如何设计有效的防雷保护方案？

一、雷电过电压

【引导问题】

◆雷电过电压有哪些危害？分别采用哪些保护措施？

对电气设备绝缘造成危害的电压升高，称之为过电压。过电压分为内部过电压和外部过电压两种。

内部过电压是在电力系统内部，由于断路器操作、故障或其他原因引起电磁能量转换而产生的过电压。内部过电压的能量来自电网本身，所以其幅值和电网的工频电压有一定的倍数关系。运行经验证明，内部过电压的幅值在多数情况下不会超过电网工频电压的3.5倍。只要对电气设备绝缘强度合理选择，在运行期间加强定期检查，及时排除绝缘弱点，内部过电压造成的破坏是可以防止的。

外部过电压是电气设备和地面构筑物遭受直接雷击或感应电雷击时而产生的过电压，能量来源于系统外部，又称大气过电压或雷电过电压。雷电过电压在电力系统中所形成的雷电冲击电压的幅值可达几百千伏，雷电冲击电流的幅值可达几百千安，从而会造成线路停电、电气设备破坏、构筑物破坏和人畜伤亡等严重事故。

电力设备的绝缘水平主要是大气过电压即雷电过电压来决定的，造成雷害事故的原因有以下三点：

（1）雷电直接击中配电装置的导线或设备的带电部分，称为直击雷。防止直击雷的措施主要采取避雷针、避雷带、避雷线、避雷网作为接闪器，把雷电流接受下来，通过接地引下线和接地装置，将雷电流迅速而安全送到大地，保证建筑物、人身和电气设备的安全。

（2）雷电击中避雷针，在雷电流流过接地引下线时对周围设备形成感应过电压，称感应雷。感应雷会引起过电压，可能引起火花放电，造成火灾或爆炸，并危及人身安全。一般将建筑物的金属屋顶、建筑物内的大型金属物品等，做良好的接地处理，使感应电荷能迅速流向大地，防止在缺口处形成高电压和放电火花。

（3）直击雷或感应雷从输电线路、通信光缆、无线天线等金属的引入线引入建筑物内，发生闪击和雷击事故，称作雷电侵入波。调查统计，电力系统中由于雷电波侵入而造成的雷害事故，在整个雷害事故中占50%～70%。一般在输电线路等能够引起雷电波侵入的设备，在进入建筑物前装设避雷器保护装置。

设计和运行中应考虑直接雷击、感应雷电、雷电侵入波过电压对电气装置的危害。

二、防雷装置

【引导问题】

◆防雷装置由哪几部分组成？

◆如何确定避雷针、避雷线的保护范围？

◆避雷器如何选择？

通常采用的防雷装置有避雷针、避雷线、避雷器、避雷带、避雷网。一套完整的避雷装置由接闪器、引下线和接地装置组成。

接闪器位于避雷装置最上部。其作用原理是利用其高出被保护物的高度，形成集中电场，把雷电引向自身，并接受雷电放电。根据保护范围和保护对象不同，接闪器可做成针状、线状、网状和带状，即所谓的避雷针、避雷线、避雷网和避雷带。

引下线是连接接闪器和接地装置的连接导线。其作用是当接闪器遭受雷击时，将雷电流导入大地，因此对引下线的要求是：有足够的机械强度、导电性、热稳定性及耐腐蚀性。一般采用圆钢或者扁钢制作，如用钢绞线制作，其截面应不小于35mm2。

接地装置是防雷装置的重要组成部分，它和大地中的土壤紧密接触，可使雷电流很好的泄入大地。

（一）避雷针和避雷线

避雷针为针状接闪器，一般用1.5～2m的镀锌圆钢或钢管制成，其顶部做成尖角形，以便很好地吸引雷电，造成尖端放电。避雷针保护范围的大小与其高度有关，当保护范围较大，单支避雷针达不到保护要求时，可采用双支和多支避雷针共同进行保护。

避雷线也叫架空地线，它是悬挂在高空的接地导线，一般为35～70mm的镀锌钢绞顺着每根支柱引下接地线并与接地装置相连接。引下线应有足够的截面，接地装置的接地电阻一般应保持在10Ω以下。

1.单支避雷针的保护范围（图9- 1）

（1）避雷针在地面上的保护半径，应按下式计算：

式中 r——保护半径，m；

h——避雷针的高度，m；

P——高度影响系数，h≤30m，P=1；30m＜h≤120m，；当h＞120m时，取其等于120m。

（2）在被保护物高度h x水平面上的保护半径应按下列方法确定：当h x≥0.5h时

图9-1　单支避雷针的保护范围（h≤30m时，θ=45°）

式中 r x——避雷针在h x水平面上的保护半径，m；

h x——被保护物的高度，m；

h a——避雷针的有效高度，m。

当h x＜0.5h时

2.两支等高避雷针的保护范围（图9- 2）

（1）两针外侧的保护范围应按单支避雷针的计算方法确定。

（2）两针间的保护范围应按通过两针顶点及保护范围上部边缘最低点O的圆弧确定，圆弧的半径为R′。O点为假想避雷针的顶点，其高度应按下式计算：

式中 h 0——两针间保护范围上部边缘最低点高度，m；

D——两避雷针间的距离，m。

两针间h x水平面上保护范围的一侧最小宽度应按图9-3确定。当b x＞r x时，取b x=r x。

求得b x后，可按图9-2绘出两针间的保护范围。

图9-2　高度为h的两等高避雷针的保护范围

两针间距离与针高之比D/h不宜大于5。

图9-3　两等高h避雷针间保护范围的一侧最小宽度bx与D/haP的关系

（a）D/h aP=0～7；（b）D/h aP=5～7

3.多支等高避雷针的保护范围（图9- 4）

（1）三支等高避雷针所形成的三角形的外侧保护范围应分别按两支等高避雷针的计算方法确定。如在三角形内被保护物最大高度h x水平面上，各相邻避雷针间保护范围的一侧最小宽度b x≥0时，则全部面积受到保护。

（2）四支及以上等高避雷针所形成的四角形或多角形，可先将其分成两个或数个三角形，然后分别按三支等高避雷针的方法计算。如各边的保护范围一侧最小宽度b x≥0，则全部面积即受到保护。

图9-4　三、四支等高避雷针在h x水平面上的保护范围

（a）三支等高避雷针在h x水平面上的保护范围；（b）四支等高避雷针在h x水平面上的保护范围

4.单根避雷线在h x水平面上每侧保护范围的宽度（图9- 5）

当时

式中 r x——每侧保护范围的宽度，m。

当h x＜时

5.两根等高平行避雷线的保护范围（图9- 6）

（1）两避雷线外侧的保护范围应按单根避雷线的计算方法确定。

（2）两避雷线间各横截面的保护范围应由通过两避雷线1、2点及保护范围边缘最低点O的圆弧确定。O点的高度应按下式计算：

式中 h 0——两避雷线间保护范围上部边缘最低点的高度，m；

D——两避雷线间的距离，m；

h——避雷线的高度，m。

（3）两避雷线端部的两侧保护范围仍按单根避雷线保护范围计算。两线间保护最小宽度按下列方法确定：

图9-5　单根避雷线的保护范围

（h≤30m时，θ=25°）

图9-6　两根平行避雷线的保护范围

6.不等高避雷针、避雷线的保护范围（图9- 7）

（1）两支不等高避雷针外侧的保护范围应分别按单支避雷针的计算方法确定。

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图9-7　两支不等高避雷针的保护范围

（2）两支不等高避雷针间的保护范围应按单支避雷针的计算方法，先确定较高避雷针1的保护范围，然后由较低避雷针2的顶点，作水平线与避雷针1的保护范围相交于点3，取点3为等效避雷针的顶点，再按两支等高避雷针的计算方法确定避雷针2和3间的保护范围。通过避雷针2、3顶点及保护范围上部边缘最低点的圆弧，其弓高应按下式计算：

式中 f——圆弧的弓高，m；

D′——避雷针2和等效避雷针3间的距离，m。

（3）对多支不等高避雷针所形成的多角形，各相邻两避雷针的外侧保护范围按两支不等高避雷针的计算方法确定；三支不等高避雷针，如在三角形内被保护物最大高度h x水平面上，各相邻避雷针间保护范围一侧最小宽度b x≥0，则全部面积即受到保护；四支及以上不等高避雷针所形成的多角形，其内侧保护范围可仿照等高避雷针的方法确定。

（4）两根不等高避雷线各横截面的保护范围，应仿照两支不等高避雷针的方法，按式（9-6）计算。

（5）必要时，可考虑相互靠近的避雷针和避雷线的联合保护作用。联合保护范围可近似按下列方法确定（图9-8）：将避雷线上的各点均近似看作等效避雷针，其等效高度可近似取为该点避雷线高度的80%，然后分别按两针的方法计算。

图9-8　避雷针和避雷线的联合保护范围

（二）避雷器

避雷器是与被保护设备并联安装，防止雷电波侵入建筑物室内、故障或操作引起的过电压破坏的防雷器件。

1.氧化锌避雷器型式选择

（1）按用途可划分为线路型（X）、电站型（Z）、配电型（S）、并联补偿电容器组保护型（R）、电气化铁道型（T）、电动机及电动机中性点型（D）、变压器中性点型（不表示）七类。

（2）按结构可划分为两大类：

1）瓷外套氧化锌避雷器。瓷外套氧化锌避雷器按耐污秽性能分为4个等级：Ⅰ级为普通型，Ⅱ级可用于中等污秽地区（爬电比距20mm/k V），Ⅲ级可用于重污秽地区（爬电比距25mm/k V），Ⅳ级可用于特重污秽地区（爬电比距31mm/k V）。

2）复合外套氧化锌避雷器。复合外套氧化锌避雷器是用复合硅橡胶材料制作外套，并选用高性能的氧化锌电阻片，内部采用特殊结构，用先进工艺方法装配而成的，具有硅橡胶材料和氧化锌电阻片的双重优点。该系列产品除具有瓷外套氧化锌避雷器的一切优点外，另具有绝缘性能好、耐污秽性能高、防爆性能良好以及体积小、质量轻、平时不需维护、不易破损、密封可靠、耐老化、性能优良等特点。

（3）按结构性能可分为无间隙（W）、带串联间隙（C）、带并联间隙（B）三类。

2.按持续运行电压U C选择

要求系统长期施加在避雷器上的电压小于避雷器持续运行电压。与有间隙避雷器完全不同，无间隙避雷器的ZnO元件直接处于系统工作电压的作用下，由于泄导持续电流（正常为100μA数量级）引起的发热，可能导致ZnO元件加速老化而缩短工作寿命。设氧化锌避雷器两端之间的最高实际长期运行电压（相电压）为U ca=U m/（U m为最高长期运行的线电压）。

（1）在中性点直接接地系统中，其持续运行电压可按不低于系统最高相电压选取，即

（2）在中性点非直接接地系统中，其持续运行电压可按下式选取：

10s～2h切除故障，可按2h以上选取，也可参照避雷器的工频电压耐受特性曲线选取。

3.按暂态过电压选择

暂态过电压U T也是确定避雷器额定电压的主要依据。氧化锌避雷器的额定电压通常按电力系统单相接地故障并考虑甩负荷、长线电容效应条件下，非故障相上的最高暂态过电压U T来选择。

（1）已知U T和持续时间。

持续时间≤10s时，选U r≥U T；持续时间≤100s时，选U r≥1.05U T。

持续时间＜2h时，按厂家的暂态过电压曲线选用；持续时间≥2h时，选取U r=U T。

（2）未知U T和持续时间。

1）中性点直接接地系统。在3～66k V中性点非有效接地系统用氧化锌避雷器，其额定电压仍按单相接地故障同时甩负荷条件考虑。由于氧化锌避雷器在该系统中可能会承受谐振过电压和弧光接地过电压的作用，因此要求提高该系统无间隙氧化锌避雷器的额定电压，建议选择如下：

2）中性点直接接地系统。在110～220k V系统，发生单相接地故障时，避雷器安装地点的接地故障系数K不超过1.4，因此该系统用氧化锌避雷器的额定电压按1.4倍的最大工作相电压选取，即

4.按额定电压U r选择

U r是指避雷器两端间的最大允许工频电压的有效值。按试验标准，避雷器在60℃的温度下注入规定的能量后，能耐受额定电压U r10s，随后在持续运行电压U c下，耐受30min，能保持热稳定。

5.按工频电压耐受时间特性（U-t曲线）选择

由于暂态过电压U T和持续时间是随电网结构和运行工况不同而不同的，上述U r仅为持续时间1s时的电压，因此工频电压耐受时间特性规定了多个持续时间点的“允许电压值”以满足实际电网的需要。选用U c和U r时应根据实际系统参数及运行条件，按厂家提供的耐压能力曲线确定。

6.按标称残压选择

残压是指避雷器在雷电冲击电流作用下，变压器两端所产生的电压，也可以理解为避雷器两端所能承受的最高电压值。避雷器的残压越低越好。

7.按标称放电电流I n选择

I n称为避雷器的标称放电电流，波形用8/20μs。I n是用以划分其等级类别的重要参数，有1k A、1.5k A、2.5k A、5k A、10k A、20k A等各个等级，前三级分别与中性点、低压、电机、电容器、避雷器相对应。电站型避雷器则分为后三级。在选择避雷器标称放电电流时，一般不把近区雷击作为线路选择的依据，主要考虑远方着雷时，雷电流在线路上衰减变形后的情况。选用时要计算流过避雷器的雷电流幅值，以确定I n。

（三）避雷网和避雷带

避雷网是利用钢筋混凝土屋顶中的金属焊接成网状结构构成。避雷带是在屋顶围栏上焊接金属栏杆构成。避雷网和避雷带一般用于保护高层建筑作接闪器。

三、发电厂及变电站过电压保护

【引导问题】

◆避雷针、避雷线在设计时有什么要求？

◆避雷器在设计上装设有什么要求？

1.直击雷保护

发电厂、变电站的直击雷过电压保护可采用避雷针或避雷线。下列设施应装设直击雷保护装置：屋外配电装置，包括组合导线和母线廊道；烟囱、冷却塔和输煤系统的高建筑物；油处理室、燃油泵房、露天油罐及其架空管道、装卸油台、大型变压器修理间、易燃材料仓库等建筑物。

发电厂的主厂房（无钢筋的砖木结构主厂房除外）、主控制室和配电装置室一般不装设直击雷保护装置。为保护其他设备而装设的避雷针，不宜装在独立的主控制室和35k V及以下的高压屋内配电装置室的顶上。雷电活动特殊强烈地区的主厂房，主控制室和高压屋内配电装置室宜设直击雷保护装置。已在相邻高建筑物保护范围内的建筑物或设备，可不装设直击雷保护装置。

10k V及以上的配电装置，一般将避雷针装在配电装置的架构或房顶上，但在土壤电阻率大于1000Ω·m的地区，宜装设独立避雷针。否则，应通过验算，采取降低接地电阻或加强绝缘等措施。

60k V的配电装置，允许将避雷针装在配电装置的架构或房顶上，但在土壤电阻率大于500Ω·m的地区，宜装设独立避雷针。

35k V及以下高压配电装置架构或房顶不宜装避雷针。在变压器的门型架构上，不应装设避雷针、避雷线。

110k V及以上配电装置，可将线路的避雷线引接到出线门型架构上，土壤电阻率大于1000Ω·m的地区，应装设集中接地装置。

35～60k V配电装置，在土壤电阻率不大于500Ω·m的地区，允许将线路的避雷线引接到出线门型架构上，但应装设集中接地装置。在土壤电阻率大于500Ω·m的地区，避雷线应架设到线路终端杆塔为止。从线路终端杆塔到配电装置的一挡线路的保护，可采用独立避雷针，也可在线路终端杆塔上装设避雷针。

2.雷电侵入波的过电压保护

发电厂和变电站应采取措施防止或减少近区雷击闪络。未沿全线架设避雷线的35～110k V架空送电线路，应在变电站1～2km的进线段架设避雷线。进线保护段上的避雷线保护角不宜超过20°，最大不应超过30°。

未沿全线架设避雷线的35～110k V线路，其变电站的进线段，应采用图9-9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，应装设一组避雷器GB1，其工频接地电阻不宜超过10Ω。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，一般不装设避雷器GB1。

大接地短路电流系统中的中性点不接地的变压器，如中性点绝缘非按线电压设计，应在中性点装设保护装置；如中性点绝缘按线电压设计，但变电站为单进线且为单台变压器运行，也应在中性点装设保护装置。

小接地短路电流系统中的变压器中性点，一般不装设保护装置，但多雷区单进线变电站宜装设保护装置；中性点接有消弧线圈的变压器，如有单进线运行可能，也应在中性点装设保护装置。

35～330k V开关站，应根据其重要性和进线路数等具体条件，在每路进线上或母线上装设避雷器。变电站的3～10k V配电装置（包括电力变压器），应在每组母线和每路架空进线上装设避雷器，并应采用图9-10的保护接线。母线上避雷器与主变压器的电气距离不宜大于表9-1所列数值。

四、架空线路过电压保护

【引导问题】

◆不同电压等级线路在架设避雷线时有何区别？

图9-9　35～110k V变电站的进线保护接线

图9-10　3～10k V配电装置雷电侵入波的保护接线FZ、FS为阀型避雷器

表9-1　避雷器与3～10kV主变压器的最大电气距离

电力线路的防雷方式，应根据线路的电压等级、负荷性质、系统运行方式、当地原有线路的运行经验、雷电活动的强弱、地形地貌的特点和土壤电阻率的高低等条件，通过技术经济比较确定。

各级电压的电力线路，一般采用下列防雷方式：

（1）330k V线路应沿全线架设双避雷线。

（2）220k V线路应沿全线架设避雷线；在山区，宜架设双避雷线，但少雷区除外。

（3）110k V线路一般沿全线架设避雷线，在雷电活动特殊强烈的地区，宜架设双避雷线。在少雷区或运行经验证明雷电活动轻微的地区，可不沿全线架设避雷线，但应装设自动重合闸装置。

（4）60k V线路，负荷重要且所经地区年平均雷暴日数为30日以上的地区，宜沿全线架设避雷线。

（5）35k V及以下的线路，一般不沿全线架设避雷线。