雷电及防雷保护装置

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,第九章,雷电及防雷保护装置,（,2,学时）,1,9.1,雷云放电及雷电过电压,9.1.1,雷云的产生和雷电放电过程,电力系统在运行时，由于各种原因，系统中某些部分的电压可能升高，甚至大大超过正常工作电压，危及设备的绝缘。这种危及设备绝缘的过电压可能是大气过电压或内部过电压。其中，大气过电压是由于雷电而形成的，它是造成电力系统故障的主要原因之一。,雷电是由雷云放电引起的，关于雷云的聚集和带电至今还没有令人满意的解释，目前比较普遍的看法是：热气流上升时冷凝产生冰晶，气流中的冰晶碰撞后分裂导致较轻的部分带负电荷并被风吹走形成大块的雷云；较重的部分带正电荷并可能凝聚成水滴下降，或悬浮在空中形成一些局部带正电的云区。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，离地大约,50010000,m,。它在地面上感应出大量的正电荷。,2,随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度（大气中约为,30,kV/cm,，有水滴存在时约为,10,kV/cm,）时，就会发生云间或对大地的火花放电。在防雷工程中，主要关心的是雷云对大地的放电。,雷云对大地放电通常分为先导放电和主放电两个阶段。云一地之间的线状雷电在开始时往往从雷云边缘向地面发展，以逐级推进方式向下发展。每级长度约,10200,m,，每级的伸展速度约,10,7,m/s,，各级之间有,10100,s,的停歇，所以平均发展速度只有（,18,）,10,5,m/s,，这种放电称为先导放电。当先导接近地面时，地面上一些高耸的物体（如塔尖或山顶）因周围电场强度达到了能使空气电离的程度，会发出向上的迎面先导。当它与下行先导相遇时，就出现了强烈的电荷中和过程，出现极大的电流（数十到数百千安），伴随着雷鸣和闪光，这就是雷电的主放电阶段。主放电的过程极短，只有,50100,s,，它是沿着负的下行先导通道，由下而上逆向发展，故又称,“,回击,”,，其速度高达,210,7,1.510,8,m/s,。以上是负电荷雷云对地放电的基本过程，可称为下行负雷闪；对应于正电荷雷云对地放电的下行正雷闪所占的比例很小，其发展过程亦基本相似。,3,9.1.2,雷击时的等值电路,雷击地面发生主放电的开始，可以用图,9,2,中开关,S,的闭合来表示。图中,Z,是被击物与大地（零电位）之间的阻抗，,是先导放电通道中电荷的线密度，,S,闭合之前相当于先导放电阶段。,S,突然闭合，相当于主放电开始，如图,9,2,（,b,）所示。发生主放电时，将有大量的正、负电荷沿先导通道逆向运动，并中和雷云中的负电荷。由于电荷的运动形成电流,i,，因此雷击点,A,的电位也突然发生变化（,u=iZ,）。雷电流,i,的大小与先导通道的电荷密度以及主放电的发展速度有关（,i=v,）。,在防雷研究中，最关心的是雷击点,A,的电位升高，而可以不考虑主放电速度、先导电荷密度及具体的雷击物理过程，因此可以从,A,点的电位出发来把雷电放电过程简化为一个数学模型，如图,9,2,（,c,）所示；进而得到其彼得逊等值电路，如图,9,2,中（,d,）、（,e,）所示。图中，,Z,0,表示雷电通道的波阻抗（我国规程建议取,300,400,）。需要说明的是：尽管雷云有很高的初始电位才可能导致主放电，但地面被击物体的电位并不取决于这一初始电位，而是取决于雷电流与被击物体阻抗的乘积。所以，从电源的性质看，雷电具有电流源的性质。,4,研究表明，尽管先导放电是不规则的树枝状，但它还是具有分布参数的特征，作为粗略估计一般假设它是一个具有均匀电感、电容等分布参数的导电通道，即可以假设其波阻抗是均匀的。,图,9,2,雷电放电模型和等值电路,5,在雷击点,A,与地中零电位面之间串接着一个阻抗，它可以代表被击中物体的接地电阻,R,，也可以代表被击物体的波阻抗,Z,。从图,9,2,（,e,）中可以看出，当,Z,=,0,时，,i=,2,i,0,；若,Z,d,时，单根垂直接地体（如图,9,23,所示）的接地电阻为,（,9,13,）,当用宽度为,b,的扁钢时，,d,=,b,/2,；当用边长为,b,的角钢时，,d,=0.84,b,。,当有,n,根垂直接地体时，总接地电阻,R,可按并联电阻计算，但需考虑到各根接地极间的屏蔽效应，如图,9,24,所示。,R,为,（,9,14,）,其中，,R,为每根垂直接地体的接地电阻。,称为接地体的利用系数。由于屏蔽效应，,1,。接地体间距离,a,与接地体长度,l,的比值越小，,就越小，一般,0.65,0.8,。,45,图,9-23,单根垂直接地体 图,9-24,三根垂直接地体的屏蔽效应,(2),水平接地体,（,9,15,）,其中，,L,为接地体的总长度（,m,）；,h,为接地体埋设深度（,m,）；,A,为形状系数，表示电极间的屏蔽效应，其数值如表,9,5,所示。,46,表,9-5,水平接地体的形状系数,A,由表,9,5,可知，总长,L,相同时，由于形状不同，,A,值会有明显的不同。,由以上公式算出的是工频接地电阻值。雷电流作用下冲击接地电阻的计算，还需要利用冲击系数,，,的数值根据计算分析和实验得到。表,9,6,所示为工程中常用的接地体的冲击系数和利用系数。,47,表,9,6,接地体冲击系数和利用系数,接地体,在不同土壤电阻率,（,m,）下的冲击系数,利用,系数,100,200,500,1000,用水平钢管连接起来的垂直钢棒（棒间距离等于其长度的,2,倍）：,2,4,根钢棒,8,根钢棒,15,根钢棒,0.5,0.7,0.8,0.45,0.55,0.7,0.3,0.4,0.55,0.3,0.4,0.75,0.75,0.75,两根长,5m,的水平钢带，埋在电流入地点的两侧（一字形）,0.65,0.55,0.45,0.4,1.0,三根长,5m,的水平钢带，对称地埋在电流入地点的周围（辐射形）,0.7,0.6,0.5,0.45,0.75,48,(2),伸长接地体,在土壤电阻率较高的岩石地区，为了减少接地电阻，有时常要加大接地体的尺寸，主要是增加水平埋设的扁钢的长度，通常称这种接地体为伸长接地体。由于雷电流的等值频率很高，接地体自身的电感将会产生很大影响，此时接地体将表现出具有分布参数的传输线的阻抗特性，加之火花效应的出现将使伸长接地体的电流流通成为一个很复杂的过程。一般在简化条件下通过理论分析，对这一问题作出定性的描述，并结合实验得到工程应用的依据。通常，伸长接地体只在,4060,m,的范围内有效，超过这一范围接地阻抗基本上不再变化。,49,二 输电线路的防雷接地,高压输电线路在每一基杆塔下一般都设有接地装置，并通过引线与避雷线相连，其目的是使击中避雷线和杆塔的雷电流通过较低的接地电阻进人大地。我国技术标准规定了线路杆塔的接地电阻，如表,9,7,所示。为了便于检查和测量，表中为工频电阻值。,高压线路杆塔都有混凝土基础，它们也起着接地体的作用，称为自然接地体。只有在土壤电阻率较低（,300,m,以下）的地区，自然接地体才有些作用。在大多数情况下，单纯依靠自然接地体是不能满足要求的，需要装设人工接地装置。,三 发电厂和变电站的防雷接地,发电厂和变电站内需要有良好的接地装置以满足工作、安全和防雷保护的接地要求。一般的作法是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。,50,表,9-7,装有避雷线的线路杆塔的工频接地电阻（上限）,土壤电阻率,（,m,）,工频接地电阻（,）,100,及以下,10,100,以上至,500,15,500,以上至,1000,20,1000,以上至,2000,25,2000,以上,30,，或敷设,6,8,根总长不超过,500m,的放射线，或用两根连续伸长接地线，阻值不作规定,接地网由扁钢水平连接，埋入地下,0.60.8,m,处，其面积,S,大体与发电厂和变电所的面积相同，如图,9,25,所示，这种接地网的总接地电阻可按下式估算：,51,（,9,16,）,其中,L,是接地体（包抵水平的和垂直的）总长度（,m,），,S,是接地网的总面积（,m,2,）。可见，当,一定时，地网的接地电阻基本上由变电站的面积决定，是很难改变的。,接地网构成网孔形的目的，主要在于均压。接地网中两水平接地带之间的距离，一般可取为,310,m,，然后校核接触电位差,U,j,和跨步电位差,U,k,后再予以调整。,如前所述，发电厂和变电站工频接地电阻的数值,般在,0.55,的范围内，这主要是为了满足工作及安全接地的要求。需要指出的是，接地网在冲击电流作用下同样具有火花效应和电感影响，需要通过试验来掌握其基本规律。,52,图,9-25,接地网示意图,53,