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第四篇电气工程安全技术篇!)-第三十一章防雷保护与间接接触电击防护技术第一节雷电现象种类和性质一雷电现象及雷电的种类（一雷电现象雷电是雷云之间或雷云对地面放电的一种自然现象。在雷雨季节里，地面上的水分受热变成水蒸气，并随热 空气上升在空气中与冷空气相遇，使上升气流中的水蒸气凝成水滴或冰晶，形成积云。云中的水滴受强烈气流的 摩擦产生电荷，而且微小的水滴带负电，小水滴容易被气流带走形成带负电的云;较大的水滴留下来形成带正电的 云。由于静电感应，带电的云层在大地表面会感应出与云块异性的电荷，当电场强度达到一定值时即发生雷云与 大地之间的放电;在两块异性电荷的雷云之间，当电场强度达到一定值时，便发生云层之间放电。放电时伴随着强 烈的电光和声音，这就是雷电现象。雷云放电时也是由于雷云中的电荷逐渐聚集增加使其电场强度达到一定程度时，周围空气的绝缘性能 就被 破坏于是正雷云对负雷云之间或者雷云对地之间，发生强烈的放电现象。其中尤以雷云对地放电（直接雷击对 地表的供电网络和建筑物的破坏性最大。雷云是产生雷电的基本因素，而雷云的形成必须具有下列三个条件：!"空气中有足够的水蒸气；#"有使潮湿的空气能够有上升并凝结为水珠的气象或地形条件；$"具有气流强烈持久地上升的条件。雷电过电压是由雷云放电产生的，它是一种壮观的自然现象，包括闪电 和雷鸣两种现象两者相伴出现，因而常称之为雷电。最常见的雷云有热雷云和锋面雷云两种。垂直上升的湿热气流升至 #%& （高空时湿 热气流中的水分逐渐凝结成浮悬的小水滴，小水滴越聚越多形成大面积的乌黑色积云。若此类积云由于某种原 因而带电荷则称为热雷云。此外，水平移动的气流因温度不同，当冷热气团相遇时，冷气团的容度较大推举热气 团上升。在它们的广泛的交界面上，热气团中的水分突然受冷凝结成小水滴及冰晶而形成翻腾的积云此类积云 如带电荷称为锋面雷云。一般情况，锋面雷云波及的范围比热雷云大得多，可能有几公里甚至十几公里宽的大范 围地区流动的速度可高达每小时！）#） （。因此它所形成的雷电危害性也较 大。雷云对地之间的电位是很高的，它对大地有静电感应。此时雷云下面的大地感应出异性的电荷，两者之间构 成了一个巨大的空间电容器。雷云中或是在雷云对地之间，电场强度各处不一样。当雷云中任一电荷 聚集中心 处的电场强度达到#&%$）* +,（时空气开始游离成为导电性的通道，叫做雷电先导。雷电先导 进展到离地面大约在!） %$）（高度时地面受感应而聚集的异号电荷更加集中，特别是易于聚集在较突起或较高的地面突 出物上于是形成了迎雷先导，向空中的雷电先导快速接近。当两者接触时，这时地面的异-$"-新编电气工程师手册号电荷经过迎雷先导通道与雷电先导通道中的电荷发生强烈的中和，出现极大的电流并发出光和声，这就是 雷电 的主放电阶段。主放电阶段存在的时间极短，一般约!" # $""! %电流可达数十万安。主放电阶段结束 后雷云中 的残余电荷继续经放电通道入地，称为余辉阶段。余辉电流为$"" #$""" &持续时间一般为""( #" $! %雷云放电波形，见图($) $。先导电流 0.05-0.01$余辉电流 0.0AO.05S主放电电流 50100gs图($) $雷云放电波形图 由于雷云中可能同时存在着几个电荷聚集中心所以第一个电荷聚集中心完成对地的放电后，紧接着第二个第三个电荷聚集中心也可能沿第一次放电通道再次中和放电。因此雷云放电经常出现多重性，常见的为*#(次每次的放电间隔时间从几百微秒到几百毫秒不等，放电电流都比第一次小得多，且逐次减小。雷电对电力系统而言，是一种极大的威胁。根据英国、美国前苏联电力部门的统计数字，在所有电力系 统中破坏正常运行的事故有!"+ #，"+是由于大气过电压引起的。(二雷电的种类雷电的种类可分为直击雷、感应雷雷电波侵入及球雷四种。$ 直击雷有时雷云较低周围又没有带异性电荷的云层，而在地面上突出的树木或建筑物等，感应出异性电 荷，雷云就会通过这些物体与大地之间直接放电，这种直接击在建筑物或其他物体的雷击，称为直击雷。由于受直接雷 击被击物体产生很高的电位，而引起过电压流过的雷电流可达几十千安甚至几百千安，对设备架空线及建筑物产生极大的破坏作用，如架空线上产生几千千伏的高压后，会引起线路的闪络放电，发生 短路事故而且会波及变电所发电厂引起严重的后果。雷击放电大多数具有重复放电的性质。产生极大的雷电流，引起地面建筑物和其他物体的损坏，甚至发生 爆炸和引起火灾。* 感应雷感应雷又称雷电感应，它是由于雷电流的强大电场和磁场变化产生的静电感应和电磁感应引起的。它能造成金属部件之间产生电火花放电。静电感应的特点是，当雷云出现在导体的上空时，由于感应作用，使导体 上感应带有与雷云的异性电荷，雷云放电时在导体上的感应电荷得不到释放，致使导体与地面之间形成很高的电 位差。电磁感应的特点是，由于雷电流的幅值和陡度迅速变化，在它周围的空间里，会产生强大的变化的电磁场在 其中的导体感应产生极大的电动热，若有回路则产生很大的感应电流，而产生危害。(雷电波侵入 由于雷电对架空线路或金属导体的作用，所产生的雷电波就可能沿着这些导体侵入建筑 物内危及人身安全或损坏设备。雷电波侵入的事故时有发生，在雷害事故中占相当大的比例。-球雷第四篇电气工程安全技术篇!-通常认为球雷是一个炽热的等离子体，温度极高，并发生紫色或红色的发光球体，直径在！"#$"/以上球雷常沿地面滚动或在空气中飘动，能通过烟囱门窗或其他缝隙进入建筑物内部，或无声消失或伤 害人身和破坏物体，甚至发生剧烈的爆炸，引起严重的后果。二雷电参数为了对大气过电压采取保护措施，必须知道雷电参数。但雷电活动是由大自然气象变化所形成，各次雷云与 放电条件千差万别，故其参数只能是多次观测所得的统计数据，现将常用的几种雷电参数介绍如下：（一雷电通道的波阻抗主放电时的雷电通道，是充满离子的导体，可看成和普通导线一样，对雷电流呈现一定的阻抗，此时雷电压波与 电流波幅值之（、!& "&称为雷电流通道的波阻抗#,。在防雷设计时通常取#,等于（""！。（二雷电流幅值雷电流具有冲击特性。雷电流幅值即雷电冲击电流的最大值，亦即放电时雷电流的最 大值。雷电流幅值可高达数十千安至数百千安。根据我国各地测得的统计数据，绘制出的雷电概率曲线见 图（! ） $。图（！）$我国雷电流概率曲线图中所示的概率曲线也可用下式表达：式中 $雷电流幅值概率）"一雷电流幅值/0）*+$,）!"_-对于!""/0的雷电流幅值，可用计算或图中查得，其概率为! 12.即每!""次雷击中大约有!$次雷 击的雷 电流达到!""/0。我国西北地区内蒙古西藏东北边境地区的雷电活动较弱，电流幅值的概率可用下式表达：*+$ ,）"34（三雷电流的波形与陡度雷电流"随时间上升的速率称为雷电流陡度。雷电流是一种冲击波其幅值和陡度随各次放电条件而异一般幅值大的陡度也大。幅值和最大陡度都出现在波头部分故防雷设计只考虑波头部分。实测得到的雷电波头近似半余弦曲线，如图（！）（所示。"""&雷电流的计算式，为新编电气工程师手册图！"#!雷电流波形图会式中"玖电流幅值*+）式中的角速度！由波头时间决定。$ &。雷电波的特征用电流电压幅值*+或*，波头长度",（#）波长"&#）表示。"“是指雷电流由零 开始升到最 大幅值的时间，一般为"-.# ）。" &是雷电流由开始到波尾部分降至最大幅值的一半时所经过的 时间一般为./ - 0#）并用1号表示其极性。雷电流波头部分上升速度称雷电流陡度，分为最大陡度！ 2与平均陡度！ 2分别为5E" #$ %23$5！5#()！ #23& 5#&#)67最大陡度发生在波头中间，此时"#$%$ 28$5!$ %23$"%3 &!5#28#"%$% $式中"$%$是因为！$ "%时牌$%则#$" , $%$。故雷电流最大陡度为平均陡度的%9&倍。 在我国的防雷设计中，取"“ $&：；#）故雷电流的平均陡度为（四雷暴（或小时）5!$ 285#&：；28，*+# ）指一年中有雷电活动的天小时数用它表示雷电活动的强度。我国地域辽阔各地气候特征及雷雨期的长短不同，所 以雷电活动频繁度在不同的地区是不一样的。雷暴（小时的多少和纬度有关。北回归象北纬& ：0以南 一般在=-"!个北纬& :0到长江流域一带约 为./ -=个长江以北大部分地区和东北地区多在& - ./ 个的之间;西北地区最弱大多为"/个左右甚至 更少。我国规定平均雷暴日不超过"0个的地区叫少雷区， 超过./个的地区叫多雷区。在防雷设计上，要根据雷暴日数的多少而因地制宜。（五雷电冲击过电压雷电时的冲击过电压很高，直击雷的冲击过电压可用下式表达:#$ &?,54第四篇电气工程安全技术篇-1112 -式中！ !一直击雷冲击过电（"#）!一雷电流"$）"%-防雷装置的冲击接地电阻:！）#&一雷电流陡度”$"）$一雷电流通路的电（* ）由此可见直击雷冲击过电压由两部分组成，前一部分决定于雷电流的大小，后一 部分决定于雷电流陡度。应当注意直击雷冲击过电压除决定于雷电流的特征外，还决定于雷电流通道的波阻抗。（六雷击电磁脉冲雷击电磁脉冲是一种干扰源，是指闪电直接击在建筑物防雷装置和建筑物附近所引起的效应。绝大多数是 通过连接导体的干扰，如雷电流或部分雷电流、被雷击中的装置的电位升高以及电磁辐射干扰。（七年预计雷击次数年预计雷击次数是表征建筑物可能遭受雷击的一个频率参数。它和年平均雷暴日有关，但呈非线性关系。经验公式为:1.2-(% , - .-/0&+式中 一建筑物的年预计雷击次数次(年)(+(年)厂年平均雷暴日数，按当地气象台站资料确定；(3与建筑物截收雷击次数相同的等效面积(单位为"4/)&一校正系数在一般情况下取1在下列情况下取相应的数值:#位于旷野孤立的建筑物取/$ 金属屋面 的砖木结构建筑物取1.5%位于河边湖边山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处土山 顶部山谷风口等处的建筑物以及特别潮湿的建筑物取1.6。国家标建筑物防雷设计规范滩荐的计算式为：1.%7,-.- /0 +式中 一建筑物所处地区雷击大地的年平均密度(次("4/8)%，)那3建筑物等效面积(3应为其实际平面积向外扩大后的面积，其计算方法如下：* , ! +(/- 9 +)(3,$, :/($: , ! +(/- 9 +):"+( /-9 +)1- 9;式中* 一建筑物每边的扩大宽度4)$、，、+一分别为建筑物的长、宽高4)当建筑物的高+" 1-4时其每边的扩大宽度应按等于建筑物的高+计算建筑物的等效面积的计算式 为：(3,$, : /+($: , ): " +/1-9;当建筑物各部位的高不同时，应沿建筑物周边逐点算出最大扩大宽度，其等效面积(3应按每点最大扩大宽 度外端的连接线所包围的面积计算。三雷电的危害雷电有时带来严重的危害，就其破坏因素来说雷电有以下三方面的破坏作用。(一电效应数十万至数百万伏的冲击电压可击毁电气设备的绝缘，烧断电线或劈裂电杆，造成大规模的停电;绝缘损坏 还可能引起短路，导致火灾或爆炸事故，巨大的雷电流流经防雷装置时会造成防雷装置的电位升高，这-&&& -新编电气工程师手册样的高电位同样可以作用在电气线路、电气设备或其他金属管道上，它们之间产生放电。这种接地导体由于电位 升高而向带电导体或与地绝缘的其他金属物放电的现象。叫做反击。反击能引起电气设备绝缘破坏， 造成高 压窜入低压系统，可能直接导致接触电压和跨步电压造成事故。可使金属管道烧穿，甚至造成易燃易爆物品着火 和爆炸。雷电流的电磁效应在它的周围空间里就会产生强大而变化的磁场，处于这电磁场中间的导体就会感应出很 高的电动势。这种强大的感应电动势可以使闭合回路的金属导体产生很大的感应电流，引起发热及其他破坏。当雷电流入地时，在地面上就会因雷电流引起跨步电压，造成人身触电事故。(二热效应巨大的雷电流几十至几百千安通过导体在极短的时间内转换成大量的热能。雷击点的发热量约为!"" #$质'遁成易爆物品燃烧或造成金属熔化、飞溅而引起火灾或爆炸事故。（三机械效应被击物遭到严重破坏，这是由于巨大的雷电流通过被击物时，使被击物缝隙中的气体剧烈膨胀，缝隙中 的水 分也急剧蒸发为大量气体，因而在被击物体内部出现强大的机械压力，致使被击物体遭受严重破坏或发生爆炸。第二节配电装置的侵入雷电波保护一保护措施配电装置对侵入雷电波的过电压保护是采用阀型避雷器及与阀型避雷器相配合的进线保护段等保护措 施&&（及以下的配电装置电气设备绝缘与阀型避雷器通过雷电流为！）幅值的残压进行配合。进线保护段的作用在于利用其阻抗来限制雷电流幅值和利用其电晕衰耗来降低雷电波陡度，并通过进 线段上管型避雷器的作用，使之不超过绝缘配合所要求的数值。二架空进线保护为防止或减少近区雷击闪络，对未沿全线架设避雷线的*!#&&（架空送电线路应在变电所&#$+的进线段架设避雷线，避雷线的保护角不宜超过$",最大不能超过*",施 其变电所的进线段应采用图*&-.所示的保护接线。在木杆或木横担钢筋混凝土杆线路进线段的首端，应装设一组管型避雷器/0&其工频接地电阻不宜超过 &'!。铁塔或铁横担、瓷横担的钢筋混凝土杆线路，以及全线有避雷线的线路，其进线段首端，一般不装设管型避雷 器 /0&。在雷季如果变电所*! #&&（进线的隔离开关或断路器可能经常断路运行，同时线路侧又带电，则必 须在靠近隔离开关或断路器处装设一组管形避雷器/0$。/0$外间隙值的整定，应使其在断路运行时，能可靠地保 护隔离开关或断路器，而在闭路运行时，不应动作并应处于母线阀型避雷器的保护范围内。如/0$整定有困难或 无适当参数的管型避雷器，可用阀型避雷器或保护间隙代替。第四篇电气工程安全技术篇图！" #$!%&"" （）变电所进线保护接线三电缆进线保护变电所的！%)及以上电缆进线段，在电缆与架空线的连接地应装设阀型避雷器，其接地端应与电缆的金属 外皮连接。对三芯电缆，末端的金属外皮应直接接地，见图!" #% !)对单芯电缆为防止在电缆外皮 中产生环流， 只允许将电缆一端的外皮直接接地，而另一端应经接地器*+或保护间隙七 接地见图!" #%("也可用氧化锌避雷器进行保护。如电缆长度不超过% -或虽超过%-但经校验装一组避雷器即能符合保护要求，在图!" #%中只装#” 或 # 。图!"#% 具有!)及以上电缆段的变电所进线保护接线如电缆长度超过%-且断路器在雷季可能经常断路运行，应在电缆末端装设管型避雷器或保护间隙。连接电缆段的"(-架空线路应架设避雷线。如果全部进线全长均为地下电缆，则变电所可不安装防护雷 电过电压的避雷器。四阀型避雷器与被保护设备间的最大电气距离的确定"/确定阀型避雷器与被保护设备间的最大电气距离时，侵入波的幅值应取进线段的绝缘冲击强度。侵入 波计算陡度应取表!"#"所列数值。./装有标准绝缘水平的设备和标准特性避雷器的变电所，阀型避雷器与主变压器、并联电抗器、电压互感器 间的最大电气距离，对一路进线和两路进线可分别按图!" #0和图!" #1确定与其他电器的最大电气 距离可相 应增大！2。在图！"#0和图!"#1 中!%&"" ()级系按普通阀型避雷器计算。-"""$ -新编电气工程师手册2401608012侵入波计算陡度a(kV/m)图！"#$一路进线的变电所中，避雷器与变压器的 最大电气距离与侵入波计算陡度的关系曲线侵入波计算陡度a(kV/m)(E 二施匮r买 y®图!" #%两路进线的变电所中避雷器与变压器的最大电气距离与侵入波计算陡度的关系曲线! 8变电所雷季经常运行的进线超过两路时，阀型避雷器与被保护设备间的最大电气距离可较图!" #"%的数 值增大！路进线可增加 ()*路及以上进线可增大!+)此外还应根据变电所可能改变的运行方 式进行 必要的校验。但可不考虑事故或检修的短时运行方式。额定电压(，-)表!"#" 变电所侵入波计算陡度侵入波计算陡度，-./)",/进线段，/进线段或全线有避雷线!+"8(8+$("&(8$""("8+(8%*&对电气接线比较特殊的变电所，可用计算方法或通过模拟试验确定最大电气距离。+8使用双回路杆塔的线路，有同时遭受雷击的可能，确定避雷器与变压器的最大电气距离时，应按一回路考 虑且在雷季中应尽量避免将其中一回路断开。第四篇电气工程安全技术篇-#-!"阀型避雷器与主变压器及其他被保护设备的电气距离，应尽量缩短。如阀型避雷器与主变压器的电 气 距离超过允许值， 应在主变压器附近增设一组阀型避雷器。五变压器侵入波保护#"自耦变压器保护自耦变压器一般除有高、中压自耦绕组外还有低压非自耦绕组，可能出现高低压绕组运行中压开路和 中低压绕组运行高压开路的运行方式。当入侵波从高压端线路袭来，高压端电压为！$时其初始和稳态电位分 布以及最大电位包络线都和中性点接地的绕组相同，见图%#& （"）在开路的中压端子我上可能出 现的最大 电位约为高压侧电压！$的）*$倍$为高压侧与中压侧绕组的变比）这样可能使处于开路的中 压端套管闪络， 因此在中压侧与断路器之间应装设一组避雷器，以便当中压侧断路器开路时保护中压侧绝 缘。当高压侧开路，中 压侧有雷电波入侵，中压侧电压为！（$时初始和稳态电位分布如图捋& （由中压 端#到开路的高压端#的 稳态分布是由中压端#（到中性点$的稳态分布的电磁感应而形成的。在振荡过程 中#点电位可达高压端# 点的稳态电压的两倍。图第& 自耦变压器中有雷电波入侵时的最大电位包络线（"高压端#进波；（哪压端#进波#一初始电压分布;）一稳态电压分布最大电位包络线这将危及开路的高压侧，因此在 高压侧与断路器之间也应装设一组避雷器。此外当中压侧有出线相当于#（点经线路波阻抗接地）而高压 侧有雷电波入侵时，#:相当于接地雷电波电压大部分将加在自耦变压器绕组的#绕组上可能使其损坏。同理，当高压侧连有出线而中压侧进波 时也 有类似情况。这种情况显然在#绕组愈短即变比越小时愈危险因此当变比小于#"）+时在#之间还应装加 一组避雷器如图捋& ,（"中虚线&%此避雷器的灭弧电压应大于高压或中压侧接地短路条件 下#所出现的最 高工频电压也可采用图辎&,（%所示“自耦避雷器保护方式。图%#&, 保护自耦变压器的避雷器配置（"）般避雷器配置；（唯耦避雷器配置-"""0 -新编电气工程师手册如采用图！" #$（!的保护接线在自耦绕组任一侧接地短路条件下，"%所承受的最高工频电压不应超 过其 灭弧电压。°!&（及以下自耦变压器还应在串联绕组的两端跨接阀型避雷器"。/（图!"#$#）使用氧化锌避雷器保%护自耦变压器时，当高压侧侵入波若中压侧避雷器先于高压侧避雷器动作，中压侧避雷器可能因能量小而损坏。因此，在选择避雷器时应校核中压侧的避雷器，使其额定电压不低于高压侧换算 到中压侧的电压值。%）三绕组变压器和分裂绕组变压器保护（"与架空线路连接的三绕组变压器（包括一台变压器与两台电机相连的分裂绕组变压器）的！ * "+（绕组如有开路运行的可能，应采取防止静电感应电压危及该绕组绝缘的措施一一在其一相出线上装设一只阀型避雷 器但如该绕组连有沼，及以上金属外皮电缆段，则可不装设避雷器。（9当三绕组变压器高、中压之间的变比较大如+-!&'（而中压侧又有长时间开路运行可能时，则应 考虑 在中压侧的一相出口上加装一只阀型避雷器。（!分裂绕组变压器同样有可能在其中一个分支绕组断开时，另一绕组仍继续运行,故应在每个分支绕组的一 相出口处装一只阀型避雷器。对于电力变压器和所有电压的自耦变压器，以及弱绝缘的""+'（的变压器在避雷器与变压器之间不应 装设开关设备。!）避雷器的配置原则阀型避雷器的安装位置和组数，应根据电气设备的雷电冲击绝缘水平和避雷器特性以及侵入波陡度，并结合配电装置的接线方式确定。避雷器至电气设备的允许距离还与雷雨季节经常运行的进线路数有关。进线数越多则允许距离可相应增大断路器隔离开关耦合电容器等电器的绝缘水平比变压器为高。因此，避雷器至这些设备的最大允许距离可 增大。上述允许距离应在各种长期可能的运行方式下都符合要求，但一般不考虑事故或检修的短时运行方式。六、*"+'（配电装置的保护变电所的电力变压器及！ * "+'（的配电装置应在每组母线和每路架空进线上装设阀型避雷器和保护 接线。避雷器与！* "+'（主变压器的最大电气距离，规定如下：!进线数为"时最大电气距离为"& ；"进线数为%时最大电气距离为,；#进线数为！时最大电气距离为,；$进线数大于/时则最大电气距离为！+,。%如各架空进线均有电缆段时避雷器与主变压器的最大电气距离不受限制。有电缆段的架空线路避雷器应装设在电缆头附近，其接地端应和电缆金属外皮相连。! * "+'（配电所当无所用变压器时，可仅在每路进线上装设阀型避雷器或管型避雷器。 避雷器应以最短的接地线与变电所配电所的主接地网连授包括通过电缆金属外皮连接）。避雷器附近应装设集中接地装置，见图！" #"+。欢迎您试用 Solid Converter PDF。本软件的试用版只会转换源文件内容的10%，最多可转换10页。这次文件转换，Solid Converter PDF转换了 420页中的10页。请到 为 Solid Converter PDF注册，以取 消这项限制。