§6-1 雷电放电及防雷保护装置

要求：了解雷电放电及相关参数，理解避雷线、避雷针以及避雷器的保护原理及相关计算

§6-1-1雷电参数

（1）雷电放电过程

雷电放电是由雷云引起的放电现象。雷云都是带电的。雷云距离地面的高度不同，所带的电荷正负也不同。5-10km的高度主要是正电荷的云层；1-5km的高度只要是负电荷的云层。而雷电放电就能在雷云与雷云之间、雷云与大地之间以及雷云内部发生，但本节主要研究的问题是雷云与大地之间引起的雷电放电现象，它是造成雷害的主要原因。

雷电的极性是指雷云下行到大地的电荷的极性。由于雷云下部主要是负电荷的密集区，故90%左右的雷击都是负极性的。

从本质上讲，雷电放电是一种超长间隙的火花放电。它与前面所讲的长间隙气体放电的原理类似，但雷电放电又有自己的特点。雷电放电过程具有重复性，但每一次放电都具有先导、主放电及余光放电三个阶段构成。

1）先导

 负极性的雷云附近电场较强，则从负极性雷云处首先发生电子崩现象，进而形成负流注，再形成负先导。负先导发展到快接近地面的时候，从地面发出迎面先导（正先导）。

2）主放电

负先导与迎面先导相遇的时候，形成主放电通道。当主放电通道中电流极大（数十安到数百千安），主放电贯穿两极，雷击完成，存在时间极短，约为50~100μs。

3）余光放电

主放电过程结束之后，云中的残余电荷沿主放电通道流向大地，称为余光放电。此阶段对应的电流不大（约为数百安），但是持续时间长（0.03~0.15s）。

以后的重复放电过程一般沿着第一次的放电过程通道发展。

（2）雷电参数

1）雷电放电的计算模型

l  电流源模型

雷击地面物体的时候，在雷电的主放电通道中，将有幅值很高的电流i_Z通过被击物体。若被击物体的阻抗为Z_j（指雷击点与大地零电位参考点之间的阻抗），则雷击点的电压为。这相当于在雷电放电过程中，在雷击点和大地零电位参考点之间接入了一个电流源。这个电流源的电流为i_L（为雷电流），雷电通道也具有分布参数的特征，其波阻抗用Z₀表示。用电流源模型则如图8.1（b）所示。

l  电压源模型

在实际的研究中，，故一般认为雷击与接地阻抗物体的时候，流过该物体的电流i_Z定为雷电流i，此时采用电压源模型，如图8.1（a）所示。

2）雷电参数

雷电流波形一般是脉冲电流，需要用三个参数来表示：幅值，波前时间（波前），半峰值时间（波尾）。另外还有一个重要的参数：雷电流陡度，它一般由幅值与波头共同决定，它对过电压有较大的影响。

l  雷电流的幅值

它的概率分布规律为：  （多雷区）

I为电流幅值，P为概率（即表示雷电流幅值超过I的概率为P）。

另外，对于少雷区有：  （少雷区）

l  波头与波长

 波头长度平均在2-2.5μs，我国防雷设计采用2.6μs。

波长（波尾）平均在50μs，故防雷保护计算中，雷电流的波形可用2.6/50μs波形。

l  雷电流陡度

采用2.6μs的固定波头长度，认为雷电流的平均陡度a与幅值线性相关，即有：

即是说幅值较大的雷电流同时具有较大的陡度。

3）雷电流的波形

雷电流的各种波形见如图8.2所示。

l  标准冲击波

具有波前时间，半峰值时间以及电流幅值，表示为：，t为作用时间，是两个常数，I₀为雷电流峰值。

l  斜角平顶波

其陡度用给定的雷电流幅值I与波头时间决定，即是：（T₁=2.6μs），I为雷电流峰值。

l  半余弦波

波头部分表达式：；I为雷电流峰值；ω为角频率，由波头时间决定。其最大

陡度在时刻出现，即有：

§6-1-2避雷针、避雷线的保护范围

（1）避雷针（线）的保护原理

当雷云放电接近地面的时候，它使地面电场发生畸变，在避雷针（线）的顶端，形成局部电场集中的空间，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，在通过接地引线和接地装置将雷电流引入大地，从而使得被保护物体免遭雷击。

但是避雷针（线）的保护范围是指被保护物体在此空间范围内不致遭受雷击。即是说，避雷针（线）具有保护范围。

（2）避雷针的保护范围（用书上的折线法来计算）

1）单支避雷针的情况

如图8.3所示。

设r_x为保护范围，h为避雷针的高度，h_x为被保护物体的高度，p为高度影响系数，则有：

而p的取值如下：

图8.3 单支避雷针的保护范围           图8.4 两支等高避雷针的保护范围

2）双支避雷针

参见图8.4所示。各参数表示同单支避雷针时的情况。

l  确定两针外侧保护范围

其方法与单支避雷针的计算公式相同，计算r_x。

l  两针间的保护范围

即是求图中的b_x。

通过两针顶点及保护范围上部边缘的最低点O的圆弧来确定。设圆弧的半径为R₀，O点高度为h₀，则h₀的计算如下：

其中D为两针间的水平距离，p为高度影响系数（其取值与单支避雷针相同）。

由于h₀所对应的O点时最低点，也就是说可以假设h₀的O点是一个高度为h₀的避雷针，则它就对应一个最小的保护范围b_x，且有：

其计算的条件是D/h(距离与针高之比)不宜大于5。

1）两支不等高避雷针

如图8.5所示。

        图8.5 两支不等高避雷针的保护范围     图8.6 避雷线的保护范围

l  确定两针外侧保护范围

按单支避雷针的计算公式分别计算出每支避雷针外侧的保护范围。

l  两针内侧的保护范围

首先按单支避雷针的方法确定高针“1”的保护范围；然后由低针“2”的顶点作水平线交于高针的保护范围于“3”点；最后将“3”点假想为一支与“2”针等高的避雷针，根据双支等高避雷针保护范围的确定方法确定出“2”针与“3”针之间的保护范围，即对应的是两支不等高避雷针之间的最小保护范围。

对“2”针和“3”针之间的最小保护范围确定式子为：

其中，为“2”针与“3”针之间的水平距离。

（3）避雷线的保护范围

1）单根避雷线的保护范围

如图8.6所示。

做出避雷线的保护线时，保护线与避雷线之间的夹角为25^。，其保护范围按下式计算：

其中，h_x，h，r_x，p的意义与前面避雷针的相同。

2）两支等高避雷线

l  两线外侧的保护范围

按单根避雷线的保护范围计算。

l  两线内侧的保护范围

其确定方法与两支等高避雷针的内侧保护范围的确定方法一样，由两避雷线之间保护范围边缘最低点O的圆弧确定，其中O点的高度h₀按下式计算：

D为两支避雷线的水平距离。

3）保护角

保护角是指避雷线和外侧导线的连线与避雷线和地面的垂线之间的夹角。

一般来说，雷击导线的概率随着保护角的减小而减小（降低）。所以按线路重要程度不同，通常在15^。~30^。之间选择不同的保护角。

§6-1-3避雷器

为了弥补避雷线对架空线路保护的不足，防止雷电入侵波进入变电站，一般来说，在变电站还会装设另一类过电压保护装置—避雷器。

避雷器的类型主要有保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器等几种。保护间隙和管型避雷器主要用于配电系统、线路和发、变电所进线段的保护。阀型避雷器用于变电所和发电厂的保护。在此，主要讲阀型避雷器与氧化锌避雷器的工作原理。

（1）阀型避雷器

1）组成

阀型避雷器的基本元件为间隙和非线性电阻（如图8.7所示）。间隙与非线性电阻元件（又称为阀片）相串联。间隙的冲击放电电压低于被保护设备的冲击耐压强度。阀片的电阻值与流过的电流有关，具有非线性特点，电流越大，电阻越小。

2）工作原理

l  在电力系统正常工作的时候，间隙将电阻阀片与工作母线隔离；

l  当系统中出现过电压的时候，如其峰值超过间隙的放电电压值时，则间隙击穿，冲击电流通过阀片流入大地，由于阀片的非线性特性，故电阻越小，在阀片上产生的电压得到限制，使其低于被保护设备的冲击耐受电压，故设备就得到了保护。

l  当过电压消失之后，间隙中由工作电压产生的工频电弧电流（工频续流）将断续流过避雷器，此续流受阀片电阻的非线性特性所限制远较冲击电流小，故间隙能在工频续流第一次经过零值就将电流切断。

（2）氧化锌避雷器

主要是阀型避雷器中的电阻阀片采用的材料主要为Z_nO，故称为Z_nO阀片。其工作原理与阀型避雷器一样，但比阀型避雷器优越之处在于Z_nO避雷器具有较理想的伏安特性。如图8.8所示。