哈工大高电压技术-1-雷电过程与雷电参数讲解

雷电自然中最宏伟壮观的现象，也是最普遍的现象之一，它对人类的生活环境、工作条件等都造成了很大的影响，因此对雷电的研究和防护意义重大。早在18世纪初，富兰克林等物理学家已经揭示了“闪电就是电”的本质，而随着物理学的进一步发展，人们对雷电这一自然现象有了更深刻的认识。第四章雷电放电及防雷保护装置欧美雷电科学的建立著名的风筝试验（17世纪，富兰克林）：240米长的缠绕钢丝的麻绳上产生20cm的电火花著名科学家GWRichman（1711－1753）（彼得堡科学院院士）观察雷电而死亡高速摄影、记录示波器、雷电定向定位仪等现代化测量技术（丰富人类对雷电的认识）从电力工程的角度来看，最值得我们注意的两个方面是：雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压，它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一产生巨大电流，使被击物体炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损坏。雷电放电实质上是一种超长气隙的火花放电，它所产生的雷电流高达数十、甚至数百千安，从而会引起巨大的电磁效应、机械效应和热效应。雷云的形成雷电放电过程雷电参数雷电过电压的形成第一节雷电过程与雷电参数雷云的形成机理获得比较广泛认同的是水滴分裂起电理论：大水滴分裂成水珠和细微的水沫，出现电荷分离现象，大水珠带正电，小水沫带负电，细微水沫被上升。气流带往高空，形成大片带负电的雷云。雷云下部局部正电荷区。一、雷云的形成雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的火花放电。二、雷电放电过程负极性棒板不能顺利向前发展雷电放电过程基本过程：先导放电阶段；主放电阶段；余辉放电阶段主放电：先导靠近地面时，进入主放电阶段，强烈的电荷中和过程，伴随着雷鸣和闪光。主放电的时间极短，只有50~100微秒，放电发展速度50~100m/微秒。电流幅值高达数十甚至数百千安；余辉阶段：主放电完成后，云中剩余电荷沿着导电通道开始流向大地，这一阶段称放电的余辉阶段，电流数百安。先导放电：雷云中的电荷分布是不均匀的，当雷云中的某个电荷密集中心的电场强度达到空气击穿场强（25~30kV/cm，有水滴时仅为10kV/cm）时，空气便开始电离，形成指向大地的一段电离的微弱导电通道；分级先导：多次先导主放电的重复过程，每次间歇时间为几十毫秒，放电次数一般为2~3次，最多为４０次雷云中可能存在多个电荷中心，当第一个电荷中心完成上述放电过程后，可能引起其他电荷中心向第一个中心放电，并沿着第一次放电通路发展。理解以下几点：雷云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放被击物体的电位取决于雷电流和被击物体阻抗的乘积从电源性质看，相当于一个电流源的作用过程人们能够测知的电量，重要是流过被击物体的电流雷电放电由带电荷的雷云引起大多数的放电发生在雷云之间－不危险少数的放电发生在雷云和大地之间－危险对地放电的雷云大多数带负电荷(一)雷电活动频度——雷暴日及雷暴小时雷暴日Td是一年中发生雷电的天数，以听到雷声为准，在一天内只要听到过雷声，无论次数多少，均计为一个雷暴日。雷暴小时Th是一年中发生雷电放电的小时数，在一个小时内只要有一次雷电，即计为一个雷电小时。一个雷暴日折合三个雷暴小时。雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关Td15，少雷区；40，多雷区；90，强雷区三、雷电参数雷暴日和雷暴小时的统计中，并没有区分雷云之间的放电和雷云对地的放电。但是，只有落地雷才有可能产生对电力系统造成危害的过电压。(二)地面落雷密度()和雷击选择性表示每平方公里地面在一个雷暴日受到的平均雷击次数。我国标准对Td＝40的地区，取＝0.07(三)雷道波阻抗（Z0）雷电通道长度数千米，主放电时如同导体，类似于一条分布参数线路，具有某一等值波阻抗，称为雷道波阻抗。主放电过程可看作是一个电流波沿着波阻抗为Z0的雷道投射到雷击点的波过程。我国有关规程建议取Z0≈300Ω02II88lgIP负极性雷击均占75～90%，对设备绝缘危害较大,防雷计算中一般均按负极性考虑。I(五)雷电流幅值（）0I通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻(≤30Ω)的物体时流过雷击点的电流。它近似等于电流入射波的两倍，即I一般地区，雷电流幅值超过的概率可按下式计算(四)雷电的极性波前陡度的最大极限值一般可取50kA/us左右。(六)雷电流的波前时间、陡度及波长雷电流的波前时间T1处于1～4us的范围内，平均为2.6us。波长T2处于20～100us的范围内，多数为40us左右。我国防雷设计采用2.6/40us的波形；在绝缘的冲击高压试验中，标准雷电冲击电压的波形定为1.2/50us6.2Ia雷电流波前的平均陡度(kA/us))(0tteeIiati)(1Ttati)(11TtIaTi)cos1(2tIi(七)雷电流的计算波形1、双指数波2、斜角波3、斜角平顶波4、半余弦波在防雷计算中，按不同要求采用不同的计算波形(八)雷电的多重放电次数及总延续时间有55％的对地雷击包含两次以上的重复冲击；3～5次冲击者有25%；10次以上者有4%。平均重复冲击次数取3次。(九)放电能量A=QU=107V×20C＝20×107W.s（200MW秒），放电能量不大，但是在极短时间内放出的，因而功率很大。四、雷电过电压的形成(一)雷电放电的计算模型(三)感应雷击过电压雷击于线路附近大地或接地的线路杆塔顶部等，在绝缘的导线上引起感应过电压。AiUIR100AUI(二)直接雷击过电压雷击于地面上接地良好的物体雷击于导线或档距中央避雷线先导放电阶段：虽然有束缚电荷的存在，但是由于负电荷移动较慢，故线路上产生的的电流较小，相应的电压也较小，可忽略。主放电阶段：负电荷迅速被中和，束缚的正电荷产生的电场使导线对地形成一定电压，而雷电流产生的磁通在导线也感应出一定电压。这两者之和就是感应雷击过电压，分别称为雷击过电压的静电分量和电磁分量。小结获得比较广泛认同的雷云形成机理为水滴分裂起电理论。雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的火花放电。其发展过程分为三个阶段：先导放电、主放电、余辉放电。从雷电过电压计算和防雷设计的角度来看，值得注意的雷电参数有雷暴日及雷暴小时、雷电流幅值、雷电流的计算波形等。感应雷击过电压的形成机理与直接雷击过电压完全不同。（本节完）