导图社区 45.雷电放电机理及电力系统防雷保护
高电压技术 国网考试考点45.雷电放电机理及电力系统防雷保护，雷电放电过程本质是超长气隙不均匀电场的火花放电。
高电压技术 国网考试考点46.电力系统内部过电压机理、类型及其防护措施，希望这份脑图会对你有所帮助。
高电压技术 国网考试考点44，波过程实质上是导线周围空间储存电磁能（能量沿导线传播）的过程，基本规律是储存在电场的能量密度和储存在磁场的能量密度相等
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45.雷电放电机理及电力系统防雷保护
一.雷电放电和雷电过电压
1.雷云的形成
整块雷云有若干个电荷中心，负电荷中心位于雷云的下部、距地面500～10000m的范围内
直接击向地面的放电通常从负电荷中心的边缘开始
2.雷电放电过程
本质：超长气隙不均匀电场的火花放电
过程
先导放电：逐级推进、发展速度较慢、电流小，时间约0.005~0.01s，表现为分枝状发展
主放电：时间短（50～100μs）、电流大
余光放电：电流小、时间长（0.03～0.15s），雷电热效应为重要因素之一（时间最长）
雷电的破坏性效应不包括化学效应
3.雷电参数
⑴雷电活动频度
雷暴日
概念：一年中发生雷电的天数
通常取40个雷暴日为基准
雷暴小时
概念：一年中发生雷电放电的小时数
一个雷暴日可大致折合为三个雷暴小时
⑵地面落雷密度γ和雷击选择性
地面落雷密度
概念：每平方公里地面在一个雷暴日中受到的平均雷击次数
单位：次/km²·雷暴日
Td=40时，γ=0.07
落雷次数
概念：每100km的输电线路每年遭受雷击的次数
单位：次/（100km·年）
⑶雷道波阻抗Z0
先导放电通道具有分布参数特征，称为雷电通道
主放电过程可看作一个电流波沿着波阻抗为Z0的雷道投射到雷击点的波过程
我国有关规程建议取Z0≈300Ω
⑷雷电的极性
负极性雷占75%～90%，负极性过电压波衰减较慢，对设备危害大，防雷计算中一般按负极性考虑
⑸雷电流幅值I
概念：雷电强度的指标
雷电流定义：雷击于低接地电阻（≤30Ω）的物体时流过雷击点的电流
雷电流幅值为入射波的2倍
一般地区，雷电流幅值超过I的概率：lgP=-I/88
除陕西以外的西北地区和内蒙古自治区：lgP=-I/44
⑹雷电流的波前时间、陡度及波长
我国规定防雷设计中采用2.6/40μs的波形
雷电流波前的平均陡度：a=I/2.6 kA/μs
波前陡度的最大极限值可取50kA/μs
⑺雷电流的计算波形
负极性雷击电流都具有非周期单极性的脉冲波形
雷电流具有冲击波形的特点：迅速上升，平缓下降
①双指数波
②斜角波
一般线路防雷设计中采用等值斜角波
③半余弦波
在大跨越、特殊高杆塔防雷设计时采用
④标准冲击波
⑻雷电的多重放电次数及总延续时间
平均重复冲击次数可取3次
总延续时间，有50%小于0.2s，大于0.62s的只占5%
⑼放电能量
4.雷电过电压的形成
分类
直接雷击过电压
感应雷击过电压
静电分量（通常只考虑）
电磁分量
感应雷击过电压的最大值Ui
雷电点与电力线路之间的距离s＞65m的情况：Ui=25×I·hc/s
hc：导线的平均对地高度；s：雷击点与电力线路的距离
感应雷击过电压与相邻导线间的感应电压对比
⑴感应雷击过电压（300～400kV）的极性一定与雷云的极性相反，而相邻导线间的感应电压的极性一定与感应源相同
⑵感应过电压一定要在雷云及其先导通道中的电荷被中和后才能出现，而相邻导线间的感应电压却与感应源同生同灭
⑶感应雷击过电压的波前平缓、波长较长
⑷感应雷击过电压在三相导线上同时出现，且数值基本相同，故不会出现相间电位差和相间闪络；如幅值较大也只可能引起对地闪络
感应雷击过电压形成机理与直接雷击过电压完全不同
感应雷击过电压对于110kV及以上的线路绝缘不会构成威胁
二.防雷保护装置
1.避雷针和避雷线
避雷针适用于像变电所、发电厂这样相对集中的保护对象
避雷线适用于架空线路这样伸展很广的保护对象
保护范围对应0.1%的绕击率
避雷针保护范围规定
在某一被保护物高度hx的水平面上的保护半径rx为
变电站避雷针架设高度为hx，则该避雷针地面保护半径为1.5hx
当hx≥h/2时，rx=（h-hx）P 当hx＜h/2时，rx=（1.5h-2hx）P
h：避雷针高度；P：高度修正系数
当h≤30m时，P=1；当30m＜h≤120m时，P=5.5/√h
避雷线保护范围规定
当hx≥h/2时，rx=0.47（h-hx）P 当h＜h/2时，rx=（h-1.53hx）P
保护角指避雷线和边相导线的连线与经过避雷线的铅垂线之间的夹角，保护角越小（20～30°），避雷线对导线的屏蔽保护作用越有效，绕击概率也小
220～330kV双避雷线线路的保护角，一般采用20°左右，500kV的一般不大于15°或为负角
山区宜采用较小的保护角
多雷区和强雷区可采用负的保护角
220～500kV紧凑型架空线路应全线架设双避雷线，可采用负的保护角
2.保护间隙和避雷器
保护间隙
通常把间隙的电极做成角型
缺点
①间隙放电的伏秒特性很陡，放电分散性很大，难以与保护绝缘的伏秒特性取得良好配合
②保护间隙没有专门的灭弧装置，灭弧能力有限，可与自动重合闸配合使用
③保护间隙动作后会产生大幅值截波，对变压器类设备的纵绝缘很不利
适用场合
低压配电网
中性点非有效接地电网中
管式避雷器（排气式避雷器）
①伏秒特性和产生截波方面与保护间隙一样
②运行维护麻烦
③运行不可靠，炸管等故障使它本身成为事故源之一
输电线路上绝缘比较薄弱的地方和用于变电所、发电厂的进线段保护中
普通阀式避雷器
只能用于雷电过电压防护
工频放电试验，要求将放电时短路电流的幅值限制在0.7A以下
组成
火花间隙F（蜂窝间隙）
间隙的作用
①限制雷电侵入波
②在阀片配合下切断工频续流
③隔离
串联的工作电阻（阀片SiC）R
阀片的作用
①提供残压、防止截波
②限制工频续流，配合间隙灭弧
③配合切断工频续流
⑴额定电压：指使用此避雷器的电网额定电压，即正常运行时作用在避雷器上的工频工作电压
⑵灭弧电压（设计依据）
概念：指该避雷器尚能可靠地熄灭续流电弧时的最大工频作用电压
灭弧电压应大于避雷器安装点可能出现的最大工频电压
⑶冲击放电电压
220kV及以下的避雷器，指在标准雷电冲击波下的放电电压幅值的上限
330kV及以上的超高压避雷器，除了雷电冲击放电电压外，还包括在标准操作冲击波下的放电电压幅值的上限
⑷工频放电电压
⑸残压
概念：指冲击电流通过避雷器时，在工作电阻上产生的电压峰值
5kA（220kV及以下避雷器）和10kA（330kV及以上避雷器）；电流波形为8/20μs
评价阀式避雷器性能的技术指标
⑴保护水平
概念：避雷器上可能出现的最大冲击电压的峰值
国标：残压、标准雷电冲击放电电压、陡波放电电压/1.15，三者中取最大值
保护水平应低于被保护设备的绝缘水平，且有一定裕度，保护水平越低越好
⑵冲击系数
概念：等于避雷器冲击放电电压与工频放电电压幅值之比
希望冲击系数接近于1，避雷器的伏秒特性更平坦，有利于绝缘配合
⑶切断比
概念：等于避雷器工频放电电压的下限与灭弧电压之比
切断比越接近1，说明火花间隙的灭弧性能越好、灭弧能力越强
⑷保护比
概念：等于避雷器的残压与灭弧电压之比
保护比越小，表明残压低或灭弧电压高，意味着绝缘上受到的过电压小，避雷器的保护性能好
磁吹避雷器
用作雷电过电压防护，还可对内部过电压保护，火花间隙放电电压取得较低
冲击放电电压和残压均低于同级电压的其他型避雷器
金属氧化物避雷器（MOA）
无间隙避雷器
正常电压时阀片电阻很大
氧化锌阀片在相电压下流过的电流数量级为10的-5次方A
优点
⑴保护特性优越，具有优异的非线性伏安特性，伏秒特性平坦，冲击系数小，陡波响应能力大大改善
⑵无续流、动作负载轻、能重复动作实施保护
⑶通流容量大，通流能力是SiC阀片的4～4.5倍
⑷耐污性能好，抗老化能力强，寿命长
⑸结构大大简化，体积缩小很多，适用于大批量生产，造价低廉
ZnO避雷器是直流输电系统最理想的过电压保护装置
电气特性
⑴额定电压
概念：避雷器能较长期耐受的最大工频电压有效值
⑵容许最大持续运行电压（MCOV）
概念：避雷器能长期持续运行的最大工频电压有效值
一般应等于系统的最高工作相电压
⑶起始动作电压
通常以通过1mA电流时的电压作为起始动作电压（参考电压）
与初始值比较，变化应不大于±5%
在75%直流1mA参考电压下的泄漏电流应不大于50μA
⑷残压
概念：指放电电流通过避雷器时，其端子出现的电压峰值
雷电冲击电流下的残压：波形为7～9/8～22μs，标称放电电流为5kA，10kA，20kA
操作冲击电流下的残压：波形为30～100/60～200μs，电流峰值为0.5kA（一般避雷器），1kA（330kV避雷器），2kA（500kV避雷器）
陡波冲击电流下的残压：电流波前时间为1μs，峰值与标称（雷电冲击）电流相同
⑸保护水平
概念：雷电冲击残压与陡波冲击残压/1.15中的最大值
保护水平越低，保护性能越好
⑹压比（残压比）
概念：标称放电电流（8/20μs）的残压与起始动作电压（参考电压）之比
压比越小，保护性能越好
目前产品制造水平压比能达到1.6～2
⑺切断比
概念：工频击穿放电电压的最小值与额定电压之比
表征避雷器灭弧能力的参数
⑻荷电率（AVR）
概念：容许最大持续运行电压的幅值与起始动作电压之比
荷电率越高，相应地残压越低，保护性能越好
一般选用45%～75%或更大
⑼保护比
概念：压比和荷电率之比
保护比越小，保护性能越好
各种避雷器的综合比较
避雷器实现保护作用的前提
①伏秒特性与被保护绝缘良好配合
②被保护绝缘处于避雷器保护距离之内
③残压低于被保护绝缘冲击耐压
3.防雷接地
接地装置指埋入地中并直接与大地接触的金属导体，电气装置、设施的接地端子与接地极网连接用的金属导电部分
接地装置的构成
接地极
接地线
接地极之间的连接导体
接地按作用分类
⑴工作接地
概念：在电气系统电气装置中，为运行需要所设的接地
例如三相系统的中性点接地，双极直流输电系统的中点接地
要求接地电阻值在0.5～10Ω内
⑵保护接地
要求接地电阻值在1～10Ω内
⑶防雷接地
例如杆塔接地
要求接地电阻值在1～30Ω内
按流散电流种类不同分类
直流接地装置
交流接地装置
冲击接地装置
接地电阻是表征接地装置功能的一个重要电气参数
接地电阻组成
接地引线的电阻
接地体本身的电阻
接地体与土壤间的过渡电阻
大地的溢流电阻（最大）
接地电阻的冲击系数
概念：冲击接地电阻与工频接地电阻（稳态电阻）的比值
冲击系数与接地体的几何尺寸、结构形状、雷电流的幅值和波形及土壤电阻率有关
一般小于1，但在接地体很长时也可能大于1（火花效应小于电感效应）
电感效应使冲击接地电阻变大
火花效应使冲击接地电阻变小
多根垂直接地体并联后，接地电阻变大，因为他们溢散的电流相互之间存在屏蔽影响的缘故，利用系数η＜1
降低线路杆塔接地电阻的措施
①增加水平射线的长度或根数
②引伸接地
③合理使用降阻剂或适量更换土壤
④连续延伸接地
降低发电厂、变电站接地网接地电阻的措施
①增大接地网面积
③人工改善电阻率
④深埋接地体
⑤深井爆破接地
⑦利用自然接地体（多支外引式接地装置）
三.架空输电线路防雷保护
1.输电线路耐雷性能的若干指标
耐雷水平
概念：雷击线路时，其绝缘尚不至于发生闪络的最大雷电流幅值或能引起绝缘闪络的最小雷电流幅值
单位：kA
雷直击110kV架空输电线路导线时的耐雷水平大约是7kA
雷击跳闸率
概念：指在雷暴日Td=40的情况下、100km的线路每年因雷击而引起的跳闸次数
单位：次/（100km·40雷暴日）
降低雷击跳闸率的措施：加大避雷线间距，减小避雷线的保护角
2.线路雷害事故发展过程及防护措施
防雷效果指标：建弧率
概念：由冲击闪络转变为稳定工频电弧的概率
η=（4.5E∧0.75-14）×10∧-2
防雷保护措施
⑴避雷线（架空地线）
避免雷电直击导线，提高线路耐雷水平的有效措施之一
110～220kV高压线路，避雷线的保护角α大多取20～30°
500kV及以上的超高压线路上，取α≤15°
35kV及以下线路一般不在全线装设避雷线
⑵降低杆塔接地电阻
提高线路耐雷水平（优先考虑降低接地电阻）和减少反击概率的主要措施
⑶加强线路绝缘
提高耐雷水平、降低建弧率
⑷耦合地线
增加分流作用、耦合作用，提高线路耐雷水平和降低雷击跳闸率
⑸消弧线圈
减小建弧率和断路器的跳闸次数
雷击跳闸率降低1/3左右
⑹管式避雷器
提高耐雷水平、免除冲击闪络，使建弧率降为零
⑺阀式避雷器
⑻不平衡绝缘
⑼自动重合闸
110kV及以上高压线路的重合闸成功率为75%～95%
3.线路耐雷性能的分析计算
雷击点不同
⑴绕击导线
绕击率：雷闪绕过避雷线而直接击中导线的可能性
绕击率与保护角、杆塔高度及线路通过地区的地形地貌有关，与保护角成正比，与杆塔高度成正比
山区线路绕击率是平原线路的3倍，相当于保护角增大8°
220kV线路的绕击耐雷水平为12kA，大于此值的雷电流出现概率为73%
⑵雷击档距中央的避雷线
雷击避雷线最严重的情况是雷击点处于档距中央时
真正击中档距中央避雷线的概率只有10%
雷击点电压幅值与雷电流幅值大小无关，仅取决于它的波前陡度a
大跨越、高杆塔的情况下，雷击点最大电压将取决于雷电流幅值
⑶雷击杆塔
从雷击线路接地部分而引起绝缘子串闪络的角度来看，最严重的条件为雷击某一基杆塔的塔顶
雷击杆塔所占的比例与避雷线根数和地形有关
击杆率
概念：雷击杆塔次数与落雷总数的比值
杆塔分流系数β
概念：流经杆塔的电流与雷电流的比值
0.86～0.92，小的好
反击
概念：雷电击中接地物体，使雷击点对地电位大大提高，引起对导线的逆向闪络
三种情况中绕击的耐雷水平最低
提高耐雷水平的措施
①加强线路绝缘（即提高U50%）
②降低杆塔接地电阻
③增大耦合系数
三相导线中，距避雷线最远的那一相导线的耦合系数最小，易发生闪络，以此作为计算条件
四.变电所的防雷保护
1.变电所的直击雷保护
采用避雷针或避雷线防护直击雷
沿着输电线入侵的雷电过电压波，能使变电站中出现雷电过电压
避雷针分类
独立避雷针（接地电阻不超过10Ω）
装设在配电装置架构上的避雷针
规定
⑴110kV及以上的配电装置，采用架构避雷针。但在土壤电阻率＞1000Ω·m的地区，仍宜装设独立避雷针，防止发生反击
⑵35kV及以下的配电装置应采用独立避雷针
⑶60kV的配电装置，在ρ＞500Ω·m的地区采用独立避雷针，在ρ＜500Ω·m的地区采用架构避雷针
⑷变压器的门型架构不允许装设避雷针
避雷针的空气间距不小于5m，地中距离不小于3m
避雷针离开道路应大于3m，避雷针和配电架构间的气隙不小于5m
配电装置架构上避雷针的集中接地装置应与主接地网连接，且该连接点距10kV及以下设备与主接地网连接沿接地极的长度不应小于15m
2.阀式避雷器保护作用的分析
对入侵雷电过电压波进行防护的主要措施，主要是限制过电压波的幅值
阀式避雷器的保护作用基于三个前提
①伏秒特性与被保护绝缘的伏秒特性有良好的配合，在一切电压波形下，前者均处于后者之下
②伏安特性应保证其残压低于被保护绝缘的冲击电气强度
③被保护绝缘必须处于该避雷器的保护距离之内
Lm=ν·（Uw-Uis）/2a
Uw为雷电冲击耐压值，Uis为阀式避雷器的冲击放电电压
避雷器到变压器的最大允许距离随变压器多次截波耐压值与避雷器残压的差值成正比，与陡度成反比，与波速成正比
其他电气设备的最大允许距离比变压器大35%
在诸多的变电设备中，应把避雷器装得离主变压器近一些
避雷器距变压器有一定的电气距离时，变压器上的电压为震荡电压，其振荡轴为避雷器残压
3.变电所的进线段保护
进线段保护的作用
①降低波前陡度和幅值
利用冲击电晕使雷电过电压波发生衰减和变形
②限制流过避雷器的冲击电流幅值
进线段接地电阻应小于10Ω
最不利的情况为雷击于进线段始端，过电压波的幅值可取等于线路绝缘的50%冲击闪络电压U50%，波前时间为2.6μs
对未沿全线架设地线的35～110kV架空送电线路，一般在变电所1～2km的进线段架设地线
4.变电所防雷的几个具体问题
变电所防雷接线
⑴进线段保护内，避雷线的保护角不超过20°，最大不超过30°
⑵采取措施保证耐雷水平不低于表中要求
三绕组变压器的防雷保护
低压绕组也会有过电压，最不利的情况是低压绕组处于开路状态
在任一相低压绕组出线端加装一只该电压等级的避雷器，就能保护好三相低压绕组
自耦变压器的防雷保护
变压器中性点的保护
中性点绝缘水平情况
①全绝缘：中性点的绝缘水平与绕组首端的绝缘水平相同
②分级绝缘：中性点的绝缘水平低于绕组首端的绝缘水平。在220kV及更高的变压器中，采用分级绝缘的经济效益显著
全绝缘一般不需采取专门的保护
35kV及以下的中性点非有效接地的变压器，中性点都采用全绝缘，一般不设保护装置
气体绝缘变电所防雷保护的特点
⑴GIS绝缘的伏秒特性很平坦，绝缘水平主要取决于雷电冲击水平。采用氧化锌避雷器
⑵GIS结构紧凑，被保护设备与避雷器相距较近
⑶GIS的波阻抗比架空线路小（60～100Ω），过电压幅值和陡度都显著变小，对变电所的进波防护也有利
⑷GIS内的绝缘大多为稍不均匀电场结构，负极性击穿电压低于正极性击穿电压
⑸GIS绝缘中不允许产生电晕，一旦产生电晕，绝缘会立即击穿，绝缘没有自恢复能力
⑹属于全封闭结构，绝缘强度不受周围环境影响
五.旋转电机的防雷保护
1.旋转电机防雷保护的特点
⑴同一电压等级的电气设备中，旋转电机的冲击电气强度最低
⑵电机绝缘的冲击耐压水平与保护它的避雷器的保护水平差不多、裕度很小
⑶发电机绕组的匝间电容很小和不连续，每匝绕组的长度又远较变压器绕组为大
2.旋转电机防雷保护措施及接线
直配电机
非直配电机
直配电机的防雷措施
①避雷器保护：降低侵入波幅值
②电容器保护
降低侵入波陡度
降低感应雷过电压
③电缆段保护
进线段保护
插入150m以上电缆线
④电抗器保护
限制侵入波陡度，通过抬高首端冲击电压，使安装在电缆首端的避雷器放电
容量在15000kVA以上的旋转电机不得与架空线相连
60MW以上的发电机不能与架空线路直接连接，即不能以直配电机的方式运行
