风力发电原理风电场防雷接地
风电防雷接地
风电防雷接地1 风机的防雷特点电闪雷鸣释放的巨大能量，会造成风机叶片爆裂、电气绝缘击穿、自动化控制和通信元件烧毁……1.1 一般雷击率在年均10雷电日地区，建筑物高度h与一般雷击率n的关系见表1。
1.2 环境风力发电特点是：风机分散安置在旷野，大型风机叶片高点（轮毂高度加风轮半径）达60～70 m，易受雷击；风力发电机组的电气绝缘低（发电机电压690 V、大量使用自动化控制和通信元件）。
因此，就防雷来说，其环境远比常规发电机组的环境恶劣。
1.3 严重性风力发电机组是风电场的贵重设备，价格占风电工程投资60%以上。
若其遭受雷击（特别是叶片和发电机贵重部件遭受雷击），除了损失修复期间应该发电所得之外，还要负担受损部件的拆装和更新的巨大费用。
丹麦LM公司资料介绍：1994年，害损坏超过6%，修理费用估计至少1 500万克朗(当年丹麦装机540 MW，平均2.8万克朗/MW) 。
按LM公司估计，世界每年有1%～2%的转轮叶片受到雷电袭击。
叶片受雷击的损坏中，多数在叶尖是容易被修补的，但少数情况则要更换整个叶片。
雷击风机常常引起机电系统的过电压，造成风机自动化控制和通信元件的烧毁、发电机击穿、电气设备损坏等事故。
所以，雷害是威胁风机安全经济运行的严重问题。
2 叶片防雷研究雷击造成叶片损坏的机理是：雷电释放巨大能量，使叶片结构温度急剧升高，分解气体高温膨胀，压力上升造成爆裂破坏。
美国瞬变特性研究院用人工电晕发生器，在全复合材料的叶片做雷击试验，高电压、长电弧冲击（3．5 MV，20 kA）加在无防雷设置的叶片上，结论是叶片必须加装防雷装置。
TACKE公司设计了玻璃钢防雷叶片（图1），叶片顶端铆装一个不锈钢叶尖，用铜丝网贴在叶片两面，将叶尖与叶根连为一导电体。
铜丝网一方面可将叶尖的雷电引导至大地，也防止雷击叶片主体。
丹麦LM公司于1994年获得叶片防雷的科研项目，由丹麦能源部资助，包括丹麦研究院雷电专家、风机生产厂、工业保险业、风电场和商业组织在内，目的在于调查研究雷电导致叶片损害，开发安全耐用的防雷叶片。
风力发电机组的气象防雷保护
风力发电机组的气象防雷保护：随着风力发电机组单机容量的不断増大，风机轮毂高度和叶片高点也在不断増高，在旷野、山顶和沿海地区，风机遭受雷击的概率非常大。
从各风场反馈的情况来看，雷击不但是造成风机故障停机的重要因素，甚至直接影响风电场的安全运行。
本文首先从雷电的破坏机理和形式入手，对雷电的防护区域进行了划分，并提出了风力发电机组的防雷保护设计原则和防雷系统工程方案;而后对风机整机系统的防雷保护进行了系统的分析，并提出了具体的防雷保护方法。
标签：风力发电防雷雷电1引言风能是一种绿色、安全的清洁能源，也是当前技术最成熟、最具备规模开发条件的可再生能源。
近年来，风力发电机组的单机容量越来越大，为了吸收更多能量，轮毅高度和叶轮直径不断增高;同时，高原、沿海、海上等新型风力发电机组的开发，使风力发电机组开始大量应用于高原、沿海、海上等地形更为复杂，环境更为恶劣的地区，更加加大了风力发电机组被雷击的风险。
据统计，风电机组故障中，由遭遇雷击导致的故障占到4%。
电具有极大的破坏力，雷击释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等故障，给风电场带来直接和间接的巨大经济损失，此风力发电机组的防雷保护已日益引起各个风电机组制造厂家和风电机组研发设计人员的重视。
风电机组的防雷是一个综合性的工程，防雷设计的到位与否，直接关系到风电机组在雷雨天气时能否正常工作，并且确保风电机组内的各种设备不受损害。
2雷电的产生及危害雷电是雷云间或雷云与地面物体间的放电现象，电位差可达数兆瓦甚至十兆瓦，放电电流几十千安甚至几百千安。
经验表明，对地放电的雷云绝大部分带负电荷，当雷暴经过大地时，云块下方原本负电荷充电的几公里的雷暴范围内的大地可以变为正极充电。
这些正电荷会集中在垂的物体上，比如树木和高耸的建筑物。
这些物体向上释放出正极的放电，并试图与从云块发出的向下的负极放电相结合，当正负电荷相结合时，闪电就发生了。
2.1雷电的破坏形式风力发电机一般都是安装在空旷的地方，并且明显高于附近的建筑物和树木，所以整个风机是暴露在直接雷击的威胁下，尤其是叶片。
风电机组的防雷和防雷标准
风电机组的防雷和防雷标准邱传睿1、引言风电作为高效清洁的可再生能源，一问世就受到各国高度重视，我国是较早利用风力发电的国家，到现在为止，总装机容量已经排在亚洲第一、全球第三的位置，而发展速度名列世界前二。
风场高速发展的同时，风电机组的雷害也日益显露，因此风电机组的防雷被问题摆到了风电研发人员的面前。
风力资源丰富的风场往往处于高海拔和远离城市的地区及荒郊，风场中的风电机组容易遭受直接雷击。
目前MW级的大功率的风电机成为风场的主机型，大功率风电机的风塔高度已经超过120m，是风场中最高大的构筑物，在风电机组的20年寿命期内，总会遭遇到几次雷电直击。
最初，我国的风电场从年平均雷电日较少的新疆和内蒙开始发展，那时都是450kW级以下的风力机，因此雷害并不突出，但是，今后我国风机要设置在苏北沿海、华南，甚至将离岸设置，同时我国将发展2.5MW级以上的风机，风力机的雷害问题引起了有关方面的高度重视，中国风能协会叶片专业委员会于2009年9月在肇庆召开的年会，将叶片的防雷作为一个重要问题进行了研讨，说明风力机的防雷得到大家的重视。
国际电工委员会IEC第88工作委员会（IEC TC 88）在编制风电机组系列标准IEC 61400时，编制了一个技术报告（TR），作为IEC 61400系列标准的24部分，于2002年6月出版。
当时，标准编制工作组想为这个相对年经的工业提供雷电和防雷的知识。
因此，在IEC 61400-24中提供了一些风力机雷害的背景资料，也提供了最实用的防雷指导。
在几年的实践中证明了编制工作组编制的该技术报告对防止和减少风电机组的雷害是有效的。
在IEC 61400-24问世后不久，风电工业迅速的向大功率风力机发展，并且技术更加成熟，市场更加繁荣。
同时雷害的问题比2002年以前更加复杂和日益突出。
因此有必要有一个作为风电机组防雷标准的文件供风电行业人员使用。
这样，将IEC 61400由技术报告（TR）升级为技术标准（TS）便顺理成章提到议事日程上来了。
风力发电系统防雷设计研究
风力发电系统防雷设计研究风力发电系统是一种利用风能转化为电能的装置，具有可再生、清洁、环保等优点，正逐渐成为全球能源结构调整的重要部分。
由于风力发电系统通常建在高处，暴雨、雷电等天气现象容易导致系统遭受雷击，引发安全隐患和设备损坏。
对风力发电系统进行防雷设计是非常重要的。
一、风力发电系统的防雷设计原则：1.系统的安全可靠性是最重要的考虑因素。
2.尽可能减小风力发电系统的雷击危害。
3.遵循国家相关防雷标准，确保系统的合规性。
二、风力发电系统的防雷设计内容：1.系统常规防雷保护措施：（1）系统接地设计：风力发电机组、输电线路和绝缘线设计良好的接地系统，可有效地降低雷击危害。
（2）引雷器：在风力发电系统中设置引雷器，将雷电引入地下或者避免直接击中关键设备，减少雷击对设备的损害。
（3）避雷针：在发电塔上安装避雷针，防止塔上人员遭受雷击伤害。
（4）金属防护：使用避雷针、金属网等材料对设备进行金属防护，形成电磁屏蔽，防止雷击对设备造成直接伤害。
2.高频保护系统设计：（1）设置防雷川流式闭合环节，对外部大气环境中的雷击脉冲进行拦截、吸收和消散，保护风力发电系统的高频设备。
（2）通过使用避雷器、稳压器等设备，对高频电路进行保护，防止雷击冲击对设备电路产生干扰和破坏。
3.系统的过电压保护设计：（1）使用过电压保护器对系统进行过电压保护，及时将过电压释放到地下或外部大气环境中，防止过电压对系统设备产生危害。
（2）设置过电压保护器的位置、数量和规格应根据系统的整体特点进行选择，确保可靠性和合理性。
4.系统的电气接地设计：（1）风力发电机组和输电线路的接地设计应符合相关防雷标准，确保接地电阻小于设计要求。
（2）通过设置接地体，提高接地效果，减小系统感应电阻，保护系统的安全运行。
5.系统的维护和监控：定期对风力发电系统进行维护和检测，确保系统设备的正常运行，及时处理可能存在的安全隐患。
总结：风力发电系统的防雷设计是保护系统设备和人员安全的重要环节。
风电场的防雷和接地
风电场电气系统
2
§1.2 雷电的危害
防雷与接地
直击雷：雷云放电时，雷电流可达几百千安。通过被雷击物 体时，产生大量的热量，使物体燃烧。
感应雷：雷电感应是雷电的第二次作用，即雷电流产生的电 磁效应和静电效应作用。
❖ 电气设备的接地：通常情况下是指不带电的金属导体（一 般为金属外壳或底座）。
❖ 非电气设备的导体接地：如风管、输油管及建筑物的金属 构件经金属接地线与接地电极相连接。
风电场电气系统
6
§2.1 接地基本概念
防雷与接地
Uk
❖ 接地电阻：即接地装置对 地电压与入地电流之比。
它包括接地线、接地体的
电阻以及接地体与土壤间
属体，如输油金属管道等，称为防电蚀接地。牺牲阳极保 护阴极的称为阴极保护。
风电场电气系统
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防雷与接地
§2.3 接地的一般要求
§2.3.1 接地网设计基本要求
❖ 1）电气设备及设施宜接地或接中性线，并做到因地制宜， 安全可靠，经济合理。
❖ 2）不同用途和不同电压的电气设备，除另有规定者外， 应使用一个总的接地系统，接地电阻应符合其中最小值的 要求。
➢ 电力设备传动装置。 ➢ 互感器的二次绕组。 ➢ 配电、控制保护屏（柜、箱）及操作台等的金属框架。 ➢ 屋内配电装置的金属构架和钢筋混凝土构架，以及靠近带
电部分的金属围栏和金属门、窗。 ➢ 交、直流电力电缆桥架、接线盒、终端盒的外壳、电缆的
屏蔽铠装外皮、穿线的钢管等。 ➢ 装有避雷线的电力线路杆塔。 ➢ 在非沥青地面的居民区内，无避雷线非直接接地系统架空
风力发电机防雷系统的组成、措施及思路
风力发电机防雷系统的组成、措施及设计思路1.风电防雷的组成风电的防雷主要由雷电电磁脉冲防护系统和直击雷防护系统组成。
雷电电磁脉冲防护系统主要针对风电的掌握系统；直击雷防护系统主要包括风塔、叶片及接地系统的防护。
从构筑物的角度进行考虑，风塔可以进行LPZ进行防雷分区，依据这种分区方式同样可以确定风塔的不同位置需要实行什么样的防护措施。
依据危急成都进行划分：处于LPZO区的部分包括叶片、风速仪，LPZ1区包括：风机（机舱）罩、塔桶内电缆、，LPZ2区包括: 变浆柜、掌握柜、等。
2.掌握系统的防雷设计对于处于野外高雷击风险环境的雷电电磁脉冲防护应重点考虑采纳等电位、屏蔽及在掌握线路上安装SPD。
3. 1机舱内的等电位系统设计风电掌握机舱内主要有变浆掌握柜、制动掌握柜、机械箱（齿轮箱）、液压掌握柜、发电机及传动系统，由于各系统之间的链接主要是靠地板的链接，各金属外壳间存在肯定的接触电阻，所以应重点做好设施之间的等电位链接，可在用紫铜带或者铜编织带进行牢靠的等电位链接。
4.2屏蔽措施屏蔽措施主要针对目前国内一些风机外科采纳高强度玻璃钢材料而言，由于雷电电磁脉冲的冲击是在空间范围内存在的，所以，为了削减机舱内电子设施受雷电电磁脉冲的冲击，应采纳金属的机舱罩, 减弱雷电电磁脉冲对机舱内设施的影响，减小雷电电磁脉冲的强度，同时也可有效的削减雷电电磁脉冲在线路上产生的浪涌脉冲。
2.3在不同位置安装相应的SPD依据国外风场的统计数据表明，风电场因雷击而损坏的主要风电机部件是掌握系统和通讯系统。
雷击事故中的40%〜50%涉及到风电机掌握系统的损坏，15%〜25%涉及到通讯系统，15%〜20%涉及到风机叶片，5%涉及到发电机。
由此可见，雷电对风机系统遭成的影响是不同的，进行具有针对性的防护是避开和削减事故的重要手段。
依据IEC61312-3. 61024和61400及GB500577994中关于雷电流安排的推举计算可计算出风机内部不同系统存在的雷击电流强度。
风力发电防雷接地施工方案
风力发电防雷接地施工方案1. 引言风力发电作为一种可再生的清洁能源，受到越来越多的关注和应用。
然而，在风力发电场建设过程中，由于风力发电机组的高度和立体结构，以及所处环境的复杂性，雷击是一个常见问题。
为了保护风力发电机组和相关设备不受雷击的影响，需采取合适的防雷接地施工方案。
本文将介绍一种风力发电防雷接地施工方案，以确保风力发电场的设备和人员的安全。
该方案主要包括以下几个方面：选择合适的接地材料、接地设计、接地电阻测试、施工要点等。
2. 接地材料选择接地材料的选择是防雷接地施工的基础，需要考虑材料的导电性能、耐腐蚀性能和耐久性等因素。
常用的接地材料包括铜、镀锌铁、铝等。
在风力发电场的防雷接地中，一般选择铜作为接地材料，因为铜具有导电性能好、抗腐蚀性能强的特点，适用于各种复杂环境。
3. 接地设计风力发电场的防雷接地设计需要考虑到多种因素，包括地质条件、设备排布、雷电活动频率等。
首先，需要确认接地点的选取。
接地点应选择在地势最低的位置，以确保雷电击中后电流能顺利通过地下传导，减少对设备的影响。
其次，需要合理布置接地装置。
根据设备排布和雷电活动频率，合理安排接地装置，使其能够覆盖整个风力发电场，并确保有效接地。
最后，需要合理规划接地导线的走向和长度。
接地导线应尽量短，减少电阻，提高接地效果。
同时，接地导线的走向也应尽量避免与其他电缆和设备产生干扰。
4. 接地电阻测试接地电阻是评估接地效果的重要指标，需要进行定期测试和检查。
常用的接地电阻测试方法包括三线法和四线法。
其中，三线法适用于小型接地，四线法适用于大型接地。
测试结果可以通过比较测试前后的接地电阻值，来评估接地的有效性。
在测试过程中，需要确保接地导线与测试仪器的连接良好，并排除其他因素对测试结果的干扰。
测试结果应记录并保存，以备后续参考和对比。
5. 施工要点在风力发电防雷接地施工过程中，需要注意以下几个要点：•施工前需进行详细的方案设计和风险评估，确保施工过程的安全性。
风力发电机组防雷保护策略综述
风力发电机组防雷保护策略综述摘要：风电机组的防雷保护由于电气和机械特性而提出了许多问题。
本文以一种简单而全面的方式整理有关目前保护风电机组的现有工作，并提出可能有助于未来保护风电机组免受雷击造成的重大损失的建议。
关键词：雷击，风电机组接地，高压输电线路，防雷，浪涌一、概述目前，在世界上的103个国家，风力发电被用于民用和工商业用电。
风能是世界上增长最快的可再生能源之一。
然而，由于它们的物理尺寸，风电机组特别容易遭受雷击。
因此，本文梳理了有关防雷保护的已知信息，并提出了一些改进建议。
二、风电机组尺寸与雷击的关系在岸上和近海地区的规模继续增加。
众所周知，较大的风电机组被闪电击中的可能性较大。
然而，对于这些设备的保护和增加的高度和离岸安装的综合影响，人们明显缺乏专业知识。
考虑到额定功率，目前大规模应用的单机容量从0.25kW-4500kW不等。
风力发电机的功率输出主要取决于风速、涡轮额定功率和转子直径。
如果转子直径增加，塔架的高度也会增加。
随着风电机组整体高度的持续增长，它们变得越来越容易受到雷击。
三、防雷保护的现状与标准目前风机所采用的防雷系统由防雷点、导线、接地系统和各子系统的浪涌保护装置组成。
采用低阻抗路径是进行防雷工作的前提条件。
外部防雷系统，由以下部分组成：转子叶片中的空气终止和向下导体系统、保护机舱的空气终止系统、上层建筑，机舱，和轮毂。
外部防雷系统用于拦截塔上的直击雷击，包括雷击，并将雷电电流从撞击点引导到地面。
机舱的构造应成为防雷系统的组成部分，以确保闪电击中金属部件；或者在机舱上提供空气终止系统。
对于涂有玻璃纤维增强塑料或类似材料的机舱，应配备空气终止系统并在机舱周围形成笼。
该保护系统基于国际标准IEC61400-24和IEC62305。
防雷系统的所有子部件都应符合IEC61400-24规定的防雷等级(LPL-1)，除非风险分析建议采用较低的LPL-1等级。
内部防雷系统，转子叶片广泛使用的防雷方法是一种能够承载雷电电流的内部避雷导体。
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雷电是雷云间或雷云与地面物体间的放电现象。 电位差可达数兆伏甚至数十兆伏，放电电流几十千安甚至几 百千安。经验表明，对地放电的雷云绝大部分带负电荷，所 以雷电流的极性也为负的。
雷电的类型 直击雷：雷云直接对建筑物或地面上的其他物体放电。 感应雷：包括静电感应雷和电磁感应雷。 球形雷：是一种球形的发红光或极亮白光的火球。
接地装置：对地保持一个低的电位差，埋入地中并直接 与大地接触的金属导体。 作用：使雷电流顺利入地，减小雷电流通过时的电位升 高。
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开发新型能源，主导低碳经济
二、接地的原理、意义及措施
接地基本概念
➢ 接地：在电力系统中，接地通常指的是接大地，即将电 力系统或设备的某一金属部分经金属接地线连接到接地 电极上。
➢ 冲击系数 ：一般用实验方法求得，在缺乏准确数据
时，对集中的人工接地体或自然接地体的冲击系数，也 可按下式计算：
0.9
1
(I )m
l1.2
式中：I为冲击电流幅值，kA；ρ为土壤电阻率，kΩ·m；l为垂直接地体
或水平接地体长度，或环形闭合接地体的直径，或方形闭合接地
体的边长，m；β及m为与接地体形状有关的系数，对垂直接地体
Uk—接触电位差；Ukb—跨步电位差
Rd
r0 dRd
dr
r0 2r 2
2r0
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接地基本概念
➢ 接触电压：即当电气设备绝缘损坏外壳带电时，有可能 施加于人体的电压。为保证人身安全（≤50V）。
U jc U d U1
➢ 跨步电压：未触及该设备，但由于人在跨步过程中，两 只脚所处的位置不同所产生的电压。同样不允许超过安 全电压（≤50V）。
β=0.9，m=0.8，对水平及闭合接地体β=2.2，m=0.9。
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接地的意义
功能性接地
工作接地
逻辑接地
保护性接地
信号接地
保护接地 防雷接地 防静电接地
屏蔽接地
防电腐蚀接地
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1、功能性接地
➢ 冲击电阻：峰值电压与峰值电流之比。
Rch Um / Im
➢ 接地体上最大电压出现的时刻，不一定是最大电流出现 的时刻。工程上通常是测量工频（或直流）接地电阻，
并用冲击系数来表示冲击接地电阻与工频接地电阻的关
系，即：
Rch
Rd
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接地基本概念
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➢ 雷电的危害
直击雷：雷云放电时，雷电流可达几百千安。通过被雷击物 体时，产生大量的热量，使物体燃烧。
感应雷：雷电感应是雷电的第二次作用，即雷电流产生的电 磁效应和静电效应作用。
在雷云向其他地方放电后，云与大地之间的电场突然消失， 但建筑物的顶部或架空线路上的电荷不能很快泄入大地， 残留的大量电荷相互排斥而产生强大的能量使建筑物震 裂。同时，残留电荷形成的高电位，往往造成屋内电线、 金属管道和大型金属设备放电，击穿电气绝缘层或引起 火灾、爆炸。
Uk
➢ 接地电阻：即接地装置 对地电压与入地电流之
比。它包括接地线、接地体的电阻以及接源自体Ud IdRdId
U f (r)
Ukb
与土壤间的过渡电阻和 大地的散流电阻。前两
r0
0.8
r
X
者较小，可忽略不计，
主要是大地的散流电阻。
dr
故接地电阻与土壤的电
阻率ρ成正比，与接地体
接地装置对地电位分布曲线
的半径成反比。设接地 装置（接地体）为一半 径为的半球体，并认为 接地体周围土质均匀。
原理：与避雷针基本相同，但对电场畸变的影响比避雷针小。
避雷器：用来限制沿线路侵入的雷电过电压（或因操作引起 的内过电压）的一种保护设备。
原理：实质上是一种放电器，把它与被保护设备并联，并在 被保护设备的电源侧。
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➢ 雷电的一般防护
避雷带和避雷网：在建筑物最可能遭到雷击的地方采用 镀锌扁钢或镀锌圆钢，并通过接地引下线与埋入地中的 接地体相连构成避雷带，再由避雷带构成的避雷网。 原理：避雷带、避雷网与避雷针及避雷线一样可用于直 击雷防护。
Ukb U2 U3
U
称为接触电压；U
jc
kb
称为跨步电压；U
d
为带电的设备外壳
电压；U 2为前脚电位；U 3为后脚电位。
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接地基本概念
➢ 工频接地电阻：对电力系统中的工作接地和保护接地， 接地电阻是指工频交流（或直流）电流流过接地装置时 所呈现的电阻。
➢ 电力系统中的接地：通常是指中性点或相线上某点的金 属部分。
➢ 电气设备的接地：通常情况下是指不带电的金属导体 （一般为金属外壳或底座）。
➢ 非电气设备的导体接地：如风管、输油管及建筑物的金 属构件经金属接地线与接地电极相连接。
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接地基本概念
➢ 1．工作接地
➢ 为保证电力系统的正常运行，在电力系统的适当地点进 行的接地，称为工作接地。在交流系统中，适当的接地 点一般为电气设备，例如变压器的中性点；在直流系统 中还包括相线接地。
➢ 2．逻辑接地
➢ 电子设备为了获得稳定的参考电位，将电子设备中的适 当金属部件，如金属底座等作为参考零电位，把需要获 得零电位的电子器件接于该金属部件上，如金属底座等， 这种接地称为逻辑接地。该基准电位不一定与大地相连 接，所以它不一定是大地的零电位。
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风力发电原理与应用
风电场防雷接地
§7 风电场的防雷和接地
➢ 雷电的产生机理、危害及防护 ➢ 接地的原理、意义及措施 ➢ 大型风力机的防雷保护 ➢ 集电线路的防雷与接地 ➢ 升压变电站的防雷与接地
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一、雷电的产生机理、危害及防护
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➢ 雷电的一般防护
避雷针：由接闪器、支持构架、引下线和接地体四部分构成。 原理：使雷云先导放电通道所产生的电场发生畸变，致使雷 云中的电荷被吸引到避雷针，并安全泄放入地。
避雷线：由悬挂在被保护物上空的镀锌钢绞线（接闪器）、 接地引下线和接地体组成。主要用于输电线路、发电厂和变 电站的防雷保护。