雷电过程与雷电参数

1、雷电自然中最宏伟壮观的现象，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，因此对雷电的成了很大的影响，因此对雷电的研究和防护意义重大。研究和防护意义重大。 早在早在1818世纪初，富兰克林等物理世纪初，富兰克林等物理学家已经揭示了学家已经揭示了“闪电就是电闪电就是电”的本质，而随着物理学的进一步的本质，而随着物理学的进一步发展，人们对雷电这一自然现象发展，人们对雷电这一自然现象有了更深刻的认识。有了更深刻的认识。第七章第七章 雷电放电及防雷保护装置雷电放电及防雷保护装置n 欧美雷电科学

2、的建立欧美雷电科学的建立著名的风筝试验（著名的风筝试验（17世纪，世纪，富兰富兰克林克林）：）： 240米长的缠绕钢丝的米长的缠绕钢丝的麻绳上产生麻绳上产生20cm的电火花的电火花著名科学家著名科学家G W Richman（17111753）（彼）（彼得堡科学院院士）观察雷电而死亡得堡科学院院士）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）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：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

3、过电压，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它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一之一 产生巨大电流，使被击物体炸毁、燃烧、使导产生巨大电流，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。体熔断或通过电动力引起机械损坏。雷电放电雷电放电实质上是实质上是一种一种超长气隙的火花放电超长气隙的火花放电，它，它所产生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。电磁效应、机械效应和热效应。 雷云的形成雷云的形成 雷电放电过程雷电放电过程 雷电参数雷

4、电参数 雷电过电压的形成雷电过电压的形成第一节第一节 雷电过程与雷电参数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，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。形成大片带负电的雷云。 雷云下部局部正电荷区。雷云下部局部正电荷区。一、雷云的形成一、雷云的形成 雷电放电就其本质而言是雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的火花放电一种超长气

5、隙的火花放电。 二、雷电放电过程二、雷电放电过程负极性棒板负极性棒板不能顺利向前发展不能顺利向前发展主放电：先导靠近地面时，进入主放电阶段，强烈的电主放电：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，荷中和过程，伴随着雷鸣和闪光。主放电的时间极短，只有只有5010050100微秒，放电发展速度微秒，放电发展速度50100m/50100m/微秒。电流幅微秒。电流幅值高达数十甚至数百千安；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

6、开始流向大地，这一阶段称放电的余辉阶段，电流数百安。安。先导放电：雷云中的电荷分布是不均匀的，当雷云中的先导放电：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某个电荷密集中心的电场强度达到空气击穿场强（2530kV/cm2530kV/cm，有水滴时仅为，有水滴时仅为10kV/cm10kV/cm）时，空气便开始）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；电离，形成指向大地的一段电离的微弱导电通道；w 分级先导：多次先导分级先导：多次先导 主放电的重复过程，主放电的重复过程，每次间歇时每次间歇时间为几十毫秒，放电次数一般为间为几十毫秒，放电次数一

7、般为2323次，最多为次次，最多为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。沿着第一次放电通路发展。 理解以下几点：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

8、，重要是流过被击物体的电流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雷电放电由带电荷的雷云引起u大多数的放电发生在雷云之间不危险大多数的放电发生在雷云之间不危险u少数的放电发生在雷云和大地之间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对地放电的雷云大多数带负电荷( (一一) )雷电活动频度雷电活动频度雷暴日及雷暴小时雷暴日及雷暴小时 雷暴日雷暴日T Td d是一年中发生雷电的天数，以听到雷声为准，在一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。天内只要听到过雷声，无论次数多少，均计为一个雷暴

9、日。 雷暴小时雷暴小时T Th h是一年中发生雷电放电的小时数，在一个小时内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。只要有一次雷电，即计为一个雷电小时。 一个雷暴日折合一个雷暴日折合三个雷暴小时。三个雷暴小时。雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关 Td 15Td 4040，多雷区；，多雷区；9090，强雷区，强雷区 三、雷电参数三、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

10、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。统造成危害的过电压。 ( (二二) )地面落雷密度地面落雷密度( )( )和雷击选择性和雷击选择性 表示每平方公里地面在一个雷暴日受到的平均雷击次数。表示每平方公里地面在一个雷暴日受到的平均雷击次数。 我国标准对我国标准对T Td d 4040的地区，取的地区，取 0.070.07 ( (三三) )雷道波阻抗雷道波阻抗（Z Z0 0）雷电通道长度数千米，主放电时如同导体，类似于一条分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。布参数线路，具有某一等值波阻抗，称为雷道波阻

11、抗。主放电过程可看作是一个主放电过程可看作是一个电流波电流波沿着波阻抗为沿着波阻抗为Z Z0 0的雷道投的雷道投射到雷击点的波过程。射到雷击点的波过程。 我国有关规程建议取我国有关规程建议取Z Z0 0 300 300 02II 88lgIP负极性雷击均占负极性雷击均占757590%90%，对设备绝缘危害较大，对设备绝缘危害较大, ,防雷计算中防雷计算中一般均按负极性考虑。一般均按负极性考虑。I( (五五) )雷电流幅值（雷电流幅值（ ） 0I通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻( 30)( 30)的物体时流的物体时流过雷击点的电流。它近似等于电流入射波过雷击点

12、的电流。它近似等于电流入射波 的两倍，即的两倍，即 I一般地区，雷电流幅值超过一般地区，雷电流幅值超过 的概率可按下式计算的概率可按下式计算( (四四) )雷电的极性雷电的极性波前陡度的最大极限值一般可取波前陡度的最大极限值一般可取50 kA/us50 kA/us左右。左右。( (六六) )雷电流的波前时间、陡度及波长雷电流的波前时间、陡度及波长雷电流的波前时间雷电流的波前时间T T1 1处于处于1 14us4us的范围内，平均为的范围内，平均为2.6us2.6us。波长。波长T T2 2 处于处于2020100us100us的范围内，多数为的范围内，多数为40us40us左右。左右。我国防雷

13、设计采用我国防雷设计采用2.6/40us2.6/40us的波形；在绝缘的冲击高的波形；在绝缘的冲击高压试验中，标准雷电冲击电压的波形定为压试验中，标准雷电冲击电压的波形定为1.2/50us1.2/50us6 . 2Ia 雷电流波前的平均陡度雷电流波前的平均陡度 (kA/us)(kA/us)(0tteeIiati )(1Ttati)(11TtIaTi)cos1 (2tIi ( (七七) )雷电流的计算波形雷电流的计算波形1 1、双指数波、双指数波2 2、斜角波、斜角波3 3、斜角平顶波、斜角平顶波 4 4、半余弦波、半余弦波在防雷计算中，按不同要求采用不同的计算波形在防雷计算中，按不同要求采用不

14、同的计算波形( (八八) )雷电的多重放电次数及总延续时间雷电的多重放电次数及总延续时间有有5555的对地雷击包含两次以上的重复冲击；的对地雷击包含两次以上的重复冲击；3 35 5次次冲击者有冲击者有25%25%；1010次以上者有次以上者有4%4%。平均重复冲击次数取。平均重复冲击次数取3 3次。次。( (九九) )放电能量放电能量A=QU=10A=QU=107 7V V20C20C202010107 7W W. .s s（200MW200MW秒），放电能量秒），放电能量不大，但是在极短时间内放出的，因而功率很大。不大，但是在极短时间内放出的，因而功率很大。四、雷电过电压的形成四、雷电过电压

15、的形成( (一一) )雷电放电的计算模型雷电放电的计算模型( (三三) )感应雷击过电压感应雷击过电压 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。缘的导线上引起感应过电压。AiUIR100AUI( (二二) )直接雷击过电压直接雷击过电压 雷击于地面上接地良好的物体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雷击于导线或档距中央避雷线先导放电阶段先导放电阶段：虽然有束缚电荷的存在，但是由于负电荷移动较慢，故线：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，路上产生的的电流较小，相应的电压也较小，可忽略。可忽略。主放电阶段主放电阶段：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：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。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。小小 结结获得比较广泛认同的雷云形成机理为获得比较广泛认同的雷云形成机理为水滴分裂起电理论水滴分裂起电理论。 雷电放电就其本质而言是一种超长气隙