雷电放电和雷电过电压

1、8.1 雷电放电和雷电过电压 雷电是一种可怖而又壮观的自然现象，我国东周时庄子 上有记述：“阴阳分争故为电，阳阴交争故为雷，阴阳错行， 天地大骇，于是有雷、有霆。” 人们对雷电现象的科学认识始于18世纪中叶，著名科学家 有富兰克林（Franklin）、MB罗蒙诺索夫（Jiomohocob）、 LB黎赫曼（Phxmah）等，如著名的富兰克林风筝实验，第 一次向人们揭示了雷电只不过是一种火花放电的秘密，他们通 过大量实验取得卓越成就，建立了现代雷电学说，认为雷击是 云层中大量阴电荷和阳电荷迅速中和而产生的现象。特别是利 用高速摄影、自动录波、雷电定向定位等现代测量技术对雷电 进行的观测研究，大大丰

2、富了人们对雷电的认识。 本节内容： 8.1.1 雷云的形成 8.1.2 雷电放电过程 8.1.3 有关的雷电参数 8.1.4 雷电过电压的形成 返回返回 能产生雷电的带电云层称为雷云。 雷云的形成主要是含水汽的空气的热对流效 应。太阳的热辐射使地面部分水分化为蒸汽，含 水蒸汽的空气受到炽热的地面烘烤而上升，会产 生向上的热气流。热气流每上升10km，温度下降 约10，热气流与高空冷空气相遇形成雨滴、冰 雹等水成物，水成物在地球静电场的作用下被极 化，形成热雷云。 8.1.1 雷云的形成 雷云的形成过程是综合性的。 强气流将云中的水滴吹裂时，较大的残滴带 正电，较小的水珠带负电，小水珠被气流带走

3、， 于是云的各部分带带有不同的电荷，这是水滴破 裂效应。 水在结冰时，冰粒会带正电，没有结结冰的被 风吹走小水珠将带负电，这是水滴结冰效应。 返回返回 视频链接 作用于电力系统的雷电过电压最常见的 （约90%）是由带负电的雷云对地放电引起，称 为负下行雷，下面以负下行雷为例分析雷电放 电过程。负下行雷通常包括若干次重复的放电 过程，而每次可以分为先导放电、主放电和余 辉放电三个阶段。 先导放电阶段 主放电阶段 余辉放电阶段 8.1.2 雷电放电过程 图8-1 负雷云下行雷的过程 (a)负下行雷的光学照片描绘图 (b)放电过程中雷电流的变化过程 返回返回 8.1.3 有关的雷电参数 雷电放电受气

4、象条件、地形和地质等许多自然因素 影响，带有很大的随机性，因而表征雷电特性的各种参 数也就具有统计的性质。 主要的雷电参数有： 雷暴日及雷暴小时、地面落雷密度、主放电通道波 阻抗、雷电流极性、雷电流幅值、雷电流等值波形、雷 电流陡度等。 1.雷暴日及雷暴小时 雷暴日Td 是指该地区平均一年内有雷电放电的 平均天数，单位d/a 。 雷暴小时Th 雷暴小时是指平均一年内的有雷电 的小时数，单位h/a。 雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形 地貌有关 Td 40，多雷区；90，强雷区 2. 地面落雷密度 表征雷云对地放电的频繁程度以地面落雷密度 （ ）来表示，是指每一雷暴日每平方公里地面遭受

5、雷击的次数。地面落雷密度和雷暴日的关系式为： 0.3 d 023. 0T DL/T 6201997标准取 为基准，则 40 d T 07. 0 （8-1） 从工程实用的角度和地面感受的实际效果出发， 先导放电通道可近似为由电感和电容组成的均匀分 布参数的导电通道，其波阻抗为： 为通道单位长度的电感量， 为通道单位长度 的电容量。主放电通道波阻抗与主放电通道雷电流 有关，雷电流愈大，波阻抗愈大。 0 0 0 L Z C 0 L 0 C （8-2） 当雷云电荷为负时，所发生的雷云放电为负极 性放电，雷电流极性为负；反之，雷电流极性为正。 实测统计资料表明，不同的地形地貌，雷电流正负 极性比例不同，

6、负极性所占比例在75%90%之间，因 此，防雷保护都取负极性雷电流进行研究分析。 4.雷电流极性 5.雷电流幅值 按DL/T 6201997标准，一般我国雷暴日超过 20的地区雷电流的概率分布为 或 88 log I P 88 10 I P （8-3） 6.雷电流等值波形 雷电流的幅值随各国自然条件的不同而差别 较大，而测得的雷电流波形却基本一致。第一次 负放电电流波形的波头较长，在峰值附近有明显 的双峰；随后放电电流波形的波头较短，没有双 峰，电流陡度远大于第一次放电，而电流幅值约 为第一次放电的一半。 放电之后，约有一半存在连续的后续电流，至 少持续40ms，电流从数十至500kA，平均约

7、100kA。 据统计，雷电流的波头在15 的范围内，多为 2.52.6 ；波长多在20100 的范围内，平均 约为50 ；按DL/T 6201997标准，取2.6 ，为 50 ，记为2.6/50 。 s ss s ss s 图8-2 雷电流的等值波形 (a)双指数波 (b)斜角波 (c)半余弦波 雷电流陡度是指雷电流随时间上升的速度。雷电流陡度越 大，对电气设备造成的危害也越大。雷电流陡度的直接测量更 为困难，常常根据一定的幅值、波头和波形来推算。DL/T 6201997标准取波头形状为斜角波，波头按2.6 考虑，雷电 流陡度 。计算雷电流冲击波波头陡度出现的概率可用 下列经验公式计算： 或

8、36 log a a P 36 a 10 a P 6 . 2Ia s （8-4） 返回返回 1.直击雷过电压 雷击地面由先导放电转变为主放电的过程可以用一 根已充当的垂直导线突然与被击物体接通来模拟。 图8-3 雷击大地时的计算模型 (a)模拟先导放电 (b)模拟主放电 (c)主放电通道电路 (d)等值电路 2.感应雷过电压 由于雷云对地放电过程中，放电通道周围空间电磁场的急剧 变化，会在附近线路的导线上产生过电压。在雷云放电的先导阶 段，先导通道中充满了电荷，如图8-5（a）所示当先导到达附近 地面时，主放电开始，先导通道中的电荷被中和，与之相应的导 线上的束缚电荷得到解放，以波的形式向导线两侧运动，如图8- 5（b）所示。 图8-5 感应雷过电压的形成 (a)先导放电阶段 （b）主放电阶段 小结 雷云的形成主要是含水汽的空气的热对流效应。雷电源于大 气的