电力设施的防雷保护
一、雷电的种类
雷电是一部分带电云层与另一部分带异种电荷的云层，或者带电云层与大地之间产生强烈闪电并伴随巨大响声的放电现象。
1、按雷电的危害方式分类
1）直击雷
（1）直击雷是带电云层（雷云）与地面突出物之间的电场强度达到空气击穿强度时，发生激烈放电并出现闪电和雷鸣的现象。
（2）直击雷的每一次放电过程分为先导放电、主放电和余光三个阶段。先导放电是雷云向大地发展的不太明亮的一种放电；当先导放电接近大地时，立即发生从大地向雷云发展的极明亮的主放电；主放电有微弱余光。
2）感应雷
感应雷也称雷电感应或感应过电压。感应雷分为静电感应雷和电磁感应雷两种。
（1）静电感应雷
静电感应雷是雷云接近地面时，使邻近的金属设施特别是较长的金属设施（如架空线路）上，感应产生与雷云相反的大量束缚电荷。在雷云对其他部位或其他雷云放电后，这些金属设施上的电荷失去束缚，以雷电波的形式高速传播，形成静电感应。静电感应电压的幅值可达到几万到几十万伏，往往造成建筑物内的导线、接地不良的金属导体和大型的金属设备放电而引起电火花，从而引起电击、火灾、爆炸，危及人身安全或对供电系统造成危害。
（2）电磁感应雷
电磁感应雷是由于雷电放电时，巨大的冲击雷电流在周围空间产生迅速变化的磁场引起的。这种强磁场能使周围的金属导体产生很高的感应电压。电磁感应雷会对建筑物内的电子设备造成干扰、破坏，或者使周围的金属构件感应出电流，产生大量的热而引起火灾。
3）雷电侵入波
雷电侵入波是指雷击在架空线或空中金属管道上产生的冲击电压沿线路或管道的两个方向迅速传播的雷电波。雷电侵入波在架空线上的传播速度为300m/μs，在电缆中的传播速度为150m/μs。
2、按雷的形状分类
雷的形状有线形、片形和球形三种，最常见的是线形雷，片形雷很少，特殊情况下会出现球形雷。
1）线形雷
线形雷是一种蜿蜒曲折的巨型电气火花，长23km，也有的长达10km，线形雷是闪电中最强烈的一种，对电力、通讯系统及人畜和建筑物等威胁最大。线形雷大多是雷云与大地间的放电，也有的是雷云之间的放电。这种闪电可以同时击在不同的地方，一般分为前导放电和主放电等阶段。在大多数情况下，雷云与大地间的放电过程不是单一的，而由若干个先后在同一通道上发展的单一放电所组成。重复放电的次数一般为127次，单次放电的延续时间一般为120ms，各次放电的间隔时间为1050ms。
2）片形雷
片形雷是出现在云的表面上的闪光，有时可能是被云块遮没的火花闪电的延光，也可能是在云的上部发出来的丛集的、若隐若现的一种特殊的放电作用的光。这种闪电表示云中电场的能量虽然已经足够产生放电作用，但是新加入的电量却太少，以致在闪烁放电尚未转变到火花（线状）放电以前，原有的储电量已经用完了，片形雷对电力系统一般只会引起感应过电压。
3）球形雷
球形雷是一种特殊的雷电现象，简称球雷。球形雷表现为光亮火球，直径一般为1030cm，最大的直径可达1m，存在时间大约为百分之几秒至几分钟，一般是35s。球形雷常沿着地面滚动或在空中飘荡，能够通过烟囱、门窗或很小的缝隙进入房内，有时又能从原路返回，大多数球形雷消失时伴有爆炸，会造成建筑物和设备等的损坏以及人畜伤亡事故。
二、雷电的危害
1、雷击的主要对象
1）雷击区的形成与地理条件有关。山区和平原相比，山区有利于雷云的形成和发展，易受雷击。
2）雷云对地放电地点与地质结构有密切关系。不同性质的岩石分界地带、地质结构的断层地带、地下金属矿床或局部导电良好的地带都容易受到雷击。雷电对电阻率小的土壤有明显的选择性，所以在沼泽、低洼地区、河岸、地下水出口处、山坡与稻田水交界处常遭受雷击。
3）雷云对地的放电途径总是朝着电场强度最大的方向推进，因此如果地面上有较高尖顶建筑物或铁塔等，由于其尖顶处有较大的电场强度，所以易受雷击。在农村，虽然房屋、凉亭和大树等不高，但由于它们孤立于旷野中，也往往成为雷击的对象。
4）从工厂烟囱中冒出的热气常有大量导电微粒和游离子汽团，它比一般空气容易导电，所以烟囱较易受到雷击。
5）一般建筑物受雷击的部位为屋角、檐角和屋脊等。
2、雷电的破坏效应
1）电作用的破坏
雷电产生的数十万至数百万伏的冲击电压能损坏电气设备的绝缘，造成大面积、长时间停电。绝缘损坏引起的短路火花和雷电的放电火花可能引起火灾和爆炸事故。电气绝缘的损坏与巨大的雷电电流流入地下，在电流通路上产生极高的对地电压和在流入点周围产生的强磁场，还可能导致触电伤亡事故。
2）热作用的破坏
巨大的雷电流通过导体，在极短的时间内产生大量的热能，会使金属熔化飞溅而引起火灾或爆炸。如果雷击发生在易燃物上，更容易发生火灾。
3）机械作用的破坏
巨大的雷击电流通过被击物时，瞬间产生大量的热，使被击物内部的水分和其他液体急剧气化，剧烈膨胀为大量气体，导致被击物破坏或爆炸。此外，雷击时所产生的静电斥力、电磁推力以及雷击时的气浪都有相当的破坏作用。
三、防雷装置
防雷装置由接闪器、引下线和接地装置三部分组成。
1、接闪器
接闪器是利用其高出被保护物的凸出部分，把雷电引向自身接受雷击放电的装置。避雷针、避雷线、避雷带、避雷网均可作为接闪器。接闪器所用材料的尺寸应能满足机械强度和耐腐蚀的要求，还要有足够的热稳定性，以承受雷电流的热破坏作用。
1）避雷针
避雷针主要用来保护露天的变配电设备、建筑物和构筑物，其作用是将雷云放电的通路由原来可能向被保护物体发展的方向，吸引到避雷针本身，由它及与其相连的引下线和接地装置将雷电流泄放到大地，使被保护物体免受直接雷击。
（1）避雷针必须具有抗风能力，一般用镀锌圆钢或镀锌焊接钢管制成，其长度在1.5m以上时，圆钢直径不得小于16mm；钢管直径不得小于25mm，管壁厚度不得小于2.75mm。当避雷针的长度在3m以上时，可将粗细不同的几节钢管焊接起来使用。
（2）如果避雷针暴露在有腐蚀性的气体中，采用圆钢时直径至少为15mm；采用钢管时厚度至少为4mm。避雷针离可燃物的距离不能少于0.3m。
（3）发电厂、变电站配电装置的架构和屋顶上的避雷针，应在其附近装设集中接地装置，并与主接地网连接。
（4）建筑物上的避雷针、避雷带或防雷金属网，应和建筑物顶部的其他金属体连成一个整体，并且不能与电源系统的PE、PEN线相连，以防止雷击时雷电流从PE、PEN线进入电源系统。
2）避雷线
避雷线又称架空地线，主要用来保护电力线路，架设在杆塔顶部用于防雷。
（1）避雷线可以遮住导线，使雷尽量落在避雷线本身上，并通过杆塔上的金属部分和埋设在地下的接地装置，使雷电流泄入大地。
（2）避雷线的保护效果与其下方的导线和它所成的角度有关，角度较小时，保护效果较好。
（3）在雷击不严重的110kV及较低电压的线路上，通常仅在靠近变电所2km左右范围内装设避雷线，作为变电所进线的防雷措施。
（4）避雷线一般使用镀锌钢绞线架设，其截面积一般不小于35m㎡。导线的截面越大，使用的避雷线截面也越大。
（5）避雷线也会因风吹而振动，常易发生振动的地方通常装有防振锤。
3）避雷带
（1）避雷带通常用12×4mm~25×4mm镀锌扁钢、Φ8～Φ10mm圆钢制作。
（2）避雷带在屋顶女儿墙上安装时，一般用12×425×4mm镀锌扁钢支起，支起高度为150200mm，支点间距离不大于1.5m，一般为1m，转角处距离不大于0.3m，且转角两边对称。支持件埋设应牢固，深度不小于50mm。
（3）避雷带在转角部位需弯曲时，扁钢不应出现直角死弯，平弯时最小弯曲半径为2倍扁钢厚度，立弯时最小弯曲半径为0.5倍扁钢宽度。扁钢弯曲应采取冷弯，不宜采用加热弯曲。
（4）避雷带的设置应在易受雷击的建筑物边缘、栏杆、屋顶等处，对于平屋顶应在四周敷设，避雷带离可燃物的距离不能少于0.3m。
4）独立避雷针和避雷网
（1）独立避雷针的接地电阻最大允许值为10Ω。独立避雷针及其接地装置与道路或建筑物出入口等的距离应大于3m，小于3m时应采取均压措施或铺设卵石或沥青地面。
（2）独立避雷针应设置独立的集中接地装置，该接地装置与接地网的地中距离不应小于3m。当设置独立接地装置有困难时，接地装置可与接地网连接，但该地下连接点距35kV及以下设备与主接地网的地下连接点，沿接地体的长度不得小于15m。
（3）独立避雷针及避雷网和被保护建筑物及与其有联系的金属体应有一定的距离，最少不能小于3m，以防止雷击时产生反击现象，避雷网的网孔一般不大于2m。
2、引下线
引下线是防雷装置的中间部分，应满足机械强度、耐腐蚀和热稳定性的要求。
1）引下线与避雷针和避雷带的连接应采用焊接或热剂焊。
2）引下线可用镀锌圆钢或扁钢制做， 采用圆钢时直径不得小于8mm；采用扁钢时厚度不得小于4mm，截面积不得小于48m㎡，通常采用12×4～25×4mm扁钢；采用钢绞线时截面不得小于25m㎡；采用铜导线时截面不得小于16m㎡。
3）装有避雷针的金属筒体厚度不小于4 mm时，可用作避雷针的引下线。筒体底部至少应有2处与接地体对称连接。
4）引下线沿建筑物外墙敷设时，路径应尽可能短而直。在建筑物转角处，防雷引下线应倾斜敷设，使路径最短。
5）引下线的固定支点间距不应大于2m，离墙距离保持在15mm左右。
6）采用多根明装引下线时，为方便测量接地电阻及检查引下线和接地线的连接情况，应在每条引下线距地面1.5～1.8m处设置断接卡子。
7）为避免雷雨时人体直接触及防雷引下线而受到电击伤害，引下线在地面以上1.7m至地面以下0.3m的一段应加保护管，保护管一般采用PVC塑料管。保护管不应采用金属管，这是因为雷电流是高频电流，会在金属管上感应出反电势，相当于增加接地电阻，既不利于雷电泄放，又会在金属管上产生高电压，当人体触及金属保护管时就会受到电击，起不到保护作用。保护管还起机械保护的作用，但一般情况下，防雷引下线应尽量安装在受不到机械损伤的地方。
3、接地装置
接地装置是防雷装置的重要组成部分，其作用是向大地泄放雷电流，限制防雷装置的对地电压。
1）防雷装置的接地装置所用材料最小尺寸应稍大于一般接地装置的最小尺寸，圆钢的最小直径为10mm；扁钢的最小厚度为4mm，最小截面为100m㎡。角钢的最小厚度为4mm；钢管的最小壁厚为3.5mm。
2）除独立避雷针外，在接地电阻满足要求的前提下，防雷接地装置可以和其他接地装置共用。
四、避雷器
避雷器又叫过电压保护器，是用来保护各种电气设备免受雷击过电压、操作过电压、工频暂态过电压冲击而损坏的一种电器。避雷器的类型主要有管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器。
1、避雷器的结构、原理
1）管型避雷器
管型避雷器是一种保护间隙，是最简单的避雷器。
（1）结构
如上图所示，管型避雷器主要由产气管、内部间隙S1、外部间隙S2三部分组成。产气管由纤维、有机玻璃或塑料等制成，其内部间隙装在产气管内，一个电极为棒形，另一个棒极为环形，外部间隙装在管型避雷器与带电的线路之间。
（2）工作原理
当输电线路遭到雷击或发生感应雷时，大气过电压使管型避雷器的内部间隙和外部间隙击穿，强大的雷电流通过接地装置流入大地。但随之而来的是电力系统的工频续流，其值也很大。雷电流和工频续流在管子内部间隙发生强烈的电弧，使产气管内壁的产气材料产生大量的气体，在管内形成很大压力，起到使气体从环形电极的开口喷出的纵吹作用，从而使电弧电流过零时熄灭，因此不用切断电路。这时，外部间隙的空气恢复了绝缘，使管型避雷器与系统隔离，恢复系统的正常运行。
2）阀型避雷器
阀型避雷器是一种能释放雷电或电力系统操作过电压能量，保护电气设备免受瞬时过电压危害，又能截断续流，不致引起系统接地短路的电器装置。
（1）结构
如上图所示，阀型避雷器主要由装在密封瓷套中的火花间隙和非线性电阻阀片组成。单个火花间隙由数个圆盘形的铜质电极组成，每对间隙用0.5～1mm厚云母垫圈隔开；普通阀型避雷器根据额定电压的不同，由数个或数十个单个的火花间隙构成；非线性电阻阀片是用特殊碳化硅制成的饼状元件，其颗粒相互接触，但其接触面不大于颗粒表面的1/10，它的电阻随着通过电流的不同在很大范围内变化。
（2）工作原理
阀型避雷器的火花间隙承受工频电压时是一个高阻值电阻，类似关闭的阀门，使工频电流很难通过；在遇到雷击过电压、内部过电压冲击时，又变成一个低阻值电阻，类似阀门开启，使冲击电流很容易通过；雷电流过去后，工频电流又使阀形电阻片呈现很高的电阻，类似阀门关闭。此时火花间隙迅速阻断电流。
3）氧化锌避雷器
氧化锌避雷器又称金属氧化物避雷器、压敏避雷器，具有良好保护性能。
（1）结构
如上图所示，氧化锌避雷器的主要元件是氧化锌阀片，它由金属氧化物（主要是氧化锌）制成。内绝缘杆用来固定一组串联的氧化锌阀片。压力弹簧用来压紧串联的氧化锌阀片，使之有良好的电接触。
（2）工作原理
氧化锌阀片利用氧化锌良好的非线性伏安特性，在正常工频电压下呈现极大的电阻，使流过避雷器的电流极小；当过电压作用时，电阻急剧下降，泄放过电压的能量，达到保护的效果。这种避雷器和传统避雷器的差异是它没有放电间隙，利用氧化锌的非线性特性起到泄流和开断的作用。
2、避雷器的巡视检查
1）正常巡检
（1）瓷瓶应清洁无损，无裂纹、无放电现象和闪络痕迹；
（2）检查放电计数器是否动作，内部是否进潮，上下连接线是否完好无损；
（3）引线应完整，无松股、断股；接头连接应牢固，有足够的接触面；导线不过紧过松，不锈蚀，无烧伤痕迹。
（4）均压环无损坏，环面应保持水平；
（5）安装应不偏斜，内部应无响声；
（6）底座应牢固，无锈蚀，接地应完好。
2）特殊巡检
（1）雷雨时不得接近防雷设备；
（2）雷雨后应检查放电计数器动作情况，检查避雷器表面有无闪络，并做好记录。
（3）大风天气应检查避雷器上有无搭挂物以及摆动情况；
（4）大雾天气应检查瓷瓶部分有无放电痕迹；
（5）冰雹过后应检查瓷瓶部分有无损伤，计数器是否损坏。
3、避雷器的常见故障
1）避雷器上、下引线松脱或折断
避雷器在系统正常运行时不起作用，引线的状态无关紧要，但当过电压出现时，引线松脱将使避雷器失去作用，被保护设备因过电压而损坏。故平时运行中一旦发现引线松脱，必须尽快处理。
2）雷击放电后，连接引线严重烧伤或烧断
切断故障避雷器前应检查有无接地现象，若有接地现象，则不能用隔离开关断开避雷器，应汇报调度和设备主管部门听候处理。
3）雷击放电后，避雷器瓷瓶破损或爆炸
这主要是泄漏雷电流太大，或是工频续流没有截断，内部发热严重所致，应立即将故障避雷器退出，并予以更换。
五、常用电力设施的防雷保护
1、变配电所的防雷保护
1）装设避雷针保护整个变配电所的建筑物，以免遭直接雷击
（1）避雷针可防护直击雷，其保护范围可用滚球法确定。滚球法是一种计算接闪器保护范围的方法。它的计算原理是以某一规定半径的球体，在装有接闪器的建筑物上滚过，滚球体由于受建筑物上所安装的接闪器的阻挡而无法触及某些范围，把这些范围认为是接闪器的保护范围就是滚球法。
（2）避雷针可单独立杆，也可利用户外配电装置的构架或投光灯的杆塔。但变压器的门型构架不能用来装设避雷针，以防止雷击产生的过电压对变压器发生闪络放电。
2）装设架空避雷线及其他避雷装置，作为变配电所进出线段的防雷保护
（1）35kV电力线路一般不采用全线装设架空避雷线的方法来防止直击雷，但为防止变配电所附近线路上受到雷击时，雷电压沿线路侵入变配电所损坏设备，需在变配电所进出线1～2km段内装设架空避雷线作为保护，使该段线路免遭直接雷击。
（2）为使上述保护段内的线路受雷击时侵入变配电所内的过电压有所限制，一般可在架空避雷线的两端装设管型避雷器，其接地电阻不得大于10Ω。进出线段防雷保护接线方式如下图所示。
保护段以外的线路受到雷击时，雷电波到管型避雷器FA3处，即对地放电，降低了雷电压值。FA2只有在变配电所内高压断路器经常断开，而线路又可能带有电压时才安装。其作用是防止入侵的雷电波在断开的断路器处产生过电压损坏断路器。
（3）对电压35kV、容量3200kVA以下的一般负荷变配电所，可采用如下图所示简化的进出线段保护接线方式。
（4）对10kV及以下的高压配电线路进出线段，其防雷保护可只装设FZ型或FS型避雷器，以保护线路断器及隔离开关。如下图所示。
3）装设阀型避雷器对沿线路侵入变配电所的雷电波进行防护
（1）变配电所的进出线段虽已采取防雷措施，且雷电波在传播过程中也会逐渐衰减，但沿线路传入变配电所内的部分，其过电压对所内设备仍有一定危害，特别是价值最高、绝缘相对薄弱的主变压器。故变配电所母线上还应安装一组阀型避雷器进行保护。
（2）6～10kV变配电所中阀型避雷器与被保护变压器的电气距离一般不应大于5m。为使任何运行条件下所内变压器都能得到保护，采用分段母线时，每段母线都应装设阀型避雷器。
2、变压器的防雷保护
1）在变压器高压侧装设避雷器
配电变压器的高压侧一般应采用避雷器保护，避雷器的接地线和变压器低压侧的中性点以及变压器的金属外壳三点应连接在一起共同接地。
2）在变压器低压侧加装普通阀型避雷器或金属氧化物避雷器
（1）变压器高、低避雷器的接地线、低压侧中性点及变压器金属外壳四点连接在一起共同接地。
（2）运行经验和试验研究表明，对绝缘良好的配电变压器，仅在高压侧装设避雷器时，仍有发生由于正、逆变换过电压造成的雷害事故。这是因为高压侧装设的避雷器对于正变换或逆变换过电压都是无能为力的。正、逆变换过电压作用下的层间梯度，与变压器的匝数成正比，与绕组的分布有关，绕组的首端、中部和末端均有可能破坏，但以末端较危险。低压侧加装避雷器可以将正、逆变换过电压限制在一定范围之内。
3）高、低压侧接地分开的保护方式
（1）高压侧避雷器单独接地，低压侧不装避雷器，低压侧中性点及变压器金属外壳连接在一起，并与高压侧接地分开接地。
（2）研究表明，这种保护方式利用大地，雷电波的衰减作用可基本上消除逆变换过电压，而对正变换过电压，计算表明，低压侧接地电阻从10Ω降至2.5Ω时，高压侧的正变换过电压可降低约40%。若对低压侧接地体进行适当的处理，就可以消除正变换过电压。
3、电力线路的防雷保护
1）高压架空线路的防雷保护
（1）提高线路本身的绝缘水平
在线路上采用瓷横担，比铁横担线路的耐雷水平要高的多。线路遭受雷击时，发展成相间闪络和建立稳定工频电弧，造成雷击跳闸的次数要比铁横担线路少的多。在铁横担混凝土电杆线路上，为提高防雷水平，可采用高一绝缘等级的绝缘瓷瓶。
（2）利用三角形顶线的保护间隙
6～10kV的线路通常是中性点不接地的，如在三角形排列的顶相绝缘子上装以保护间隙，则在雷击时顶线承受雷击，间隙击穿，对地泄放雷电流，从而保护了下面两根导线，一般不会引起线路跳闸。
（3）加强对绝缘弱点的保护
线路上个别特高的电杆、线路的交叉跨越处、线路的电缆头、开关等处是线路的绝缘弱点。雷击时这些地方最容易发生短路。对这些绝缘薄弱点处须装设管型避雷器或保护间隙加以保护。
（4）采用自动重合闸或自动重合熔断器做辅助防雷措施
实践证明，当线路受到雷击时，要完全避免相间短路是不可能的。此时线路断路器跳闸或熔断器自动跌开，电弧熄灭，经过0.5s或稍长一点时间后又自动合上，电弧一般不会复燃，又能恢复供电。线路受雷击后，停电时间很短，对一般用户影响不大，从而可减轻雷害事故的影响。
（5）对移相电容器进行保护
为进行系统无功补偿，提高线路电压水平，常在高压线路上装设移相电容器。移相电容器属较贵重设备，又是线路中的绝缘薄弱处。所以应安装阀型避雷器或保护间隙予以保护。其保护接线和安装方法如下图所示。
2）低压架空线路的防雷保护
（1）一般用户低压架空线路及接户线的绝缘铁脚宜接地。当其遭受雷击时就能通过绝缘子铁脚放电，使雷电流泄入大地而起到保护作用。其接地电阻不应超过30Ω。凡土壤电阻率在200Ω•m以下地区的铁横担及水泥杆线路，因连续多杆自然接地的作用，可不再另设接地。
（2）对于重要用户，宜在低压线架空线路进入室内前20m处安装一组低压避雷器，进入室内后再装一组低压避雷器。
（3）室内有电力设备接地装置的建筑物，在入口处宜将绝缘子铁脚与接地装置相连，可以不用另设接地装置。
（4）在人员密集的公共场所及由木杆或木横担引下的接户线，其绝缘子铁脚应接地，并要设置专用的接地装置。水泥杆的自然接地电阻若不超过30Ω可不设。
（5）在年平均雷暴日不超过30天的地区，凡低压线路被建筑物及树木屏蔽或接户线距低压干线的接地点不超过50m的，由于遭受雷击机会较少，接户线的绝缘子铁脚可以不接地。
（6）在多雷区或易遭雷击的地段，直接与架空线路相连的电能表宜装设防雷装置。其保护接线如下图所示。
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