雷電放電和雷電過電壓

8.1雷電放電和雷電過電壓雷電是一種可怖而又壯觀的自然現(xiàn)象，我國東周時《莊子》上有記述：“陰陽分爭故為電，陽陰交爭故為雷，陰陽錯行，天地大駭，于是有雷、有霆。〞人們對雷電現(xiàn)象的科學(xué)認(rèn)識始于18世紀(jì)中葉，著名科學(xué)家有富蘭克林〔Franklin〕、M·B·羅蒙諾索夫〔Jiomohocob〕、L·B·黎赫曼〔Phxmah〕等，如著名的富蘭克林風(fēng)箏實驗，第一次向人們揭示了雷電只不過是一種火花放電的秘密，他們通過大量實驗取得卓越成就，建立了現(xiàn)代雷電學(xué)說，認(rèn)為雷擊是云層中大量陰電荷和陽電荷迅速中和而產(chǎn)生的現(xiàn)象。特別是利用高速攝影、自動錄波、雷電定向定位等現(xiàn)代測量技術(shù)對雷電進行的觀測研究，大大豐富了人們對雷電的認(rèn)識。本節(jié)內(nèi)容：8.1.1雷云的形成

雷電放電過程

有關(guān)的雷電參數(shù)

雷電過電壓的形成返回

能產(chǎn)生雷電的帶電云層稱為雷云。雷云的形成主要是含水汽的空氣的熱對流效應(yīng)。太陽的熱輻射使地面局部水分化為蒸汽，含水蒸汽的空氣受到熾熱的地面烘烤而上升，會產(chǎn)生向上的熱氣流。熱氣流每上升10km，溫度下降約10℃，熱氣流與高空冷空氣相遇形成雨滴、冰雹等水成物，水成物在地球靜電場的作用下被極化，形成熱雷云。

8.1.1雷云的形成

雷云的形成過程是綜合性的。強氣流將云中的水滴吹裂時，較大的殘滴帶正電，較小的水珠帶負(fù)電，小水珠被氣流帶走，于是云的各局部帶帶有不同的電荷，這是水滴破裂效應(yīng)。

水在結(jié)冰時，冰粒會帶正電，沒有結(jié)結(jié)冰的被風(fēng)吹走小水珠將帶負(fù)電，這是水滴結(jié)冰效應(yīng)。

最后形成帶正電的云粒子在云的上部，而負(fù)電的水成物在云的下部，或者帶負(fù)電的水成物以雨或雹的形式下降到地面。當(dāng)上面所講的帶電云層一經(jīng)形成，就形成雷云空間電場。

由此可見，雷電的成因源于大氣的運動。

返回視頻鏈接作用于電力系統(tǒng)的雷電過電壓最常見的〔約90%〕是由帶負(fù)電的雷云對地放電引起，稱為負(fù)下行雷，下面以負(fù)下行雷為例分析雷電放電過程。負(fù)下行雷通常包括假設(shè)干次重復(fù)的放電過程，而每次可以分為先導(dǎo)放電、主放電和余輝放電三個階段。先導(dǎo)放電階段主放電階段余輝放電階段8.1.2雷電放電過程圖8-1負(fù)雷云下行雷的過程(a)負(fù)下行雷的光學(xué)照片描繪圖(b)放電過程中雷電流的變化過程返回8.1.3有關(guān)的雷電參數(shù)雷電放電受氣象條件、地形和地質(zhì)等許多自然因素影響，帶有很大的隨機性，因而表征雷電特性的各種參數(shù)也就具有統(tǒng)計的性質(zhì)。主要的雷電參數(shù)有：

雷暴日及雷暴小時、地面落雷密度、主放電通道波阻抗、雷電流極性、雷電流幅值、雷電流等值波形、雷電流陡度等。

1.雷暴日及雷暴小時

雷暴日Td是指該地區(qū)平均一年內(nèi)有雷電放電的平均天數(shù)，單位d/a。雷暴小時Th雷暴小時是指平均一年內(nèi)的有雷電的小時數(shù)，單位h/a。雷暴日與該地區(qū)所在緯度、當(dāng)?shù)貧庀髼l件、地形地貌有關(guān)Td<15，少雷區(qū)；>40，多雷區(qū)；>90，強雷區(qū)2.地面落雷密度表征雷云對地放電的頻繁程度以地面落雷密度〔〕來表示，是指每一雷暴日每平方公里地面遭受雷擊的次數(shù)。地面落雷密度和雷暴日的關(guān)系式為：DL/T620—1997標(biāo)準(zhǔn)取為基準(zhǔn)，那么〔8-1〕3.主放電通道波阻抗

從工程實用的角度和地面感受的實際效果出發(fā)，先導(dǎo)放電通道可近似為由電感和電容組成的均勻分布參數(shù)的導(dǎo)電通道，其波阻抗為：

為通道單位長度的電感量，為通道單位長度的電容量。主放電通道波阻抗與主放電通道雷電流有關(guān)，雷電流愈大，波阻抗愈大。

〔8-2〕當(dāng)雷云電荷為負(fù)時，所發(fā)生的雷云放電為負(fù)極性放電，雷電流極性為負(fù)；反之，雷電流極性為正。實測統(tǒng)計資料說明，不同的地形地貌，雷電流正負(fù)極性比例不同，負(fù)極性所占比例在75%~90%之間，因此，防雷保護都取負(fù)極性雷電流進行研究分析。4.雷電流極性5.雷電流幅值

按DL/T620—1997標(biāo)準(zhǔn)，一般我國雷暴日超過20的地區(qū)雷電流的概率分布為或〔8-3〕6.雷電流等值波形雷電流的幅值隨各國自然條件的不同而差異較大，而測得的雷電流波形卻根本一致。第一次負(fù)放電電流波形的波頭較長，在峰值附近有明顯的雙峰；隨后放電電流波形的波頭較短，沒有雙峰，電流陡度遠大于第一次放電，而電流幅值約為第一次放電的一半。放電之后，約有一半存在連續(xù)的后續(xù)電流，至少持續(xù)40ms，電流從數(shù)十至500kA，平均約100kA。據(jù)統(tǒng)計，雷電流的波頭在1～5的范圍內(nèi)，多為2.5～2.6；波長多在20～100的范圍內(nèi)，平均約為50；按DL/T620—1997標(biāo)準(zhǔn)，取2.6，為50，記為2.6/50。

雷電沖擊試驗和防雷設(shè)計中常用的雷電流等值波形有雙指數(shù)波、斜角波和半余弦波三種。圖8-2雷電流的等值波形(a)雙指數(shù)波(b)斜角波(c)半余弦波7.雷電流陡度雷電流陡度是指雷電流隨時間上升的速度。雷電流陡度越大，對電氣設(shè)備造成的危害也越大。雷電流陡度的直接測量更為困難，常常根據(jù)一定的幅值、波頭和波形來推算。DL/T620—1997標(biāo)準(zhǔn)取波頭形狀為斜角波，波頭按2.6考慮，雷電流陡度。計算雷電流沖擊波波頭陡度出現(xiàn)的概率可用以下經(jīng)驗公式計算：

或〔8-4〕返回雷電過電壓的形成1.直擊雷過電壓

雷擊地面由先導(dǎo)放電轉(zhuǎn)變?yōu)橹鞣烹姷倪^程可以用一根已充當(dāng)?shù)拇怪睂?dǎo)線突然與被擊物體接通來模擬。圖8-3雷擊大地時的計算模型(a)模擬先導(dǎo)放電(b)模擬主放電(c)主放電通道電路(d)等值電路2.感應(yīng)雷過電壓由于雷云對地放電過程中，放電通道周圍空間電磁場的急劇變化，會在附近線路的導(dǎo)線上產(chǎn)生過電壓。在雷云放電的先導(dǎo)階段，先導(dǎo)通道中充滿了電荷，如圖8-5〔a〕所示領(lǐng)先導(dǎo)到達附近地面時，主放電開始，先導(dǎo)通道中的電荷被中和，與之相應(yīng)的導(dǎo)線上的束縛電荷得到解放，以波的形式向?qū)Ь€兩側(cè)運動，如圖8-5〔b〕所示。圖8-5感應(yīng)雷過電壓的形成(a)先導(dǎo)放電階段〔b〕主放電階段小結(jié)雷云的形成主要是含水汽的空氣的熱對流效應(yīng)。雷電源于