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雷电过电压的产生及弱电系统防雷技术


雷电过电压的产生 及弱电系统防雷技术
主 讲: 曹晓斌

西南交通大学电气工程学院

主要内容
?雷电的起源 ?雷电的主要参数 ?雷电过电压的类型 ?雷电过电压的防护 ?浪涌的防护

1、雷电的起源

在全球范围内雷电发生的频率很高大厦,任 何时刻大约有2000个地点遇上雷暴

,每秒钟就有 上百次雷电,每天约有800多万次雷电,一年中 平均发生30多亿次雷电,每次闪电在微秒级的瞬 间释放出约55kW.h的能量。 ?森林火灾有50%以上因雷电引发; ?人们居住生活的建筑物屡遭雷击破坏; ? 电力、石化等工业设施常因雷击而发生灾 难性事故。

1.1 雷云的产生
?感应起电说 ?温差起电说

?冻结起电说
?电离起电说

?破碎起电说
?摩擦起电说

感应起电说 ? 地球是一个带电的大电容,电离层带正 电,地壳表面带负电,带电量约为50万 库仑。水滴(也可能是冰晶、雹粒)在 垂直大气电场中感应电荷,下端为正、 上端为负 ,与大气中上升的负离子的电 荷中和,使水滴带负电,形成雷(雨) 云起电后的电荷分布。

温差起电说 ? 冰块中同时存在氢离子( H + )和氢 氧根离子( OH ? ),由于冰块两端温 度不同,会产生发生离子扩散现象。氢 离子质量轻,扩散快,冷端呈现带正电 。在对流气流和重力的作用下,形成雷 (雨)云起电后的电荷分布

冻结起电说 ?在云层重有许多过冷水滴,当过冷水滴 与霰粒碰撞时,会立即冻结,这叫撞冻。 当发生撞冻时,过冷水滴外部立即冻成冰 壳,但它的内部仍暂时保持着液态,并且 由于外部冻结放的潜热传到内部,其内部 液态过冷水的温度比外面的冰壳高。温度 的差异使得冻结的过冷水滴外部带上正电 ,内部带上负电。

1.2 雷电的种类
?

闪电的类型: 从闪电的形状分类,则可分为: 线状闪电 片状闪电 带状闪电 联珠状闪电 球状闪电

?线状闪电

?片状闪电

?带状闪电

?链珠状闪电

?球状闪电

从闪电的空间位置分类
?云空闪 ?云际闪

?云内闪

?云地闪

?空间位置(性质)

?晴天放电 ?雷云闪电

?云内闪电 ?云际闪电 ?云地闪电

云与大地之间的闪电简称地闪,对人类的关系 最密切,是防雷研究的主要对象
?

大地被雷击时,多数是负电荷从雷雨云向大地 放电,称之为负地闪;少数是正电荷从雷雨云 向大地放电,称之正地闪。

1.3 地闪的发展过程
流光放电 梯级下行先导

上行先导
回击 后续闪击

雷电通道的参数

?每级通道变化范围约3 ~ 200 m ?平均速度约 1.5 ? 10 7 cm/s ?间隙时间约 30 ~ 125 us ?每一级的推进速度约 5 ? 10 9 cm/s ?通道直径约 1 ~ 10 m ?每一级的击穿方向是不确定的折线

2、雷电的主要参数

2.1 雷电的波形
雷电流波形
1 0 0 % 9 0 %

电流

T 1 = 1 0 u S T 2 = 3 5 0 u S

5 0 %

1 0 %

T 1

T 2

时 间

kA

首次雷击

10/350μs
两次雷击时间相差几百微秒

-40

-20

i

后续雷击

0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

μs

波头时间及波长
雷电流是一个非周期的瞬态电流,通常是很快上升到 峰值,然后较为缓慢的下降。雷电流的波头时间【T1】 是指雷电流从零上升到峰值的时间,又称为波前时间; 波长时间【T2】是指从零上升到峰值,然后下降到峰值 的一半的时间,又称为半峰值时间。由于在雷电流波的 起始和峰值处常常叠加有振荡,很难确定其真实零点和 到达峰值的时间,因此,我们常用视在波头时间T1和视 在波长时间T2来表示雷电流的上升时间和半峰值宽度, 一般记为T1 /T2,如下图所示:

?正极性雷电流波 形

?负极性雷电流波形

标准波形
[ 英 ]R.H.Golde《雷电》一书的记载和近年来大量的 观测表明: 雷电流具有单极性的脉冲波形,大约有80-90%的雷电 流是负极性的,常见的负电流波形前沿呈拱形。 国外在圣萨尔瓦托山、纽约州府大厦、意大利和其它 高建筑物等观测点观测获得的电流波记录都显示出有相似 的拱形前沿,到达峰值雷电流的中值时间有的是 5.5μ s, 有的是7μ s。 ?在 IEC 标准、国标中规定的雷击测试波形主要有: 8/20us 、 10/350us ( 电 流 波 ) 、 10/700us 以 及 1.2/50us(电压波)等。

? 标称放电电流 In

100% 90%

电流

T 1 = 8 u S T 2 = 2 0 u S

50%

10%

T 1

T 2

时 间

雷击概率, %
10 15 20 25 0 5

0-10 10-20

?IEC61024-1

20-30
30-40 40-50 50-60 60-70 70-80 80-90 90-100

100-110
110-120 120-130 130-140 140-150 150-160 160-170

雷击幅度 [kA],正闪击和负闪击
170-180
180-190 190-200

2.2 雷电流的分布概率

2.3 雷电活动区域的划分
雷暴日与雷暴小时
雷电放电涉及到气象、地形、地质等许多自然因素,有 一定的随机性,因而表征雷电特性的参数也带有一定的统 计性质。在防雷设计中,雷暴日、雷电流波形、幅值等参 数是我们比较关心的几个参数。 1)雷暴日 为了表征雷电活动的频率,采用 年平均雷暴日【Td】作 为计算单位。 无论一天内听到几次雷声,只要有一次,该 天就记为一个雷暴日,一天有多次,仍记为一个雷暴日。 2)雷暴小时 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(Th)

雷电活动区域的划分
? 根据雷电活动的频度和雷害的严重程度,我国根 据年平均雷暴日数分类: T~>90的地区叫做强雷区 T≥40的地区为多雷区 15≤T≤40的地区为中雷区 T≤15的地区为少雷区 ? 海口市平均年雷暴日105天,属强雷区。

我国一些重要城市的年平均雷暴日
地 名 北京市 雷暴日数 (d/a) 36.3 地 名 苏州市 雷暴日数 (d/a) 28.1 地 名 郑州市 雷暴日数 (d/a) 21.4 地 名 自贡市 雷暴日数 (d/a) 37.6

天津市
上海市 重庆市 石家庄市 太原市 呼和浩特市 包头市 沈阳市 大连市

29.3
28.4 36.0 31.2 34.5 36.1 34.7 26.9 19.2

南通市
徐州市 杭州市 宁波市 温州市 合肥市 蚌阜市 安庆市 福州市

35.6
29.4 37.6 40.0 51.0 30.1 31.4 44.3 53.0

洛阳市
三门峡市 武汉市 宜昌市 长沙市 衡阳市 广州市 深圳市 湛江市

24.8
24.3 34.2 44.6 46.6 55.1 76.1 73.9 94.6

贵阳市
遵义市 昆明市 拉萨市 西安市 兰州市 汉中市 西宁市 银川市

49.4
53.3 63.4 68.9 15.6 23.6 31.4 31.7 18.3

长春市
吉林市 哈尔滨市 南京市 常州市

35.2
40.5 27.7 32.6 35.7

厦门市
南昌市 济南市 青岛市 烟台市

47.4
56.4 25.4 20.8 23.2

南宁市
柳州市 桂林市 北海市 成都市

84.6
67.3 78.2 83.1 34.0

乌鲁木齐市
海口市 琼中 香港 台北市

9.3
104.3 115.5 34.0 27.9

3、雷电过电压的类型

3.1 雷击对电气设备的危害

3.2 雷击过电压的类型
? 直击雷 ? 电磁脉冲
? 传输雷 ? 感应雷 ? 地电位反击

● 天线遭受直接雷击或接收感应雷击;

● 电源供电线路在远端遭受直接或感应雷击,沿供电线路进入设备;
● 有线通信线路在远端遭受直接或感应雷击,沿通信线路进入设备; ● 网络数据线路在远端遭受直接或感应雷击,沿网络线路进入设备;

● 雷击发生在1000米范围内时(包括临近建筑物避雷针接闪或云中放电 )产生电磁辐射
a.建筑物内的电源回路感应雷击电磁脉冲辐射,进入设备; b.建筑物内的通信线路感应雷击电磁脉冲辐射,进入设备; c.建筑物内的网络线路感应雷击电磁脉冲辐射,进入设备; ● 建筑物、附近的避雷针遭受雷击或雷电直接击中附近树或地面时,由 地线引入设备;

直击雷
雷击建筑物

雷击建筑物

电 源 系 统

通 信 网 络 系 统 5% 左 右

管 道 系 统

50%

地电位反击

传输雷
雷击架空电力线

雷击架空电力线

感应雷
电磁感应与耦合

雷电电磁感应

电磁脉冲(LEMP)
电磁脉冲对信号及 通信系统造成干扰 ,并损坏敏感电子 元件

操作过电压
操作过电压

4、雷电过电压的防护

4.1 防雷体系的划分

高 空 防 雷 区

低 空 防 雷 区

地下防雷区

4.2 直击雷的防护
避雷针
定义:避雷针是人为设立的最突出的良导体。 在雷云的感应下,针的顶端形成的电场强 度最 大,所以最容易把雷电流吸引过来,

完成避雷针的接闪作用。
结构 避雷针一般用镀锌圆钢或焊接钢 管制 成,圆钢截面不得小于100mm2,钢管厚度不得 小于3mm。 问题:避雷针越高,保护范围越大?

避雷带
通过试验发现,不论屋顶坡度多大,都是屋角和檐角的雷 击率最高。屋顶坡度愈大。则屋脊的雷击率也大。通过对不同 屋顶坡度建筑物的雷击分布情况调查发现,对于那些屋顶平整, 又没有突出结构(如烟囱等)
的建筑物,雷击部位是有一定 规律性的。避雷带就是对建筑

物雷击率高的部位,进行重点
保护的一种接闪装置。

? 避雷针(线)的原理
?引雷:定向作用

? 当雷云的先导向下发展到离地面一定高度(定向高度)时,避雷针( 线)顶端有可能产生局部游离而形成向上的迎面先导,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 近的物体受到保护,免遭雷击。

?泄放:将雷电流导入大地
? 为了使雷电流顺利地泄入大地,避雷针(线)应有良好的接地装置 。 ? 避雷针(线)上或接地装置上产生幅值很高的过电压。要防止避雷 针(线)与被保护物之间的间隙击穿(也称为反击)。
?? ? 接闪器 ? (直径10-12 mm圆钢)

?避雷针的结构
? 引下线 ? (直径6 mm圆钢) ?接地器 ?(多跟角钢打入地下并联后与 引下线相连)

接闪器(避雷针、 避雷带、避雷线)是 防直击雷的主要方法, 传统建筑屋防雷采用 滚球法确定接闪器的 防护范围,防护等级 不同,采用的滚球半 径不同。

4.3 感应雷与电磁脉冲的防护
感应雷与电磁脉冲的防护 主要通过法拉第笼的原理 进行屏蔽,空旷地区通过 建立 避雷网来构成法拉 第笼,建筑物通过结构钢 筋构成法拉第笼。

4.4 地电位反击的防护
接地电阻过高是造成地电 位反击的主要因素,因此 防止地电位反击的主要措

施是降低接地电阻,如增
加垂直接地极,用建筑物

的地基部分钢筋作为接地
体等。

在有可能的情况下,强弱电分开

接地可以避免地电位反击
600
600 600

Φ 10L型镀锌圆钢

5000

4mm×40mm镀锌扁钢 50mm×50mm×5mm镀锌角钢 土壤
2500

人工接地体敷设大样图

人工接地体敷设截面图

5、浪涌的防护

5.1 浪涌的类型
直击雷 雷击 过 电 压 雷电感应 传输雷 操作过电压 电磁感应 静电感应 雷电电磁干扰/无线电干扰 雷电静电/摩擦静电等

线路浪涌

5.2 避雷器的发展历史
火 花 间 隙 火 花 间 隙 磁 吹 间 隙 氧 化 锌 阀 片

碳 化 硅 阀 片

碳 化 硅 阀 片

管式避雷器

普通阀式避雷器 1930s

磁吹阀式避雷器

氧化锌避雷器 1970s

金属陶瓷放电管
(1)金属陶瓷二极放电管 正常情况下不导电,出现过电压时电极间很快被击穿,过电压 消失后立即恢复,但其在两线间容易产生横向冲击电压。 (2)金属陶瓷三极放电管 良好的对称性能,冲击放电电压低、通流容量大、遮光性能好 、极间电容小、绝缘电阻高。

气体放电管的内部结构

氧化锌压敏电阻器
(1)氧化锌压敏电阻器 在低电场强度下,其电阻率为 1010---1011 ,当电场强度达到 106---107 时,其电阻骤然下降进入低阻状态,即压敏电阻的阻值随所加电压 而改变。具有通流量大,非线性特性好、残压低、响应时间快抑制 过电压能力强;但可能出现短路故障。 (2)劣化指示氧化锌压敏电阻器 通流量更大,并具有热熔断器和报警装置,使其在失效时能自 动脱离使用线路,给出明显标志,并进行报警。免测试。 (3)压敏电阻器的型号命名。如:MYL 47/3

(4)主要电器参数
起始动作电压、标称电压、泄露电流、残压、冲击通流容量 (5)压敏电阻器的选用. U1mA标称值≈2.2U

压敏电阻的工作原理

氧化锌压敏电阻的失效机理

抑制二极管
抑制二极管 又称瞬变电压抑制器是一种齐纳二极管。它 与普通稳压二极管相比,功率更大,影响速度快,保护 性能好,但通流容量小。

5.3 SPD的主要技术参数
1.标称电压Un 与被保护系统的额定电压相符,在信息技 术系统中此参数表明了应该选用的保护器的类型, 它标出交流或直流电压的有效值。 2.额定电压Uc 能长久施加在保护器的指定端,而不引起 保护器特性变化和激活保护元件的最大电压有效 值。 3.额定放电电流Isn 给保护器施加波形为8/20μs的标准雷电波冲 击10次时,保护器所耐受的最大冲击电流峰值。

4.最大放电电流Imax 给保护器施加波形为8/20μs的标准雷电波冲 击1次时,保护器所耐受的最大冲击电流峰值。 5.电压保护级别Up 保护器在下列测试中的最大值: 1KV/μs 斜 率的跳火电压;额定放电电流的残压。 6.响应时间tA 主要反应在保护器里的特殊保护元件的动 作灵敏度、击穿时间,在一定时间内变化取决于 du/dt或di/dt的斜率。

7.数据传输速率Vs 表示在一秒内传输多少比特值,单位:bps; 是数据传输系统中正确选用防雷器的参考值,防 雷保护器的数据传输速率取决于系统的传输方式。 8.插入损耗Ae 在给定频率下保护器插入前和插入后的电 压比率。 9.回波损耗Ar 表示前沿波在保护设备(反射点)被反射 的比例,是直接衡量保护设备同系统阻抗是否兼 容的参数

谢 谢!


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