雷电放电及防雷保护装置.ppt

雷电是自然中最宏伟壮观的现象 也是最普遍的现象之一 它对人类的生活环境 工作条件等都造成了很大的影响 因此对雷电的研究和防护意义重大 早在18世纪初 富兰克林等物理学家已经揭示了 闪电就是电 的本质 而随着物理学的进一步发展 人们对雷电这一自然现象有了更深刻的认识 第七章雷电放电及防雷保护装置 雷电引起的火灾和爆炸 雷击 2007 5 23重庆开县 雷击 2007 5 23重庆开县 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 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 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 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 雷云下部局部正电荷区 一 雷云的形成 二 雷电放电过程 雷电放电是一种超长气隙的火花放电 与金属电极间的长气隙放电是相似的 由于雷云的物理性质毕竟与金属板不同 因而具有多次重复雷击等现象和特点 雷云下部大部分带负电荷 大多数的雷击是负极性的 雷云中的负电荷会在地面感应出大量正电荷 地面与大地之间或两块带异号电荷的雷云之间 会形成强大的电场 其电位差可达数兆伏甚至数十兆伏 通常 云 地 之间的线状雷电在开始时往往是一微弱发光的通道从雷云向地面伸展 它以逐级推进的方式向下发展 每级长度约25 50m 每级的伸展速度约104km s 各级之间有30 90 s的停歇 所以平均发展速度只有100 800km s这种预放电称为逐级引路或先导放电 当先导放电接近地面时 地面上一些高耸的物体因周围电场强度达到了能使空气电离程度 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 这就是雷电的主放电阶段 伴随着雷鸣和闪光 这段时间极短 只有50 100 s 它是沿着负的下行先导通道 由下而上逆向发展的 亦称 回击 速度可达20000 150000km s 雷云20 000 s1000 s1000 s箭状先导箭状先导分级先导第一次主放电第三次主放电大地t100 s100 s100 s0 03 s0 03 s入地电流时间t图7 2雷电放电的发展过程及雷电流波形 三 雷电参数 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 300 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 通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻 30 的物体时流过雷击点的电流 它近似等于电流入射波的两倍 即 一般地区 雷电流幅值超过的概率可按下式计算 四 雷电的极性 波前陡度的最大极限值一般可取50kA us左右 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 雷电流波前的平均陡度 kA us 七 雷电流的计算波形 1 双指数波 2 斜角波 3 斜角平顶波 4 半余弦波 在防雷计算中 按不同要求采用不同的计算波形 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 A QU 107V 20C 20 107W s 放电能量不大 但是在极短时间内放出的 因而功率很大 四 雷电过电压的形成 一 雷电放电的计算模型 i0AA2i0Z0RiiRiO a b 根据雷电流的定义 这时流过雷击点A的电流即为雷电流i 如 b 为其电流源等值电路则雷电流为 二 直接雷击过电压的几个典型算例雷击于地面上接地良好的物体 Ri 15 A点电压幅值 UA IRi 雷击于导线或档距中央避雷线 Z0AU0I 2Z02U0ZZZZO a 示意图 b 电压源等值电路如果电流电压均以幅值表示 导线雷击点A的电压幅值令Z0 300 Z 400 可得UA 120I 三 感应雷击过电压除了前面介绍的直接雷击过电压外 电力系统中还会出现另一种雷电过电压 感应雷击过电压 它的形成机理与直接雷击过电压完全不同 图7 7感应雷过电压产生机理示意图 a 先导放电阶段 b 主放电阶段 在雷击点与电力线路之间的距离s 65m的情况下式中I 雷电流幅值hc 导线的平均对地高度s 雷击点与线路之间的距离雷击于塔顶等紧靠导线的接地物体Ui ahc式中a 感应雷过电压系数 它近似等于雷电流的平均波前陡度 即a I 2 6 感应雷击过电压与相邻导线间感应电压的异同 1 感应雷击过电压的极性一定与雷云的极性相反 而相邻导线间感应电压的极性一定与感应源相同 2 感应雷击过电压一定要在雷云及其先导通道中的电荷被中和后才出现 相邻导线间感应电压与感应源同生同灭 3 感应雷击过电压的波前平缓 T1数微秒到数十微秒 波长较长 4 感应雷击过电压在三相导线上同时出现 且数值基本相同 故不出现相间电位差和相间闪络 如幅值过大 可能引起对地闪络 微电子设备对电磁干扰有着固有的敏感性 而电力系统又是一个高能量的电磁污染环境 在这严酷的电磁环境中运行的信息设备的电磁兼容性 EMC 问题就显得更为突出 所有电磁兼容问题都涉及到干扰源 耦合机理和敏感部件三个方面 现代雷灾新特点城市高楼的增加使雷电击穿空气的距离缩短 因为雷击概率与建筑高度成正比 所以雷击概率加大 随着科技的进步 微电设备被广泛应用 城市通信电源大幅增多 电磁场发生变化 特别是微电子产品普遍绝缘强度低 过电压耐受力差 容易遭受雷电侵袭 其中电脑网络 通讯指挥系统和公用天线都是重灾区 据统计 在各种灾害造成的损害中 感应雷击造成的损害高居榜首 占全部灾害损失的33 8 1 受灾面扩大 从电力 建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业 尤其是与高新技术关系最密切的领域 如航天航空 国防 邮电通信 计算机 电子工业 石油化工 金融证券等 2 从二维空间入侵变为三维空间入侵 从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场 从三维空间入侵到任何角落 无孔不入地造成灾害 防雷工程已从防直击雷 感应雷进入防雷电电磁脉冲 LightningElectro magneticPulseProtection LEMP 即雷电灾害的空间范围扩大了 3 雷灾的经济损失和危害程度显著增加 4 雷灾的主要对象已集中在微电子器件设备上 微电子技术的应用渗透到各种生产和生活领域 微电子器件极端灵敏这一特点很容易受到无孔不入的LEMP的作用 造成微电子设备的失控或者损坏 雷电冲击波的入侵途径雷击可分为直击雷和感应雷 随着经济的发展 感应雷和雷电波侵入造成的危害却越来越大 一般建筑物上的避雷针只能预防直击雷 而强大电磁场产生的感应雷和脉冲电压却能潜入室内危及各种弱电设备 对于电力信息系统来说 通常情况下 重点考虑感应雷的防护 常见雷电冲击波的入侵途径有 雷电击在外部建筑物的防雷系统上 浪涌在接地电阻上引起电压降 浪涌也叫突波 超出正常工作电压的瞬间过电压 本质上讲 浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲 可能引起浪涌的原因有 重型设备 短路 电源切换或大型发动机 而含有浪涌阻绝装置的产品可以有效地吸收突发的巨大能量 以保护连接设备免于受损 浪涌保护器 也叫信号防雷保护器 是一种为各种电子设备 仪器仪表 通讯线路提供安全防护的电子装置 当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时 浪涌保护器能在极短的时间内导通分流 从而避免浪涌对回路中其他设备的损害 环路感应过电压 雷电击在远处架空电力线上 雷云之间放电在电力线上引起感应雷电波及过电压 雷击通信线 电力线附近地面或地面上其它设施在线路上引起感应雷电波及过电压 电磁脉冲场穿透建筑物 直接作用于电力信息系统 电力信息系统对雷电电磁脉冲的防护措施电力信息系统是指电力系统内各种形式的电子系统 包括计算机 通信设备 控制系统等据IEC 1312 1雷电电磁脉冲防护 LEMP 的防雷保护区LPZ LightningProtectionZones 原则 即根据不同信息系统对电磁场环境的不同要求 设置分层次 分级保护区或保护空间的措施 对电力信息系统的防雷保护必须实行可靠的多层分级 类 保护的避雷装置 所谓多层分级 类 保护原则就是根据电气 微电子设备的不同功能及不同受保护程序和所属保护层确定防护要点作分类保护 电器设备对外联系的所有通道 从电源线到数据通信线路 都应做多级 层 保护 1 外部无源保护在0级保护区即外部作无源保护 主要有避雷针 网 线 带 和接地装置 接地线 地极 建筑物内金属门窗 玻璃幕墙 吊顶龙骨架 灯线 管线等 通常予以忽视 未作接地 二次回路使用的直流蓄电池作浮点运行 特别是旧式电池体积庞大 这些都是雷电二次效应的推波助澜者 是电子设备潜在杀手 建筑物的所有外露金属构件 管道 都应与防雷网 带 线 有良好的连接 2 内部防护电源部分防护雷电侵害主要是通过供电线路侵入 高压部分电力局有专用高压避雷装置 而低压线路部分则无法控制 所以对380V低压线路应进行过电压保护 按国家规范应分三部分 建议在高压变压器后端到楼宇总配电盘间的电缆内芯线两端应对地加避雷器 作一级保护 在楼宇总配电盘至楼层配电箱间电缆内芯线两端应对地加装避雷器 作二级保护 在所有重要 精密设备以及UPS的前端应对地加装避雷器 3 接地处理在电力信息系统的建设中 一定要有一个良好的接地系统 因所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄入大地 从而保护设备和人身安全 如果接地系统做得不好 不但会引起设备故障 烧坏元器件 严重的还将危害工作人员的生命安全 防干扰的屏蔽问题和防静电问题都需要通过建立良好的接地系统来解决 一般整个建筑物的接地系统有建筑物地网 与法拉第网相接 电源地 要求地阻小于10W 逻辑地 也称信号地 防雷地等 有的公司 如IBM 要求另设专用独立地 要求地阻小于4W 根据实际情况可能也会要求小于1W 当各地必须独立时 如果相互之间距离达不到规范的要求 则容易出现地电位反击事故 因此当各接地系统之间的距离达不到规范的要求时 应尽可能连接在一起 如实际情况不允许直接连接 可通过地电位均衡器实现等电位连接 为增加接地装置的可靠性 建议使用专业公司生产的专用接地棒 并使用无公害降阻剂 小结 获得比较广泛认同的雷云形成机理为水滴分裂起电理论 雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的火花放电 其发展过程分为三个阶段 第一次主放电 箭状先导 第三次主放电 从雷电过电压计算和防雷设计的角度来看 值得注意的雷电参数有雷暴日及雷暴小时 雷电流幅值 雷电流的计算波形等 感应雷击过电压的形成机理与直接雷击过电压完全不同 本节完