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高电压技术论文


武汉理工大学

题目:

Lightning 的研究、防护方法

学 班 学 姓

院: 级: 号: 名:

二 ○ 一二 年 十 月

Lightning 的研究、防护方法
摘要 ………………………………………………………………………1 1、雷电的

放电过程………………………………………………………2 2、雷电的成因……………………………………………………………3 3、雷电过电压的形成……………………………………………………4
3.1 直击雷过电压……………………………………………………………4 3.2 感应雷过电压………………………………………………………………5

4、雷电的防护……………………………………………………………6
4.1 避雷针和避雷线…………………………………………………6 4.2 避雷针(线)的保护范围………………………………………6 4.2.1 单根避雷针的保护范围…………………………………………7 4.3.2 两根避雷针的保护范围……………………………………………7 4.3.3 多根避雷针的保护范围……………………………………………9 4.3 避雷器的种类和原理………………………………………………10

5、发电厂和变电所的防雷保护…………………………………………10 5.1 变电所的防雷原则……………………………………………………11 5.2 变电所的防雷举措……………………………………………………11 5、结论………………………………………………………………………………12 6、参考文献 ………………………………………………………………13





经过近几个星期的学习,我对《高电压技术》这门课程有了一定的了解和认识。 《高电 压技术》 是以试验研究为基础的面向应用的技术, 其主要研究在高电压作用下各种绝缘介质 的性能和不同类型的放电现象, 高电压设备的绝缘结构设计, 高电压试验和测量的设备及方 法,电力系统的过电压、高电压或大电流产生的强电场、强磁场或电磁波对环境的影响和防 护措施,以及高电压、大电流的应用等。 其中雷电过电压是雷云放电引起的电力系统过电压,又称大气过电压、外部过电压。雷 电过电压可分为直击雷过电压和感应雷过电压。 直击雷过电压是由于雷电放电, 强大的雷电 电流经被击物产生的过电压。 感应雷过电压是雷击线路附近大地, 由于电磁感应在导线上产 生的过电压。由于雷电现象极为频繁,产生的雷电过电压可达数千千伏,足以使电气设备绝 缘结构发生闪络和损坏, 引起停电事故, 因此有必要对输电线路发电厂和变电所的电气装置 采取防雷保护措施。 因此就雷电的发生原因过程参数,以及如何防雷,避雷针、避雷线和避雷器的使用和原 理,输电线路、发电厂和变电所的防雷保护方法做一些学习

关键词:雷电的成因、雷电的原理、雷电过电压、直击雷过电压、感应雷过电压、避雷针、 防雷保护

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雷电的放电过程
如果我们在两根电极之间加很高的电压, 并把它们慢慢地靠近。 当两根电极靠近到一定

的距离时,在它们之间就会出现电火花,这就是所谓“弧光放电”现象。 雷雨云所产生的闪电,与上面所说的弧光放电非常相似,只不过闪电是转瞬即逝,而电 极之间的火花却可以长时间存在。 因为在两根电极之间的高电压可以人为地维持很久, 而雷 雨云中的电荷经放电后很难马上补充。 当聚集的电荷达到一定的数量时, 在云内不同部位之 间或者云与地面之间就形成了很强的电场。 电场强度平均可以达到几千伏特/厘米, 局部区 域可以高达 1 万伏特/厘米。这么强的电场,足以把云内外的大气层击穿,于是在云与地面 之间或者在云的不同部位之间以及不同云块之间激发出耀眼的闪光。这就是人们常说的闪 电。 肉眼看到的一次闪电,其过程是很复杂的。当雷雨云移到某处时,云的中下部是强大 负电荷中心,云底相对的下垫面变成正电荷中心,在云底与地面间形成强大电场。在电荷越 积越多,电场越来越强的情况下,云底首先出现大气被强烈电离的一段气柱,称梯级先导。 这种电离气柱逐级向地面延伸,每级梯级先导是直径约 5 米、长 50 米、电流约 100 安培的 暗淡光柱,它以平均约 150000 米/秒的高速度一级一级地伸向地面,在离地面 5─50 米左右 时,地面便突然向上回击,回击的通道是从地面到云底,沿着上述梯级先导开辟出的电离通 道。回击以 5 万公里/秒的更高速度从地面驰向云底,发出光亮无比的光柱,历时 40 微秒, 通过电流超过 1 万安培,这即第一次闪击。相隔几秒之后,从云中一根暗淡光柱,携带巨大 电流,沿第一次闪击的路径飞驰向地面,称直窜先导,当它离地面 5─50 米左右时,地面再 向上回击,再形成光亮无比光柱,这即第二次闪击。接着又类似第二次那样产生第三、四次 闪击。通常由 3─4 次闪击构成一次闪电过程。一次闪电过程历时约 0.25 秒,在此短时间内, 窄狭的闪电通道上要释放巨大的电能,因而形成强烈的爆炸,产生冲击波,然后形成声波向 四周传开,这就是雷声或说“打雷”。而每次闪击通常可以分为先导放电、主放电和余辉放电 三个阶段

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雷电的成因
前面讲了雷电是雷雨云底与地面形成电场, 而雷雨云的电是怎么来的呢? 也就是说, 雷

雨云中有哪些物理过程导致了它的起电?为什么雷雨云中能够累积那么多的电荷并形成有规 律的分布?本节将要回答这些问题。前面我们已经讲过,雷雨云形成的宏观过程以及雷雨云 中发生的微物理过程, 与云的起电有密切联系。 科学家们对雷雨云的起电机制及电荷有规律 的分布,进行了大量的观测和实验,积累了许多资料并提出了各种各样的解释,有些论点至 今也还有争论。归纳起来,云的起电机制主要有如下几种: A.对流云初始阶段的“离子流”假说 大气中总是存在着大量的正离子和负离子,在云中的水滴上,电荷分布是不均匀的:最 外边的分子带负电,里层带正电,内层与外层的电位差约高 0.25 伏特。为了平衡这个电位 差,水滴必须“优先’吸收大气中的负离子,这样就使水滴逐渐带上了负电荷。当对流发展开 始时,较轻的正离子逐渐被上升气流带到云的上部;而带负电的云滴因为比较重,就留在下 部,造成了正负电荷的分离。 B.冷云的电荷积累 当对流发展到一定阶段,云体伸入 0℃层以上的高度后,云中就有了过冷水滴、霰粒和冰 晶等。这种由不同相态的水汽凝结物组成且温度低于 0℃的云,叫冷云。冷云的电荷形成和 积累过程有如下几种: a. 冰晶与霰粒的摩擦碰撞起电 霰粒是由冻结水滴组成的,呈白色或乳白色,结构比较松脆。由于经常有过冷水滴与它 撞冻并释放出潜热, 故它的温度一般要比冰晶来得高。 在冰晶中含有一定量的自由离子(OH或 OH+),离子数随温度升高而增多。由于霰粒与冰晶接触部分存在着温差,高温端的自由 离子必然要多于低温端,因而离子必然从高温端向低温端迁移。离子迁移时,较轻的带正电 的氢离子速度较快,而带负电的较重的氢氧离子(OH-)则较慢。因此,在一定时间内就出现 了冷端 H+离子过剩的现象,造成了高温端为负,低温端为正的电极化。当冰晶与霰粒接触 后又分离时,温度较高的霰粒就带上负电,而温度较低的冰晶则带正电。在重力和上升气流 的作用下,较轻的带正电的冰晶集中到云的上部,较重的带负电的霞粒则停留在云的下部, 因而造成了冷云的上部带正电而下部带负电。 b. 过冷水滴在霰粒上撞冻起电 在云层中有许多水滴在温度低于 0℃时仍不冻结, 这种水滴叫过冷水滴。 过冷水滴是不稳

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定的,只要它们被轻轻地震动一下,马上就会冻结成冰粒。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,过冷水滴的外部立即冻成冰壳,但它内部仍暂时保持着 液态, 并且由于外部冻结释放的潜热传到内部, 其内部液态过冷水的温度比外面的冰壳来得 高。温度的差异使得冻结的过冷水滴外部带正电,内部带负电。当内部也发生冻结时,云滴 就膨胀分裂,外表皮破裂成许多带正电的小冰屑,随气流飞到云的上部,带负电的冻滴核心 部分则附在较重的霰粒上,使霰粒带负电并停留在云的中、下部。 c. 水滴因含有稀薄的盐分而起电 除了上述冷云的两种起电机制外,还有人提出了由于大气中的水滴含有稀薄的盐分而产 生的起电机制。当云滴冻结时,冰的晶格中可以容纳负的氯离子(Cl-),却排斥正的钠离子 (Na+)。因此,水滴已冻结的部分就带负电,而未冻结的外表面则带正电(水滴冻结时,是从 里向外进行的)。由水滴冻结而成的霰粒在下落过程中,摔掉表面还来不及冻结的水分,形 成许多带正电的小云滴,而已冻结的核心部分则带负电。由于重力和气流的分选作用,带正 电的小滴被带到云的上部,而带负电的霰粒则停留在云的中、下部。 d.暖云的电荷积累 上面讲了一些冷云起电的主要机制。 在热带地区, 有一些云整个云体都位于 0℃以上区域, 因而只含有水滴而没有固态水粒子。这种云叫做暖云或“水云”。暖云也会出现雷电现象。在 中纬度地区的雷暴云,云体位于 0℃等温线以下的部分,就是云的暖区。在云的暖区里也有 起电过程发生。 在雷雨云的发展过程中,上述各种机制在不同发展阶段可能分别起作用。但是,最 主要的起电机制还是由于水滴冻结造成的。 大量观测事实表明, 只有当云顶呈现纤维状丝缕 结构时,云才发展成雷雨云。飞机观测也发现,雷雨云中存在以冰、雪晶和霰粒为主的大量 云粒子,而且大量电荷的累积即雷雨云迅猛的起电机制,必须依靠霰粒生长过程中的碰撞、 撞冻和摩擦等才能发生。

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雷电过电压的形成 3.1、直击雷过电压 a、雷直击于地面上接地良好的物体
这时流过雷击点的电流即为雷电流 i。采

用电流源彼得逊等效电路,相对于雷道波阻抗 Z(约为 300Ω ) ,接地良好的被击物在雷电

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作用下的接地电阻 R 较小 (一般小于 30Ω ) Z=R 可以忽略不计, , 则累积电流 i=Z/Z。 +Z*2i=2i 可见沿雷道波阻抗 Z 下来的雷电入射波的幅值 i=0.5I,

b、雷直击于输电线路的导线
如果电流电压均以幅值表示,

如图 1 所示雷击线路后,电流向线路两边流动,

导线被击点 A 的过电压幅值为 若取导线的波阻抗 Z=400Ω ,Z0=300Ω ,当雷电电流幅值 I=30kA,被击点直击雷过 电压 Ua=120I=3600kV。

在近似计算

取导线的波阻抗 Z=400Ω ,被击点直击雷过电压计算式

所以当雷击电流幅值 I=30kA,过电压 Ua=100I=3000kV,可见,雷击中导线后,在导 线上产生很高的过电压,会引起绝缘子闪络,需要采用防护措施,架设避雷线可有效的减少 雷直击导线的概率。

3.2、感应雷过电压

雷击于线路附近大地或接地的线路杆塔顶部等, 在绝缘的导线上引起感应过电压。 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。

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图1
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图2 4 雷电的防护

由于雷电现象极为频繁, 产生的雷电过电压可达数千千伏, 足以使电气设备绝缘结构发 生闪络和损坏, 引起停电事故, 因此有必要对输电线路发电厂和变电所的电气装置采取防雷 保护措施。基本防护措施就是加装避雷针、避雷线、避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器 组、消弧线圈、自动重合闸等防雷保护装置。

4.1 避雷针和避雷线
当雷云放电接近地面时会使地面电场发生畸变,在避雷针(线)的顶端形成局部电场强 度集中的空间,以影响雷电先导放电的发展方向,引导雷电向避雷针(线)放电,再通过接 地引下线和接地装置将雷电流引人大地从而使放保护物体免受雷击.避雷针(线)只能改变 周围局部的地面电场, 对雷云大地这个大电场的影响有限, 而且雷云的漂移和先导放电的发 展都存在随机性,所以只有先导放电发展到一定的高度 H 以后才会在一定的范围内受到避 雷针(线)的影响,从而对避雷针(线)放电。H 称为定向高度,与避雷针(线)高度有关。 根据模拟实验, 当避雷针线高度 h≤30m 时. H≈20hI 当 h>30m 时. H≈600m, 如图 3 所示。

图 3 接地物体时雷电先导发展的影响 (a)雷电先导很高时无影响(b)先导高度较低时有影响

4.2 避雷针(线)的保护范围
避雷针(线)的保护范围是指被保护物体再次空间范围内不致遭受雷击。我国标准中的 保护范围是按照保护慨率 99.9%(即屏蔽失效率或绕击率 0.1%)确定的。
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4.2.1 单根避雷针的保护范围
单根避雷针的保护范围如图 4 所示,设避雷针的高度为 h,被保护物体的高度为 h x ,则 避雷针的有效高度 h a =h 一 h x .在 h x 高度上避雷针的保护范围半径 r x 计算公式为 h r x =(h- h x )p= h a p 当 h x ≥ 时. 2 h r x = (1. 5h-2 h x )p 当 h x < 时. 2 式中 p 为高度影响系数, 是考虑避雷针高度影响的校正系数, h<30m 时, 当 30m<h 当 p=l; ≤120m 时,p=5.5/ h ;当 h>120m 时,按 120m 计算.保护范围可以用图 4 所示的几何 图来表示,从避雷针顶点向下做 45 斜线,此斜线旋转而成的锥体,即构成
0

图 4 单根避雷针的保护范围 h x ≥h/2 的保护范围。而从地平面距避雷针 1.5h 处向避雷针 0. 75h 高度做连线,此连线旋 转而成的锥体构成了 h x <h/2 时的保护范围

4.2.2 两根避雷针的保护范围
工程采用两根或者多根避雷线扩大保护范围。 两根避雷线的保护范围如图 5 所示。 两针外侧 的保护范围按单针方法确定,两针之间的保护范围由通过 1、0、2 三点的圆弧画出.0 点的 高度 h。为 h 0 ? h ?
D 7p

式中:D 为两针之间的距离; p 为高度影响系数;在 0-0’截

面上高度为 h x 的水平面上的最小保护宽度为 2bx, 按照图 6 确定, bx>rx 时, bx=rx。 bx 当 取 为了达到联合保护的效果,两针之间的距离与针高之比 D/h 不宜大于 5。

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图 5 两根等高避雷针的保护范围 两避雷针不等高的情况, 其保护范围可以按照图 7 确定。 两针外侧的保护范围仍按照单针方 法求出。两针之间的保护范围按以下步骤确定:首先作出高针 1 的保护范围,然后由低针 2 作水平线得到交点 3.再设 3 为一假想避雷线的顶点,按照双根登高避雷线的方法求出 2 和 3 之间的保护范围。

图 6 两等高避雷针间保护范围的一侧最小宽度 bx 与 D / h a p 的关系: (a) D / h a p =0~7;(b) D / h a p =5~7。

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图 7 两根不等高避雷针的保护范围

4.2.3 多根避雷针的保护范围
由于发电厂和变电站的面积较大, 实际上都是采用多根避雷线。 8 所示为三根和四根 图 等高避雷针的保护范围。

图 8 多根避雷针的保护范围 对于三根避雷针, 其外侧的保护范围分别按两根避雷针的方法确定, 其内侧根据被保护物 体的高度 h x ,分别计算各相邻两针之间的保护范围,如果内侧的最小宽度都满足 bx≥0.就 认为整个△123 的面积都得到了保护.对于四根以上的多根避雷针的保护范围,可分隔成为 两组以上的三根避雷针组,然后分别按三针的方法计算。 需要注意的是; (1)被保护的物体有多种,其高度各不相同,应注意的是根据哪一种高度而得到的保护 范围,以便使所设计的避雷针起到全面的保护作用。 (2)实际工程中大多是已知被保护物体的高度、宽度和位置,例如户外变电站,要确定 避雷针的根效、位置和高度,还要考虑到避雷针与被保护物体间的允许距离,提出多种设计 方案,经反复试算得出最优方案。

4.3 避雷器的种类和原理
避雷器是连接在导线和地之间的一种防止雷击的设备, 通常与被保护设备并联。 避雷器 可以有效的保护电力设备,一旦出现不正常电压,避雷器产生作用,起到保护作用。当被保
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护设备在正常工作电压下运行时,避雷器不会产生作用,对地面来说视为断路。一旦出现高 电压,且危及被保护设备绝缘时,避雷器立即动作,将高电压冲击电流导向大地,从而限制 电压幅值,保护电气设备绝缘。当过电压消失后,避雷器迅速恢复原状,使系统能够正常供 电。避雷器的主要作用是通过并联放电间隙或非线性电阻的作用,对入侵流动波进行削幅, 降低被保护设备所受过电压值, 从而达到保护电力设备的作用。 避雷器不仅可用来防护大气 高电压,也可用来防护操作高电压。如果出现雷雨天气,电闪雷鸣就会出现高电压,电力设 备就有可能有危险,此时避雷器就会起作用,保护电力设备免受损害。避雷器的最大作用也 是最重要的作用就是限制过电压以保护电气设备。 避雷器是使雷电流流入大地, 使电气设备 不产生高压的一种装置,主要类型有管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器等。每种类型 避雷器的主要工作原理是不同的, 但是他们的工作实质是相同的, 都是为了保护点了设备不 受损害。 避雷器按其发展的先后可分为: 保护间隙——是最简单形式的避雷器; 管型避雷器—— 也是一个保护间隙, 但它能在放电后自行灭弧; 阀型避雷器——是将单个放电间隙分成许多 短的串联间隙,同时增加了非线性电阻,提高了保护性能;磁吹避雷器——利用了磁吹式火 花间隙,提高了灭弧能力,同时还具有限制内部过电压能力;氧化锌避雷器——利用了氧化 锌阀片理想的伏安特性 (非线性极高, 即在大电流时呈低电阻特性, 限制了避雷器上的电压, 在正常工频电压下呈高电阻特性) ,具有无间隙、无续流残压低等优点,也能限制内部过电 压,被广泛使用。

5 发电厂和变电所的防雷保护
供电系统在正常运行时,电气设备的绝缘处于电网的额定电压作用之下,但是由于雷击的原 因,供配电系统中某些部分的电压会大大超过正常状态下的数值,通常情况下变电所雷击有两 种情况:一是雷直击于变电所的设备上;二是架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形 成的雷电波沿线路侵入变电所。其具体表现形式如下: 1、 直击雷过电压。 雷云直接击中电力装置时,形成强大的雷电流,雷电流在电力装置上产 生较高的电压,雷电流通过物体时,将产生有破坏作用的热效应和机械效应。 2、 感应过电压。 当雷云在架空导线上方,由于静电感应,在架空导线上积聚了大量的异性 束缚电荷,在雷云对大地放电时,线路上的电荷被释放,形成的自由电荷流向线路的两端,产生 很高的过电压,此过电压会对电力网络造成危害。 因此,架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所,是导

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致变电所雷害的主要原因,若不采取防护措施,势必造成变电所电气设备绝缘损坏,引发事故。

5.1 变电所防雷的原则
针对变电所的特点,其总的防雷原则是将绝大部分雷电流直接接闪引入地下泄散(外部 保护);阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波(内部保护及过电压保护);限制被保护设 备上浪涌过压幅值(过电压保护)。这三道防线,相互配合,各行其责,缺一不可。应从单纯一维 防护(避雷针引雷入地———无源保护)转为三维防护(有源和无源防护),包括:防直击雷,防感 应雷电波侵入,防雷电电磁感应等多方面系统加以分析。 1、外部防雷和内部防雷 避雷针或避雷带、避雷网引下线和接地系统构成外部防雷系统,主要是为了保护建筑物 免受雷击引起火灾事故及人身安全事故;而内部防雷系统则是防止雷电和其它形式的过电压 侵入设备中造成损坏,这是外部防雷系统无法保证的。为了实现内部防雷,需要对进出保护区 的电缆,金属管道等都要连接防雷、及过压保护器,并实行等电位连接。 2、防雷等电位连接 为了彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差,就特别需要实行等电位连接,电源线、 信号线、 金属管道等都要通过过电压保护器进行等电位连接,各个内层保护区的界面处同样要依此进 行局部等电位连接,各个局部等电位连接棒互相连接,并最后与主等电位连接棒相连。

5.2 变电所防雷的具体措施
变电所遭受的雷击是下行雷,主要雷直击在变电所的电气设备上,或架空线路的感应雷过 电压和直雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所。因此,避免直击雷和雷电波对变电所进 线及变压器产生破坏就成为变电所雷电防护的关键。 1、变电所应装设避雷针对直击雷进行防护 架设避雷针是变电所防直击雷的常用措施,避雷针是防护电气设备、建筑物不受直接雷击 的雷电接收器,其作用是把雷电吸引到避雷针身上并安全地将雷电流引入大地中,从而起到保 护设备效果。变电所装设避雷针时应使所有设备都处于避雷针保护范围之内。 2、变电所的进线防护 要限制流经避雷器的雷电电流幅值和雷电波的陂度就必须对变电所进线实施保护。 当线 路上出现过电压时,将有行波导线向变电所运动,起幅值为线路绝缘的 50%冲击闪络电压,线 路的冲击耐压比变电所设备的冲击耐压要高很多。因此,在接近变电所的进线上加装避雷线 是防雷的主要措施。如不架设避雷线,当遭受雷击时,势必会对线路造成破坏。

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3、变电站对侵入波的防护 变电站对侵入波的防护的主要措施是在其进线上装设阀型避雷器。 阀型避雷器的基本元 件为火花间隙和非线性电阻。目前, SFZ 系列阀型避雷器,主要有用来保护中等及大容量变电 所的电气设备。FS 系列阀型避雷器,主要用来保护小容量的配电装置。 4、变压器的防护 变压器的基本保护措施是在接近变压器处安装避雷器,这样可以防止线路侵入的雷电波 损坏绝缘。 装设避雷器时,要尽量接近变压器,并尽量减少连线的长度,以便减少雷电电流在连接线 上的压降。同时,避雷器的连线应与变压器的金属外壳及低压侧中性点连接在一起,这样就有 效减少了雷电对变压器破坏的机会。 变电站的每一组主母线和分段母线上都应装设阀式避雷器,用来保护变压器和电气设 备。 各组避雷器应用最短的连线接到变电装置的总接地网上。 避雷器的安装应尽可能处于保 护设备的中间位置。 5、变电所的防雷接地 变电所防雷保护满足要求以后,还要根据安全和工作接地的要求敷设一个统一的接地网, 然后避雷针和避雷器下面增加接地体以满足防雷的要求,或者在防雷装置下敷设单独的接地 体。 6、变电所防雷感应 采取防雷感应保护的措施主要有:多分支接地引线,减少引线雷电流;改善汇流系统的结 构,减少引下线对弱电设备的感应;除了在电源入口装设处压敏电阻等限制过压装置外,还可 在信号线接入处使用光耦元件;所有进出控制室的电缆均采用屏蔽电缆,屏蔽层共用一个接地 极;在控制室和通信室铺设等电位,所有电气设备的外壳均与等电位汇流牌连接

6 结论
总之雷电对电力系统的危害很大, 应当引起人们的重视, 只有深入了解和研究雷电的特性和 特点才能有效的应对,从实际出发,因地制宜,综合治理。在采取防雷改进措施之前,要认 真调查分析,充分了解地理、气象及线路运行等各方面的情况研究采用措施的可行性、工作 量、难度、经济效益及效果等,最后来决定准备采用某一种或几种防雷改进措施。

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7、参考文献
1、 《建筑防雷与接地技术》张小青 编著 中国电力出版社 2003.6 2、袁志鑫《变电所防雷接地》[J] 科技情报开发与经济 2008(2); 3、陈伟 李小萍 胡旭红 吴雪玲《变电所的防雷措施》[J] 科技信息 2008(3)。 4、中国防雷资料网 5、中国科普展览大气科学馆 6《高电压技术》吴广宁 编著 机械工业出版社 2007.5

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