第八章 雷电放电与防雷保护装置 8.1 雷云放电与雷电参数 一、雷云的形成 雷电放电电流高达数十、数百千安。 雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压。 产生巨大电流，使被击物体炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损坏。 8.1 雷云放电与雷电参数 一、雷云的形成 水滴分裂起电理论 大水珠带正电 小水珠带负电； 图7-1 带负电的雷云 局部正电荷 图8-1 雷云中的电荷分布

二、雷电放电过程 第一次主放电－箭状先导－第三次主放电 图7-2 图8-2 雷电放电过程

三、雷电参数 (一)雷电活动频度－－雷暴日及雷暴小时 雷暴日Td：一年中发生雷电的天数，以听到雷声为准，在一天内只要听到过雷声，无论次数多少，均计为一个雷暴日。 雷暴小时Th：一年中发生雷电放电的小时数，在一个小时内只要有一次雷电，即计为一个雷电小时。 雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关。 Td <15，少雷区； Td >40，多雷区； Td >90，强雷区

表8-1 我国主要城市年平均雷暴日 日/年 城市 雷暴日 北京 36.7 合肥 30.1 贵阳 48.9 天津 28.6 福州 57.6 表8-1 我国主要城市年平均雷暴日 日/年 城市 雷暴日 北京 36.7 合肥 30.1 贵阳 48.9 天津 28.6 福州 57.6 昆明 62.8 石家庄 31.5 南昌 58.5 拉萨 73.2 太原 36.4 济南 26.3 西安 17.3 呼和浩特 37.5 郑州 22.6 兰州 23.6 沈阳 27.1 武汉 37.8 西宁 32.9 长春 36.6 长沙 49.5 银川 19.7 哈尔滨 30.9 广州 87.6 乌鲁木齐 9.3 上海 32.2 南宁 88.6 海口 113.8 南京 35.1 重庆 41.0 台北 27.9 杭州 40.0 成都 36.9 香港 34.0

α---常数，取0.023 ; (二)地面落雷密度(γ) γ ---每个雷暴日每平方公里地面平均落雷次数。 C ---常数，取0.3 Td ＝40的地区，取γ＝0.07 每100km线路每年遭受雷击次数

(三)雷道波阻抗（Z0） 雷电通道长度数千米，半径仅为数厘米，类似于一条分布参数线路，具有某一等值波阻抗，称为雷道波阻抗。 主放电过程看作是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。 Z0≈ 300Ω (四)雷电的极性 负极性雷击均占75~90%。

(五)雷电流幅值（I） 雷击于低值接地电阻(≤ 30Ω)的物体时流过雷击点的电流。用雷电流幅值分布概率表示：

(六)雷电流的波前时间、陡度及波长 雷电流的波前时间T1:1~4us的范围内，平均为2.6us。 波长T2:20~100us的范围内，多数为40us。 我国防雷设计采用2.6/40us的波形。 雷电流波前的平均陡度 a＝I/2.6 (kA/us) 最大取50 kA/us

（c） I （b） （a） 图8-3 雷电流波形 (七)雷电流的波形 （a）双指数波 （b）平顶斜角波 （a）半余弦波

四、雷电过电压的形成 (一)雷电放电的计算模型 图8-4 雷电放电计算模型和等值电路 （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 雷击于地面上接地良好的物体 雷击于导线或档距中央避雷线

(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）。

8.2 防雷保护装置 一、避雷针和避雷线 通过使雷电击向自身来发挥其保护作用，为了使雷电流顺利 泄入地下和减低雷击点的过电压。必须有可靠的引下线和良好 的接地装置，其接地电阻应足够小。 保护原理：避雷针（线）一般均高于被保护对象，它们的迎面先导开始得最早，发展得快，最先影响雷电下行先导的发展方向，使之击向避雷针（线），并顺利泄入地下，使处于它们周围的较低物体受到屏蔽保护、免遭雷击。 饶击：指雷电绕过避雷装置而击中被保护物体的现象。 保护范围：绕击率≤ 0.1%的区域。

2、避雷针的保护范围计算 图8-8 单支避雷针的保护范围 （一）单针

（二）两支等高避雷针 图8-9 两支等高避雷针的保护范围

（三）两支不等高避雷针

(五)单根避雷线 (六)两根等高避雷线 图7-12 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 缺点：1）伏秒特性很陡； 2）保护间隙没有专门的灭弧装置； 3）产生大幅值的截波。 (二)管式避雷器(亦称排气式避雷器) 有较强的灭弧能力； 包括火花间隙F1、F2等 有缺陷，仅装设在输电线路上绝缘 比较薄弱的地方。 (三)普通阀式避雷器 主要有火花间隙F及与之 串联的工作电阻（阀片） R组成。 碳化硅(SiC)为原料 图7-20

(四)磁吹式避雷器 阀片的任务：在冲击大电流下，阻值应很小，让冲击电流顺利泄入地下，且残压不高；在工频电流下，阻值要变大，以利灭弧。 与普通阀式避雷器类似，主要区别采用了灭弧能力较强的： 磁吹火花间隙和通流能力较大的高温阀片。 旋弧型磁吹避雷器 灭弧栅型磁吹避雷器 (五)金属氧化物避雷器（MOA） 氧化锌(ZnO)，具有极其优异的非线性特性。

三、防雷接地 ZnO与SiC的 伏安特性比较 图7-29 (一)接地装置一般概念 “地”是地中不受入地电流的影响而保持着零电位的土地。 伏安特性比较 图7-29 三、防雷接地 (一)接地装置一般概念 “地”是地中不受入地电流的影响而保持着零电位的土地。 电气设备导电部分和非导电部分与大地的人为连接称为接地。 电力系统的接地分为三类： 1）工作接地：正常工作需要而设置的接地。0.5~10Ω 2）保护接地：为了保护人身安全金属接地。1~10Ω 3）防雷接地：将雷电流顺利泄如地下，以减小它所引起的过电压

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。 常见的一些接地体的工频接地电阻的计算： 1. 单根垂直接地体 2. 多根垂直接地体 3. 水平接地体 (二)防雷接地及有关计算 防雷接地所泄放的电流是冲击大电流。 图7-31

接地体单位长度电感L0，压降L0di/dt很可观，使接地体变成非 等电位物体。 L0的影响使伸长接地体的冲击接地电阻Ri增大。 接地体周围会出现一个火花放电区，使冲击接地电阻Ri变小。 两者对接地电阻的影响相反。看两个因素的相对强弱而定。

8.3 电力系统的防雷保护 8.3.1 架空输电线路防雷保护 一、输电线路耐雷性能的指标 每100km线路的年落雷次数N

8.3 电力系统的防雷保护 电力系统防雷保护包括：线路、变电所、发电厂 8.3.1 架空输电线路的防雷保护 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

产生原因：雷击线路附近地面（物体），空间电磁感应 一、输电线路感应雷过电压 产生原因：雷击线路附近地面（物体），空间电磁感应 图 输电线路雷电感应过电压产生机理 （a) 先导放电阶段 (b) 主放电阶段 先导放电阶段，导线电位为零（线-地间空间电场抵消） 主放电阶段，使导线上电荷对地形成一定电压（静电分量），空间交链磁通在导线感应出一定电压（电磁分量）。

2.雷击线路杆塔顶 (s<65米、无避雷线) 导线上感应电压(幅值） ： 导线上感应电压(幅值）： hc—导线平均高度 m I—雷电流幅值 KA kV 2.雷击线路杆塔顶 (s<65米、无避雷线) 导线上感应电压(幅值） ： hc—导线平均高度 m I—雷电流幅值 KA kV 其值近似取为波雷电流（平顶斜角）波前陡度，即：

3.雷击点距线路 s>65米（有避雷线） 导线上感应电压(幅值）： kV 4.雷击线路杆塔顶 (有避雷线) 导线上感应电压(幅值） ： hc—导线平均高度 m hg—避雷线平均高度 m K-导线、避雷线间耦合系数 kV 4.雷击线路杆塔顶 (有避雷线) 导线上感应电压(幅值） ： kV

例：设雷电流幅值I=100kA,线路无避雷线，分别校验35kV、110kV线路雷击杆塔时的感应过电压 解：（1） 35kV线路,取hc=10m,雷击塔顶感应过电压 kV kV --35kV线路绝缘子雷电冲击闪络电压 （2） 110kV线路,取hc=12.5m,雷击塔顶感应过电压 kV --110kV线路绝缘子雷电冲击闪络电压 可见：感应过电压可引起35kV及以下等级线路绝缘子闪络，导致跳闸。

二、雷击线路过电压计算 1、雷击塔顶 流入杆塔的电流： ⑴ 塔顶电位 取 塔顶电位幅值：

2、 导线电位 两种电压叠加而成：耦合电压、空间电磁感应电压 （a)避雷线耦合电压 其极性与塔顶电位相同 （b)感应电压 其极性与塔顶电位相反 （c)导线电位

3、 线路绝缘子串上电压 近似计算取：hg=hc 4、 雷击杆塔耐雷水平 (KA)—雷击杆塔耐雷水平

2、雷击导线（绕击） 绕击率Pa α—保护角(°),ht—杆塔高度，m 求雷击点处A处电压： 取：zd=400 z0=zd/2

雷击导线耐雷水平： kA 35kV线路： u50%=350kV,I2=3.5kA 110kV线路： u50%=700kV,I2=7kA 220kV线路： u50%=1200kV,I2=12kA , p2=73%

3、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%左右。 在接地点发生电压的负 全反射雷击点电压uA最大值UA

导线上的耦合电压： 间隙S上电压: ν—避雷线上波速，考虑电晕影响，取 ν=0.75c=225m/s Zg-避雷线上波阻抗，考虑电晕影响，取 Zg=350Ω Z0-雷电通道波阻抗，取 Z0=Zg/2 --档距长度，m 可得：

空气隙的平均击穿场强 Eav=750 V/m 导线、避雷线空气隙发生击穿的临界条件： 取k=0.25 则： 我国电力设计标准规定： （m)

四、雷击跳闸率 雷击跳闸率仅考虑雷击杆塔和绕及导线,即: 次/百公里﹒年 式中：g—击杆率 P1—雷电流幅值超过雷击杆塔耐雷水平I1的概率 P2—雷电流幅值超过雷击导线耐雷水平I2的概率 η-建弧率 中性点直接接地系统 中性点不直接接地系统

N-每百公里输电线路每年落雷次数 次/100km﹒年 对Td=40,γ=0.07的中等雷电地区 则：

二、线路受害事故发展过程及保护措施 各种防雷保护措施： (一)避雷线（架空地线） 沿全线架设避雷线，110kV及以上架空输电线路防雷措施 (二)降低杆塔接地电阻 提高线路防雷水平和减少反击概率。10~30Ω，人工接地 (三)加强线路绝缘 增加绝缘子串中片子、大爬距、增大空气间隙。

(四)耦合地线 具有一定的分流作用和增大导地线之间的耦合系数，因而能 提高线路的耐雷水平和降低雷击跳闸率。 (五)消弧线圈 能使雷电过电压所引起来的一相对地冲击闪络不转变成稳定 的工频电弧，即大大减小建弧率和断路器的跳闸次数。 (六)管式避雷器 能免除线路绝缘的冲击闪络，并使建弧率降为零。 (七)不平衡绝缘 一回路的三相绝缘子片数少于另一路的三相。 (八)自动重合闸 线路绝缘不会发生永久性的损坏或劣化；效果很好。

8.3.2 变电所得防雷保护 一、变电所的直击雷保护 变电所中出现的雷电过电压的两个来源： 1)雷电直击变电所； 2)沿输电线入侵的雷电过电压波。 一、变电所的直击雷保护 按安装方式的不同，避雷针分独立避雷针和构架避雷针。 注意对绝缘水平不高的35kv以下的配电装置，构架避雷针容易导致 绝缘闪络(反击)。 变电所的直击雷防护设汁内容主要是 选择避雷针的支数、高度、装设位置、 验算它们的保护范围、应有的接地电阻、 防雷接地装置设计等。对于独立避雷针， 则还有一个验算它对相邻配电装置构架 及其接地装置的空气间距及地下距离的 问题。 uA uB S1 S2 图8-6

二、避雷器保护作用的分析 避雷器的保护作用主要是限制过电压波的幅值。还需要与“进 线段保护”与之配合。（现代变电所防雷接线的基本思路） 避雷器的保护作用基于三个前提： 1)它的伏秒特性与被保护绝缘 的伏秒特性有良好的配合 2)它的伏安特性应保证其残压低 于被保护绝缘的冲击电气强度 图8-7 3)被保护绝缘必须处于该避雷 器的保护距离之内。 避雷器上的电压u1 设备绝缘上的电压u2 图8-8 电压差 △U 绝缘的冲击耐压水平Uw(i)

变压器上出现的最大电压： 其值高出避雷器上残压： 要使变压器能够得到保护，需要： 避雷器的最大保护距离：

三、变电所的进线段保护 保证在靠近变电所的一段不长(一般为l一2km)的线路上不出 现绕击或反击。对于那些未沿全线架设避雷线的35kV及以下的 线路来说，首先在靠近变电所(l~2km)的线段上加装避雷线，使 之成为进线段；对于全线有避雷线的110km及以上的线路，将 靠近变电所的一段长2km的线路划为进线段。在进线段上, 加强 防雷措施、提高耐雷水平。 进线段的作用：1) 雷电过电压在流过进线段时因冲击电晕而发生衰减和变形，降低了波前陡度和幅值；2)限制流过避雷器的冲击电流幅值 (一)从限制进波陡度的要求来确定应有的进线段长度 (二)计算流过避雷器的冲击电流幅值IFV

四、变电所防雷的几个具体问题 (一)变电所防雷接线 进行段的保护措施提高耐雷性能： 1)在进线保护段内，避雷线的 保护角不宜超过20° 2)进线段的耐雷水平的要求 见表8-10。 图8-12 (二)三相绕组变压器的防雷保护 高压侧有雷电过电压波时，通过绕组间的静电耦合和电磁耦 合,低压侧出现一定过电压.在任一相低压绕组加装阀式避雷器.

(三)自耦变压器的防雷保护 高压侧进波，装设FV2 中压侧进波，装设FV1 图8-13 AA′绕组跨接FV3 图8-14 (四)变压器中性点的保护 部分变压器的中性点采 用不接地方法，考虑中性 点绝缘的保护问题： 1)全绝缘；2)分级绝缘

(五)气体绝缘变电所防雷保护的特点 全封闭SF6气体绝缘变电所(GIS)的特点： 1)GIS绝缘的伏秒特性很平坦，其绝缘水平主要取决于雷电冲击水平。采用氧化锌避雷器； 2)GIS结构紧凑，被保护设备与避雷器相距较近，有利； 3)GIS的同轴母线筒的波阻抗小，过电压幅值和陡度都显著变小，有利； 4)GIS内绝缘不均匀，易击穿，要求防雷保护措施更加可靠、在绝缘配合中留有足够的裕度。

8.3 旋转电机的防雷保护 一、旋转电机防雷保护的特点 二、旋转电机防雷保护措施及接线 (1)在同一电压等级的电气设备中，以旋转电机的冲击电气强度为最低； (2)电机绝缘的冲击耐压水平与保护它的避雷器的保护水平相差不多、裕度很小，需要与电容器组、电抗器、电缆段等配合使用； (3)作用在相邻两匝间的过电压与进波的陡度成正比，必须严格限制进波陡度。 二、旋转电机防雷保护措施及接线 发电机分两类： 1)经过变压器再接到架空线上去的电机，简称非直配电机 2)直接与架空线相连(包括经过电缆段、电抗器等元件与架空线相连)的电机，简称直配电机

直配电机的防雷保护， 我国标准推荐的25~60 MW直配电机的防雷保 图8-15 护接线。 1)发电机母线上FV2 ZnO避雷器或磁吹避雷器，最后一关； 2)并联电容器C限制进波陡度和降低感应雷击过电压； 3)L限制工频短路电流，也能发挥降低进波陡度和减小流过FV2的冲击电流； 4)插接一段150m以上的电缆限制流入避雷器FV2的冲击电流不超过3kA。 5)管式避雷器FT1和FT2，FT1的动作代替FT2的动作，使电缆发挥其限流作用。FT1距离A点70m。

第九章 内部过电压 内部过电压产生在电力系统内部，因系统内部电磁能量的积 聚和转换引起的。分类图解见下： 操作过电压所指的操作应理解为“电网参数的突变”，采用限 压保护装置。 谐振过电压的持续时间长，采用一些辅助措施。

内部过电压的能量来自电网本身，它的幅值大小与电网的工 作电压成比例关系。 内部过电压的大小用过电压倍数k来表示： Ugm—内部过电压幅值 Uφm—系统最大工作相电压幅值 分析内部的过电压的发展过程: 1.采用分布参数等值电路及行波理论 2.采用集中参数等值电路暂态计算

9.1 切断空载线路过电压 产生过电压原因：断路器触头间多次燃弧 一、过电压产生过程分析 二、影响因素 1)中性点接地方式； 2)断路器的性能； 3)母线上的出线数 4)在断路器外侧是否接有电磁式电压互感器 三、限制措施： 1）提高断路器灭弧性能，减少重燃次数 2）采用带并联分闸电阻的断路器 3）加装氧化锌避雷器

影响因素 断路器灭弧性能 系统中性点接地方式 母线上出线数目 线路侧有无电磁式电压互感器等设备 限制措施 采用不重燃弧断路器 断路器加装并联电阻 装设避雷器

9.2 空载线路合闸过电压 一、发展过程 将一条空载线路合闸到电源上。合闸又分为两种情况：正常合闸合自动重合闸。 用集中参数等值电路暂态计算的方法。 图9-6 方程的解为： 公式9-4

9.2 空载线路合闸过电压 电源合闸到空载线路瞬间，由于电磁能量振荡，产生过电压。 合闸又分为两种情况：正常合闸 自动重合闸。 一、过电压产生过程分析 1、正常合闸

考虑最严重的情况，在电源电压幅值处合闸，且高频振荡过程中电源电压维持不变，则有： ∵ ∴ 有： 解方程，代入初值

2、自动重合闸 合闸时，空载线路有残压，最大为um 振荡过程中线路可能出现的过电压最大值：

二、影响因素和降压措施 主要影响因素： 1)合闸相位 2)线路损耗 3)线路残余电压的变化 三、降制过电压措施 (一)装设并联合闸电阻 (二)采用同相位合闸断路器 (三)利用避雷器来保护

9.3 切除空载变压器过电压 空载变压器在正常运行时表现为一激磁电感。切除空载变压器就是开断一个小容量电感负荷，产生截流，在变压器和断路器上出现很高的过电压。 一、发展过程 设在激磁电流在过零点之前 被切断，此时： 电磁振荡，电容上电压达到最大值时，电流过零

则： 若在激磁电流幅值处截流:

二、影响因素和限制措施 主要影响因素： (一)断路器性能 (二)变压器特性 优质导磁材料 变压器绕组改用纠结式绕法以及增加静电屏蔽等措施，使过电压有所降低。 (三）系统中性点接地方式 限制措施： (一)采用避雷器 (二)断路器触头并联电阻

9.4 断续电弧接地过电压 一、发展过程 中性点不接地电网中的单相接地电流(电容电流)较大，接地 点电流将不能自熄，而以断续电弧的形式存在，就会产生另一 种严重的操作过电压——断续电弧接地过电压 一、发展过程 电弧要等到工频电流过零时才能熄灭。等值电路见图9-12 A相发生接地故障，发展过程见图9-13 图9-12

分析结论： 1)两健全相的最大过电压倍数为3.5； 2)故障相上不存在振荡，最大过电压倍数为2.0

二、防护措施 最根本办法是不让断续电弧出现，通过改变中性点接地方式 来实现。 (一)采用中性点有效接地方式 (二)采用中性点经消弧线圈接地方式

9.5 工频电压升高 工频电压升高倍数不大，但它在绝缘裕度较小的超高压输电 系统中仍受到很大的注意，原因： 1) 由于工频电压升高大都在空载或轻载条件下发生，与多种操作过电压的发生条件相同或相似，所以它们有可能同时出现、相互，叠加。所以在设计高电压的绝缘时，应计及它们的联合作用； 2)工频电压升高是决定某些过电压保护袈置工作条件的重要依据，所以它直接影响避雷器的保护特性和电力设备的绝缘水平； 3) 由于工顿电压升高是不衰减或弱衰减现象，持续的时间很长，对设备绝缘及其运行条件也有很大的影响。

一、空载长线电容效应的工频电流升高 二、不对称短路引起的工频电压升高 用集中参数表示，T型等值电路。 图9-15 电容上的压降Uc>UL，可见电容上的压降大于电源电势。 二、不对称短路引起的工频电压升高 单相接地时，故障点各相的电压、电流是不对称的。

当A相接地时，B、C电压为 系数K为接地系数。它表 示单相接地故障时健全相 的最高对地工频电压有效 图9-16 值与无故障时对地电压有 效值之比。

9.6 谐振过电压 一、谐振过电压 的类型 (一)线性谐振过电压 电路中的电感L与电容C、电阻R一样，都是线性参数。 限制这种过电随和过电压的方法是使回路脱离谐振状态状态或增加 回路的损耗。在电力系统设计和运行叶．应设法避开谐振条什以消除 这种线性谐振过电压。 (二)参数谐振过电压 系统中某些元件的电感会发生周期性变化。 进行自激的校核，避开谐振点。 (三)铁磁谐振 当电感元件带有铁心时。一般都会出现饱和现象，这时电感不再是 常数．而是随看电流或磁通的变化而改变，在满足一定条件时，就会 产生铁磁谐振现象，它具有—系列不同于其他谐振过电压特点。

二、铁磁谐振过电压 等值电路和特性曲线见图9-17和图9-18。 图9-17 图9-18

基波的铁磁谐振的特点。 1) 产生串联铁磁谐振的必要条件是：电感和电容趵伏安特性必须相交，铁磁谐振可在较大范围内产生； 2) 对铁鼬谐振电路，在同一电源电势作用下，回路可能有不只一种稳定工作状态； 3) 铁磁元件的非线性是产生铁磁谐振的根本原因，但其饱和特性本身又限制了过电压的幅值。此外，回路中的损耗会使过电压降低，当回路电阻谊大到一定数值时，就不会出强烈的的谐振现象。