高电压课件 第七章

金属氧化物避雷器（MOA）金属氧化物主要成份是氧化锌，有时也称为氧化锌避雷器。金属氧化物避雷器有一系列优点：①非线性系数
α值很小。在额定电压作用下，通过的电流极小，因此可以做成无间隙避雷器。②保护性能好。它不需间隙动作，电压一旦升高，即可迅速吸收过
电压能量，抑制过电压的发展；有良好的陡度响应特性；性能稳定。③金属氧化物避雷器基本无续流，动作负载轻，耐重复动作能力强。④通流
容量大。避雷器容易吸收能量，没有串联间隙的制约，仅与阀片本身的强度有关。同碳化硅（SiC）阀片比较，氧化物阀片单位面积的通流能力大
4~4.5倍。⑤结构简单，尺寸小，易于大批量生产，造价低。⑥适用于多种特殊需要。氧化锌阀片具有极好的
非线性伏安特性，如下图示，可分为小电流区、非线性区和饱和区。氧化锌阀片的伏安特性9.5防雷接地接地：就是把设备与电位参照
点的地球作电气上的连接，使其对地保持一个低的电位差。办法：在大地表面土层中埋设金属电极，这种埋入地中并直接与大地接触的金属导体
，叫做接地体，有时也称为接地装置。①工作接地：为了运行的需要，将电网某一点接地，其目的是为了稳定对地电位与继电保护上的需要。
②保护接地：为了保护人身安全，防止因电气设备绝缘劣化，外壳可能带电而危及工作人员安全。③防雷接地：导泄雷电流，消除过电压对设备的
危害。④静电接地：在可燃物场所的金属物体接地。第七章雷电放电及防雷保护装置研究雷电过电压的必要性：雷电现象极
为频繁，产生的雷电过电压可达数千kV，足以使电气设备绝缘发生闪络和损坏，引起停电事故。有必要理解雷电产生的原因、过程及参数，以理
解防雷原理及设计防雷设备。有必要对输电线路、发电厂和变电所的电气装置的采取防雷保护措施。第一节雷电放电和雷电过电压
能产生雷电的带电云层称为雷云。雷云的形成主要是含水汽的空气的热对流效应。太阳的热辐射使地面部分水分化为蒸汽，含水蒸汽的
空气受到炽热的地面烘烤而上升，会产生向上的热气流。热气流每上升10km，温度下降约10℃，热气流与高空冷空气相遇形成雨滴、冰雹等水
成物，水成物在地球静电场的作用下被极化，形成热雷云。一、雷云的形成雷云的形成过程是综合性的。强气
流将云中的水滴吹裂时，较大的残滴带正电，较小的水珠带负电，小水珠被气流带走，于是云的各部分带带有不同的电荷，这是水滴破裂效应。
水在结冰时，冰粒会带正电，没有结结冰的被风吹走小水珠将带负电，这是水滴结冰效应。最后形成带正电的云粒子在云的上
部，而负电的水成物在云的下部，或者带负电的水成物以雨或雹的形式下降到地面。当上面所讲的带电云层一经形成，就形成雷云空间电场。
由此可见，雷电的成因源于大气的运动。雷云放电作用于电力系统的雷电过电压最常见的（约90%）是由带负电的
雷云对地放电引起，称为负下行雷，下面以负下行雷为例分析雷电放电过程。负下行雷通常包括若干次重复的放电过程，而每次可以分为先导放电、
主放电和余辉放电三个阶段。先导放电阶段主放电阶段余辉放电阶段二、雷电放电过程图8-1负雷云下行雷的过程
(a)负下行雷的光学照片描绘图(b)放电过程中雷电流的变化过程先导：不连续性（分级先导），历时约0.005~0.0
10s。每一级先导发展速度相当高，但每发展到一定长度（平均约50m）就有一个10~100μs的间隔。发展速度约为光速
的1/1000。主放电：时间50~100μs，移动速度为光速的1/20~1/2；主放电时电流可达数千安，最大可
达200~300kA。余辉：雷云中剩下的电荷继续沿主放电通道下移，称为余辉放电阶段。余辉放电电流仅数百安，但持续的时间可达
0.03~0.15s。三、雷电参数雷电活动强度——雷暴日及雷暴小时雷暴日Td：每年中有雷电的天数。雷暴小
时Th：每年中有雷电的小时数。年平均雷暴日不超过15的地区为少雷区；超过40的为多雷区；超过90的
地区及根据运行经验雷害特别严重的地区为强雷区。落雷密度和雷击选择性地面落雷密度γ：每一个雷暴日、每平方公里对地面落雷次数
。电力行业标准DL/T620-1997建议取γ=0.07次／平方公里.雷电日。易击区：落雷密度远大于平均值。
雷电通道波阻抗雷电通道如同一个导体，雷电流在导体中流动，对电流波呈现一定的阻抗，该阻抗叫做雷电通道波阻抗（规程
建议取300~400Ω）。雷电流的极性国内外实测结果表明，负极性雷占绝大多数，约占75~90%
。雷电流幅值雷电流：雷击具有一定参数的物体时，若被击物阻抗为零，流过被击物的电流规程规定，雷电流是指雷击于的低接地电阻物体
时，流过该物体的电流。少雷区：一般地区：雷电流的波前时间（波头）、陡度及波长波头：1~5μs范围内变化，
多为2.5~2.6μs，规程规定取2.6μs；波长：20~100μs，多数为40μs左右。为简化计算，
视为无限长；陡度：陡度α与幅值I有线性的关系，即幅值愈大，陡度也愈大。一般认为陡度超过50kA/μs的雷电流出现的
概率已经很小（约为0.04）。雷电流的波形标准波形斜角平顶波半余弦波雷电的多重放电次数及总延续时间一次雷
电放电含多次重复冲击放电。总延续时间小于0.2s的有50%.雷电放电能量一次雷电放电能量不大，但时间极短，对应功率很大
。四、雷电过电压的形成1.雷电放电的计算模型雷击地面由先导放电转变为主放电的过程可以用一根已充当的垂直导线
突然与被击物体接通来模拟。图8-3雷击大地时的计算模型(a)模拟先导放电(b)模拟主放电(c)主放电通道电路
(d)等值电路2.直击雷过电压的几个典型算例雷击于地面上接地良好的物体能测量的往往是雷电流幅值
，可见，从雷道波阻抗投射下来的电流入射波的幅值为：A点的电压幅值为雷击于导线或档距中央避雷线雷击点
A的电压幅值令得还可令则：2.感应雷过电压由于雷云对地放电过程中，放电通道周围空间电磁场的急剧变化，会在附近线路
的导线上产生过电压。在雷云放电的先导阶段，先导通道中充满了电荷，如下图（a）所示当先导到达附近地面时，主放电开始，先导通道中的电荷
被中和，与之相应的导线上的束缚电荷得到解放，以波的形式向导线两侧运动，如下图（b）所示。感应雷过电压的形成(a)先导放电阶段
（b）主放电阶段静电场突然消失静电分量主放电产生脉冲磁场静电分量雷击线路附近地面：雷击杆塔或线路附近避雷线
：α——感应过电压系数，kV/m，其值等于以kA/μs为单位的雷电流平均陡度值，即α=I/2.6。hd——导
线平均高度，m。实测表明，感应过电压峰值最大可达300~400kV。这对35kV及以下的水泥杆线路可能引起闪
络事故；110kV及以上的线路，由于绝缘水平较高，一般不会引起闪络事故，且感应过电压同时存在于三相导线上，故相间不存在电位差，只能
引起对地闪络。无避雷线时的感应雷过电压有避雷线时的感应雷过电压Kc为避雷线与导线之间的耦合系数。如前
所述，其值只决定于导线间的相互位置与几何尺寸。线间距离越近，则耦合系数Kc愈大，导线上感应过电压愈低。避雷线在导线上耦合出
来的电压第二节防雷保护装置雷电放电作为一种强大的自然力的爆发是难以制止的，产生的雷电过电压可高达数百至数千kV，如不
采取防护措施，将引起电力系统故障，造成大面积停电。目前人们主要是设法去躲避和限制雷电的破坏性，基本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。避雷针、避雷线用于防止直击雷过电压，避雷
器用于防止沿输电线路侵入变电所的感应雷过电压。一、避雷针和避雷线避雷针（线）的保护原理当雷云的先导向下发展，高出
地面的避雷针（线）顶端形成局部电场强度集中的空间，以至有可能影响下行先导的发展方向，使其仅对避雷针（线）放电，从而使得避雷针（线）
附近的物体免遭雷击。对避雷针（线）的要求（1）为了使雷电流顺利地泄入大地，故要求避雷针（线）应有良好的接地装置。（2）被
保护设备全面位于避雷针（线）的保护范围内。但为了防止与被保护物之间的间隙击穿（也称为反击），它们之间应保持一定的距离。避雷
针的保护范围避雷针的保护范围是指被保护物体在此空间范围内不致遭受直接雷击。我国使用的避雷针的保护范围的计算方法，是根据
小电流雷电冲击模拟试验确定，并根据多年运行经验进行了校验。保护范围是按照保护概率99.9%确定的空间范围（即屏蔽失效率或绕击率0.
1%）。避雷针（线）的保护原理当雷云的先导向下发展，高出地面的避雷针（线）顶端形成局部电场强度集中的空间，以至有可能
影响下行先导的发展方向，使其仅对避雷针（线）放电，从而使得避雷针（线）附近的物体免遭雷击。双根等高避雷针保护范围单根避雷针保
护范围当时：当时：双根不等高避雷针保护范围多支等高避雷针保护的外侧保护
范围分别按两支等高避雷针的计算方法确定。四支及以上等高避雷针所形成的四角形或多角形，可先将其分成两个或数个三角形，然后分别按三支等
高避雷针的方法计算。三、四支等高避雷针在hx水平面上的保护范围(a)三支等高避雷针在hx水平面上的保护范围(b)四支等高避雷
针在hx水平面上的保护范围单根避雷线保护范围两平行避雷线保护范围避雷线保护角避雷线的保护范围二、保护间隙和避雷器避雷
器的保护原理当雷电入侵波或操作波超过某一电压值后，避雷器将优先于与其并联的被保护电力设备放电，从而限制了过电压，
使与其并联的电力设备得到保护。避雷器的技术要求（1）过电压作用时，避雷器先于被保护电力设备放电，当然这要由两者的全伏秒特性
的配合来保证；（2）避雷器应具有一定的熄弧能力，以便可靠地切断在第一次过零时的工频续流。避雷器的种类保护间隙，管式避雷器
，阀式避雷器（包括金属氧化物避雷器）1、保护间隙优点：结构简单、价廉。缺点：保护效果差，与被
保护设备的伏秒特性不易配合；动作后产生的截波，对变压器匝间绝缘有很大的威胁。因此它往往与其它防护措施配合使用。保护间隙常
用双羊角状间隙，取其有电弧上吹特性，我国常用于3~10kV电网中。保护间隙有一定的限制过电压效果，但不能避免供电中断。角型保
护间隙1—角型电极2—主间隙2、管型避雷器外间隙内间隙1—产气管；2—胶木管套；3—棒电极；4—环形电极；5—
贮气室；6—动作指示器管式避雷器不但有一个切断电流的下限，而且还有一个切断电流的上限。其安装点最大与最小短路电
流要分别小于和大于管式避雷器的上、下限。管式避雷器伏秒特性陡，放电分散性大，动作产生截波，放电特性受大气条件影
响，故它主要用作保护线路弱绝缘，以及电站的进线保护段。三、阀型避雷器当过电压达到间隙动作电压，间隙动作，冲击电
流经阀片流入大地；之后，阀片仅受到工频电压作用，由于非线性关系，阀片电阻值增高，使流过的工频续流受到限制，并在第一次过零瞬间，由间
隙将此续流切断。注意：避雷器从间隙击穿到工频续流被切断不超过半个周波，因此电网在整个过程均保持正常供电。普通阀式避雷器（火
花间隙、非线性电阻）单个火花间隙的结构a.保证间隙中的电场为均匀电场，伏秒特性平缓；b.电晕可缩短间隙放电时间阀片的伏安特
性多个短间隙串联易于切断工频续流。（复合与散热）多个问隙串联电压分布不均匀，使避雷器灭弧能力降低。可使用并联电阻使电压分布均
匀。a.当电流增大时，阀片呈现低阻值，使避雷器上电压降低，增加了避雷器的保护效果。b.希望在工频电压升高后流过间隙阀片的续
流不超过规定值，此时阀片呈现的电阻要有足够的数值。灭弧电压：对于有间隙避雷器，续流第一次经过零值保证不重燃的条件下，允许作用在
避雷器上的最高工频电压。切断比：避雷器间隙的工频放电电压（下限）与续流过零后间隙所能承受的最大工频电压（灭弧电压）之比，其值越小
越好。残压：流过避雷器的冲击电流一定幅值（普通阀式避雷器为5kA），一定波形（8/20μs），在阀片电阻上产生的最大压降。
保护比：残压与灭弧电压之比，保护比的值越小越好。磁吹阀式避雷器提高避雷器切断工频续流值的方法之一是“磁吹”，
即利用磁场电弧的电动力作用，使电弧拉长或旋转，以提高间隙灭弧能力。1—电极；2—灭弧盒；3—分路电阻；4—灭弧栅；5—主间隙；6—磁吹线圈；7—辅助间隙间隙由一对角形电极1组成，磁场是轴向的，续流电弧被轴向磁场力拉长，吹入灭弧栅4，电弧最终长度可达起始长度的数十倍，灭弧盒2用陶瓷或云母、玻璃等材料制成，电弧在灭弧栅中受到强烈的去游离作用，因而电弧电阻很大，能起到限制续流的作用，故称为限流间隙，它可切断450A左右的续流。多个间隙串联电路中，由于寄生电容存在，灭弧过程工频电压在各个间隙上的分布是不均匀的，将影响每个间隙作用的充分发挥，减弱了灭弧能力。通常将四个火花间隙放在一个瓷套筒里组成标准间隙组，在每个标准间隙组的侧面并有两个串联的半环形非线性分路电阻，以便起均压作用，如下图所示。在间隙上并联分路电阻(a)标准火花间隙组（普通阀式避雷器）(b)原理图