一、过电压
过电压（over voltage）是指电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的异常电压的现象。按照过电压产生的原因不同，可分为外部过电压和内部过电压两大类。
1.内部过电压
电力系统内部运行方式发生改变而引起的过电压称为内部过电压，又分为暂态过电压、操作过电压和谐振过电压三种。
暂态过电压是由于断路器操作或发生短路故障而使电力系统经历过渡过程以后重新达到某种暂时稳定的情况下所出现的过电压，又称工频电压升高。常见的有：① 空载长线电容效应，费兰梯效应。在工频电源作用下，由于远距离空载线路电容效应的积累，使沿线电压分布不等，末端电压最高。② 不对称短路接地。三相输电线路a相发生短路接地故障时，b、c相上的电压会升高。③ 甩负荷过电压。输电线路因发生故障而被迫突然甩掉负荷时，由于电源电动势尚未及时自动调节而引起的过电压。
操作过电压是由于进行断路器操作或发生突然短路而引起的衰减较快、持续时间较短的过电压，常见的有空载线路合闸和重合闸过电压、切除空载线路过电压、切断空载变压器过电压和弧光接地过电压。
谐振过电压是电力系统中电感、电容等储能元件在某些接线方式下与电源频率发生谐振所造成的瞬间高电压。一般按起因分为线性谐振过电压、铁磁谐振过电压和参量谐振过电压。
内部过电压的幅值一般不超过电网额定电压的3~3.5倍，对供电系统的危害较小。这是因为它比大气过电压小得多，且电气设备和线路在设计时的绝缘强度留有一定的裕量。
2.外部过电压
外部过电压又称雷电过电压或大气过电压，是由大气中的雷云对地面放电而引起的，主要有直击雷过电压和感应雷过电压两种。雷电过电压的持续时间约为几十微秒，具有脉冲的特性，故常称为雷电冲击波。
二、雷与防雷设备
（一）雷电基本知识
1.雷电的形成
雷电的形成过程可分为气流上升、电荷分离和放电三个阶段。在雷雨季节，地面上的水分受热变成蒸汽上升，与冷空气相遇之后凝成水滴，形成积云。云中水滴受强气流摩擦产生电荷，小水滴容易被气流带走，形成带负电的云，较大水滴形成带正电的云。由于静电感应，大地表面与云层之间、云层与云层之间会感应出异性电荷，当电场强度达到一定值时，即发生雷云与大地或雷云与雷云之间的放电。典型的雷击发展过程如图1所示。
据测试，对地放电的雷云大多带负电荷。随着雷云中负电荷的积累，其电场强度逐渐增加，当达到25~30 kV/cm时，使附近的空气绝缘破坏，便产生雷云放电。
2.雷电的特点及作用形式
（1） 雷电的特点
雷电流是一种冲击波，雷电流幅值Im的变化范围很大，一般为数十至数千安培。雷电流幅值一般在第一次闪击时出现，也称主放电。典型的雷电流波形如图2所示。雷电流一般在1~4 μs内增长到幅值Im，雷电流在幅值以前的一段波形称为波头；从幅值起到雷电流衰减至Im/2的一段波形称为波尾。雷电流是一个幅值很大、陡度很高的电流，具有很强的冲击性，其破坏性极大。
（2） 雷击的选择性
建筑物遭受雷击的部分是有一定规律的，建筑物易遭受雷击的部位如下:
① 平屋面或坡度不大于1/10的屋面——檐角、女儿墙、屋檐，如图3（a）、（b）所示。
② 坡度大于1/10且小于1/2的屋面——屋角、屋脊、檐角、屋檐，如图3（c）所示。
③ 坡度不小于1/2的屋面——屋角、屋脊、檐角，如图3（d）所示。
（3） 雷电击的基本形式
① 直击雷 当天空中的雷云飘近地面时，就在附近地面特别是凸出的树木或建筑物上感应出异性电荷。电场强度达到一定值时，雷云就会通过这些物体与大地之间放电，发生雷击。这种直接击在建筑物或其他物体上的雷电叫直击雷。直击雷使被击物体产生很高的电位，引起过电压和过电流，不仅会击毙人畜、烧毁或劈倒树木、破坏建筑物，而且还会引起火灾和爆炸。
② 感应雷 当建筑上空有雷云时，在建筑物上便会感应出相反电荷。在雷云放电后，云与大地电场消失了，但聚集在屋顶上的电荷不能立即释放，此时屋顶对地面便有相当高的感应电压，造成屋内电线、金属管道和大型金属设备放电，引起建筑物内的易爆危险品爆炸或易燃物品燃烧。这里的感应电荷主要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造成的，所以称为感应雷或感应过电压。
③ 雷电波侵入 当输电线路或金属管路遭受直接雷击或发生感应雷，雷电波便沿着这些线路侵入室内，造成人员、电气设备和建筑物的伤害和破坏。雷电波侵入造成的事故在雷害事故中占相当大的比重，需引起足够重视。
④ 球形雷 球形雷的形成研究还没有完整的理论，通常认为它是一个温度极高的特别明亮的眩目发光球体，直径为10~20 cm或更大。球形雷通常在电闪后发生，以每秒几米的速度在空气中漂行，它能从烟囱、门、窗或孔洞进入建筑物内部造成破坏。
3.雷暴日
雷电的大小、多少与气象条件有关，评价某地区雷电的活动频繁程度一般以雷暴日为单位。在一天内只要听到雷声或者看到雷闪就算一个雷暴日。由当地气象台站统计的多年雷暴日的年平均值称为年平均雷暴日数。年平均雷暴日不超过15天的地区称为少雷区，超过40天的地区称为多雷区。
4.雷电的危害
雷电的形成伴随着巨大的电流和极高的电压，在它的放电过程中会产生极大的破坏力。雷电的危害主要是以下几方面：
(1) 雷电的热效应 雷电产生强大的热能使金属熔化，烧断输电导线，摧毁用电设备，甚至引起火灾和爆炸。
(2) 雷电的机械效应 雷电产生强大的电动力可以击毁电杆，破坏建筑物，人畜亦不能幸免。
(3) 雷电的闪络放电 雷电产生的高电压会引起绝缘子烧坏，断路器跳闸，导致供电线路停电。
（二）防雷装置
防雷装置由接闪器、接地引下线和接地体三部分组成。
1.避雷针
避雷针属于接闪器，它是用镀锌圆钢或焊接钢管制成，头部呈尖形，为保证足够的雷电流流通量。避雷针的下端经引下线与接地装置焊接，形成可靠连接。避雷针通常安装在构架、支柱或建筑物上。
由于避雷针安装高度高于被保护物，又与大地相连，因此，当雷电先导临近地面时，避雷针能使雷电场发生畸变，改变雷电先导的通道方向，将之引向避雷针的本体。一旦雷电经避雷针放电，强大的雷电流就经避雷针、引下线泄放至大地而避免了被保护物遭受雷击。从这一意义上说，避雷针实质上是“引雷针”，而不是“避雷针”。
2.避雷线
避雷线的原理及作用与避雷针基本相同，它主要用于保护架空线路，因此又称为架空地线。避雷线的材料为35 mm 2 的镀锌钢线，分单根和双根两种，双根的保护范围大一些。避雷线一般架设在架空线路导线的上方，用引下线与接地装置连接，以保护架空线路免受直接雷击。
3.避雷网和避雷带
避雷网和避雷带普遍用来保护高层建筑物免遭直击雷和感应雷的侵害。避雷带采用直径不小于8 mm的圆钢或截面不小于48 mm 2 、厚度不小于4 mm的扁钢，沿屋顶周围装设，高出屋面100~159 mm，支持卡间距为1~1.5 m。避雷网则除了沿屋顶周围装设外，屋顶上面还用圆钢或扁钢纵横连接成网状。避雷带、避雷网必须经1~2根引下线与接地装置可靠地连接。
4.避雷器
由前所述，当雷电所产生的感应过电压沿架空线路侵入变配电所或其他建筑物内时，将发生闪络，甚至将电气设备的绝缘击穿。因此，假如在电气设备的电源进线端并联一种保护设备，如图4所示，令其放电电压低于被保护设备的绝缘耐压值，当过电压来临时，该保护设备立即对地放电，从而使被保护设备免受雷击。常用避雷器的形式有阀式、管式、保护间隙和金属氧化物等。
（1） 阀式避雷器
阀式避雷器主要分为普通阀式避雷器和磁吹阀式避雷器两大类。普通阀式避雷器有FS和FZ两种系列，磁吹阀式避雷器有FCD和FCZ两种系列。阀式避雷器型号中的符号含义如下：F—阀式避雷器，S—配（变）电作用，Z—电站用，Y—线路用，D—旋转电机用，C—具有磁吹放电间隙。
阀式避雷器主要由平板火花间隙与碳化硅电阻片，阀片，串联而成，装在密封的瓷管内，外壳有接线螺栓供安装用。避雷器中的碳化硅电阻具有非线性特性,在正常电压时其阻值很大,过电压时其阻值随之变小。
阀式避雷器在正常的工频电压作用下火花间隙不被击穿；但在雷电波过电压下，避雷器的火花间隙被击穿，碳化硅电阻的阻值随之变得很小，雷电波巨大的雷电流顺利地通过电阻流入大地中，电阻阀片对尾随雷电流而来的工频电压呈现了很大的电阻，从而工频电流被火花间隙阻断，线路恢复正常运行。由此可见，电阻阀片和火花间隙的密切配合使避雷器很像一个阀门，对于雷电流“阀门”打开，对于工频电流“阀门”则关闭，故称之为阀式避雷器。
FS系列阀式避雷器的结构如图5（a）所示，此系列避雷器阀片直径较小，通流容量较低，一般用于保护变配电设备和线路。FZ系列阀式避雷器的结构如图5（b）所示，此系列避雷器阀片直径较大，且火花间隙并联了具有非线性的碳化硅电阻，通流容量较大，一般用于保护35 kV及以上大、中型工厂中总降压变电所的电气设备
（2） 保护间隙和管式避雷器
保护间隙是最简单的防雷设备，其原理结构如图6所示。保护间隙一般用镀锌圆钢制成，由主间隙和辅助间隙两部分组成。主间隙做成角形的，水平安装，以便灭弧。为了防止主间隙被外来的物体短路而引起误动作，在主间隙的下方串联有辅助间隙。因为保护间隙灭弧能力弱，一般要求与自动重合闸装置配合使用，以提高供电的可靠性。
管式避雷器的基本元件是安装在产气管内的火花间隙，间隙由棒型和环型电极构成，如图7所示。管式避雷器由灭弧管内间隙和外间隙组成。灭弧管一般用纤维胶木等能在高温下产生气体的材料制成。当雷电波过电压来临时，管式避雷器的内、外间隙被击穿，雷电流通过接地线泄入大地。接踵而来的工频电流产生强烈的电弧，电弧燃烧管壁并产生大量气体从管口喷出，很快地吹灭电弧。同时外部间隙恢复绝缘，使灭弧管或避雷器与系统隔开，系统恢复正常运行。
因管式避雷器是靠工频电流产生气体而灭弧的，如果开断的短路电流过大，产气过多超出灭弧管的机械强度时，会使其开裂或爆炸，因此管式避雷器通常用于户外。
5.引下线
引下线是连接防雷装置与接地装置的一段导线，其作用是将雷电流引入接地装置。一般可用圆钢或扁钢制成。圆钢直径不小于8 mm，扁钢截面积不小于48 mm 2 ，厚度不小于4 mm。引下线可以明装，也可以暗装。明装时，必须沿建筑物的外墙敷设。引下线应在地面上1.7 m和地面下0.3 m的一段线上用钢管或塑料管加以保护，在1.8 m处设断接卡。暗装时，可以利用
建筑物本身的金属结构，如钢筋混凝土柱子的主筋作为引下线，但暗装的引下线应比明装时增大一个规格，每根柱子内要焊接两根主筋，各构件之间
必须连成电气通路。屋内接地干线与防感应雷接地装置的连接不应少于2处。
6.接地装置
将雷电流通过引下线引入大地的散流装置称为接地装置。接地装置由接地体和接地线组成。接地线是连接引下线和接地体的导线，一般用直径为10 mm的圆钢组成。接地体包含人工接地体和自然接地体，埋入建筑物的钢结构和钢筋，行车的钢轨，埋地的金属管道、水管，但可燃液体和可燃气体管道除外，敷设于地面下而数量不少于2根的电缆金属外皮等，。在装设接地装置时，首先应充分利用自然接地体，以节约投资。当实地测量所利用的自然接地体电阻不能满足规范要求时才考虑添加装设人工接地体作为补充。
人工接地体可用圆钢、扁钢、角钢或钢管等组成，其最小尺寸不小于下列数值，圆钢直径为10 mm，扁钢截面为100 mm 2 ，厚度为4 mm，角钢厚度为4 mm，钢管管壁厚度为3.5 mm。
人工接地体有垂直埋设和水平埋设两种基本结构，如图8所示。垂直埋设时，为了减小相邻接地体的屏蔽效应，各接地体之间的距离一般为5 m。
（三）架空线路的防雷保护
（1） 架设避雷线
运行经验表明，架设避雷线是防雷的有效措施。但是它的造价高，所以只在63 kV以上的架空线路上才沿全线装设，35 kV的架空线路上只在进、出变电所的一段线路上装设，而10 kV及以下线路上一般不装避雷线。
（2） 提高线路本身的绝缘水平
在架空线路上可采用木横担、瓷横担，或采用高一级的绝缘子，以提高线路的防雷水平，这是10 kV及以下架空线路防雷的基本措施。
（3） 利用三角形排列的顶线兼作保护线
由于3~10 kV线路通常是中性点不接地的系统，因此可在三角形排列的顶线绝缘子上装设保护间隙。在雷击时顶线承受雷击，击穿保护间隙，对地泄放雷电流，从而保护了下面两根导线，也不会引起线路断路器跳闸。
（4） 装设自动重合闸装置
线路上因雷击放电而产生的短路是由电弧引起的。断路器跳闸后，电弧即自动熄灭。如果采用一次自动ARD装置，使开关经0.5 s或更长时间自动重合闸，电弧通常不会复燃，从而能恢复供电，对一般用户不会有什么影响。
（5） 个别绝缘薄弱点装设避雷器
对架空线路上个别绝缘薄弱点，如跨越杆、转角杆、分支杆、带拉线杆、木杆线路中个别金属杆或个别横担电杆等处，可装设排气式避雷器或保护间隙。
（四）变电所（配电所）防雷保护
工厂变配电所的防雷保护主要有两个重要方面:一是要防止变配电所建筑物和户外配电装置遭受直击雷，二是防止过电压雷电波沿进线侵入变配电所，危及变配电所电气设备的安全。变配电所的防雷保护常采用以下措施:
（1） 防直击雷
一般采用装设避雷针（线）来防直击雷。如果变配电所位于附近的高大建（构）筑物上的避雷针保护范围内，或者变配电所本身是在室内的，则不必考虑直击雷的防护。
（2） 雷电波的侵入
对35 kV进线，一般采用在沿进线500~600m的这一段距离安装避雷线并可靠地接地，同时在进线上安装避雷器即可满足要求。对6~10 kV进线可以不装避雷线,只要在线路上装设FZ型或FS型阀式避雷器即可,如图9所示。
图9中接在母线上的避雷器主要是保护变压器不受雷电波危害,在安装时应尽量靠近变压器，其接地线应与变压器低压侧接地的中性点及金属外壳一起接地，如图10所示。
（3） 高压电动机的防雷保护
高压电动机的绕组由于制造条件的限制，其绝缘水平比变压器低，它不能像变压器线圈那样可以浸在油里，而只能靠固体介质来绝缘。电动机绕组长期在空气中运行，容易受潮、受粉尘污染、受酸碱气体的侵蚀。另外，长时间的发热，绕组中的固体介质容易老化，所以电动机的绝缘只能达到1.5×2UN。
对高压电动机一般采用如下的防雷措施：对定子绕组的中性点能引出的大功率高压电动机，在中性点加装相电压磁吹阀式避雷器(FCD型)或金属氧化物避雷器，对中性点不能引出的电动机，目前普遍采用FCD磁吹阀式避雷器与电容器C并联的方法来保护，如图11所示，该电容器的容量可选1.5~2 μF，电容器的耐压值可按被保护电动机的额定电压选用，电容器接成星形，并将其中性点直接接地。
来源：索克电工
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