哈工大高电压技术 1 雷电过程与雷电参数讲解24页PPT

Z0
- -s -
v
+s
i0 - -s u0 v -
Z0
A
Z0
2u 0
i
(d)
Z
o
S A A
A Z Z
2i0
Z
A
Z0
Z
o
o
o
o
(e)
(a)
(b)
(c)
(a) 先导放电；（b）主放电；（c）计算模型；（d）电压源等值电路；（e）电流源等值电路
图1-3雷电放电模型和等值电路

在雷击点A与地中零电位面之间串接着一个阻抗，它可以代表被击中物体的 接地电阻R，也可以代表被击物体的波阻抗Z。从图1-3（e）中可以看出， 当Z=0时，i=2i0；若Z<<Z0（如Z≤30Ω），仍然可得i≈2i0。所以国际上习惯 于把流经波阻抗为零（或接近于零）的被击物体的电流称为“雷电流”。从 其定义可以看出，雷电流i的幅值恰好等于沿通道Z0传来的流动电流波i0的幅 值的两倍。

以上是负电荷雷云对地放电的基本过程，可称为下行负雷闪；对应于正电荷 雷云对地放电的下行正雷闪所占的比例很小，其发展过程亦基本相似。主放 电完成后，云中剩余的电荷沿着原来的主放电通道继续流入大地，看到的是 一片模糊的发光，这就是辉光放电。
从旋转相机拍下的光学照片显示，大多数云对地雷击是重复的，即在第一次 雷击形成的放电通道中，会有多次放电尾随，放电之间的间隔大约为 0.5~500ms。主要原因是：在雷云带电的过程中，在云中可形成若干个密度 较高的电荷中心，第一次先导一主放电冲击泄放的主要是第一个电荷中心的 电荷。在第一次冲击完成之后，主放电通道暂时还保持高于周围大气的电导 率，别的电荷中心将沿已有的主放电通道对地放电，从而形成多重雷击。第 二次及以后的放电，先导都是自上而下连续发展的，没有停顿现象。放电的 数目平均为2~3次，最多观测到42次。通常第一次冲击放电的电流最大，以后 的电流幅值都比较小。图1-2所示为用旋转相机和高压示波器拍摄和记录的负 雷云对地放电的典型过程和电流波形。

（2）四支及以上分解为三支针来求
▪ 二、避雷线的保护范围
▪
▪ （一）单根避雷线
▪ （1） 当hx ≥ h/2时
▪
rx=0.47(h-hx)p
▪ （2） 当hx<h/2
▪ rx=(1.5h-2hx)p
（二）两根等高避雷线 ho =h-D/4P
▪ 220~330kV保护角200 ▪ 500kV保护角不大于150 ▪ 1000kV 三根避雷线
心部分的则为负离子
▪ （2）水滴分裂起电 ▪ （3）5~10km高度主要是正电荷云层，1~5km主要是负电荷云层。
▪ 3.雷云对地放电 ▪ （1） 下行雷，上行雷 ▪ （2）雷云对地放电三个阶段 ▪ （3）闪电，雷声 ▪ 4.防雷知识（补充）
▪ 第二节 雷电放电的计算模型和雷电参数 ▪ 一、计算模型 ▪ 1.雷电流：定义 ▪ 2.等值电路
▪
输电线路防雷性能优劣主要用耐雷水平及雷击跳闸率来衡量。
▪ 第一节 输电线路的感应雷过电压
▪ 一、感应雷过电压的产生
▪ 当雷击线路附近大地时，由于雷电通道周围空间电磁场的急剧变化，会在线 路上产生感应雷过电压，它包括静电分量和电磁分量。
▪ 在先导放电阶段，正电荷将被吸引到最靠近先导通道的一段导线上， 称为束缚电荷，导线上的负电荷则被排斥而向两侧运动，经由线路泄 漏电导和系统中性点进入大地。
▪ 3．起始动作电压 ▪ 4．残压 ▪ 5．压比：残压与起始动作电压的比值。1.6~2.0 ▪ 6．荷电率：指持续运行电压幅值与起始动作电压的比值。阀片上电
压负荷程度的一个参数。45%~75%或更大。
第五节 接地装置
▪ 电气装置需要接地的部分与大地的连接是靠接地装置来实现的， 它由接地极和接地引下线组成。

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第一篇 高电压绝缘及实验
第一章 第二章 第三章 第四章
电介质的极化、电导和损耗 气体放电的物理过程 气隙的电气强度 固体液体和组合绝缘的电气强度
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第一章 电介质的极化、电导和损耗
第一节 电介质的极化 第二节 电介质的介电常数 第三节 电介质的电导 第四节 电介质中的能量损耗
1.电气设备的绝缘：
①绝缘试验（固、液、气体） ——在电场作用下的电气物
理性能和击穿的理论、规律。 ②高压试验——判断、监视绝
缘质量的主要试验方法。
2.电力系统的过电压：
③过电压及其防护——过电压
的成因与限制措施。
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三．中国电力系统电压等级的划分0KV， 包括：10KV，35KV，110KV，220KV
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§1.1 电介质的极化
定义：电介质在电场作用下产生的束缚电荷的弹 性位移和偶极子的转向位移现象，称为电 介质的极化。
效果：消弱外电场，使电介质的等值电容增大。 物理量：介电常数 类型：电子位移极化； 离子位移极化；
转向极化； 空间电荷极化。
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一、 电子位移极化
E
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§1. 电介质的极化、电导和损耗
电介质有气体、固体、液体三种形态，电
介质在电气设备中是作为绝缘材料使用的。一切电介质
在电场的作用下都会出现极化、电导和损耗等电气物理
现象。
电介质的电气特性分别用以下几个参数来
表示：即介电常数εr，电导率γ（或其倒数——电阻率
ρ），介质损耗角正切tgδ，击穿场强 E，它们分别反
映了电介质的极化、电导、损耗、抗电性能。

雷暴日为40
二.避雷针和避雷线
1.保护作用的原理
能使雷云电场发生突变，使雷电先导的发展沿 着避雷针的方向发展，直击于其上，雷电流通 过避雷针（线）及接地装置泄入大地而防止避 雷针（线）周围的设备受到雷击
独立避雷针
构架避雷针
消雷器
2.保护范围
(1).单支避雷针
hx
h 2
hx
h 2
rx (h hx )P rx (1.5h 2hx )P
2.保护间隙
作用原理： 当雷电侵入波要危及它所
保护的电气设备的绝缘时， 间隙首先击穿，工作母线 接地，避免了被保护设备 上的电压升高，从而保 护了设备。
优缺点：
优点： 结构简单、制造方便 缺点： 伏秒特性曲线比较陡，绝缘配合不理
想； 间隙动作后会形成截波； 熄弧能力低
3.排气式避雷器 结构
作用原理
具有分路电阻的火花间隙：
为什么要在间隙两端并联电阻：
由于间隙各电极对地和对高压端有寄生 电容存在，使电压在各间隙上的分布不均匀， 从而使每个火花间隙的作用得不到充分发挥， 减弱了避雷器的熄弧能力，也降低了工频放 电电压。
作用原理：
在工频和恢复电压作用下，间隙电容的阻抗 很大，而分路电阻阻值较小，故间隙上的电压 分布主要由分路电阻决定，而分路电阻组值相 等，使间隙上的电压分布均匀，从而提高了熄 弧电压和工频放电电压。
当排气式避雷器受到雷电波入侵时，内外 间隙同时击穿，雷电流经间隙流入大地；过 电压消失后，在工作电压作用下，流经间隙 的工频续流电弧的高温使管内产气材料分解 出大量气体，管内压力升高，气体从开口孔 喷出，从而使工频续流在第一次经过零值时 就熄灭。
特点
其熄弧能力与工频续流大小有 关，续流太大，产气过多，易使管 子炸裂；续流太小，产气不足以熄 弧，故对工频续流有上下限的规定。

h0
h D 7p
bx hx水平面上的保护 截范 面围 的的 最小宽
（三）两支不等高避雷针
(五)单根避雷线 图7-12
(六)两根等高避雷线 图7－13
二、保护间隙和避雷器
(一)保护间隙
保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压比后者低，雷 电波侵入式，保护间隙首先放电，使被保护设备得以保护
过电压波被限制到保护间隙F的击穿电压Ub
架空输电线路地处旷野，地理环境复杂，易受雷击，造 成雷击过电压，导致输电线路跳闸。 输电线路雷电过电压：
直击雷过电压：雷击导线、累积杆塔、雷击避雷线 感应过电压：雷击线路附近地面，空间电磁感应
输电线路防雷性能： 耐雷水平：发生雷击时，线路绝缘尚不至于发生闪 络的最大雷电流幅值，单位为kA。
雷击跳闸率：每百公里线路每年因雷击引起的跳闸次 数，单位 次/百公里·年
（a）先导放电；（b）主放电；（c）计算模型； （d）电压源等值电路；（e）电流源等值电路
(二)直接雷击过电压
1. 雷击于地面上接地良好的物体
i
2i0
z0 z0 z
2i0
2 i0
uAizIz
1. 雷击于导线或档距中央避雷线
i
A
z0 z uA
(三)感应雷击过电压 形成机理
图7-7
先导放电阶段，导线电位为零 主放电阶段，使导线对地形成一定电压（静电分量），磁通 在导线感应出一定电压（电磁分量）。
城市 合肥 福州 南昌 济南 郑州 武汉 长沙 广州 南宁 重庆 成都
雷暴日 城市 雷暴日 30.1 贵阳 48.9 57.6 昆明 62.8 58.5 拉萨 73.2 26.3 西安 17.3 22.6 兰州 23.6 37.8 西宁 32.9 49.5 银川 19.7 87.6 乌鲁木齐 9.3 88.6 海口 113.8 41.0 台北 27.9 36.9 香港 34.0

(四)雷电的极性
负极性雷击均占75～90%，对设备绝缘危害较大,防雷计算中 一般均按负极性考虑。
(五)雷电流幅值（ I）
通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻(≤ 30Ω)的物体时流
过雷击点的电流。它近似等于电流入射波 I 0 的两倍，即
I 2I0
I 一般地区，雷电流幅值超过 的概率可按下式计算
lg P I 88
➢从雷电过电压计算和防雷设计的角度来看，值得注意的雷 电参数有雷暴日及雷暴小时、雷电流幅值、雷电流的计算 波形等。
➢感应雷击过电压的形成机理与直接雷击过电压完全不同。
（本节完）
主放电：先导靠近地面时，进入主放电阶段，强烈的电 荷中和过程，伴随着雷鸣和闪光。主放电的时间极短， 只有50~100微秒，放电发展速度50~100m/微秒。电流幅 值高达数十甚至数百千安；
余辉阶段：主放电完成后，云中剩余电荷沿着导电通道 开始流向大地，这一阶段称放电的余辉阶段，电流数百 安。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
(八)雷电的多重放电次数及总延续时间 有55％的对地雷击包含两次以上的重复冲击；3～5次 冲击者有25%；10次以上者有4%。平均重复冲击次数取 3次。
(九)放电能量 A=QU=107V×20C＝20×107W.s（200MW秒），放电能量 不大，但是在极短时间内放出的，因而功率很大。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
(七)雷电流的计算波形 在防雷计算中，按不同要求采用不同的计算波形
1、双指数波

高电压技术--雷电及防雷保护装置
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➢非线性阀片电阻 ✓组成：阀片电阻由金刚砂和结合剂在300～500℃烧结而成； ✓特性：非线性电阻，在流过小电流时电阻大，流过很大电 流时电阻小，使其在电流很大情况下具有很好的限压作用； ✓伏安特性：
UCi
：非线性系数，普通阀片的为0.2左右。
阀片的伏安特性 i1—工频续流 u1—工频电压 i2—雷电流 u2—避雷器残压
面或突出接地物体形成向上的迎面先导（迎面流注）→迎
面先导与下行先导相遇→主放电阶段
特点：强烈的电荷中和过程、雷鸣、闪电
✓主放电时间：50～100us
✓放电发展速度：50～100m/us
✓电流：数十至数百千安
3.余辉阶段
主放电完成之后，云中剩余电荷沿导电通道开始流向
大地，该阶段成为余辉（或余光）阶段。
第1节 雷电过程与雷电参数
主要内容：
➢雷电放电过程 ➢雷电参数
✓雷暴日、雷暴小时、地面落雷密度 ✓雷电流 ✓雷道波阻抗
高电压技术--雷电及防雷保护装置
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一、雷电放电过程（云—地）
雷电是一种气体放电现象，是一种超长间隙的火花放 电，雷云是电极。 ➢条件：当云中某一电荷密集中心处的场强达到25～ 30kV/cm时，就可能引发雷电放电。 ➢过程：先导—主放电—余辉（余光）
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（4）雷道波阻抗（Z0） 雷电通道在主放电时如同导体，使雷电流在其中流动同
普通分布参数导线一样，具有某一等值波阻抗，称为雷道波 阻抗。
主放电过程可视为一个电流沿着波阻抗为Z0的雷道投射 到雷击点的波过程。
u0 i0Z0
我国有关规程建议取Z0为300欧姆左右。
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(hx
h) 2
(hx
h) 2
P＝1
当 30m h 120m 时 P 5.5 h
h – 避雷针高度
P – 高度修正系数
hx - 被保护物的高度 rx - 保护范围
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(二)多只避雷针（通过叠加求出联合保护范围）
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两针外侧保护范围分别按单针求出，两针之间先作出 高针的保护范围，然后由低针2的顶点作水平线得到 交点3，再求出等高避雷针2和3的联合保护范围。
1、单根垂直接地体
Re
2l
(ln 8l d
1)
2、多根垂直接地体
Re'
Re
n
3、水平接地体
Re
2L
(ln
L2 hd
A)
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小结
➢电力系统中广泛采用避雷针和避雷线作为直接雷击防护装 置。 ➢保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压比后者低，使
过电压波被限制到保护间隙F的击穿电压Ub。
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接地电阻Re等于从接地体到地下远处零位面之间的电压 Ue与流过的工频或直流电流Ie之比。
Re
Ue Ie
冲击接地电阻 Ri，工频或直流下的接地电阻 Re，二者
之比称为冲击系数 i 。
i
Ri Re
i的值一般小于1，但在接地体很长时也有可能大于1。
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常见的一些接地体的工频接地电阻计算公式
两线外侧的保护 范围按单根避雷线 方法确定；两线内 侧的保护高度由两 线及保护范围上部 边缘最低点O的圆弧 来确定
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二、保护间隙和避雷器
（一）保护间隙 保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压比后者低，使过 电压波被限制到保护间隙F的击穿电压Ub。