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第六章避雷器


雷电与现代防雷技术基础

第六章 避雷器与避雷元器件
避雷器,又叫做过电压限制器,它的作用是把已侵 人电力线、信号传输线的雷电高电压限制在一定范围之 内,保证用电设备不被高电压冲击击穿。常用的避雷器 种类繁多,但归纳起来可分为为四大类:(1)阀型;(2)放电 间隙型;(3)高通滤波型;(4)半导体型。根据用途分为两大 类,即电力避雷器和电信避雷器。本章主要介绍电力避 雷器和电信避雷器的基本工作原理、分类、应用。

§ 6.1 电力避雷器
6.1.1 避雷器的基本要求

1、电力避雷器: 用在电力输配线路上限制操作引起的内部 过电压或雷电过电压的装置。
2、一般工作原理: 当作用电压超过电力避雷器的放电电压时, 避雷器即先放电,限制了过电压;放电体结束, 绝缘强度能自己恢复,保证电力设备正常运作。

?当电网由于雷击出

现瞬时脉冲电压时, 防雷器在纳秒内导 通 。
?

设 备

防雷器在纳秒内导 通,将脉冲电压短 路于地泄放,后又 恢复为高阻状态, 从而不影响用户设 备的供电。

3、电力避雷器的涉及的几个指标

(1)伏秒特性:指电压与时间的对应关系。 (2)工频续流:指雷电压或过电压放电结束 , 但工频电压仍作用在避雷器上,使其流过的工频 短路接地电流。 (3)绝缘强度自恢复能力:电气设备绝缘强度 与时间的关系,即恢复到原来绝缘强度的快慢。 (4)避雷器的额定电压:把工频续流第一次过 零后, 间隙所能承受的,不至于引起电弧重燃 的最大工频电压,又称电弧电压。

4、对电力避雷器的基本要求 (1)避雷器的伏秒特性的上 限不得高于电气设备的伏特 特性的下限。
避雷器的伏秒特性 电气设备的最高工频电压 电气设备的伏秒特性

(2)要求避雷器间隙绝 缘强度的恢复程度高于避 雷器上恢复电压的增长程 度。
避雷器恢复电压

绝缘强度恢复高于 绝缘强度恢复低于 工频电压

5、电力避雷器按放电类型分类: 保护间隙,排气式避雷器、阀型避雷器, 主间隙 氧化锌避雷器。 6.1.2 保护间隙 1、结构:常见面形保护间隙避雷器

(1)由主间隙和辅助间隙构成。
(2)主间隙采用角形, 使工频续流电弧在自 身电动力和热气流的作用下,易于上升被拉 长而自行熄灭。 (3)辅助间隙的作用:为防止主间隙被外物 短接而造成接地短路事故

辅助 间隙

(4)等效电路
主间隙

(5)主要不足点是强 大的冲击电流会造成 三相变压器的相间绝 缘损坏。

辅助间隙

2、应用:常用于中性点不直接接地10KV 以 下的配电网络中,一般安装在高压熔断器的 内侧,以减少变电所线路断器的跳闸次数。

6.1.3排气式避雷器 1、结构 (1)由产气管、内部间隙,外部间隙三部分组成, 并密封在瓷管内。 (2)外部间隙的作用:使产气管在正常运作时隔 离工作电压和内部电压。 (3)内部间隙和产气管共同作用:产生高压气体 吹动电弧,使工频续流第一次过零时熄灭。 (4)等效电路

(5)主要不足点是强大的冲 击电流。
2、应用:常用于输电线,大跨 距,变电所进线段 。而变电所 内设备不用它来作防雷。

6.1.4 阀型避雷器 1.结构: (1)由放电间隙和非线形电阻阀片组成,并密封在瓷 管内。 (2)放电间隙是由若干个标准单个放电间隙(间隙电 容)串联而成,并联一组均压电阻,可提高间隙绝缘 强度的恢复能力。 (3)非线形电阻阀片也是由 许多单个阀片串联而成,其 静态伏安特性(如图),可 限制工频续流,雷电流通过 时,端部不会出现很高的电 压,改善避雷器保护性能。

(4)等效电路
均压电阻 间隙电容

阀片电阻

2、应用:目前常用的避雷器,主要分低压(FS), 高压(FZ)两种阀型避雷器,可根据输电,配电 网络的电压大小灵活选择使用。

6.1.5 磁吹阀型避雷器
与普通阀型避雷器基本相 同,增加磁吹放电间隙并采用 高温阀片电阻,其灭弧性能和 通流能力比阀型强。主要用在 330KV以及超高压变电所的电 气设备保护。
均压电阻 主火花间隙

辅助间隙

磁吹线圈

阀片电阻

等效电路
6.1.6 复合磁吹阀型避雷器 主要用在超高压系统的线路中。 等效电路
主间隙 并联间隙

6.1.7 氧化锌避雷器
阀片由微小氧化锌晶粒 为主要材料,加入一些金属 氧化 粉 ,经过加工成氧化锌 电阻片。 1、伏安特性 2、并联间隙氧化 锌避雷器 3、串联间隙氧化锌 避雷器
氧 化 锌 电 阻

间隙

氧化锌 电阻

4、全密封无间隙氧化锌避雷器

高压避雷器

高压避雷器参数
规格型号 避雷器额 定电压KV 系统标准电 持续运行电 压(有效值) 压(有效值) KV KV 支流1mA参考 电压(不小 于)KV 标称放电流下 残压不大于 KV 陡波冲击残压 (不大于) KV 2ms操作通流 容量 电流A.18 次

Y5WS-17/50 HY5WS-17/50 Y5WS-12.7/50

17 17 12.7

10 10 10

12.7 12.7 6.6

26.0 26.0 26.0

50 50 50

57.5 57.5 57.5

100 100 100

HY5WS-12.7/50

12.7

10

6.6

26.0
支流1mA参考 电压(不小 于)KV

50
标称放电流下 残压不大于 KV

57.5
陡波冲击残压 (不大于) KV

150
2ms操作通流 容量 电流 A.18次

规格型号

避雷器额定 电压KV

系统标准电 持续运行电 压(有效值) 压(有效值) KV KV

Y5WS-10/30

10 10 51 51

6 6 35 35

4.0 4.0 40.8 40.8

15 15 73 73

30 30 134 134

34.5 34.5 154 154

100 100 400 400

HY5WS10/30
Y5WZ51/134 HY5WZ51/134

低压避雷器(氧化锌)

规格型号

避雷器 额定电 压KV

系统标准 电压(有 效值)KV

持续运行 电压(有 效值)KV

支流1mA参 考电压(不 小于)KV

2ms操作 标称放电流 陡波冲击残 通流容量 下残压不大 压(不大于) 电流A.18 KV 于KV 次

HY1.5W-0.5/2.6 HY1.5W0.28/1.3

0.5 0.28

0.38 O.22

0.42 0.24

1.2 O.6

2.6 1.3

/ /

75 75

§ 6.2 电信避雷器
6.2.1概述

1、电信避雷器:用在通信系统中,保护通 信设备,限制 雷击产生的高压浪涌或过电压的装 置。
2、特点:动作电压较低,无工频续流,响 应时间快,体积小。

3、主要性能指标及要求
(1)静电放电电压,一般限定在250~500V 范围;

(2)动作电压,应不超过500~1000V(峰值);

(3)最小冲击次数 放电次数 峰值电流(A) 波形(us) 3 5000 5/100 20 1000 5/100 500 50 10/1000 (4)耐雷能力,即应尽可能高通过能量; (5)动作的对称性;
(6)具有自动防止故障的特性;

(7)漏电导和电容必须低;
(8)对温度,湿度,腐蚀和灰尘的作用应进行检测。

4、分类(按作用场合):电源避雷器,天馈避雷 器,信号避雷器。

6.2.2 电源避雷器 1、作用:抑制雷电过电压波侵入电子设备

2、电源避雷器特性要求
(1)雷电通流容量大(可达10、40、100KA);

(2)对雷电过电压能量的吸收能力强 (150KHz ~ 20MHz),雷电残压低;
(3)响应时间快(5 ~ 20ns); (4)性能稳定。

3、结构:采用氧化锌压敏电阻为主要元件,有 三种基本电路构成形式。
(1)动态断路器,热感断路器,压敏电阻组成。

(2)增加气体放电管
(3)压敏电阻,热感断路器,蠕缓放电火花隙
动态断路器 热感断路器 压敏电阻 气体 放电 管 蠕缓放 电火花 隙

4.有关参数(见教材表3.15)

5、应用

(1)电源避雷器的典型应用

(2)TT系统中的应用
2
1 L1 L2 L3 PE N F

I△

N

7

4 5b 4a 5a 6

RB

3

1─装置的电源; 2─配电盘; 3─总接地端或总接地连接带; 4、 4a、 F ─电源避雷器; 5─电涌保护器的接地连接,5a 或5b; 6─需要保护的设备; 7─剩余电流保护器,可位于母 线的上方或下方; RA─本装置的接地电阻; RB─供电系统的接地电阻。

RA

(3)TN系统中的应用
2
1 L1 L2 L3 PE N F 5b 4

PEN 7

5a 6 3

1─装置的电源; 2─配电盘; 3─总接地端或总接地连接带; 4、 F ─电源避雷器; 5─电涌保护器的接地连接,5a或 5b; 6─需要保护的设备; 7─PE与N的连接带; RA─本装置的接地电阻; RB─供电系统的接地电阻。

RB

RA

(4)IT系统中的应用
2
1 L1 L2 L3 PE

I△

7 F

4 开路或接 5b

5a 6 3

1─装置的电源; 2─配电盘; 3─总接地端或总接地连接带; 4、 F ─电源避雷器; 5─电涌保护器的接地连接,5a 或5b; 6─需要保护的设备; 7─剩余电流保护器; RA─本装置的接地电阻; RB─供电系统的接地电阻。

RB

RA

(5)在TN-C-S电源系统中的安装示意图
主配电柜 避雷器
SEB 电表 L1 L2 kWh L3 PEN PE N

分配电柜 避雷器

设备 避雷器

EBB LPZ 0 LPZ 1 LPZ 2

EBB
LPZ = 防雷保护区 SEB =配电柜 EBB =等电位连接排

(6)在TN—S电源系统中的安装示意图
主配电柜 避雷器
SEB 电表
L1 L2 kWh L3 N PE N PE

分配电柜 避雷器

设备 避雷器

EBB
LPZ 0 LPZ 1 LPZ 2

EBB
LPZ = 防雷保护区 SEB =配电柜 EBB =等电位连接排

安装示例

6.2.3 天馈避雷器 1、作用:抑制从天线及馈线上的感应雷及过电压,保 护现代微电子器件组成的电子设备。
2、简单天馈避雷器:常用锯齿状, 针状的保护间隙结构,寿命与维护 有关,长期不维护会起不到避雷作 用。 3.目前专用的天馈避雷器

(1)采用 ?g/4 短路线, 信号带宽窄,但工作频率 上限可达2GHz 。

(2)并联电感和压敏电阻, 带宽受电感限制,工作频率 上限1GHz 。 (3)并接气体放电管,工作 频率上限10GHz ,但避雷效果 有限。 4)微带型和同轴型天馈避雷器,采用微波传 输线原理设计,等效电路原理图,实质上等 效为一个高通滤波器。
高压隔直电容

4、常用天馈避雷器的性能及参数(见教材表3.16) 例某型号

(1)插入损耗 ?1dB
(2)驻波系数 <1.2

(3)工作频率
(4)传输功率

DC~2000MHz
?100W

(5)雷电通流量(8/20us) ?100KA

TEK 50N-MF-CO天馈线避雷器
?宽广的频率范围
?极小的插入损耗

?多次抗雷击能力
?不受天气影响
型号 50N-MFCO-A 流通容量 50KA 频率范围 125M1GHz 功率 100W 驻波系数 ≤1.1to1 插损 ≤0.1dB 通过能量 ≤600μJ 连接头 N 动作时间 ≤2.5nS

6.2.4 信号避雷器(保安器) 1、作用 抑制通信号系统中各类信号线、控制数据线上的 过电压,保护现代微电子器件组成的电子设备。
2、根据使用场合分类

电话避雷器,计算机及数据线避雷器,仪表 与控制线避雷器。
3、电话避雷器 用放电管和嵌位二极管组成混合 型保安器。嵌位二极管动作灵敏,放 电管通流能力大,相当于两级保护。

4、计算机及数据线避雷器
用三极气体放电管与嵌位二极管为主体构成, 与电话避雷器基本相同,只是工作电压低于前者, 相应动作电压也低于前者。主要参数:
信号电压 ? 12V ;最大容许工作电压 ? 15V; 额定电 流 100mA; 最高放电电流 10KA;动作时间 <1ns; 传输速率 100Kb/s

5、仪表与控制线避雷器 用气体放电管,箝位二极管,压敏电阻为主 体构成。与电话避雷器基本相同,只是增加了一 级压敏电阻保护,相当于三级保护。这主要是控 制线电压比前面二种情况都高。

§ 6.3 避雷元件
6.3.1 熔丝

1、作用;保护设备不被大电流所损坏。
2、分类:电源熔丝和线路熔丝。 3、电源熔丝的指标:额定电流、熔断时间。 4、线路熔丝的指标:冲击能力、耐工频能力。 5、一般不单独用于防雷线路保护。

6.3.2 气体放电管
1、结构:由两个或三个相距一定距离的金属 电极和玻璃或陶瓷外壳组成,管内充有一定压力 的特殊气体。

2、工作过程:绝缘—点火—维持—恢复绝缘。 3、两种放电状态 (1)非自持放电:指 放电需要外界电离剂 支持。 (2)自持放电:指放 电不需要外界电离剂 支持。 自持放电的两个阶段:辉光放电和弧光放电

辉光放电 弧光放电

4、主要参数: (1)点火电压:指直流或工频作用下,发生击 穿的最低电压。 (2)冲击点火电压:指电压变化很快,超过点 火电压的某一值才发生击穿的电压。 例点火电压350V,1.5/40us的雷电压,冲击 点火电压高达1000V。 (3)延迟时间:工频延迟、冲击延迟
(4)伏秒特性:表征绝缘在过电压作用下抗击穿 性能。

(5)遮断时间:雷电流消失到放电管内续流消失 的时间。

(6)伏安特性:
5、主要优缺点 (1)优点:通流容量宽,极间电容小,开断电 阻大。

(2)缺点:响应速度慢,存在续流,寿命较短。

6.3.3 半导体防雷放电管 一种是双向二端子闸流管,可看成无控制端 的双向可控硅;另一种是血崩二极管。靠端电压 升高击穿,击穿电压可低到1V,响应快,寿命长, 仍存在续流,价格昂贵。

6.3.4 氧化锌压敏电阻 一种非线性电阻,当电压升高到一定值后, 电阻迅速下降,响应快,无续流,过载能力强, 价格低廉,但寄生电容大。
6.3.5 PTC热敏电阻

一种非线性电阻,具有优良自恢复性能, 耐冲击,寿命长。

§ 6.4 多级SPD的配合问题
6.4.1 多级SPD的配合原则

1、多级SPD防护目的
电源线路多级SPD防护,主要目的是达 到分级泄流,避免单级防护随过大的雷击电 流而出现损坏概率高和产生高残压。通过合 理的多级泄流能量配合,保证SPD有较长的 使用寿命和设备电源端口的残压低于设备端 口的耐雷电冲击电压,确保设备安全。

2、多级SPD的配合原则
安装多级电源SPD,由于各级SPD的标称导通电压和标 称导通电流不同、安装方式及接线长短的差异,在设计和安 装时如果能量配合不当,将会出现某级SPD不动作、泄流的 盲点。当雷电高电压脉冲沿电源线路侵入时,为了保证各级 SPD能够分级启动泄流,避免多级SPD间出现盲点,根据 ITU、K20和IEC61312-3的规定,两级SPD间必须有一定的 线距长度(即一定的感抗或加装退藕元件)来满足避免盲点的 要求。

(1)对于开关型SPD1(第一级)至限压型SPD2 (第二级)之间的线距应大于10m; (2)限压型SPD2 (第二级)至限压型SPD3 (第 三级)之间的线距应大于5m的规定。

3、SPD安装的一般要求
SPD一般并联安装在各级配电柜(箱) 开关之后的设备侧,它与负载的大小无关。 串联型SPD在设计时,必须考虑负载功率 不能超过串联型SPD的额定功率,并留有 一定的余量。SPD连接导线应平直,导线 长度不宜大于0. 5m,其目的是降低引线 上的电压,从而提高SPD的保护安全性能。

(1)电源系统安装多级避雷器线距的要求

开关型避雷器与过压保护器配合的最小距离
L1 L2 L3 N

DEHNport
Blitzstromableiter

DEHNguard Typ 275

线缆长度 ? 5 m*
*如果PE线与主线在同一线缆中 ,则线缆长度要求 ? 15 m

高能量避雷器

过压保护器

B级

C级

6.4.2 多级SPD的配合的电压和电流的确定 1、SPD泄放的浪涌电流不超过自身的标称放电电流。 对雷电流大小的估算: 外来导电部件及电力线、通讯线,应估算在等 电位连接点的各个局部雷电流。可按如下方法进行 估算: 总雷电流i的50%流入接地装置,其余的50%流 入各设施。每一设施的雷电流为is/n,n为设施的个 数。流入电缆的电流ii,则每根芯线的电流为iv=ii /m (m为芯线数)。对于屏蔽电缆,雷电流将沿屏蔽 层流动。电话线等电位连接时应以5%的雷电流作为 最小值来估算。
问题:SPD标称放电电流是不是选择得愈高愈好?

2、电压开关型和限压型SPD间的能量配合:
放电间隙(SPD1)的引燃取决于MOV( SPD2) 两端残压(Ures)及退耦元件两端(含连接线)的动 态压降(UDE)之和。在触发放电之前,SPD间 的电压分配如下: USG=Ures+UDE (1)放电间隙两端的电压USG超过放电间隙动态放 电电压时,SPD1就着火放电泄放雷电流,实现了 能量配合。 (2)后续防雷区的SPD只要线距满足规定要求或 加装退藕元件,就能保证从末级到第一级逐级可靠 启动泄流,确保多级SPD不出现盲点,达到最佳的 能量配合效果。

3、第一级防护的雷电流值 的计算

国际电工委员会标准IEC61312“雷电电磁脉 冲防护”将第一级防护的雷电威胁值定为200kA 波形为10/350u S,超过该值的概率为1%就是说, 99%雷电闪击都包括了。 国标GB50343不作只使用一种波形的规定, 宜兼顾各种不同意见,所以推荐等同使用两种波 形的参数(另一种8/20us波形),不作强制性规 定,仅仅作为不同波形条件下的推荐参数而己。
例:供电线路为三相五相制的TN-S接地方式 的一级防护的雷电流值 的计算。

IEC61312-1:1995雷电流分配的有关条文中, 已假定:全部雷电流i的50%输入LPS的接地装置,i的 另一个50%全部进入建筑物的各种设施,并假定进入 建筑物的金属设施,只是变压器低压侧的三相五相制, 供电线路为TN-S接地方式。若第一级防护雷电威胁 值规定为200kA,10/350us,则在供电线路中,每线 荷载的雷电流为Im=Is/n=(I/2)/n=(200/2) /5= 20kA。
当用8/20us波形时,在单位能量相同的条件下, 则用下面公式换算:

I (220) ?T2 ( 20) ? I (2350) ?T2 (350)
I ( 20 ) ? T2 (350 ) ? I ( 350 ) ? ? ?T ? 2 ( 20 ) ? ? ? ?
1 2

? 350? ? 20? ? ? ? 83.7kA ? 100kA ? 20 ?

1 2

4、第二级防护的雷电流值 的计算

第 二 级 被 保 护 设 备 的 耐 冲 击 电 压 由 图 查 得 为 Up = 4kV,在SPD未导通, 电感两端的压降即为第二级被 保护设备的耐冲击电压,即Up=UL= 4kV 电感压降的公式为: UL =L×(di2 /dt2) 式中:i2为流过SPD的雷电电流,即SPD承受的标称放 电电流;t2为对应的雷电流波头时间。
di2 /dt2取平均陡度;导体自身电感量以最低为 每米1uH计,则10m长导体的电感量为10uH;电感 压降公式整理得:
i2=UL(T2/L)=4× 103[(8×10-6 )/(10×10-6 )]=3.2KA

从安全和可靠角度考虑,应增大SPD2的耐雷电 冲击电流的裕度,通常第二级SPD的标称放电电流应 不小于40kA。

5、第三级防护的雷电流值 的计算
第三级SPD标称放电电流按确定第二级标称 放电电流计算的方法。
i2=UL(T2/L)=2.5× 103[(8×10-6 )/(10×10-6 )]=2KA

通常第三级SPD的标称放电电流不小于20kA。

对于380V的工作电压,SPD的导通电压约为 900V,SPD2的残压比一般在3-3.5之间,即SPD2残 压约为2700V-3150V之间,小于第二级被保护设 备的耐冲击电压值,这样,便取得了良好的能量 配合。

本规范建议的SPD的标称放电电流推荐值是: ? 用作第1级(B级)防护的SPD,标称放电电流 ≥20kA,波形为10/350u s;如波形为8/20us时, SPD的标称放电电流值宜取80kA ? 用作第2级(C级)防护的SPA,标称放电电流值 ≥40kA波形为8/20us ? 用作第3级(C级)防护的SPA,标称放电电流值 ≥20kA波形为8/20us

6.4.3 防护系统的基本配合方案:
方案I 所有的SPD取相同的残压值Ures,这些SPD具有连续的 伏安特性(如压敏电阻、二极管)。 SPD间以及SPD与被保护设备间的配合,通常是用它 们之间的线路阻抗来实现的(见图)。 各组件的参数的分散性可能会影响配合的结果。

被保护设备

Ures(SPD 1)=Ures(SPD 2)=Ures(SPD 3)=Ures(SPD 4)

方案Ⅱ 本方案中,所有SPD具有连续的伏安特性(如压敏电阻、 二极管)。 SPD的残压Ures呈台阶式,从第一个SPD向后续SPD逐个 升高(见图)。 这是一种用于供电系统的配合方案。 本方案要求装在被保护设备内的保护元件的残压值要高 于安装于设备之前的最末一个SPD的残压。

被保护设备

Ures(SPD 1)<Ures(SPD 2)<Ures(SPD 3) <Ures(SPD 4)

方案Ⅲ SPD1含一个不连续伏安特性的组件(开关型SPD,如放 电间隙等)。而后续的SPD包含具有连续伏安特性的组件 (限压型SPD)。 本方案的特点是由于有第一个SPD的“开关作用”,使 原来的冲击电流(10/350μs)的半峰值时间减小,从而大 大减小后续SPD的载荷量。

被保护 设备

Ures(SPD 2)=Ures(SPD 3)=Ures(SPD 4)

方案Ⅳ 用串联阻抗或滤波器作内部配合的多个级联的SPD组合 在一起,可构成一个双端口SPD(见图)。其内部实施了 成功的配合意味着将向下游的SPD或设备传送最小的能量 。这些双端口SPD必须与系统中的其它SPD,恰当地按方 案I、方案Ⅱ或方案Ⅲ进行充分配合。
去耦元 件

输入 端

输出 端



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