哈工大高電壓技術 1 雷電過程及雷電參數

1、雷電自然中最宏偉壯觀的現(xiàn)象，雷電自然中最宏偉壯觀的現(xiàn)象，也是最普遍的現(xiàn)象之一，它對人也是最普遍的現(xiàn)象之一，它對人類的生活環(huán)境、工作條件等都造類的生活環(huán)境、工作條件等都造成了很大的影響，因此對雷電的成了很大的影響，因此對雷電的研究和防護意義重大。研究和防護意義重大。 早在早在1818世紀初，富蘭克林等物理世紀初，富蘭克林等物理學家已經揭示了學家已經揭示了“閃電就是電閃電就是電”的本質，而隨著物理學的進一步的本質，而隨著物理學的進一步發(fā)展，人們對雷電這一自然現(xiàn)象發(fā)展，人們對雷電這一自然現(xiàn)象有了更深刻的認識。有了更深刻的認識。第四章第四章 雷電放電及防雷保護裝置雷電放電及防雷保護裝置n 歐美雷電科學

2、的建立歐美雷電科學的建立著名的風箏試驗（著名的風箏試驗（17世紀，世紀，富蘭富蘭克林克林）：）： 240米長的纏繞鋼絲的米長的纏繞鋼絲的麻繩上產生麻繩上產生20cm的電火花的電火花著名科學家著名科學家G W Richman（17111753）（彼）（彼得堡科學院院士）觀察雷電而死亡得堡科學院院士）觀察雷電而死亡高速攝影、記錄示波器、雷電定向定位儀等現(xiàn)高速攝影、記錄示波器、雷電定向定位儀等現(xiàn)代化測量技術（豐富人類對雷電的認識）代化測量技術（豐富人類對雷電的認識）從電力工程的角度來看，最值得我們注意的兩個方面是：從電力工程的角度來看，最值得我們注意的兩個方面是： 雷電放電在電力系統(tǒng)中引起很高的雷電

3、過電壓，雷電放電在電力系統(tǒng)中引起很高的雷電過電壓，它是造成電力系統(tǒng)絕緣故障和停電事故的主要原因它是造成電力系統(tǒng)絕緣故障和停電事故的主要原因之一之一 產生巨大電流，使被擊物體炸毀、燃燒、使導產生巨大電流，使被擊物體炸毀、燃燒、使導體熔斷或通過電動力引起機械損壞。體熔斷或通過電動力引起機械損壞。雷電放電雷電放電實質上是實質上是一種一種超長氣隙的火花放電超長氣隙的火花放電，它，它所產生所產生的雷電流高達數十、甚至數百千安，從而會引起巨大的的雷電流高達數十、甚至數百千安，從而會引起巨大的電磁效應、機械效應和熱效應。電磁效應、機械效應和熱效應。 雷云的形成雷云的形成 雷電放電過程雷電放電過程 雷電參數雷

4、電參數 雷電過電壓的形成雷電過電壓的形成第一節(jié)第一節(jié) 雷電過程與雷電參數雷電過程與雷電參數雷云的形成機理獲得比較廣泛認同的是雷云的形成機理獲得比較廣泛認同的是水滴分裂起電理論水滴分裂起電理論：大水滴分裂成水珠和細微的水沫，出現(xiàn)電荷分離現(xiàn)象，大水大水滴分裂成水珠和細微的水沫，出現(xiàn)電荷分離現(xiàn)象，大水珠帶正電，小水沫帶負電，細微水沫被上升。氣流帶往高空，珠帶正電，小水沫帶負電，細微水沫被上升。氣流帶往高空，形成大片帶負電的雷云。形成大片帶負電的雷云。 雷云下部局部正電荷區(qū)。雷云下部局部正電荷區(qū)。一、雷云的形成一、雷云的形成 雷電放電就其本質而言是雷電放電就其本質而言是一種超長氣隙的火花放電一種超長氣

5、隙的火花放電。 二、雷電放電過程二、雷電放電過程負極性棒板負極性棒板不能順利向前發(fā)展不能順利向前發(fā)展主放電：先導靠近地面時，進入主放電階段，強烈的電主放電：先導靠近地面時，進入主放電階段，強烈的電荷中和過程，伴隨著雷鳴和閃光。主放電的時間極短，荷中和過程，伴隨著雷鳴和閃光。主放電的時間極短，只有只有5010050100微秒，放電發(fā)展速度微秒，放電發(fā)展速度50100m/50100m/微秒。電流幅微秒。電流幅值高達數十甚至數百千安；值高達數十甚至數百千安；余輝階段：主放電完成后，云中剩余電荷沿著導電通道余輝階段：主放電完成后，云中剩余電荷沿著導電通道開始流向大地，這一階段稱放電的余輝階段，電流數百

6、開始流向大地，這一階段稱放電的余輝階段，電流數百安。安。先導放電：雷云中的電荷分布是不均勻的，當雷云中的先導放電：雷云中的電荷分布是不均勻的，當雷云中的某個電荷密集中心的電場強度達到空氣擊穿場強某個電荷密集中心的電場強度達到空氣擊穿場強（2530kV/cm2530kV/cm，有水滴時僅為，有水滴時僅為10kV/cm10kV/cm）時，空氣便開始）時，空氣便開始電離，形成指向大地的一段電離的微弱導電通道；電離，形成指向大地的一段電離的微弱導電通道；w 分級先導：多次先導分級先導：多次先導 主放電的重復過程，主放電的重復過程，每次間歇時每次間歇時間為幾十毫秒，放電次數一般為間為幾十毫秒，放電次數一

7、般為2323次，最多為次次，最多為次雷云中可能存在多個電荷中心，當第一個電荷中心完成上述雷云中可能存在多個電荷中心，當第一個電荷中心完成上述放電過程后，可能引起其他電荷中心向第一個中心放電，并放電過程后，可能引起其他電荷中心向第一個中心放電，并沿著第一次放電通路發(fā)展。沿著第一次放電通路發(fā)展。 理解以下幾點：理解以下幾點：雷云對地放電的實質是雷云電荷向大地的突然釋放雷云對地放電的實質是雷云電荷向大地的突然釋放被擊物體的電位取決于雷電流和被擊物體阻抗的乘積被擊物體的電位取決于雷電流和被擊物體阻抗的乘積從電源性質看，相當于一個電流源的作用過程從電源性質看，相當于一個電流源的作用過程人們能夠測知的電量

8、，重要是流過被擊物體的電流人們能夠測知的電量，重要是流過被擊物體的電流雷電放電由帶電荷的雷云引起雷電放電由帶電荷的雷云引起u大多數的放電發(fā)生在雷云之間不危險大多數的放電發(fā)生在雷云之間不危險u少數的放電發(fā)生在雷云和大地之間危險少數的放電發(fā)生在雷云和大地之間危險對地放電的雷云大多數帶負電荷對地放電的雷云大多數帶負電荷( (一一) )雷電活動頻度雷電活動頻度雷暴日及雷暴小時雷暴日及雷暴小時 雷暴日雷暴日T Td d是一年中發(fā)生雷電的天數，以聽到雷聲為準，在一是一年中發(fā)生雷電的天數，以聽到雷聲為準，在一天內只要聽到過雷聲，無論次數多少，均計為一個雷暴日。天內只要聽到過雷聲，無論次數多少，均計為一個雷暴

9、日。 雷暴小時雷暴小時T Th h是一年中發(fā)生雷電放電的小時數，在一個小時內是一年中發(fā)生雷電放電的小時數，在一個小時內只要有一次雷電，即計為一個雷電小時。只要有一次雷電，即計為一個雷電小時。 一個雷暴日折合一個雷暴日折合三個雷暴小時。三個雷暴小時。雷暴日與該地區(qū)所在緯度、當地氣象條件、地形地貌有關雷暴日與該地區(qū)所在緯度、當地氣象條件、地形地貌有關 Td 15Td 4040，多雷區(qū)；，多雷區(qū)；9090，強雷區(qū)，強雷區(qū) 三、雷電參數三、雷電參數雷暴日和雷暴小時的統(tǒng)計中，并沒有區(qū)分雷云之間的放電和雷暴日和雷暴小時的統(tǒng)計中，并沒有區(qū)分雷云之間的放電和雷云對地的放電。但是，只有落地雷才有可能產生對電力系

10、雷云對地的放電。但是，只有落地雷才有可能產生對電力系統(tǒng)造成危害的過電壓。統(tǒng)造成危害的過電壓。 ( (二二) )地面落雷密度地面落雷密度( )( )和雷擊選擇性和雷擊選擇性 表示每平方公里地面在一個雷暴日受到的平均雷擊次數。表示每平方公里地面在一個雷暴日受到的平均雷擊次數。 我國標準對我國標準對T Td d 4040的地區(qū)，取的地區(qū)，取 0.070.07 ( (三三) )雷道波阻抗雷道波阻抗（Z Z0 0）雷電通道長度數千米，主放電時如同導體，類似于一條分雷電通道長度數千米，主放電時如同導體，類似于一條分布參數線路，具有某一等值波阻抗，稱為雷道波阻抗。布參數線路，具有某一等值波阻抗，稱為雷道波阻

11、抗。主放電過程可看作是一個主放電過程可看作是一個電流波電流波沿著波阻抗為沿著波阻抗為Z Z0 0的雷道投的雷道投射到雷擊點的波過程。射到雷擊點的波過程。 我國有關規(guī)程建議取我國有關規(guī)程建議取Z Z0 0 300 300 02II 88lgIP負極性雷擊均占負極性雷擊均占757590%90%，對設備絕緣危害較大，對設備絕緣危害較大, ,防雷計算中防雷計算中一般均按負極性考慮。一般均按負極性考慮。I( (五五) )雷電流幅值（雷電流幅值（ ） 0I通常定義雷電流為雷擊于低阻接地電阻通常定義雷電流為雷擊于低阻接地電阻( 30)( 30)的物體時流的物體時流過雷擊點的電流。它近似等于電流入射波過雷擊點

12、的電流。它近似等于電流入射波 的兩倍，即的兩倍，即 I一般地區(qū)，雷電流幅值超過一般地區(qū)，雷電流幅值超過 的概率可按下式計算的概率可按下式計算( (四四) )雷電的極性雷電的極性波前陡度的最大極限值一般可取波前陡度的最大極限值一般可取50 kA/us50 kA/us左右。左右。( (六六) )雷電流的波前時間、陡度及波長雷電流的波前時間、陡度及波長雷電流的波前時間雷電流的波前時間T T1 1處于處于1 14us4us的范圍內，平均為的范圍內，平均為2.6us2.6us。波長。波長T T2 2 處于處于2020100us100us的范圍內，多數為的范圍內，多數為40us40us左右。左右。我國防雷

13、設計采用我國防雷設計采用2.6/40us2.6/40us的波形；在絕緣的沖擊高的波形；在絕緣的沖擊高壓試驗中，標準雷電沖擊電壓的波形定為壓試驗中，標準雷電沖擊電壓的波形定為1.2/50us1.2/50us6 . 2Ia 雷電流波前的平均陡度雷電流波前的平均陡度 (kA/us)(kA/us)(0tteeIiati )(1Ttati)(11TtIaTi)cos1 (2tIi ( (七七) )雷電流的計算波形雷電流的計算波形1 1、雙指數波、雙指數波2 2、斜角波、斜角波3 3、斜角平頂波、斜角平頂波 4 4、半余弦波、半余弦波在防雷計算中，按不同要求采用不同的計算波形在防雷計算中，按不同要求采用不

14、同的計算波形( (八八) )雷電的多重放電次數及總延續(xù)時間雷電的多重放電次數及總延續(xù)時間有有5555的對地雷擊包含兩次以上的重復沖擊；的對地雷擊包含兩次以上的重復沖擊；3 35 5次次沖擊者有沖擊者有25%25%；1010次以上者有次以上者有4%4%。平均重復沖擊次數取。平均重復沖擊次數取3 3次。次。( (九九) )放電能量放電能量A=QU=10A=QU=107 7V V20C20C202010107 7W W. .s s（200MW200MW秒），放電能量秒），放電能量不大，但是在極短時間內放出的，因而功率很大。不大，但是在極短時間內放出的，因而功率很大。四、雷電過電壓的形成四、雷電過電壓

15、的形成( (一一) )雷電放電的計算模型雷電放電的計算模型( (三三) )感應雷擊過電壓感應雷擊過電壓 雷擊于線路附近大地或接地的線路桿塔頂部等，在絕雷擊于線路附近大地或接地的線路桿塔頂部等，在絕緣的導線上引起感應過電壓。緣的導線上引起感應過電壓。AiUIR100AUI( (二二) )直接雷擊過電壓直接雷擊過電壓 雷擊于地面上接地良好的物體雷擊于地面上接地良好的物體雷擊于導線或檔距中央避雷線雷擊于導線或檔距中央避雷線先導放電階段先導放電階段：雖然有束縛電荷的存在，但是由于負電荷移動較慢，故線：雖然有束縛電荷的存在，但是由于負電荷移動較慢，故線路上產生的的電流較小，相應的電壓也較小，路上產生的的電流較小，相應的電壓也較小，可忽略?？珊雎?。主放電階段主放電階段：負電荷迅速被中和，束縛的正電荷產生的電場使導線對地形：負電荷迅速被中和，束縛的正電荷產生的電場使導線對地形成一定電壓，而雷電流產生的磁通在導線也感應出一定電壓。這兩者之和成一定電壓，而雷電流產生的磁通在導線也感應出一定電壓。這兩者之和就是感應雷擊過電壓，分別稱為雷擊過電壓的靜電分量和電磁分量。就是感應雷擊過電壓，分別稱為雷擊過電壓的靜電分量和電磁分量。小小 結結獲得比較廣泛認同的雷云形成機理為獲得比較廣泛認同的雷云形成機理為水滴分裂起電理論水滴分裂起電理論。 雷電放電就其本質而言是一種超長氣隙