述单元间隙的数目就达 到96只。 ? 多重间隙是一电容链式电路, 由于间隙各电极对 地和对高压端有寄生电容存在,电压沿这种电路 的分布是很不均匀的,对阀式避雷器来说,在冲 击放电过程中,电压沿着多重间隙的不均匀分布 是有好处的,因为它能降低整个火花间隙的冲击 放电电压,使各个单元间隙迅速地相继击穿,为 保护绝缘提供可靠的保护。 ? 另一方面,这一现象对火花间隙的工频击穿特性 和灭弧性能却是不利的,因为电压的不均匀分布 使得整个火花间隙的工频击穿电压降低了、续流 的灭弧条件恶化了。

? 为解决这个问题,在火花间隙加装分路电阻。 ? 在工频电压作用下,间隙电容的阻抗很大,而分 路电阻阻值较小,故间隙上电压分布均匀,从而 提高了熄弧电压和工频放电电压。 ? 在冲击电压的作用下,间隙电容的阻抗小于分路 电阻,间隙上的电压分布主要取决于电容分布, 由于间隙对地和对瓷套寄生电容的存在,使电压 分布很不均匀,因此其冲击放电电压较低。 ? 采用分路电阻均压后,在工作电压作用下,分路 电阻将长期有电流流过,因此分路电阻必须有足 够的热容量。分路电阻亦应是非线性的,其主要 原料是SiC。

? 我国生产的普通阀式避雷器有FS和FZ两种系列
? 配电所型FS ? 结构特点:有火花间隙和阀片,但无分路电阻,阀片直径 55mm, ? 额定电压:3,6,10kv ? 应用范围:配电网中变压器、电缆头、柱上开关等设备的 保护。 ? 变电所型FZ 结构特点:有火花间隙、阀片和分路电阻,阀片直径 100mm 额定电压:3~220kv 应用范围:220kv及以下变电所电气设备的保护

? 避雷器的参数
1、额定电压:指使用此避雷器的电网额定电压,也 就是正常运行时作用在避雷器上的工频工作电压。

2、灭弧电压:是指保证避雷器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。灭弧电压应该大于避雷器安装点可 能出现的最大工频电压。 ? 3、冲击放电电压:在冲击电压作用下避雷器的放 电电压幅值。 ? 4、工频放电电压:指工频电压作用下避雷器发生 放电的电压(有效)值,它表明间隙的绝缘强度。 ? 5、残压:冲击电流流过避雷器时,在阀片电阻上 产生的最大压降。

? 阀式避雷器的保护水平: ? 表示该避雷器上可能出现的最大冲击电压的峰值。 是指残压、标准雷电波(1.2/50us)下冲击放电电 压和陡波(1200kV/us)冲击放电电压(除以系数 1.15)三者中的最大值。 ? 阀式避雷器的冲击系数 : ? 冲击放电电压与工频放电电压幅值之比。 ? 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。 ? 保护比:残压与灭弧电压之比,保护比的值越小越 好。

? (四)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。 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。

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

? ?

磁吹避雷器是如何产生磁吹的? 磁场是由与间隙串联的磁吹线圈产生的:在过电压作 用下,主间隙被击穿,放电电流通过磁吹线圈,在线圈上 产生很大的压降,使辅助间隙击穿,放电电流经过辅助间 隙、主间隙、阀片而流入大地; ? 在工频续流通过时,磁吹线圈上的压降不足以维持辅 助间隙中电弧的燃烧,工频续流很快转入磁吹线圈中,即 工频续流是通过主间隙、磁吹线圈、阀片流入大地的,续 流在磁吹线圈中产生磁吹。 磁吹避雷器采用了灭弧能力较强的磁吹火花间隙和通 流能力较大的高温阀片。 目前各国制造的磁吹避雷器主要有以下两种: FCD型----保护旋转电机 电压一般2-15KV FCZ型----保护高压设备 电压一般35-500KV

? (五)金属氧化物避雷器

图 氧化锌阀片的伏安特性

U 理想避雷器

氧化锌避雷器 碳化硅避雷器

线性电阻

100A

10KA

I

ZnO避雷器的特性曲线
U /kV
系统相电压 10 -5

10 -4

10-3

10 -2

10 -1

1

10

102

10 3

104 I /A

? ZnO避雷器具有显著的非线性伏安特性。 ? 当过电压袭来时,ZnO避雷器电流剧增,有效地吸收过电压 的能量并遏制住系统电压的上升趋势。

ZnO避雷器的结构
? ZnO避雷器中起主要作用 的非线性电阻元件由多片 ZnO阀片堆叠而成,根据电 压等级的不同堆叠层数也 不同。 ? 图中给出是目前最为先进 的硅橡胶复合外套避雷器 的简化结构。 ? 绝大部分情况下,避雷器 在系统中的连接都是星形 接法。 ? 星形接法下长期工作中的 避雷器承受的是相电压。 ? 避雷器的接地要求绝对可 靠
上 法兰

避 雷器 芯体 ,多 片 Z n O阀片 堆叠 而成

承 担外 绝 缘 ,硅 橡胶 承 担机 械负 荷, 玻 璃钢 绝缘 套筒

下 法兰

? 70年代初期出现了氧化锌避雷器,其阀片以氧化 锌为主要材料,附以少量精选过的金属氧化物, 经高温焙烧而成。 ? 无间隙ZnO避雷器与传统的有串联间隙的SiC相比 的优点: ? (1)无间隙 ? 在工作电压作用下,氧化锌实际上相当一绝 缘体,因而工作电压不会使氧化锌阀片烧坏,所 以可以不用串联间隙来隔离工作电压。 ? 由于无间隙,当然也就没有因串联间隙而带 来的一系列问题。如污秽、内部气压变化对间隙 的电位分布和放电电压的影响等。 ? 同时,因无间隙,故大大改善了陡波下的响 应特性,不存在间隙放电电压随雷电波陡度增加 而增大的问题,提高了对设备保护的可靠性。

(2)无续流

当作用在氧化锌阀片上的电压超过某一值(此值 称为起始动作电压)时,将发生“导通”,其后,氧 化锌阀片上的残压受其良好的非线性特性所控制,当 系统电压降至起始动作电压以下时,氧化锌的“导通” 状态终止,又相当于一绝缘体,因此不存在工频续流。 (3)电气设备所受过电压可以降低 氧化锌避雷器在整个过电压过程中都有电流流过, 因此降低了作用在变电站电气设备上的过电压。 (4)通流容量大 由于氧化锌阀片的通流能力大(必要时也可采用 两柱或三柱阀片并联),提高了避雷器的动作负载能 力,因此可以用来限制内部过电压。

? (5)氧化锌避雷器特别适用于直流保护 ? 因为直流续流不像工频续流那样会通过自然零 点,所以串联间隙型直流避雷器难于熄弧,氧化锌 避雷器则就没有熄弧问题。因无续流熄弧问题,氧 化锌避雷器也运用于多雷区,多重雷击区。此外, 氧化锌避雷器体积小,重量轻,结构简单,运行维 护方便,使用寿命长。

氧化锌避雷器

高压避雷器(HY5WS-17/50、Y5WS-17/50、HY5WS-12.7/50、Y5WS-12.7/50)

高压避雷器(HY5WS-10/30、Y5WZ-51/134、HY5WZ-51/134)

低压避雷器(HY1.5W-0.5/2.6、HY1.5W-0.28/1.3)

? 三、防雷接地
? “地”和“接地”的概念 ? 1、电气地:大地是一个电阻非常低、电容量非常 大的物体,拥有吸收无限电荷的能力,而且在吸 收大量电荷后仍能保持电位不变,因此适合作为 电气系统中的参考电位体。这种“地”是“电气 地”,并不等干“地理地”,但却包含在“地理 地”之中。“电气地”的范围随着大地结构的组 成和大地与带电体接触的情况而定。

? 2、地电位:与大地紧密接触并形成电气接触的一 个或一组导电体称为接地极,通常采用圆钢或角 钢,也可采用铜棒或铜板。当流入地中的电流I通 过接地极向大地作半球形 散开时,由于这半球形 的球面,在距接地极越近的地方越小,越远的地 方越大,所以在距接地极越近的地方电阻越大, 而在距接地极越远的地方电阻越小。试验证明: 在距单根接地极或碰地处 20m 以外的地方,呈半 球形的球面已经很大,实际已没有什么电阻存在, 不再有什么电压降。换句话说,该处的电位已近 于零。这电位等于零的“电气地”称为“地电 位”。若接地极不是单根而为多根组成时,屏蔽 系数增大,上述 20m 的距离可能会增大。在接地 极分布很密的地方,很难存在电位等于零的电气 地。

? 3、逻辑地:电子设备中各级电路电流的传 输、信息转换要求有一个参考的电位,这个 电位还可防止外界电磁场信号的侵入,常称 这个电位为“逻辑地”。这个“地”不一定 是“地理地”,可能是电子设备的金属机壳、 底座、印刷电路板上的地线或建筑物内的总 接地端子、接地干线等;逻辑地可与大地接 触,也可不接触,而“电气地”必须与大地 接触。

? 4、接地:将电力系统或电气装置的某一部 分经接地线连接到接地极称为“接地”。有 时为了安全保护的需要,将装置外导电部分 与接地线相连进行接地。在正常情况下的不 同电位点间,由于阻抗可忽略不计的故障产 生的过电流称为短路电流,例如相线和中性 线间产生金属性短路所产生的电流称为单相 短路电流。由绝缘损坏而产生的电流称为故 障电流,流入大地的故障电流称为接地故障 电流。

电气接地
1.概述
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。电气设备导电部分和非导电部分与大
地的人为连接称为接地。与大地土壤直接接触的金属导 体或金属导体组称为接地体:联接电气设备应接地部分

与接地体的金属导体称为接地线;接地体和接地线统称
为接地装置。

电气设备接地的目的主要是保护人身和设备的安全
,所有电气设备应按规定进行可靠接地。

? 2.电力系统的接地分为三类:
? 1)工作接地:电力系统正常工作需要而设置的接地为了 保证电气设备在正常和事故情况下可靠的工作而进行的接 地称为工作接地,如中性点直接接地和间接接地以及零线 的重复接地、防雷接地等都是工作接地。0.5~10Ω ? 2)保护接地:为了保证人身安全,避免发生人体触电事 故,将电气设备的金属外壳与接地装置联接的方式称为保 护接地。当人体触及到外壳已带电的电气设备时,由于接 地体的接触电阻远小于人体电阻,绝大部分电流经接地体 进入大地,只有很小部分流过人体,不致对人的生命造成 危害。 1~10Ω ? 3)防雷接地:将雷电流顺利泄入地下,以减小它所引起 的过电压。 1~30Ω

? 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
Re ? Ue Ie

? 冲击接地电阻 Ri ,工频或直流下的接地电阻 Re ,二 ? 者之比称为冲击系数 ? i , 其值一般小于1, 但在接地体很长时也有可能大于1。
?i ?
Ri Re

防雷接地与保护接地、工作接地的两点区别:
?雷电流幅值大 ?雷电流的等值频率高 区别之一:雷电流幅值大 雷电流幅值大,就会使地中电流密度增大,因 而提高了土壤中的电场强度,在接地体附近尤为 显著。若此电场强度超过土壤击穿场强时,在接 地体周围的土壤中便会发生局部火花放电,使土 壤导电性增大,接地电阻减小。因此,同一接地 装置在幅值甚高的冲击电流作用下,其接地电阻 要小于工频电流下的数值。

这种效应称为火花效应。

区别之二:雷电流的等值频率高 雷电流等值频率较高,使接地体自身电感的影响 增加,阻碍电流向接地体远端流通,对于长度长 的接地体,这种影响更加明显。结果会使接地体 得不到充分利用,使接地装置的电阻值大于工频 接地装置电阻值。 这种现象称为电感影响。

由于上述两方面的原因,同一接地装置在冲击 和工频电流作用下,将具有不同的电阻值。 用冲击系数表示两者的关系:
冲击电流下的电阻(应为阻 抗,习惯称为冲击接地电 阻),指接地体上的冲击电压
幅值与流经该接地体中的冲击 电流幅值之比值。

Rch ?? Rg

工频电流 下的电阻

与接地体的几何尺寸、雷电流的幅值和波形以及土壤电阻率有关, 一般依靠实验确定。在一般情况下,由于火花效应大于电感效应, 其值小于1,但对电感影响明显的情况,也有时大于等于1。

接地装置由埋入地中的接地 体和连接到设备接地部分的接地线 组成。当接地装置中流过电流时, 接地电流经过接地体以电流场的形 式向四处扩散。由于大地不是理想 的导体,它具有一定的电压降。离 电流注入点越远,地中电流的密度 越小,因此可以认为在相当远(或 叫无穷远)处,地中电流密度已接 近零。电场强度也接近零,该处的 电位为零电位。 由此可见,当接地点有电流流 入大地时该点相对于远处的零电位 来说,将具有确定的电位升高。

降低接地电阻的原因 接地电阻
UM R? I

接地点处的 电位

接地电流 此时地面上的接地物 体(如变压器外壳), 也具有电位 U M ,因而不 利于电气设备的绝缘以 及人身安全,这就是为 什么要力求降低接地电 阻的原因。

3.接地电阻 接地的电气设备通过接地装置和大地之间的电阻称为接地电 阻,包含五个部分: (1)电气设备和接地线的接触电阻。 (2)接地线本身的电阻。 (3)接地体本身的电阻。 (4)接地体和大地的接触电阻。 (5)大地的电阻。 不同的电气设备对接地电阻有不同的要求: (1)大接地短路电流系统R≤0.5Ω (2)容量在100kVA以上的变压器或发电机R≤4 Ω (3)阀型避雷器R≤5 Ω

(4)低压线路金属杆、水泥杆及烟囱的接地R≤30 Ω 准确数字参照相关技术规范要求

4.装设接地装置的要求 (1)接地线一般用40mm×4mm的镀锌扁钢。 (2)接地体用镀锌钢管或角钢。钢管直径为50mm ,管壁厚不小于3.5mm,长度2~3m。角钢以 50mm×50mm×5mm为宜。 (3)接地体的顶端距地面0.5~0.8m,以避开冻土 层,钢管或角钢的根数视接地体周围的土壤电阻率而定 ,一般不少于两根,每根的间距为3~5m (4)接地体距建筑物的距离在1.5m以上,与独立避 雷针接地体的距离大于3m。 (5)接地线与接地体的联接应使用搭接焊。

? 5.降低土壤电阻率的方法 ? (1)改变接地体周围的土壤结构: 在接地体 周围的土壤2~3m范围内,掺入不容于水的、有良 好吸水性的物质,如木炭、矿渣等,可使电阻率 降低到原来的1/5~1/10。 ? (2)用食盐、木炭降低土壤电阻率: 用食盐、 木炭分层夯实。木炭和细掺匀为一层,约10~ 15cm厚,再铺2~3cm的食盐,共5~8层。铺好后 打入接地体。此法可使电阻率降至原来的1/3~ 1/5。 ? (3)用长效化学降阻剂: 此法可使土壤电阻率 降至原来的40%。

6. 接地电阻测试检查: 电气设备的接地电阻应在每年的春、秋两季雨水较少时各测 试一次,确保接地合格。一般采用专门仪表(如ZC-8接地电阻测 试仪)测试,也可采用电流表-电压表法测试。 另外检查的内容有: (1)联接螺栓是否松动、锈蚀。 (2)地面以下的接地线、接地体的腐蚀情况,是否脱焊。 (3)地面的接地线有无损伤、断裂、腐蚀等。 7. 接地的作用 防止人身遭受电击、设备和线路遭受损坏、预防火灾和防止

雷击、防止静电损害和保障电力系统正常运行。

? 常见的一些接地体的工频接地电阻计算公式
? 1、单根垂直接地体

? 2、多根垂直接地体

? 3、水平接地体

? (二)防雷接地及有关计算 ? 防雷接地所泄放的电流是冲击大电流。

? 接地体单位长度电感L0,压降L0di/dt很可观,使 接地体变成非等电位物体。 L0的影响使伸长接地 体的冲击接地电阻Ri增大;接地体周围会出现一 个火花放电区,使冲击接地电阻Ri变小。两者对 接地电阻的影响相反。看两个因素的相对强弱而 定。


网站首页 | 网站地图 | 学霸百科 | 新词新语
All rights reserved Powered by 学霸学习网 www.tceic.com
copyright ©right 2010-2021。
文档资料库内容来自网络,如有侵犯请联系客服。zhit325@126.com