新编电气工程师手册三.docx

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第四篇电气工程安全技术篇

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!

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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

·$$$"·

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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（$）$。

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比（!

&’"&）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（.）；

"———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

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图!

"#!

雷电流波形图

"%（"#’（）!

#）

式中"%———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!

%23与平均陡度!

24，分别为

5〔"%（"#’（）!

#〕

$%23$5!

5#%

"%

23&

5#

$&!

）67!

#

最大陡度发生在波头中间，此时"#$%，故

&

$28$5!

$%23$

"%$

"%

&!

"%$"%$!

5#28#"

%$!

%

式中，""$%$!

，是因为!

$"%时，%#$%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）雷暴日（或小时）

$28$5!

$

5#28

&:

;

，*+9#）

雷暴日（小时）是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。

雷暴日（小时）的多少和纬度有关。

北回归线（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：

#>$!

&’?

’5!

5#

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·1112·

式中!

!

———直击雷冲击过电压（"#）；

!

———雷电流（"$）；

"%———防雷装置的冲击接地电阻（!

）；

#&———雷电流陡度（"$（"））；

#’

$———雷电流通路的电感（!

*）。

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·（3%+,-.-/0&’

+

式中%+———建筑物的年预计雷击次数（次（年）（+（年）；

’+———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/）；

&———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。

国家标准《建筑物防雷设计规范》推荐的计算式为：

1.2%7,-.-/0’

+

式中%7———建筑物所处地区雷击大地的年平均密度（次（"4/·8）

%,）%7（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*———建筑物每边的扩大宽度（4）；

$、,、+———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

·&&&.·

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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

!

""#$"""%，造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*",。

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+,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。

·"""$·

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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

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

!

&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

!

+"&（（&+

$（"&"（&$

""（"&+（&%+

*&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。

+&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#（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!

（$时，初始和稳态电位分布如图%#&’（%），由中压端#（到开路的高压端#的稳态分布是由中压端#（到中性点$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%#&’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；（%）中压端#（进波

#—初始电压分布；）—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%#&,（"）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%#&,（%）所示的“自耦”避雷器保护方式。

图%#&,保护自耦变压器的避雷器配置

（"）一般避雷器配置；（%）自耦避雷器配置

·"""0·

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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———在其一相出线上装设一只阀型避雷器，但如该绕组连有%&,及以上金属外皮电缆段，则可不装设避雷器。

（%）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