防雷设备的保护范围及应用

防雷设备分避雷针、避雷线和避雷器3种，具体介绍如下。

1.避雷针及其保护范围

（1）避雷针的作用及组成。避雷针的作用是：吸引雷，并将雷电流通过避雷针安全泄入大地，从而保护避雷针附近电力设备和建筑物免受直击雷的危害。

避雷针由接闪器（针头）、接地引下线和接地体（接地电极）3个部分组成。

接闪器（针头）：为直径不小于16m，长L＝1～2m的钢棒，或为截面积S不小于35mm2的镀锌钢绞线（避雷导线）。它们架设在一定高度起引雷作用。

接地引下线：是接闪器与接地体之间的连接线。它将雷电流安全导入埋于地下的接地体。接地体引下线应保证在强大的雷电流通过时不熔化。一般用直径不小于8～12mm的圆钢，或截面积不小于4mm×12mm的扁钢。当用钢筋混凝土杆、钢结构作支承物时，可利用钢筋作接地引下线。

接地体：埋于地下与土壤直接接触的金属物体。它的电阻值很小，一般不大于10Ω，能更有效地将雷电流泄入大地。

接地体分人工接地体和自然接地体两种。人工接地体是指为满足电力系统运行的需要人为埋在地下的扁钢、角钢、钢管等金属物；自然接地体是指已存在的建筑物的钢结构和钢盘、行车的钢轧、埋在地下的金属管道（可燃液体和可燃可爆气体的管道除外）以及铺设于地下而数量不少于两根的电缆金属外皮等。

人工接地体的装设：人工接地体有垂直埋设和水平埋设两种基本结构，具体如图9－3所示。

图9－3　人工接地体

（a）垂直埋设的棒形接地体；（b）水平埋设的带形接地体

最常用的垂直人工接地体为直径50mm、长2.5m的镀锌钢管。直径小于50mm的钢管打入地下时易弯曲；直径大于50mm时，钢材消耗量增加，投资太大；钢管长于2.5m时，不易打入地内，而短于2.5m时，流散电阻增大，也可用50mm×50mm×5mm的角钢。埋入地下的垂直人工接地体上端距地面大于0.5m，人工接地体之间的距离不小于5m。

水平埋设的人工接地体常用长度为5～20m的圆钢或角钢水平埋在地面下0.5～1m的坑内。

人工接地体按其布置方式分为外引式和环路式两种。外引式就是将人工接地体引出户外某处打入地下。环路式就是将人工接地体围绕电气设备或建筑物四周打入地下。环路式人工接地布置示意如图9－4所示。

图9－4　环路式人工接地体布置示意

（2）避雷针的保护范围。避雷针是防止电气设备和建筑物遭受直接雷击的有效装置，但被保护物必须处在避雷针的保护范围之内，反之则不能得到安全保护。

①单根避雷针的保护范围。

单根避雷针的保护范围是以避雷针为轴的折线圆锥体内，如图9－5所示。确定折线的方法是：A点为避雷针顶点，过A点向下作与避雷针成45°角的斜线，在斜线上取C点，C点的高度及距避雷针的距离都等于避雷针高的一半，在地面上取距避雷针1.5h的B点，连接A点、C点、B点即保护范围的折线。该折线表明当避雷针高为h时，避雷针在地面上的保护半径r＝1.5h，空间是一个折线圆锥形。若被保护物的高度为hx，水平面上的保护半径rx可按下列公式计算：

式中，P——避雷针太高时保护半径不成正比而应减少的系数（或叙述为：P是由运行经验确定的修正系数）。

被保护物的高度系指最高点的高度。被保护物必须完全处于折线之内才能确保安全。

例题9－1　某厂一座30m的水塔旁边建有一水泵房，尺寸如图9－6所示。水塔上面装有一根2m高的避雷针。试问此避雷针能否保护这一水泵房。

解：从图9－6可知，所以

又因为h＝32m＞30m，所以，所以

水泵房距避雷针最远点的距离为。

此避雷针可以保护这一水泵房。

②两根等高避雷针的保护范围。

图9－5　单根避雷针的保护范围

图9－6　例题9－1图

当被保护物范围较大时，用两支稍矮的避雷针进行联合保护往往比很高的单根避雷针更经济、合理且易安装。

如图9－7所示，利用两根等高的避雷针进行联合保护时，首先根据保护物的长、宽、高以及避雷针的理想安装位置等情况，初步确定两根避雷针之间的距离a，然后按a＜7haP的条件初选ha（ha是避雷针高出被保护物的高度，称为避雷针的有效高度）。确定好之后，再按照下列方法进行两根等高避雷针联合保护范围的计算：

a.两针外侧的保护范围按单根避雷针确定：计算公式同式（9－1）。

b.两针之间保护范围最小截面的确定：按公式h0＝h－a/7P确定两针之间保护范围上部边缘最低点O；也就是说再假设一根避雷针的高度为h0，该假设避雷针在地面上一侧的保护宽度b＝1.5h0，但其空间保护外限为一通过O点的屏蔽直线（如图9－7中的右上角截面图）。两针之间在hx水平面上一侧的最小保护宽度bx按下式确定：

图9－7　两根等高避雷针的保护范围

但必须注意当a＝7haP时，bx＝0，即再增大两针间的距离就不能构成联合保护范围。一般规定两针间的距离与针高之比a/h≤5。

两根不等高避雷针的保护范围可查阅有关设计手册。

例题9－2　如图9－8所示，欲在相距105m的两根避雷针之间的地段内修一高6m、长12m、宽4m的建筑物，该建筑物距两针轴线的距离为4m，问两根避雷针能否保护这一建筑物（该题中a与ha实际已选定）？

解：因为h0＝h－a/7P＝105m，所以

又因为建筑物的高度为6m，求出6m的水平面上的一侧最小保护宽度bx：(www.xing528.com)

而建筑物在hx＝6m水平面上的最远点的距离是

由此可见，这两根避雷针可以保护这一建筑物。

企业的总降压变电所户外设备较多，往往一根或两根避雷针不能保护所有设备，必须装设三根或四根避雷针进行联合保护，这种保护方式在工业企业变电所中采用得较多。

三根等高避雷针的保护范围如图9－9所示。

三根等高避雷针所形成的三角形外侧的保护范围均按照单根避雷针的方法进行计算，相邻各对避雷针之间的bx＞0时，则全部面积即可受到保护。四根等高避雷针的保护范围如图9－10所示。

图9－8　例题9－2图

图9－9　三根等高避雷针的保护范围

对于四根及以上等高避雷针所形成的四角形或多角形，只需将其分成两个或几个三角形，按上述方法计算，则全部面积即受到可靠的保护。

2.避雷线及其保护范围

避雷线是防止架空线路遭受雷击的有效的防雷设备。它是由悬挂在被保护线路上方的钢绞线、按地引下线和接地体组成的。

（1）单根避雷线的保护范围。单根避雷线的保护范围如图9－11所示。

图9－10　四根等高避雷针的保护范围

图9－11　单根避雷线的保护范围

它的作图方法是：由避雷线向下作与铅垂线成25°角的斜面，到离地面h/2为止，在h/2处转折，延伸到地面上离避雷线水平距离为h的平面，即构成屋脊式保护空间。在被保护物高度为hx的水平面上，避雷线每侧保护范围的宽度可按下列公式计算：

在此水平面上避雷线端部的保护半径也由式（9－3）确定。将图9－5和图9－11比较，可见避雷线在地面上一侧的保护宽度为h而避雷针为1.5h，即避雷线的保护宽度小些，所以避雷针吸引雷电先导放电的能力比避雷线大些。

（2）双根平行等高避雷线的联合保护范围如图9－12所示。避雷线外侧的保护范围按单线方法确定，两线内侧的保护范围的横截面，由通过两避雷线及其保护范围上部边缘最低点O的圆弧来确定，最高点应按下式计算：

避雷线的保护角如图9－13所示。

3.避雷器

所有电气设备的绝缘都具有一定的耐压能力，一般均不低于工频线电压的3.5～7倍。如果施加的电压超过这个范围将发生绝缘击穿或闪络爬弧，使电气设备损坏。如果在电气设备上并联一种保护设备，且令它的放电电压低于设备绝缘的耐压值，当过电压侵袭时，首先使保护设备立即对地放电，从而使被保护的电气设备的绝缘免受过电压的破坏；当过电压消失后，保护设备又能自动恢复到起始状态。这种设备即通常所说的避雷器，是为防止雷电过电压和内部过电压而设置的。避雷器根据放电后恢复到起始状态过程的熄弧方法不同，分为管型避雷器和阀型避雷器。

图9－12　双根平行等高避雷线的联合保护范围

图9－13　避雷线的保护角

（1）管型避雷器（排气式避雷器）由内部火花间隙S1和外部火花间隙S2串联而成，如图9－14所示。

图9－14　管型避雷器结构示意

1—纤维管；2—棒形电极；3—环形电极；4—螺母；5—环形电极端面开口

内部火花间隙设在纤维管1内，纤维管内的棒形电极2用接地支座及螺母4固定住，而另一端的环形电极3经过外部火花间隙连接在网络导线上，环形电极的端面留有开口5。外部火花间隙的作用是保证在正常状态下使避雷器与网络导线隔离，以避免纤维管受潮漏电。外部火花间隙可根据网络额定电压调节。当由网络侵入的电压波幅值超过管型避雷器的击穿电压时，内、外部火花间隙同时被击穿放电，强大的雷电流通过接地体泄入大地。同时内部火花间隙放电电弧使管内温度迅速升高，管内纤维质分解出大量气体，由于管子容积很小，气体压力很大，因此由环形电极端的开口孔喷出，形成强烈的纵吹作用，使电弧在电流第一次过零时就能熄灭（全部熄弧过程仅为0.015s）。之后外部火花间隙的空气迅速恢复正常绝缘，使管型避雷器与供电系统隔离，恢复系统的正常运行。

（2）阀型避雷器由火花间隙和非线性电阻片（又叫阀片）组成。全部元件封闭在瓷套管内，套管上端有与网络导线连接的引进线，下端接有用于接地的引出线，其结构示意如图9－15所示。

①火花间隙按电压高低的不同采用若干个单间隙叠合而成，每个单间隙由两个圆形黄铜电极及一个垫在中间的云母片组成，如图9－15所示。由于电极片间隙小，电场较均匀，可得到平缓的伏秒特性，并能熄灭80A的工频电流。

②非线性电阻片是用金刚砂细粒（70％）、水玻璃（20％）和石墨（10％），在一定高温下焙烧压制而成的。非线性电阻片的特点是：通过的电流越大，其电阻越小，通过的电流越小，其电阻越大。因此，在通过较大电流时不会使残压过高，又对较小的工频电流加以限制，这样主电压为火花间隙切断工频电流创造了条件。阀型避雷器的工作原理示意如图9－16所示。

如有一雷电冲击波U0沿导线向设置在有避雷器的O点侵入时，火花间隙被击穿放电，强大的雷电冲击波直接加在阀性电阻盘上，这时该电阻值变小，大量的雷电流通过它迅速泄入大地。当过电压消失在线路上，恢复工频电压时，阀片呈现很大的电阻，使火花间隙的绝缘迅速恢复而切断工频电流，从而保证线路恢复正常运行。但必须注意此时雷电流通过阀片时形成的压降Ucy称为残压，残压要加在被保护设备上，因此残压不能超过设备绝缘允许的耐压值，否则设备绝缘仍会被击穿。

图9－15　阀型避雷器结构示意

图9－16　阀型避雷器的工作原理示意

（3）保护间隙。保护间隙是最简单的防雷装置，其结构示意如图9－17所示。保护间隙由以镀锌圆钢为原料的两个电极构成。一个电极接线路，一个电极接地。正常运行时保护间隙对地绝缘，当雷击时，保护间隙被击穿，将雷电流泄入大地。此时为防止保护间隙被外物（如鸟、树枝）短接而造成不应有的接地故障，通常在接地引下线中串联辅助间隙以保证安全运行。保护间隙多用于线路上，由于它的灭弧能力弱，保护性能差，所以除加上辅助间隙外，凡装有保护间隙的线路一般都装设自动重合闸装置与之配合，以提高供电可靠性。

（4）避雷器的选择。阀型避雷器分为普通型和磁吹型两大类。普通型有FS和FZ两种系列。FS－6型阀型避雷器如图9－18所示。

图9－17　保护间隙结构示意

1—ø6～ø12mm的圆钢；2—主间隙；3—辅助间隙

图9－18　FS－6型阀型避雷器

这种避雷器结构简单，电气性能稍差，一般只保护10kV以下的小容量配电装置。FZ系列阀型避雷器在火花间隙上并联有电阻，这样使串联的火花间隙上的电压分布较均匀，电气性能更好，它主要用来保护35kV及以上中等和大容量的变电所设备。磁吹型为FCD系列，采用拉长电弧磁吹间隙，容易灭弧。该种避雷器通流能力更大，主要用来保护旋转电动机等绝缘差的设备。FCZ系列采用磁吹火花间隙和大直径的阀片，其通流能力非常大，用来保护变电所的高压设备。