第七章雷电放电及防雷保护装置
高电压重点知识复习
第一章 电介质的电气强度第一节平均自由行程长度：单位行程中的碰撞次数Z 的倒数λ。
影响因素：气体分子的半径、温度、气压。
迁移率：E vk =，表示带电粒子在单位场强（m /1V ）下沿电场方向的漂移速度。
电离：产生带电粒子的物理过程，气体放电的首要前提。
使基态原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需的最小能量称为电离能，外界能量必须大于电离能才能使电离发生。
四种电离方式：光电离、热电离、碰撞电离、电极表面的电离其中引起碰撞电离的条件为i e W Ex q ≥。
电极表面的电离的四种方式：正离子撞击阴极表面、光电子发射、热电子发射、强场发射。
负离子的形成：当电子与气体分子碰撞时，有可能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，也可能会发生电子和中性分子结合形成负离子（称为附着）。
对放电的形成起什么作用及其原因：负离子的形成并没有使气体中的带电粒子数改变，但却能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用。
带电粒子的消失三种形式：1.在电场驱动下作定向运动，到达电极时消失于电极上而形成外电路中的电流2.因扩散现象而逸出气体放电空间3.带电粒子的复合第二节发生电子崩后抵达阳极的电子数：d a e n n α0= 电子碰撞电离系数E BPApe -=α，表明该系数与场强和气压有关。
场强很大时，α急剧增大，气压过大或过小时α都较小。
（电子碰撞电离系数越大击穿电压越低）第三节汤逊放电的γ过程及汤逊放电全过程：（1）正离子撞击到阴极表面发生表面电离，使阴极释放出二次自由电子的过程称为γ过程（2）在电极的气隙中，因外界电离因子产生出自由电子，这些自由电子在电极两端电压的作用下向阳极移动，当空间的电场强度足够大，这些电子将引起碰撞电离，产生出新的电子，新的电子又将引发碰撞电离，如此持续就会产生电子崩。
在碰撞电离过程中产生的正离子在电场的作用下撞击阴极，当场强足够大时，初始电子崩的正离子能在阴极上产生的新电子数大于或等于由外界电离因子产生的电子，那么即使除去外界电离因子的作用，放电也能够自持。
高电压技术习题及答案
第一章气体放电的基本物理过程一、选择题1) 流注理论未考虑的现象。
A．碰撞游离B．表面游离C．光游离D．电荷畸变电场2) 先导通道的形成是以的出现为特征。
A．碰撞游离B．表面游离C．热游离D．光游离3) 电晕放电是一种。
A．自持放电B．非自持放电C．电弧放电D．均匀场中放电4) 气体内的各种粒子因高温而动能增加，发生相互碰撞而产生游离的形式称为。
A.碰撞游离B.光游离C.热游离D.表面游离5) ______型绝缘子具有损坏后“自爆”的特性。
A.电工陶瓷B.钢化玻璃C.硅橡胶D.乙丙橡胶6) 以下哪个不是发生污闪最危险的气象条件？A.大雾B.毛毛雨C.凝露D.大雨7) 污秽等级II 的污湿特征：大气中等污染地区，轻盐碱和炉烟污秽地区，离海岸盐场3km~10km 地区，在污闪季节中潮湿多雾但雨量较少，其线路盐密为mg /cm2 。
A.≤0.03B.>0.03~0.06C.>0.06~0.10D.>0.10~0.258) 以下哪种材料具有憎水性？A. 硅橡胶B.电瓷C. 玻璃D 金属二、填空题9) 气体放电的主要形式：、、、、10) 根据巴申定律，在某一PS 值下，击穿电压存在值。
11) 在极不均匀电场中，空气湿度增加，空气间隙击穿电压。
12) 流注理论认为，碰撞游离和是形成自持放电的主要因素。
13) 工程实际中，常用棒－板或电极结构研究极不均匀电场下的击穿特性。
14) 气体中带电质子的消失有、复合、附着效应等几种形式15) 对支持绝缘子，加均压环能提高闪络电压的原因是。
16) 沿面放电就是沿着表面气体中发生的放电。
17) 标准参考大气条件为：温度t C 20 0 = ，压力= 0 b kPa，绝对湿度30 h =11g /m18) 越易吸湿的固体，沿面闪络电压就越______19) 等值盐密法是把绝缘子表面的污秽密度按照其导电性转化为单位面积上__________含量的一种方法20) 常规的防污闪措施有：爬距，加强清扫，采用硅油、地蜡等涂料三、计算问答题21) 简要论述汤逊放电理论。
7 雷电及防雷保护装置
10
2.地面落雷密度 地面落雷密度γ 地面落雷密度 定义：每一雷暴日、每平方千米地面受到的平均落雷次数。 定义：每一雷暴日、每平方千米地面受到的平均落雷次数。 一般取γ=0.07，但峡谷、向阳、迎风山坡、低电阻率 一般取 ，但峡谷、向阳、迎风山坡、 地区的γ值比一般地区大很多 值比一般地区大很多。 地区的 值比一般地区大很多。 3.雷电流 雷电流 （1）雷电流幅值（I） ）雷电流幅值（ ） 定义：当波阻抗为零时（低接地电阻R≤30 ），流经雷击 定义：当波阻抗为零时（低接地电阻 ），流经雷击 点的电流。 点的电流。 雷电流≈电流入射波的两倍 为什么？） 电流入射波的两倍（ 雷电流 电流入射波的两倍（为什么？） 雷电流幅值的概率分布。 雷电流幅值的概率分布。
D h0 = h − 4p
保护角α 表示避雷线的保护程度， 保护角 ：表示避雷线的保护程度，指避雷线铅垂线 与避雷线和边导线连线的夹角。 与避雷线和边导线连线的夹角。 保护角越小，雷击导线的概率越小， 保护角越小，雷击导线的概率越小，对导线的屏蔽保 22 护越可靠。 护越可靠。
1
第1 节
主要内容： 主要内容：
雷电过程与雷电参数
雷电放电过程 雷电参数
雷暴日、雷暴小时、 雷暴日、雷暴小时、地面落雷密度 雷电流 雷道波阻抗
2
一、雷电放电过程（云—地） 雷电放电过程（
雷电是一种气体放电现象， 雷电是一种气体放电现象，是一种超长间隙的火花放 雷云是电极。 电，雷云是电极。 条件：当云中某一电荷密集中心处的场强达到25 25～ 条件：当云中某一电荷密集中心处的场强达到25～ 30kV/cm时 就可能引发雷电放电。 30kV/cm时，就可能引发雷电放电。 过程：先导—主放电—余辉（余光） 过程：先导—主放电—余辉（余光） 1.先导阶段 1.先导阶段 特点： 特点：雷云下部伸出微弱发光的放电通道向地面的发展是 分级推进的。 分级推进的。 平均每一级长度：25～ 平均每一级长度：25～50m 每级间停歇时间：30～ 每级间停歇时间：30～90us 下行平均速度：0.1～ 下行平均速度：0.1～0.8m/us 3 电流较小： 电流较小：数十至数百安培
高电压技术——(八)
第七章 雷电放电及防雷保护装置
第二节 防雷保护装置
雷电放电作为一种强大的自然力的爆发是难以 制止的， 制止的，产生的雷电过电压可高达数百至数千 kV，如不采取防护措施，将引起电力系统故障， kV，如不采取防护措施，将引起电力系统故障， 电力系统故障 造成大面积停电。 造成大面积停电。 目前人们主要是设法去躲避和限制 躲避和限制雷电的破坏 目前人们主要是设法去躲避和限制雷电的破坏 基本措施就是加装避雷针 避雷线、 避雷针、 性，基本措施就是加装避雷针、避雷线、避雷 防雷接地、电抗线圈、电容器组、 器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线 自动重合闸等防雷保护装置。 圈、自动重合闸等防雷保护装置。 避雷针、避雷线用于防止直击雷过电压， 用于防止直击雷过电压 避雷针、避雷线用于防止直击雷过电压，避雷 用于防止沿输电线路侵入变电所的感应雷过 器用于防止沿输电线路侵入变电所的感应雷过 电压。 电压。
《高电压技术》第八讲 5
第七章 雷电放电及防雷保护装置
第一节 雷电放电和雷电过电压
3、雷电参数
地面落雷密度（ （2）地面落雷密度（γ）和雷击选择性
表征雷云对地放电的频繁程度以地面落雷密度（ ） 表征雷云对地放电的频繁程度以地面落雷密度（γ） 对地放电的频繁程度以地面落雷密度 来表示， 来表示，是指每一雷暴日每平方公里地面遭受雷击 的次数。 的次数。 地面落雷密度和雷暴日的关系式为： 地面落雷密度和雷暴日的关系式为：
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主讲教师： 主讲教师：李 丹 13872606770 lucy2140@ 三峡大学电气与新能源学院输电线路系
第七章 雷电放电及防雷保护装置
第七章 雷电放电及防雷保护装置
雷电在电力系统中的危害： 雷电在电力系统中的危害： （1）雷电过电压 （2）雷电流
高电压复习资料 填空
第一章 气体放电的基本物理过程二、填空题1) 气体放电的主要形式：辉光放电、电晕放电、刷状放电、火花放电、电弧放电2) 根据巴申定律，在某一PS 值下，击穿电压存在 最低 值。
3) 在极不均匀电场中，空气湿度增加，空气间隙击穿电压 提高 。
4) 流注理论认为，碰撞游离和 光电离 是形成自持放电的主要因素。
5) 工程实际中，常用棒－板或 棒－棒 电极结构研究极不均匀电场下的击穿特性。
6) 气体中带电质子的消失有 扩散 、复合、附着效应等几种形式7) 对支持绝缘子，加均压环能提高闪络电压的原因是 改善(电极附近)电场分布 。
8) 沿面放电就是沿着 固体介质 表面气体中发生的放电。
9)标准参考大气条件为：温度C t 200=，压力=0b 101.3 kPa ，绝对湿度30/11m g h = 10)越易吸湿的固体，沿面闪络电压就越 低 等值盐密法是把绝缘子表面的污秽密度按照其导电性转化为单位面积上__NaCl___含量的一种方法 11) 常规的防污闪措施有： 增加 爬距，加强清扫，采用硅油、地蜡等涂料第二章 气体介质的电气强度二、填空题1) 我国国家标准规定的标准操作冲击波形成_250/2500_____s μ。
2) 极不均匀电场中，屏障的作用是由于其对 空间电荷 的阻挡作用，造成电场分布的改变。
3) 下行的负极性雷通常可分为3个主要阶段： 先导放电 、 主放电 、 余光放电 。
4) 调整电场的方法：_增大___电极曲率半径、改善电极边缘、使电极具有最佳外形第三章 液体和固体介质的电气特性二、填空题1) 影响液体电介质击穿电压的因素有 杂质、 温度、电压作用时间、电场均匀程度、 压力2) 固体介质的击穿形势有_电击穿、热击穿、电化学击穿_3) 电介质是指_能在其中建立静电场的物质_，根据化学结构可以将其分成_非极性（弱极性）电介质、偶极性电介质、离子性电介质_。
4) 电介质极化的基本形式有__电子位移极化、离子位移极化、转向极化、介质界面极化、 空间电荷极化5) 介质损失角正切的计算公式是_C R I I /tan =δ _，δtan 表示 交流下的介质损耗。
第七章 雷电放电及防雷保护装置
在先导放电阶段，虽然有束缚电荷的存在，但是由于负电荷 移动较慢，故线路上产生的的电流较小，相应的电压也较小， 可忽略。主放电阶段，负电荷迅速被中和，束缚的正电荷产 生的电场使导线对地形成一定电压，而雷电流产生的磁通在 导线也感应出一定电压。这两者之和就是感应雷击过电压， 分别称为雷击过电压的静电分量和电磁分量。 高电压技术 河北科技师范学院电气教研室
' 雷击点电压 U A = I 2 ⋅
Z0Z Z =I⋅ 2 2Z 0 + Z
若取 Z 0 = 300Ω, Z = 400Ω U A ≈ 120 I 若取 Z0 ≈ Z 2
U A ≈ 100 I
(三)感应雷击过电压 雷击于线路附近大地或接地的线路杆塔顶部 等，在绝缘的导线上引起感应过电压。
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第二节 防雷保护装置
避雷针和避雷线 保护间隙和避雷器 防雷接地
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现代电力系统中实际采用的防雷保护装置主要有： 避雷针、避雷线、保护间隙、各种避雷器、防雷接 地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸 等等。
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保护范围：表示避雷装置的保护效能，保护范围 是相对的，每一个保护范围都有规定的绕击 （概）率，绕击指的是雷电绕过避雷装置而击 中被保护物体的现象。我国有关规程所推荐的 保护范围对应于0.1％的绕击率。
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(一)单支避雷针
rx = ( h − hx ) P h ( hx ≥ ) 2 h (hx < ) 2
高电压技术习题与答案复试必备讲解
第一章 气体放电的基本物理过程一、选择题1)流注理论未考虑 ______ 的现象。
A .碰撞游离 B .表面游离 C .光游离 D .电荷畸变电场 2)先导通道的形成是以 _____ 的出现为特征。
A .碰撞游离 B .表面游离 C .热游离 D .光游离 3)电晕放电是一种 ______ 。
A .自持放电B .非自持放电 C .电弧放电 D .均匀场中放电 4) 气体内的各种粒子因高温而动能增加，发生相互碰撞而产生游离的形式称为 ______ 。
A.碰撞游离B.光游离C.热游离D.表面游离5) _____ 绝缘子具有损坏后“自爆”的特性。
A.电工陶瓷B.钢化玻璃C.硅橡胶D.乙丙橡胶6) 以下哪个不是发生污闪最危险的气象条件？A.大雾B.毛毛雨C.凝露D.大雨7) 污秽等级II 的污湿特征：大气中等污染地区，轻盐碱和炉烟污秽地区，离海岸盐场3km~10km 地区，在污闪季节中潮湿多雾但雨量较少，其线路盐 密为 _______ mg/cm 。
A. <0.03B.>0.03~0.06C.>0.06~0.10D.>0.10~0.25 8) 以下哪种材料具有憎水性？A.硅橡胶B.电瓷C.玻璃 D 金属、填空题9)气体放电的主要形式： _____ 、 _______ 、 _____ 、 _____ 、 ______ 10)根据巴申定律，在某一 PS 值下，击穿电压存在 _____ 值。
11)在极不均匀电场中，空气湿度增加，空气间隙击穿电压 一 12)流注理论认为，碰撞游离和 ______ 是形成自持放电的主要因素。
13)工程实际中，常用棒一板或 ______ 电极结构研究极不均匀电场下的击穿特 性。
三、计算问答题21) 简要论述汤逊放电理论。
22) 为什么棒一板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高?14)15)16)17)18)19) 20) 气体中带电质子的消失有 ______ 、复合、附着效应等几种形式 对支持绝缘子，加均压环能提高闪络电压的原因是 沿面放电就是沿着 表面气体中发生的放电< 标准参考大气条件为：温度 t o =20C ，压力 b 。
雷电放电及防雷保护装置课件
管式避雷器（排气式避雷器）
构造
胶木管（增大 机械强度）
作用原理
当排气式避雷器受到雷电波入侵时，内 外间隙同步击穿，雷电流经间隙流入大 地；过电压消失后，在工作电压作用下， 流经间隙旳工频续流电弧旳高温使管内 产气材料（电弧高温下能产生大量气体 旳纤维、塑料或特种橡胶）分解出大量 气体，管内压力升高，气体从开口孔喷 出，造成对电弧旳强烈纵吹，从而使工 频续流在1到3个周波内熄灭。
Case 2:雷击于导线或避雷线：
U0
Z0
Z
Z
感应雷过电压计算案例
雷击点与电力线路间距离不小于65m时：
Ui
25
Ihc s
雷击于塔顶等接近导线旳接地物体时：
Ui hc
§7.2 防雷保护装置
防雷保护装置旳必要性
防雷保护装置旳种类
避雷针、避雷线、保护间隙、多种避雷器 、防雷接地
一、避雷针和避雷线
U Ci
非线性系数，最多不会 不会超出0.1，比较接近 理想阀片（相对于SiC制 成旳阀片）
SiC 电阻 U
ZnO 电阻
0
10－50 A
系统相电压
100－400 A
I
此电流很小，所以用此 种阀片制成旳避雷器能 够省去火花间隙
此电流很大，所以用此 种阀片制成旳避雷器必 须有火花间隙
金属氧化物避雷器旳特点
a.无间隙，所以构造大大简化、体积也 能够缩小诸多 b.保护性能优越 c.无续流，动作负载轻（过电压相应旳能 量）、能反复动作实现保护 d.通流容量大，能制成重载避雷器；
e.耐污性能好
避雷器旳电气参数
(1).避雷器额定电压：相当于SiC避雷器旳灭弧 电压。指避雷器能够较长器期耐受旳最大工频 电压有效值。
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2. 雷击于导线或档距中央避雷线
U0 Z0
Z0
A
I’2
2U0
ZZ
Z
Z
O
(a)示意图
如果电流电压均以幅值表示
(b) 电压源等值电路
I'2
2U0
Z0
Z 2
IZ0
Z0
Z 2
• 导线雷击点A的电压幅值
UAI'2Z 2I
Z0Z 2Z0Z
令Z0=300Ω ，Z=400Ω ，可得UA=120I
有55％的对地雷击包含两次以上的重复冲击；3～5次 冲击者有25%；10次以上者有4%。平均重复冲击次数 取3次。 一次雷电总延续时间，有50%小于0.2s
(九)放电能量
A=QU=107V×20C＝20×107W.s，放电能量不大，但是 在极短时间内放出的，因而功率很大。
四、雷电过电压的形成
(一)雷电放电的计算模型
• 2.感应雷击过电压一定要在雷云及其先导通道中的电 荷被中和后才出现；相邻导线间感应电压与感应源同 生同灭；
V)
2. 式中I—雷电流幅值
3.
hc—导线的平均对地高度
4.
s—雷击点与线路之间的距离
2. 雷击于塔顶等紧靠导线的接地物体
3.
Ui=ahc
4. 式中a—感应雷过电压系数，它近似等于雷
电流的平均波前陡度，即a≈I/2.6
• 感应雷击过电压与相邻导线间感应电压的异同:
• 1.感应雷击过电压的极性一定与雷云的极性相反，而 相邻导线间感应电压的极性一定与感应源相同；
lg P I 88
(六)雷电流的波前时间、陡度及波长
波前陡度的最大极限值一般可取50 kA/us左右。 雷电流的波前时间T1处于1～4us的范围内，平均为 2.6us。波长T2 处于20～100us的范围内，多数为40us 左右。
我国防雷设计采用2.6/40us的波形；在绝缘的冲击高 压试验中，标准雷电冲击电压的波形定为1.2/50us
(二)地面落雷密度( )和雷击选择性 表示每平方公里地面在一个雷暴日受到的平
均雷击次数。
我国标准对Td ＝40的地区，取 ＝0.07
(三)雷道波阻抗（Z0）
主放电过程可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。
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
(二) 直接雷击过电压的几个典型算例 1. 雷击于地面上接地良好的物体(Ri=15Ώ)
i0
A
A
2i0 Z0 Ri
i Ri
O
(a)
(b)
根据雷电流的定义,这时流过雷击点A的电流即为雷电 流i。如(b)为其电流源等值电路则雷电流为：
iZ 0 Z 0R i2 i03 2 3 0 10 0 i0 5 0 1 .9 i02 i0
波阻抗。
我国有关规程建议取Z0≈ 300Ω
(四)雷电的极性
负极性雷击均占75～90%，对设备绝缘危害较大,防雷计 算中一般均按负极性考虑。
I (五)雷电流幅值（ ）
通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻(≤ 30Ω)的
物体时流过雷击点的电流。它近似等于电流入射波I 0
的两倍，即
I 2I0
I 一般地区，雷电流幅值超过 的概率可按下式计算
雷云 20,000 μs
1000 μs
1000 μs
分级先导 大地
箭状先导
第一次主放电
100 μs
0.03 μs 入地电流
箭状先导
100 μs 0.03 μs
第三次主放电 t
100 μs
时间 t 图7-2 雷电放电的发展过程及雷电流波形
三、雷电参数
(一)雷电活动频度 雷暴日及雷暴小时 雷暴日Td是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是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。 一个雷暴日折合三个雷暴小时。 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；>40，多雷区；>90，强雷区
第七章雷电放电及防雷保护装置
第一节 雷电放电和雷电过电压
➢雷云的形成 ➢雷电放电过程 ➢雷电参数 ➢雷电过电压的形成
一、雷云的形成
雷云的形成机理获得比较广泛认同的是水滴分裂起电 理论：大水滴分裂成水珠和细微的水沫，出现电荷分 离现象，大水珠带正电，小水沫带负电，细微水沫被 上升 气流带往高空，形成大片 带负电的雷云。
雷电流波前的平均陡度 a I (kA/us)
2.6
(七)雷电流的计算波形
在防雷计算中，按不同要求采用不同的计算波形
1、双指数波
iI0(et et)
2、斜角波
i at
3、斜角平顶波
ia(ttT1)
ia1T I(tT 1)
4、半余弦波
i I (1co st)
2
(八)雷电的多重放电次数及总延续时间
• 通常“云—地”之间的线状雷电在开始时往往是一微 弱发光的通道从雷云向地面伸展，它以逐级推进的方 式向下发展，每级长度约25~50m，每级的伸展速度 约104 km/s，各级之间有30~90μs的停歇，所以平均 发展速度只有100~800km/s这种预放电称为逐级引路 或先导放电。
• 当先导放电接近地面时，地面上一些高耸的物体因周 围电场强度达到了能使空气电离程度，会发出向上的 迎面先导，当它与下行先导相遇时，就出现了强烈的 电荷中和过程，出现极大的电流，这就是雷电的主放 电阶段，伴随着雷鸣和闪光。这段时间极短，只有 50~100 μs，它是沿着负的下行先导通道，由下而上 逆向发展的，亦称“回击”,速度可达 20000~150000km/s。
(三)感应雷击过电压
• 除了前面介绍的直接雷击过电压外,电力系统中还会出 现另一种雷电过电压—感应雷击过电压，它的形成机 理与直接雷击过电压完全不同。
图7-7 感应雷过电压产生机理示意图
(a)先导放电阶段
(b)主放电阶段
1. 在雷击点与电力线路之间的距离s>6部局部正电荷区。
二、 雷电放电过程
• 雷电放电是一种超长气隙的火花放电，与金属 电极间的长气隙放电是相似的。
• 由于雷云的物理性质毕竟与金属板不同，因而 具有多次重复雷击等现象和特点。
• 雷云下部大部分带负电荷，大多数的雷击是负 极性的，雷云中的负电荷会在地面感应出大量 正电荷。
• 地面与大地之间或两块带异号电荷的雷云之间， 会形成强大的电场，其电位差可达数兆伏甚至 数十兆伏。