牽引變電所防雷接地設(shè)計

1、畢 業(yè) 論 文110kv牽引變電所防雷接地設(shè)計 110kv牽引變電所防雷接地設(shè)計110kv traction substation lightning protection and grounding design摘 要雷電具有很強的危害性，因此應(yīng)該重視牽引變電所雷電的防護。變電所是電力系統(tǒng)防雷的重要保護，如果發(fā)生雷擊事故，將造成大面積的停電，嚴(yán)重影響社會生產(chǎn)和人民生活。所以變電所的防雷措施必須十分可靠。變電所遭受雷擊的來源及解決方案 (1)雷擊的來源。一是雷直擊于變電所的設(shè)備上；二是架空線路的雷電感應(yīng)過電壓和直擊雷過電壓形成的雷電波沿線路侵入變電所。 (2)變電所對于直擊雷的保護一般采取裝設(shè)

2、避雷針或采用沿變電所進線段一定距離內(nèi)架設(shè)避雷線的方法解決。 (3)架空線路的雷電感應(yīng)過電壓和直擊雷過電壓形成的雷電波沿線路侵入變電所，是導(dǎo)致變電所雷害的主要原因，若不采取防護措施，勢必造成變電所電氣設(shè)備絕緣損壞，引發(fā)事故。在變電所內(nèi)裝設(shè)避雷器的目的在于限制入侵雷電波的幅值，使電氣設(shè)備的過電壓不致于超過其沖擊耐壓值。而變電所的進線段上裝設(shè)保護段的主要目的，在于限制流經(jīng)避雷器的雷電流幅值及入侵雷電波的陡度。（4）變電所裝設(shè)避雷針的原則 所有被保護設(shè)備均應(yīng)處于避雷針(線)的保護范圍之內(nèi)，以免遭受雷擊。 當(dāng)雷擊避雷針時，避雷針對地面的電位可能很高，如它們與被保護電氣設(shè)備之間的絕緣距離不夠，就有可能在避

3、雷針遭受雷擊后，使避雷針與被保護設(shè)備之間發(fā)生放電現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫反擊。此時避雷針仍能將雷電波的高電位加至被保護的電氣設(shè)備上，造成事故。不發(fā)生反擊事故的避雷針與電氣設(shè)備之間的距離稱為避雷針與電氣設(shè)備之間防雷最小距離。（5）雷擊避雷針時，雷電流流經(jīng)避雷針及其接地裝置，為了防止避雷針與被保護設(shè)備或構(gòu)架之間的空氣間隙被擊穿而造成反擊事故，空氣間隙必須大于最小安全凈距。 為了防止避雷針接地裝置與被保護設(shè)備或構(gòu)架之間在土壤中的間隙被擊穿而造成反擊事故，空氣間隙必須大于最小安全凈距。（6）對于35kV及以下的變電所，因其絕緣水平較低，必須裝設(shè)獨立的避雷針，并滿足不發(fā)生反擊的要求。 對于110kV以上的變電所

4、，由于此類電壓等級配電裝置的絕緣水平較高，可以將避雷針直接裝設(shè)在配電裝置的構(gòu)架上，因而雷擊避雷針?biāo)a(chǎn)生的高電位不會造成電氣設(shè)備的反擊事故。裝設(shè)避雷針的配電構(gòu)架，應(yīng)裝設(shè)輔助接地裝置，該接地裝置與變電所接地網(wǎng)的連接點，距主變壓器的接地裝置與變電所的接地網(wǎng)的連接點的電氣距離不應(yīng)小于15m。其作用是使雷擊避雷器時，在避雷器接地裝置上產(chǎn)生的高電位，沿接地網(wǎng)向變壓器接地點傳播的過程中逐漸衰減，使侵入的雷電波在達到變壓器接地點時，不會造成變壓器的反擊事故。由于變壓器的絕緣較弱，同時變壓器又是變電所的重要設(shè)備，故不應(yīng)在變壓器的門型構(gòu)架上裝設(shè)避雷針。 由于變電所的配電裝置至變電所出線的第一桿塔之間的距離可能比較

5、大，如允許將桿塔上的避雷線引至變電所的構(gòu)架上，這段導(dǎo)線將受到保護，比用避雷針保護經(jīng)濟。由于避雷線兩端的分流作用，當(dāng)雷擊時，要比避雷針引起的電位升高小一些。因此，110kV及以上的配電裝置，可將線路避雷線引接至出線門型構(gòu)架上，但土壤電阻率大于1000·m的地區(qū)，應(yīng)裝設(shè)集中接地裝置。對于3560kV配電裝置，土壤電阻率不大于500·m的地區(qū)，允許將線路的避雷線引接至出線門型構(gòu)架上，但應(yīng)裝設(shè)集中接地裝置。當(dāng)土壤電阻率大于500·m時，避雷線應(yīng)終止于線路終端桿塔，進變電所一檔線路保護可用避雷針保護。牽引變壓器的設(shè)計主要包括變壓器的容量計算和技術(shù)指標(biāo)的檢測，設(shè)計必須符合高（

6、低）壓側(cè)主接線的設(shè)計要求。絕緣設(shè)備的檢驗主要是關(guān)于電氣設(shè)備的動穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性、開關(guān)設(shè)備的選型和校驗，以及對室內(nèi)外母線，各個支持絕緣子和穿墻套管，電壓、電流互感器的選型和校驗。另一部分主要內(nèi)容是對牽引變電所的防雷接地設(shè)計，包括避雷針、避雷線、避雷器以及接地系統(tǒng)的設(shè)計。牽引變壓器的設(shè)計主要包括變壓器的容量計算和技術(shù)指標(biāo)的檢測，設(shè)計必須符合高（低）壓側(cè)主接線的設(shè)計要求。絕緣設(shè)備的檢驗主要是關(guān)于電氣設(shè)備的動穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性、開關(guān)設(shè)備的選型和校驗，以及對室內(nèi)外母線，各個支持絕緣子和穿墻套管，電壓、電流互感器的選型和校驗。另一部分主要內(nèi)容是對牽引變電所的防雷接地設(shè)計，包括避雷針、避雷線、避雷器以及接地系統(tǒng)的

7、設(shè)計。本文講述了雷電、雷電壓和雷電流的形成過程，并給出了雷電參數(shù)，闡述了防雷裝置如避雷針、避雷器的防雷原理以及保護范圍，給出了直擊雷和感應(yīng)雷的防護方案，介紹了目前我國牽引變電所防雷接地設(shè)計中常用的幾種措施，如：合理選擇牽引變電所修建的地理位置，架設(shè)避雷針、敷設(shè)接地網(wǎng)，在進線段裝設(shè)避雷器，同時對幾種防雷措施進行了深入的論述和定量的計算分析。基于常用的防雷接地的設(shè)計方法，對110kv牽引變電所進行了詳細(xì)的防雷接地設(shè)計。設(shè)計中，結(jié)合當(dāng)?shù)噩F(xiàn)狀，綜合考慮了氣候、地形、環(huán)境等多種因素，給出了較好的防雷接地保護方案。通過對牽引變電所的防雷接地設(shè)計，全面剖析了電力系統(tǒng)中如何讓提高牽引變電所的防雷水平，從而有效

8、地降低牽引變電所的雷擊事故，減少雷電對電網(wǎng)安全運行的影響。關(guān)鍵詞：牽引變電所；防雷接地；雷電放電；雷電流論文類型：應(yīng)用研究AbstractThe lightning has very strong harmfulness's we should pay attention to drawing the shelter of the lightning of transformer substation.Substation power system is important to the mine facilities, if lightning accident occurred,

9、causing widespread power outages, and seriously affect the social production and peoples life .Therefore asked the substation lightning protection measures must be very reliable. Substation lightning source and solution method. (1) Lighting source. Direct lightning stroke to substation equipment; tw

10、o is the overhead line lightning induced overvoltage and lightning over.voltage lightning wave intrusion formed along the line of substation.(2)substation lightning protection for generally taken with a lightning rod or a substation incoming line within a certain distance of the lightning line metho

11、d to solve erection.(3)the overhead line lightning induced overvoltage and lightning over.voltage lightning wave intrusion formed along the transmission line substation, is the leading cause of substation lightning is the main reason ,if do not take protective measures, is bound to cause the substat

12、ion electrical equipment insulation damage, cause an accident, In transformer substation arrester installed aims to limit intrusion of lightning wave amplitude, so that the electrical equipment of the over voltage not to exceed its impulse withstand voltage value. While the substation incoming lines

13、 installed protection section of the main purpose is to restrict the flow through the surge arrester, lightning current amplitude and intrusion of lightning wave steepness. (4) Substation with a lightning rod principle all the protected equipment shall be kept in a lightning rod (wire) within the sc

14、ope of protection, to avoid being struck by lightning. When the lightning arrester, lightning rod on ground potentials can be very high, as they and the protected electrical equipment struck by lightning, the lightning rod and protected equipment occurred between the discharge phenomenons, thispheno

15、menon is called back. The lightning arrester can still be lightning wave high potentials to the protected electrical apparatus, causing the accident. No impact accidents lightning minimum distance between the electrical equipment.(5)lightning arrester, lightning current flowing through the lightning

16、 conductor and earthling device in order to prevent the lightning rod and the equipment being protected or framework of the air gap between the breakdown was caused by impact accident, air gap must be greater than the minimum distance of An Quanjing.In order to prevent lightning grounding device and

17、 the equipment being protected or between frames in soil of the gap breakdown caused by impact accident, air gap must be greater than the minimum distance of An Quanjing.(6)for 35kv and below the power substation, because of its low insulation level, must be arranged independently of the lightning r

18、od, and meet the requirements not counterattack. The traction transformer design includes transformer capacity computing and technology indicators testing, design must meet the high (low) pressure side of the main connection of the design requirements. Insulation test equipment for electrical equipm

19、ent mainly on the dynamic stability, thermal stability, switching equipment selection and validation, as well as indoor and outdoor bus, each supporting insulators and wall bushings, voltage, current transformer selection and check. Another part of the main content is the design of substation ground

20、ing lightning protection, including lightning, grounding wire, surge arresters and grounding system design.目錄摘要I引言1一 雷21 雷電21.1 雷電的形成21.2 雷電的放電21.3 雷電放電過程2先導(dǎo)過程2主放電過程31.4雷電的危害31.5 雷電的防護32 雷電參數(shù)及防雷裝置42.1雷電參數(shù)6雷擊時的等值電路62.1.2 雷電流72.1.3 雷暴日與雷暴小時9地面落雷密度103 防雷設(shè)備103.1保護原理103.2 保護范圍10二 避雷器151 避雷器的分類及比較162閥式避雷器

21、電氣特性的基本參數(shù)193 金屬氧化物避雷器電氣特性參數(shù)204 避雷針和避雷線215.防雷接地的概述215.1防雷接地的發(fā)展概況215.2 接地與防雷接地22三 沖擊電流流經(jīng)接地裝置入地時的基本現(xiàn)象221土壤中的電位分布222 土壤中的電場強度233 接地裝置的電感效應(yīng)及利用率234 防雷接地裝置的形成及其電阻的算法245.牽引變電所防雷接地的必要性26四 110KV牽引變電所防雷保護和接地設(shè)計271直擊雷保護272雷電侵入波保護282.1保護措施282.2 避雷器的設(shè)置292. 3 變電站的保護293 110kv高壓輸電線路的防雷保護303.1 雷電對輸電線路的危害303.2 線路雷擊跳閘的兩

22、種主要表現(xiàn)形式303.3 線路雷擊跳閘分析 303.4有避雷線的線路雷擊跳閘率的確定323.5 有避雷線線路的雷擊跳閘率324 牽引變電所進線段的保護335.牽引變電所內(nèi)變壓器的防雷接地保護365.1 雙繞組變壓器的防雷保護365.2 三繞組變壓器的防雷保護365.3 自藕變壓器的防雷保護 375.4變壓器中性點的防雷保護38結(jié)論40致謝41參考文獻42附 錄43附 錄 2.2 110kv變電站用氧化鋅避雷器電氣特性43引 言電力工業(yè)是國民經(jīng)濟的一項基礎(chǔ)工業(yè)和國民經(jīng)濟發(fā)展的先行工業(yè)，它是一種將煤、石油、天然氣、水能、核能、風(fēng)能等一次能源轉(zhuǎn)換成電能這個二次能源的工業(yè)，它為國民經(jīng)濟的其他各部門快速

23、、穩(wěn)定發(fā)展提供足夠的動力，其發(fā)展水平是反映國家經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標(biāo)志。變電站是聯(lián)系發(fā)電廠和用戶的中間環(huán)節(jié)，起著變換和分配電能的作用。這就要求變電所的一次部分經(jīng)濟合理，二次部分安全可靠，只有這樣變電所才能正常的運行工作，為國民經(jīng)濟服務(wù)。雷電(Lightning)是一種大氣自然現(xiàn)象，對人類社會而言，雷電有時也會造成自然災(zāi)害。隨著社會的發(fā)展，雷電給社造成的危害越來越嚴(yán)重，同時雷電防護(Lightning Protection)科學(xué)技術(shù)也在人類認(rèn)識自然、抵御自然災(zāi)害的過程中不斷發(fā)展。全球任何時刻大約有2000個地點遏上雷暴，平均每天約發(fā)生800萬次閃電，每次閃電在微秒級的瞬間釋放出約55kW.h的能量

24、。我們生存的環(huán)境既被動地接受自然災(zāi)害的侵襲，又能動地為災(zāi)害的形成和發(fā)展提供條件。從久遠的過去開始，雷電就對人類、人類賴以生存的自然資源和人類創(chuàng)造的物質(zhì)文明構(gòu)成巨大的威脅，例如，森林火災(zāi)有50以上因雷電引發(fā)；人們居住生活的建筑物屢遭雷擊破壞；電力、石化等工業(yè)設(shè)施常因雷擊而發(fā)生災(zāi)難性事故。不難看出，雷電災(zāi)害的范圍隨社會經(jīng)濟發(fā)展而擴大，其表現(xiàn)形式隨其范圍擴大而復(fù)雜。伴隨電力系統(tǒng)中所用電氣元件產(chǎn)品諸如斷路器、繼電器、隔離開關(guān)等性能指標(biāo)的提高，變電站的功能也會越來越完善，可靠性也會得到很大的提高。因此，提高變電所防雷保護科技水平勢在必行。一、雷1、雷電1.1 雷電的形成雷電放電是帶電荷的雷云引起的放電現(xiàn)

25、象，在某種大氣和大地條件下，潮濕的熱氣流進入大氣層冷凝而形成雷云，大氣層中的雷云底部大多數(shù)帶負(fù)電，它在地面上感應(yīng)出大量的正電荷，這樣，雷云和大地之間就形成了強大的電場，隨著雷云的發(fā)展和運動，當(dāng)空間電場強度超過大氣游離放電的臨界電場強度時，就會發(fā)生雷云之間或雷云對地的放電，形成雷電。按其發(fā)展方向可分為下行雷和上行雷。下行雷是在雷云產(chǎn)生并向大地發(fā)展的，上行雷是接地物體頂部激發(fā)起，并向雷云方向發(fā)起的。1.2 雷電放電雷電放電是由帶電荷的雷云引起的放電現(xiàn)象。一般認(rèn)為雷云是在某種大氣和大地條件下，由強大的潮濕的熱氣流不斷上升進入稀薄的大氣層冷凝的結(jié)果。強烈的上升氣流穿過云層，水滴被撞分裂帶電。輕微的水沫

26、帶負(fù)電，被風(fēng)吹得較高，形成大塊的帶負(fù)電的雷云；大滴水珠帶正電，凝聚成雨下降，或懸浮在云中，形成一些帶正電的區(qū)域。雷云的底部大多數(shù)是帶負(fù)電，它在地面上會感應(yīng)出大量的正電荷。這樣，在帶有大量不同極性或不同數(shù)量電荷的雷云之間，或者雷云和大地之間就形成了強大的電場，其電位差可達幾兆伏甚至幾十兆伏。隨著雷云的發(fā)展和運動，一旦空間電場強度超過大氣游離放電的臨界電場強度時，就會發(fā)生雷云之間或雷云對地的放電。大多數(shù)雷電放電發(fā)生在雷云之間，對地面上的設(shè)備和建筑沒有什么直接影響。雷云對地的放電雖占少數(shù)，但危害是十分嚴(yán)重的，是造成雷電事故的主要因素。要避免產(chǎn)生雷電事故，就必須對雷電的放電過程、活動規(guī)律和雷電參數(shù)加以

27、研究。1.3 雷電放電過程按雷電發(fā)展的方向可區(qū)別為下行雷和上行雷兩種。下行雷是在雷云產(chǎn)生并向大地發(fā)展的，上行雷是由接地物體頂部激發(fā)起，并向雷云方向發(fā)展的。雷電的極性是按照從雷云流人大地的電荷的符號決定的。實測表明，不論地質(zhì)情況如何，90左右是負(fù)極性雷。正極性雷和上行雷出現(xiàn)的機會較少，下面介紹最常見的下行負(fù)極性雷放電的特性。1.3.1、先導(dǎo)過程 雷云對大地的放電通常包括若干重復(fù)的放電過程，每次放電都由先導(dǎo)放電和主放電組成。圖61(a)是由高速旋轉(zhuǎn)的照相機攝下的負(fù)雷云對地放電的典型照片。 如圖6l(a)所示，第一次從雷云向大地發(fā)展的先導(dǎo)有逐級跳躍發(fā)展的性質(zhì)，叫梯級先導(dǎo)。每一級的長度為10一200m

28、，平均50m，梯級間的間歇時間為10100s，平均50s，第一先導(dǎo)的傳播速度為(18)XlO5ms，即約為光速的l1000左右。先導(dǎo)通道具有良好的導(dǎo)電性，因此帶有與雷云同極性的負(fù)電荷。雷云與先導(dǎo)的電荷在大地上感應(yīng)出異號的正電荷，當(dāng)電荷積累到一定程度時還會出現(xiàn)自下向上發(fā)展的逆先導(dǎo)。1.32 主放電過程 當(dāng)先導(dǎo)發(fā)展到接近地面時，就在通道端部出現(xiàn)高場強，使空氣強烈游離而產(chǎn)生高密度的等離子區(qū)。此區(qū)域沿先導(dǎo)通道自下而上迅速傳播，形成一條高電導(dǎo)率的等離子體通道。使先導(dǎo)通道以及雷云中的電荷與大地的電荷相中和(需要注意的是，這里所說的“中和”并不一定指正、負(fù)離子復(fù)合，只要在每個很小的空間內(nèi)，異號離子的濃度相同

29、，就可以說是中和了)。這個過程就是主放電過程。主放電發(fā)展的速度比先導(dǎo)發(fā)展速度快得多，達到15X107一15X108ms(12012的光速)。1.4 雷電的危害 雷電是自然界存在的物理現(xiàn)象，打雷是指帶正負(fù)電荷的雷云之間或是帶電荷的雷云對大地快速放電而產(chǎn)生的聲和光。雷云之間正負(fù)電荷放電現(xiàn)象，就是我們平時看到天空閃光和隨之而來的巨大隆隆聲。天空打雷對現(xiàn)代微電子的電氣設(shè)備有傷害，但對自然界生物和凈化空氣十分有好處。但是天空中帶電荷的雷云對大地放電。這種強烈直擊雷，不僅產(chǎn)生刺眼閃光和巨大雷聲，而且打雷所產(chǎn)生的強大雷電流(幾十KA幾百KA)、熾熱高溫(600010000)。猛烈沖擊波，對打雷附近的人畜生命

30、安全造成嚴(yán)重威脅，使建筑房屋損壞，森林著火，石油、電力、氣象、通信、航空航天建筑設(shè)施造成嚴(yán)重破壞。沿著雷電流流動方向，使周圍數(shù)公里空間造成強大劇變電磁場，靜電場和強烈電磁輻射等物理效應(yīng)。把感應(yīng)出來雷電壓、雷電流通過供電線路、信號線路和各種金屬管線傳到各家各戶造成人員傷亡，特別對微電子設(shè)備(計算機、電視、通信設(shè)備、電氣設(shè)備等)造成嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致重大經(jīng)濟損失，打雷是年年重復(fù)發(fā)生的自然現(xiàn)象，根據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計資料報告，全球每年因雷電災(zāi)害造成的損失高達數(shù)十億美元。我國每年因雷擊造成傷亡人員達一萬多人，造成的各種經(jīng)濟損失也達數(shù)億人民幣。1.5 雷電的防護雷電災(zāi)害年年有，我們?nèi)祟悓纂姺雷o認(rèn)識和經(jīng)驗也是逐年

31、提高。200多年前，美國科學(xué)家富蘭克林發(fā)明了避雷針(實際上是引雷針，使雷電沿引雷針引入地下)，開創(chuàng)了人類雷電防護新紀(jì)元。由避雷針、避雷帶、引下線、接地網(wǎng)構(gòu)成了建筑防雷措施，大大減少了建筑物因雷擊造成的損失。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，新型電子設(shè)備廣泛應(yīng)用，雷電流引起的感應(yīng)雷擊已成為電子時代的一大公害，上面提到全球每年因雷擊造成經(jīng)濟損失達數(shù)十億美元，電子設(shè)備損壞占絕大部分。因此，我國上世紀(jì)90年代就頒發(fā)了中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)建筑物防雷設(shè)計規(guī)范，同時通信、電力、廣播電視、石油和鐵路等電子產(chǎn)品密集部門，根據(jù)國家防雷規(guī)范，結(jié)合自身情況又制定出更加具體的行業(yè)防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和要求。1999年我國又頒布中華人民共

32、和國氣象法，要求各級氣象主管機構(gòu)要統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)協(xié)調(diào)全國對雷電災(zāi)害防御工作的組織管理。現(xiàn)代防雷技術(shù)原則是全方位防護，綜合治理。把防雷減災(zāi)工程看作是一個系統(tǒng)工程。不但建筑物樓房要做好防雷電的直接雷擊，而且還要在供電線路、通信線路上做好防護，防止由雷電引起感應(yīng)雷對我們各種各樣電子設(shè)備(計算機、電視、通信設(shè)備、電氣設(shè)備等)損壞。這方面防護首先盡可能將供電線路、通信線路由明線改為埋地電纜。由地下引到各樓內(nèi)。其次，再在供電線路、信號線路上加裝防雷器件，防止雷電流電磁感應(yīng)而引起感應(yīng)雷通過電源線、信號線傳入電子設(shè)備，把電子設(shè)備損壞。第三，將建筑防雷地，供電交流接地，電氣設(shè)備安全保護地和通信及計算機系統(tǒng)接地(也稱邏

33、輯接地)組成聯(lián)合接地系統(tǒng)。雷擊時，使和電子設(shè)備相連接的地都處在同一電位(消除地的電位差)。所有電氣設(shè)備都應(yīng)使用有安全保護地電源插座(若電源插座帶有防過電壓裝置更好)。在防雷問題上我們大家都要按照國家和行業(yè)規(guī)范去做，就可以確保建筑樓房、電子設(shè)備、人員的安全。另外，應(yīng)大力宣傳雷電防護知識，增強自我保護意識。打雷時，不在室外打手機，不要靠近高大建筑物，不在大樹下避雨，不在公園靠近建筑物的防雷針、引下線旁坐著休息，就可以免除雷電對我們造成的意外傷害。雷電放電是由雷云引起的放電現(xiàn)象。所謂雷云是指帶有電荷的云，云是如何帶點的呢？地面的水分在太陽的照射下受熱化為水蒸汽，形成上升的熱氣流。由于太陽不能直接使空

34、氣變熱，所以空氣每上升1km，溫度就下降10。熱氣流上升到一定的高度后，因溫度降低是水蒸氣凝結(jié)成水滴，在足夠冷的高空，水滴會進一步冷卻成冰晶。水滴和冰晶因其復(fù)雜的電荷分離過程及強烈氣流的作用更使會形成帶電的雷云。2 雷電參數(shù)及防雷裝置雷電起源于云中水氣的起點和同極性電荷的積累，帶電的云塊稱為雷云，雷云是產(chǎn)生雷電的先決條件。所謂雷云是指帶有電荷的云，云是如何帶電的呢？地面的水分在太陽的照射下受熱化為水蒸氣，形成上升的熱氣流。由于太陽幾乎不能直接使空氣變熱，所以空氣每上升1km，溫度約下降10。熱氣流上升到一定的高度后，因溫度降低使水蒸氣凝結(jié)成水滴，在足夠冷的高空，水滴會進一步冷卻成冰晶。水滴和冰

35、晶因其復(fù)雜的電荷分離過程及強烈氣流的作用便會形成帶電的雷云。關(guān)于雷云帶電的機理有很多種解釋，但至今仍無統(tǒng)一變化。比較有代表性的理論主要有凍結(jié)起電、水滴分裂起電等。前者認(rèn)為，水滴凍結(jié)時首先從表面開始，表面形成冰殼后，內(nèi)部在溫差的作用下，水中的正離子移向水滴的表面層而使其帶正電，留在水滴中心部分的則為負(fù)離子。當(dāng)水滴的中心部分也結(jié)冰時，因結(jié)冰時的膨脹會使早先已結(jié)冰的表層破裂，帶正電的碎片被氣流帶到云的上部，帶負(fù)電的核心部分則留在云的中、下部。水滴分裂理論認(rèn)為，強氣流使云中水滴吹裂時，較大的水滴帶正電，而較小的水滴帶負(fù)電，小水滴同時被氣流所攜走。雷電的帶電過程也可能是綜合性的。實測表明，在510km的

36、高度主要是正電荷的云層，在15km高度主要是負(fù)電荷的云層，但在云的底部也往往有一塊不大區(qū)域的正點荷聚集。雷云中的電荷一般不是在云中均勻分布的，而是形成多個電荷密集區(qū)。雷電放電可能是在云中兩塊異性的雷云尖發(fā)生，稱之為云中放電。也可能是雷云對大地間放電，稱之為云.地放電。這里主要介紹雷云雷云對地的放電，它是造成雷害的主要因素。從本質(zhì)上講雷電放電是一種超常間隙的火花放電，許多方面與金屬電極間的長空氣間隙的放電是相似的，但雷云的物理性質(zhì)畢竟與金屬電極不同，雷電放電有其自身的特點，例如雷電放電可自上而下發(fā)展（稱為下行雷），也可自下而上發(fā)展（稱為上行雷），主放電結(jié)束后有余光放電，放電還可能具有重復(fù)性等。雷

37、云對地的放電通常包含若干次重復(fù)的放電過程，每次放電一般都由先導(dǎo)放電、主放電和余光放電三個主要階段組成。第一次從雷云向大地發(fā)展的先導(dǎo)不是連續(xù)向下發(fā)展的，而是逐級向下推進的，其平均發(fā)展速度較慢，相應(yīng)的電流也較?。〝?shù)十至數(shù)百安）。先導(dǎo)通道導(dǎo)電性能良好，因此帶有與雷云同極性的多余電荷。雷云與先導(dǎo)在地面上感應(yīng)出異號電荷。當(dāng)先導(dǎo)接近地面時，會從地面較突出的部分發(fā)出向上的迎面先導(dǎo)。當(dāng)迎面先導(dǎo)與下行先導(dǎo)相遇時便開始主放電過程，出現(xiàn)極大的電流（數(shù)十至數(shù)百千安），并伴隨著雷鳴和閃光。主放電存在的時間極短，約50100us，速度要比先導(dǎo)的發(fā)展速度快得多。主放電過程是逆著負(fù)先導(dǎo)的通道由下向上發(fā)展的，主放電到達云端時主

38、放電過程就結(jié)束了，然后云中的殘余電荷經(jīng)過主放電通道繼續(xù)流向大地，稱為余光放電。余光放電對應(yīng)的電流不大（約數(shù)百安），但持續(xù)的時間卻較長（0.030.15s）。雷電放電的重復(fù)性可能是因為云中存在多個電荷密集中心。第一個電荷密積中心完成上述放電過程之后，可能會引起其他的電荷密積中心放電。第二次及以后的放電通常沿第一次放電的通道進行，由于該通道在下一次放電前沒有充分去游離，所以第二次及以后的放電中先導(dǎo)是連續(xù)發(fā)展的。第二次及以后的主放電電流一般較小，但電流的上升速度要比第一次的大。以上為負(fù)云雷下行雷的放電發(fā)展過程。正云雷下行雷的放電過程與此基本相同，但下行正先導(dǎo)的逐級發(fā)展不明顯。雷電的極性是指自雷云下行

39、到大地的電荷極性。由于雷云的下部主要是負(fù)電荷的密積區(qū)，故絕大多數(shù)（90%左右）的雷擊是負(fù)極性的。雷云電荷向下發(fā)展而形成的雷電放電稱為下行雷，下面以下行雷為例來分析雷電放電3的三個階段。1)先導(dǎo)放電階段雷云對大地有靜電感應(yīng)，在雷云電場下，大地感應(yīng)出異種電荷，兩者形成一個特殊的大電容器，隨著雷云中電荷的逐步積累，空間的電場強度不斷增大。當(dāng)雷云中電荷密集處的電場強度達到空氣擊穿場強（2530kV/cm）時，就產(chǎn)生強烈的碰撞游離，形成指向大地的一段導(dǎo)電通道，稱為雷電先導(dǎo)。先導(dǎo)放電不是連續(xù)向下發(fā)展的，而是一段接著一段地向前推進。2)主放電階段當(dāng)下行先導(dǎo)接近地面時，會從地面較突出的部分發(fā)出向上的迎面先導(dǎo)。

40、當(dāng)迎面先導(dǎo)與下行先導(dǎo)相遇時，便產(chǎn)生強烈的“中和”過程，引起極大的電流，這就是雷電的主放電階段，伴隨出現(xiàn)閃電和雷鳴現(xiàn)象。主放電階段的特點是：（1） 主放電存在的時間極短，約為50100µs。（2） 電流極大，可達數(shù)十乃至數(shù)百千安。3)余光放電階段主放電到達云端就結(jié)束了，然后云中殘余電荷經(jīng)主放電通道流下來，稱為余光放電階段。由于雷云中的電阻較大，余光放電階段對應(yīng)的電流不大（約數(shù)百安），持續(xù)時間則較長（0.030.05s）。雷云中的電荷分布是不均勻的，往往形成多個電荷密集中心，所以第一個電荷中心完成上述放電過程后，可能引起第二個、第三個甚至多個的中心向第一個中心放電，并沿原先的通道到達大地

41、，因此雷電可能是多重性的。第二次及以后的主放電電流一般較小，不超過30kA。2.1雷電參數(shù)2.1.1雷擊時的等值電路 雷擊地面由先導(dǎo)放電轉(zhuǎn)變?yōu)橹鞣烹姷倪^程可以用一根已經(jīng)充電的垂直導(dǎo)線突然于被擊物體接同來比擬，如圖2.1（a）所示。圖中是被擊物體于大地（零地位）之間的阻抗，是先導(dǎo)放電通道中電荷的線密度，開關(guān)S未閉合之前相當(dāng)于先導(dǎo)放電階段。當(dāng)先導(dǎo)通道到達地面或與地面目標(biāo)上發(fā)出迎面先導(dǎo)相遇時，主放電即開始，相當(dāng)于開關(guān)S合上。此時將有大量的正、負(fù)電荷沿先導(dǎo)通道逆向運動，并使其中來自雷云的負(fù)電賀中和，如圖5.1（b）所示。與此同時，主放電電流即雷電流流過雷擊點A并通過阻抗，此時A點電位u也突然升至。顯然

42、，電流的數(shù)值于先導(dǎo)通道的電荷密度及主放電的發(fā)展速度v有關(guān)，并且還受阻抗的影響。因為先導(dǎo)通道的電荷密度很難測定，主放電的發(fā)展速度也只能根據(jù)觀測大體判斷，唯一容易側(cè)知的量是主放電以后（相當(dāng)于S合上以后）流過阻抗的電流。因此利用雷電放電過程簡化成一個數(shù)學(xué)模型，進而用到彼德遜等值電路如圖2.1(c)、(d)所示以求得比較統(tǒng)一的分析方法。圖2.1(c)、(d)中為主放電通道的波阻抗。和則式從雷云向地面?zhèn)鱽淼男胁ǖ碾妷汉碗娏鳌?(a)模擬電路 （b）主放電電路 （c）主放電通道電路 （d）等值電路圖2.1 雷擊放電計算模型2.1.2雷電流因為雷電波流經(jīng)被擊物體時的電流與被擊物體的波阻抗有關(guān)，因此，我們把流

43、經(jīng)被擊物體的波阻抗為零時的電流被定義為“雷電流”，用來表示。根據(jù)雷電放電的等值電路，可知流經(jīng)被擊物體的波阻抗為時的電流與雷電流的關(guān)系為： （2.1）目前，我國規(guī)程建議雷電通道的波阻抗為300400。雷電流為一非周期的沖擊波，它與氣象、自然等條件有關(guān)，是一個隨機變量。下面我們介紹它的幅值、波頭、陡度、波長及其波形。1）幅值雷電流的幅值與氣象、自然等條件等有關(guān)，只有通過大量實測才能正確估計其概率分布規(guī)律。我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)推薦雷電流幅值分布的概率如下： （2.2）式中：為雷電流幅值，kA；為幅值大于的雷電概率。例如，當(dāng)雷擊時，出現(xiàn)大于88kA的雷電流幅值的概率p約為10%。 我國西北地區(qū)內(nèi)蒙古等雷電活動

44、較弱，雷電流幅值較小，可按下式計算： （2.3）2）波頭、陡度及波長根據(jù)實測結(jié)果，雷電沖擊波的波頭是在15µs的范圍內(nèi)變化，多為2.52.6µs；波長在20100µs的范圍內(nèi)，多數(shù)為50µs左右。波頭及波長的長度變化范圍很大，工程上根據(jù)不同情況的需要，規(guī)定出相應(yīng)的波頭于波長的時間。在線路防雷計算時，規(guī)程規(guī)定取雷電流波頭的時間為2.6µs，波長對防雷計算結(jié)果幾乎無影響，為簡化計算，一般可視為無限長。雷電流的幅值與波頭，決定了雷電流的上升陡度，也就是雷電流隨時間的變化率。雷電流的陡度對雷擊過電壓影響很大，也是一個常用參數(shù)?？烧J(rèn)為雷電流的陡度與幅值I

45、有線性關(guān)系，即幅值愈大，陡度愈大。一般認(rèn)為陡度超過50kA/µs的雷電流出現(xiàn)的概率已經(jīng)很小了。3）波形實測結(jié)果表明，雷電流的幅值、陡度、波頭、波尾雖然每次不同，但都是單極性的脈沖波，電力設(shè)備的絕緣強度實驗和電力系統(tǒng)的防雷保護設(shè)計，要求將雷電流波形等值為典型化、可用公式表達、便于計算的波形。常用的等值波形有三種，如圖2.2所示。 （a） (b) (c)圖2.2 雷擊主放電時的電流波形圖2.2（a）是標(biāo)準(zhǔn)沖擊波，它可表示為。試中為某一固定電流值，、是兩個常數(shù)，為作用時間。當(dāng)被擊物體的阻抗只是電阻R時，作用在R上的電壓波形u于電流波形相同。雙指數(shù)波形也用做沖擊絕緣強度實驗的標(biāo)準(zhǔn)電壓波形。我

46、過采用國際電工委員會（IEC）國際標(biāo)準(zhǔn)。圖2.2(b)為斜角平頂波，其陡度可由給定的雷電流幅值I和波頭時間決定，=I/在防雷保護計算中，雷電流波頭采用2.6µs。這樣，可取為I/2.6kA/µs.圖2.2(c)為等值余弦波，雷電流波形的波頭部分，接近半弦波，其表達式為 （2.4）式中： 為雷電流幅值，kA；為角頻率，,為波頭時間（2.6）。這種等值波形多用于分析雷電流波頭的作用，因為用余弦函數(shù)波頭計算雷電流通過電感支路時所引起的壓降比較方便。此時最大陡度出現(xiàn)波頭中間，即,其值為 （2.5）2.1.3雷暴日與雷暴小時由于地理條件及氣象條件等因素的不同，各地雷電活動的強烈程度不

47、大相同，因此在進行防雷設(shè)計和采取防雷措施時必須要從該地區(qū)的雷電活動具體情況出發(fā)。為了統(tǒng)計雷電的活動強度，可以用雷暴日與雷暴小時表示。雷暴日是每年中有雷電的日數(shù)，雷暴小時是每年中有雷電的小時數(shù)（即在1天或1h內(nèi)只要聽到雷聲就作為一個雷暴日或者一個雷暴小時）。我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建議采用雷暴日作為計算單位。根據(jù)統(tǒng)計，我國大部分地區(qū)雷暴小時與雷暴日的比值大約為3。根據(jù)長期統(tǒng)計的結(jié)果，在我國規(guī)程中繪制了全國平均雷暴日分布圖，可作為防雷設(shè)計的依據(jù)。全年平均雷暴日數(shù)為40的地區(qū)為中等雷電活動強度區(qū)，如長江流域和華北的某些地區(qū)；年平均雷暴日不超過15日的為少雷區(qū)，如西北地區(qū)；超過40日的為多雷區(qū)，如華南某些地區(qū)。2

48、.1.4地面落雷密度雷暴日和雷暴小時中，包含了雷云之間的放電，而防雷實際中關(guān)心的是云地之間的放電。地面落雷密度4表征了雷云對地放電的頻繁程度，其定義為每平方千米每雷暴日的對地落雷次數(shù)，用表示。世界各國根據(jù)各自的具體情況，的取值不同。根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對雷暴日為40日的地區(qū)，=0.07次/km2.雷暴日。3.1保護原理避雷針（線）的保護原理可歸納為：能使雷云電場發(fā)生突變，使雷電先導(dǎo)的發(fā)展沿著避雷針的方向發(fā)展，直擊于其上，雷電流通過避雷針（線）及接地裝置瀉入大地而防止避雷針（線）周圍的設(shè)備受到雷擊。避雷針需要有足夠截面的接地引下線和良好的接地裝置，以便將雷電流安全地引入大地。避雷針一般用于保護發(fā)電

49、廠和變電站，可根據(jù)不同情況將避雷針或裝設(shè)在配電構(gòu)架上或獨立架設(shè)。避雷線主要用于保護線路，一般架設(shè)在線路三相導(dǎo)線的上方，也可用于保護發(fā)電站和變電站。3.2保護范圍避雷針（線）的保護范圍是指被保護物在此空間范圍內(nèi)不致遭受雷擊。我國標(biāo)準(zhǔn)DL/T620.1997中使用的避雷針（線）保護范圍的計算方法，是根據(jù)雷電沖擊小電流下的模擬實驗研究確定的，并以多年運行經(jīng)驗做了校驗。保護范圍是按保護概率99.9%確定的。實踐證明，此雷擊概率是可以接受的。由于雷電的路徑受到很多偶然因素的影響，因此要保證被保護物絕對不受直接雷擊是不現(xiàn)實的，一般，保護范圍是指具有0.1%左右雷擊概率的空間范圍，實踐證實，此概率是可以被接

50、受的。1）單支避雷針的保護范圍是一個以避雷針為軸的近似錐形的空間。她的側(cè)面邊界原為一根曲線，規(guī)程中近似地用折線代替，如圖2.3所示。圖2.3 單支避雷針的保護范圍高度為的被保護物距離避雷針的水平最大允許距離也是避雷針在高度截面的保護半徑可按下式計算：當(dāng)時 （2.6） 當(dāng)時 （2.7）式中 避雷針的高度； 避雷針的有效高度，； 考慮避雷針的高度影響的校正系數(shù)，時， （2.8）2）兩支等高避雷針當(dāng)兩根避雷針距離不太遠時，由于兩根針的聯(lián)合屏蔽作用，使兩針中間部分的保護范圍比單針時有所擴大。圖2.4表示兩等高避雷針的保護范圍。兩針外側(cè)的保護范圍按式2.1和式2.2計算。兩針間保護范圍的上部邊緣應(yīng)按通過

51、兩針頂點及中間最低點O的圓弧確定。O點的高度按式2.9計算。 （2.9）式中 兩針的距離，m。圖2.4 高度為h的二等高避雷針保護范圍兩針間水平面上保護范圍一側(cè)的保護范圍最小處的最大保護寬度按式2.10計算。 （2.10）為了保證兩針聯(lián)合保護的效果，規(guī)程建議兩支避雷針之間的距離不宜大于5。3）兩支不等高避雷針其保護范圍按下法確定：如圖2.5兩針內(nèi)側(cè)的保護范圍先按單針作出高針1的保護范圍，然后經(jīng)過較低針2的頂點作水平線與之交于點3，再設(shè)點3為一假想針的頂點，做出兩等高2和3的保護范圍，圖中，二針外側(cè)的保護范圍仍按單針計算。 圖2.5 兩支不等高避雷針保護范圍4）多支等高避雷針三支等高避雷針的保護

52、見圖2.6，三針?biāo)纬傻娜切?、2、3的外側(cè)保護范圍分別按兩支等高的針的計算方法確定，如在三角形內(nèi)被保護物最大高度的水平面上各自相鄰避雷針間保護范圍的一側(cè)寬度時，則全部面積受到保護。圖2.6 三支等高避雷針的保護范圍圖5）避雷線因為避雷線對雷云與大地間電場畸變的影響比避雷針小，所以其引雷作用和保護寬度比避雷針要小。但因避雷線的保護長度是與線等長的，故特別適于保護架空線路及大型建筑物，目前世界上大多數(shù)國家已轉(zhuǎn)而用避雷線來保護500kV大型超高壓變電站。單根避雷線的保護范圍如圖2.7所示。在水平面上每側(cè)保護范圍的寬度，可按下列公式計算: 圖2.7 單根避雷線的保護范圍當(dāng)時 （2.11） 當(dāng)時 （

53、2.12） 式中 每側(cè)保護范圍的寬度，m。兩根等高避雷線外側(cè)的保護范圍仍按單根避雷線時確定。兩避雷線間橫截面的保護范圍應(yīng)由通過兩避雷線1、2及保護范圍邊緣最低點o的圓弧確定，o點的高度應(yīng)按式2.13計算。 （2.13）式中 兩避雷線間保護范圍上部邊緣最低點的高度，m； 兩避雷線間的距離，m； 避雷線的高度，m。圖2.8中稱為避雷線的保護角，它是桿塔上避雷線的鉛垂線同桿塔處避雷線與導(dǎo)線連線間所組成的夾角，保護角愈小，避雷線就愈可靠地保護導(dǎo)線免受雷擊。單根避雷線的保護角不能做的太小，一般在。220330kV雙避雷線線路，一般采用左右，500kV一般不大于。 圖2.8 兩根平行避雷線的保護范圍二 避

54、雷器當(dāng)發(fā)電廠、變電所采用避雷針保護以后，電力設(shè)備幾乎可以免受直接雷擊。而在與發(fā)電廠、變電站相連的長達數(shù)十、數(shù)百公里的輸電線，雖然有避雷線的保護，但由于雷電的饒擊和反擊，在輸電線路上還是會產(chǎn)生向發(fā)電廠、變電站入侵的雷擊過電壓波，仍不能完全避免輸電線上遭受大氣過電壓的侵襲，其幅值可達一、二百萬伏。此過電壓還會沿著輸電線侵入變電所，直接危及變壓器等電氣設(shè)備，造成事故。為了保護電器設(shè)備的安全，必須限制出現(xiàn)在電氣設(shè)備絕緣上的過電壓的峰值，就需要裝設(shè)避雷器6。目前使用的避雷器主要有四種類型：保護間隙；排氣式避雷器（管式避雷器）；閥式避雷器；金屬氧化物（氧化鋅）避雷器。保護間隙和排氣式避雷器主要用于配電系統(tǒng)

55、、線路和發(fā)電廠、變電站進線端保護；閥式避雷器和氧化鋅避雷器主要用于發(fā)電廠和變電站的保護。避雷器在220kv及以下系統(tǒng)主要用于限制雷電過電壓，在超高壓系統(tǒng)中還用來限制內(nèi)部過電壓或作為內(nèi)部過電壓的后備保護。為了使避雷器達到預(yù)期的保護效果，必須正確選擇避雷器，一般有如下基本要求：(1)雷電擊于輸電線路上時，過電壓會沿導(dǎo)線入侵發(fā)電場或變電所，在危及被保護絕緣時，要求避雷器能瞬時動作。(2)避雷器一旦在沖擊電壓作用下放電，就造成對地短路，此時瞬間的雷電過電壓雖然已經(jīng)消失，但工頻電壓卻相繼作用在避雷器上，此時流經(jīng)間隙的工頻電弧電流，稱為工頻續(xù)流，此電流將是間隙安裝處的短路電流，為了不造成跳閘，避雷器應(yīng)具有能自行截斷工頻續(xù)流，恢復(fù)絕緣強度的能力，使電力系統(tǒng)能繼續(xù)正常運行。(3)應(yīng)具有平直的伏秒特性曲線，并與被保護設(shè)備的伏秒特性曲線之間有合理的配合。這樣，在被保護物可能擊穿以前，避雷器便發(fā)生動作，將過電壓波截斷，從而起著可靠的保護。(4)具有一定通流容量，且其殘壓應(yīng)低于被保護物的沖擊耐壓。1避雷器的分類及比較目前使用的避雷器主要有四種類型：保護間隙；排氣式