高电压防雷保护的探讨
渤海石油职业学院机电一体化技术专业毕业论文高电压防雷保护的设计学生姓名： 史灵曦专业班级： 2013级机电指导教师： 李仕卫完稿日期： 2016.01.02目 录摘 要 ······························ · - 1 - 1雷电的基础知识 ··························· -1.1雷电形成及放电过程 ······················ 1.1.1雷云形成 ························ 1.1.2雷电原理 ························1.1.3雷云放 ························ 1.2雷电形成相关联的原理 ····················· 1.3 雷电的波形及参数 ······················· 1.4雷电的危害 ·························· 1.4.1雷电热效应的破坏作用 ·················· 1.4.2雷电流电动力的破坏作用 ················· 1.5雷电的静电感应和电磁感应 ··················· 1.5.1雷电的静电感应作用 ··················· 1.5.2雷电的静电感应原理图 ·················· 1.5.3雷电的电磁感应原理 ··················· - 6 - 2电力系统防雷的基本知识 ······················· 2.1雷击分类 ··························· 2.2变电站防雷保护 ························ 2.3架空线路的防雷保护 ······················ 2.4避雷针 ···························· 2.5关于避雷针、避雷线运行中注意的问题 ·············· 2.6 线路的耐雷性测定 ······················· 2.7线路防雷设计的选定原则 ···················· - 9 - 3雷电流压降导致的高电压 ······················ 3.1接触电压 ·························· 3.2跨步电压 ·························· 3.3地电位分布不均与地电位的反击 ················3.3.1直接雷击伤害 ····················· 3.3.2感应电压的伤害 ···················· 3.3.3感应电流的伤害 ···················· 3.3.4旁侧闪击的伤害 ···················· 3.3.5接触电压的伤害 ···················· 3.3.6跨步电压的伤害 ···················· 致谢参考文献摘 要随着我国电力事业的蓬勃发展，高电压防雷保护也不断的扩大。高电压防雷保护是电力事业的一项的重要工作。高电压在现有技术的条件下仍然出现遭雷击的现象。从某种程度上说，雷电是影响高压设备可靠稳定性的重要因素之一。雷电的物理本质就是高电压。认识雷电的高电压本质，认识雷电高电压的产生与来源，认识雷电高电压的各种属性，我们才能正确的制定和设计防雷保护的方案，才能正确的分析雷害事故的原因和防止对策，才能正确的开发和研制防雷保护的产品。一句话，只有正确认识雷电的高电压本质，才能做好防雷。 不了解雷电的本质，在做防雷保护措施与方案时，在开发研制防雷保护的产品时，在分析雷害事件的原因与结论时就把握不到防雷的核心与关键。在防雷工程上要么保护不到位，要么造成工程的浪费。在研制开发的防雷产品上就会华而不实，捕风捉影甚至流于概念抄着，忽悠市场。在分析雷害事件的原因时，就容易提出一些错误的观点或解释。我国防雷界，近年广为流传的诸如“球形雷”、“手机引雷”、“绝缘避雷”、“电荷避雷”、“等离子避雷”，以及“物理防雷”和“微波炉效应”等等说法与言论，都是没有搞清雷电的高电压本质而出现的误解与错误。高电压的绝缘应能承受各种高电压的作用，包括交流和直流工作电压、雷电过电压和内部过电压。结合实际情况分析了现实中防雷保护存在的问题，并展望了未来高压设备发展的方向。关键词：高压电;防雷;电力事业1雷电的基础知识1.1雷电形成及放电过程1.1.1雷云形成由于大气的剧烈运动，引起静电摩擦和其他电离作用，使云团内部产生了量的带正、负电荷的带电离子，又因空间电场力的作用，这些 带电离子定向垂直移动，使云团上部积累正电荷，下部积累负电荷（情况也可以相反），云团内产生分层电荷，形成产生雷电的雷云。雷云的成因主要来自于大气的运动，当雷云在天空移动时，在其下方的地面上会静电感应出一个带相反电荷的地面阴影。如图： 1.1.2雷电原理尖端放电与雷击如果有一个带尖锋的金属球，让它带上负电，由于电荷同性相斥的作用，球体尖锋部分的电子受到同性电荷排斥力最强，最容易被排斥而离开金属球，这就是“尖端放电”。地面上相对较高的建筑物，有时是避雷针，就好比金属球上的尖锋。雷击最容易在这些地方发生。如图所示：XX职业技术学院毕业设计（论文）1.1.3雷云放电著名的雷云放电理论是“长间隙放电”理论，该理论认为雷云对地放电的过程可以分为四个阶段：即云中放电、对地先导、定向闪击和回闪四个阶段。具体过程是这样的：雷云形成前，首先是云内放电和云间放电频繁，云中放电造成云中电荷的重新分布和电场畸变，当云中电荷密集处的电场强度达到25-30KV/cm的，就会由云团向地开始先导放电。先导放电是步进的，发展的平均速度为105-106m/s，各脉冲间隔约30-90s，每阶段推进约50m，跳跃着逐步向下延伸，当先驱放电距地50m左右，可诱发迎面先导，通常迎面先导来自地面上最突出的部分（尖端放电最易发生处），当对地先导和地面的迎面先导会合时，就形成了从云团到地面的强烈电离通道。步进放电转为定向闪击。定向闪击是沿最短路径进行的，紧接着回闪，这时出现极大的电流，开始雷电的主放电阶段，即雷击，在主放电中雷云与大地之间所聚集的大量电荷，通过先驱放电所开辟的狭小电离通道发生猛烈的电荷中和，放出能量，引发强烈的闪光和雷鸣。主放电的时间极短，约50-100s，主放电过程是逆着先导通道发展的，速度约为光速的1/20-1/2，主放电电流可达数十KA，是全部雷电流的主要部分。主放电到达云端时就结束。然后残余电荷经过主放电通道流过来，产生短暂的余光。由于云中电阻较大，余光阶段的电流只有数百安培。持续时间0.03-0.15秒之间。通常一次雷电过程包括 3-4 次放电。重复放电都是沿着第一次放电通路发生的。1.2雷电形成相关联的原理雷云放电原理1.3 雷电的波形及参数1.3.1、雷电波形及参数是防雷工程设计中的重要依据，根据这些数据才可能正确估算电子系统频带范围内雷电冲击的幅度和能量大小，进而确定避雷措施。1.3.2、可以这样描述一个雷电波，幅值为Im，波头为T1，波长为T2的电流波，记为T1/T2s。1.3.3、与标准雷电流波形图不同之处为, 图中A点在0.3倍Vm处，且T1=1.67T也可以这样描述一个雷电波，幅值为 Vm，波头为T1，波长为T2的电压波，记为T1/T2s。1.4雷电的危害1.4.1雷电热效应的破坏作用闪电表面上看只闪一次，实际上是一系列闪光，在闪光发生的瞬间，雷电流在极短的时间内，以连续的尖峰脉冲形式通过强大电流尤其是 直击雷，它的放电电流平均达2.5万到4.5万安培间，大雷暴时最高达20万安培。如果雷电击在树木或建筑物件上，被雷击的物体瞬间将产生大量热能，由于雷电流很大，通过的时间又极短（50100s），根本来不及散发，以致物体内部的水份大量变成蒸气，并迅速膨胀，产生巨大的爆炸力，造成破坏。与雷电通道直接接触的金属因高温而熔化的可能性很大，因为通道的温度可高大600010000，甚至更高。因此在雷电流通道上遇到易燃物质，会引起火灾。1.4.2雷电流电动力的破坏作用如果雷击的瞬间两根平行架设的导线的电流I1 和I2都等于100KA。两导线的间距为50cm，计算结果表明，这两根导线每米要受到408kg的电动力。408kg/m的力完全有可能将导线折断。折成锐角的导体间也受电动力作用。1.5雷电的静电感应和电磁感应1.5.1雷电的静电感应作用当空间有带电的雷云时，雷云下的架空导线等处会由于静电感应的作用而带上相反的电荷。当闪电发生后，由于架空导线与大地间的电阻较大，导线上积累的大量电荷不能与大地的异种电荷迅速中和，这就形成了局部地区的感应高电压。这类高电压在高压架空线上可达300400KV，一般低压架空线路可达100KV，电信线路可达4060KV，建筑物也会产生相当高的危险高压。这种过电压对接地不良的电气系统有很大的破坏作用，它可以在其路径上的任何金属间隙中产生电弧打火，如果电弧打火发生于易燃场所中（如汽油库、瓦斯厂、火药库等场所），会引起火灾和爆炸，如果电弧打火发生在电路板上，则电路板将被破坏。1.5.2雷电的静电感应原理图1.5.3雷电的电磁感应原理由于雷电流有极大的峰值和陡度，可能在附近空间形成强大的瞬变电磁场，一个5m×5m的开口金属管，在雷电流峰值为100KA时，距离雷击点200m也可以感应到1000V左右的高压。零点几毫米的气体间隙就可能被击破，发生有害火花，损坏电气系统中的电气元件。2电力系统防雷的基本知识2.1雷击分类雷击分直击雷、雷电波侵入和雷电感应三种。与直击雷相比，其最大的特点悄然发生，但范围可达10公里以上。有以下几点：雷直击于变电站的导线或设备上。变电站的避雷针落雷时产生的过电压。沿线路传来的雷电波。2.2变电站防雷保护变电站的防雷保护采用：避雷针、避雷器。变电站防侵入波保护的主要措施是在变电站内采用避雷器，在母线和进线处加装避雷器。对于直击雷的防护采用避雷针。避雷针和避雷线这两种装置都是通过拦截措施，改变雷电波的入地路径，从而起到防雷保护的作用。小变电所多采用独立避雷针，大变电所多在变电站构架上采用避雷针或避雷线。或者也可以两者相结合。2.3架空线路的防雷保护常用到的仪器有避雷线、避雷器、自动重合闸。相对应的作用：避雷线是防止线路遭受直击雷，避雷器是防止雷电入侵波，自动重合闸是提高线路遭雷击后能够避免瞬时性故障。2.4避雷针作用及分类：引雷、泄流、限幅及均压。防直击雷避雷针、避雷线。2.5关于避雷针、避雷线运行中注意的问题反击问题：当雷电流通过引下线和接地装置入地时，会在接地引下线和接地电阻上形成很高的电位升高，当避雷针和被保护物间的空气间隙Sa不够大时，避雷针上的高电位可击穿空气间隙而将高电位传递到被保护物上称为反击，同样当避雷针的接地装置和被保护物接地装置间的距离Se不够大时，高电位可击穿土壤反击到被保护物的接地装置上。一般Sa不应小于5m; Se不应小于3m接触电压和跨步电压的问题：当雷击避雷针或杆塔时，如果有人站在地面上而手去接触塔什塔身或引下线时，作用在人的手和脚间的电压（称为接触电压）又由于雷电流在地中扩散时会在地面沿半径各点形成不同的电位，当人在附近行走时，人的两脚间将会有电压作用（称为跨步电压）根据计算： r=7.7m
