传输线的波阻抗课件

建筑物外部防雷系统雷电的形成与危害雷电能量在导体上的传输工程防雷体系及建筑物防雷类别建筑物外部防雷系统建筑物外部防雷系统雷电的形成与危害1雷电的形成与危害图1雷云对大地放电（直击雷）示意图a)负雷云出现在大地建筑物上方时b)负雷云对建筑物顶部尖端放电时雷电的形成与危害图1雷云对大地放电（直击雷）示意图2雷电的形成与危害

一、雷电的形成与危害

1、形成

形成过程：雷云，先导（向下先导、迎面先导）

放电，主放电，余辉放电。雷击方式：直接雷击，感应雷击。

2、危害热效应，机械力效应，电磁效应。能量巨大，破坏力强。雷电的形成与危害一、雷电的形成与危害3雷电的形成与危害二、雷电参数1、气象参数

雷暴日，雷暴小时。按雷暴日可划分雷击强度区域：

少雷区：年雷暴日少于15；

多雷区：年雷暴日40～90；

强雷区：年雷暴日大于90。雷电的形成与危害二、雷电参数4雷电的形成与危害2、电气参数

（1）雷击基本形式及其组合

闪击：雷电向大地或地表附着物的放电称为闪击。雷击：闪击过程中的每一次放电称为一次雷击。通常一个闪击过程包含有若干次雷击。

闪击又分为由雷云向建筑物发展向下闪击和由建筑物向雷云发展的向上闪击。雷电的形成与危害2、电气参数5雷电的形成与危害雷电的形成与危害6雷电的形成与危害雷电的形成与危害7雷电的形成与危害雷电的形成与危害8雷电的形成与危害（2）建筑物防雷工程中雷电参数取值

建筑防雷工程中关心的是受雷击的对象（即建筑物）实际承受的雷击参量大小，这些参量应按一定概率下最不利的情况考虑。因此防雷工程中所关心的雷电参量，不再只与雷电本身有关，还与受雷击对象的特性相关。雷电的形成与危害（2）建筑物防雷工程中雷电参数取值9雷电的形成与危害首次短时雷击的雷电流参数雷电流参数防雷建筑类别一类二类三类I幅值/kA200150100T1波头时间/μs101010T2波头时间/μs350350350Qs电荷量/C1007550W/R单位能量/(MJ/Ω)105.62.5雷电的形成与危害首次短时雷击的雷电流参数雷电流参数防雷建筑类10雷电的形成与危害后续短时雷击的雷电流参数雷电流参数防雷建筑类别一类二类三类I幅值/kA5037.525T1波头时间/μs0.250.250.25T2波头时间/μs100100100I/T1平均陡度/(kA/μs)200150100雷电的形成与危害后续短时雷击的雷电流参数雷电流参数防雷建筑类11雷电的形成与危害长时间雷击的雷电流参数雷电流参数防雷建筑类别一类二类三类Q1电荷量/C5037.525T时间/s0.250.250.25雷电的形成与危害长时间雷击的雷电流参数雷电流参数防雷建筑类别12雷电的形成与危害（3）雷电波的表述

通常用T1/T2波形表达，这里符号“/”没有除法运算的含义，仅指雷电波波头时间与半峰时间的一种组合。例如，常用的试验波形有10/350μs电流波、8/20μs电流波、1.2/50μs电压波等。雷电的形成与危害（3）雷电波的表述13雷电能量在导体上的传输一、传输线

1、集中与分布参数电路

关键：电路尺寸与电磁波波长的相对大小。电路尺寸远小于电磁波波长——集中参数电路电路尺寸可比于

电磁波波长——分布参数电路为什么几何尺寸尺寸如此重要？雷电能量在导体上的传输一、传输线14雷电能量在导体上的传输雷电能量在导体上的传输15雷电能量在导体上的传输2、传输线简介

（1）集中与分布参数电路的主要区别

集中参数电路：电流、电压只是时间的函数，在一个支路范围内与位置无关。

u=u（t），i=i（t）

分布参数电路：电流、电压不仅是时间的函数，还是位置的函数，即：

u=u（x，t），i=i（x，t）

因此，分布参数电路中没有节点、支路等概念，KCL、KVL不再成立。

雷电能量在导体上的传输2、传输线简介16雷电能量在导体上的传输

（2）传输线的波阻抗

传输线上某一点同向传输的电压电流之比，叫做该点的波阻抗。

Z（x）=u（x，t）/i（x，t）

波阻抗也是一个位置的函数。解释线性传输线，均匀传输线，传输线的波阻抗。波阻抗只表明某一点上电压和电流的比例关系，但并不表明能量消耗，因此与集中参数电路中的阻抗有本质的差异。

雷电能量在导体上的传输（2）传输线的波17雷电能量在导体上的传输

（3）传输线的等效电路

如何用集中参数电路的方法去分析实为分布参数电路的传输线？

“长”与“短”的相对性及条件转换。传输线上某一点和紧邻的下一点上电流都可能不同，说明传输线上可以有净电荷的集聚。雷电能量在导体上的传输（3）传输线的等18雷电能量在导体上的传输传输线的集中参数等效电路无限分割＋级联组合雷电能量在导体上的传输传输线的集中参数等效电路19雷电能量在导体上的传输二、传输线上的行波

（1）行波概念整体看：传输线比作铁路，行波就好比火车。就传输线上任一固定点看：该点上电压（电流）随时间的变化，表明不同时刻通过该点的电压（电流）行波的瞬时值。行波实际表明了能量在空间的传输。

（2）行波波速

v2=1/（L0C0）=1/（μ0ε0）

雷电能量在导体上的传输二、传输线上的行波20雷电能量在导体上的传输

（3）行波的折射与反射

当传输路径上波阻抗变化时，由于电场与磁场能量的重新分配，会产生波的折射与反射现象。电流波：表明了磁场能量的传播。电压波：表明了电场能量的传播。波阻抗：表明了磁场与电场能量的比例。根据能量守恒定律，波阻抗变化时，会发生电场和磁场能量的转换，使电流波和电压波发生变化。

（4）示例雷电能量在导体上的传输21雷电能量在导体上的传输末端开路末端短路雷电能量在导体上的传输末端开路末端短路22雷电能量在导体上的传输三、导体上雷电能量传输与传输线的关系雷电波中能量不可忽略的谐波频率达MHz级。相对应的波长为几十到几百米，已小于一般电力或信息线路长度，达到与建筑物尺度可比拟的程度。讨论线路上雷电能量传输时，均将其看作为行波。讨论建筑物上雷电能量传输时，有时仍可近似将导体当作集中参数电路处理。雷电能量在导体上的传输三、导体上雷电能量传输与传输线的23工程防雷体系及建筑物防雷类别

一、工程防雷体系

1、工程防雷标准简述

IEC/TC81——国际电工委员会雷电防护技术委员会。IEC-61024（1990实施）→IEC-62305（2003始逐渐替换IEC-61024）IEC/TC64——国际电工委员会建筑物电气装置和电击防护技术委员会。

IEC/TC37——国际电工委员会避雷器和电涌保护器技术委员会。工程防雷体系及建筑物防雷类别一、工程防雷体系24工程防雷体系及建筑物防雷类别2、工程防雷体系结构工程防雷体系及建筑物防雷类别2、工程防雷体系结构25工程防雷体系及建筑物防雷类别

二、建筑物防雷类别1、建筑防雷类别划分的目的与结果（1）目的。明确建筑物受雷击的概率，明确建筑物受雷击后果的严重程度，明确防护严密程度要求。

（2）类别划分。划分为三个类别。一类防雷要求最高，二类次之，三类最低。不在以上三个类别中的建筑物，可不做人工防雷。

工程防雷体系及建筑物防雷类别二、建筑物防雷类别26工程防雷体系及建筑物防雷类别2、建筑物年预计雷击次数N计算

该参数表明了建筑物受雷击的概率，有专门的工程计算方法，与建筑物体量、雷电气象参数、建筑物所处位置环境状况等有关。该参数是划分建筑物防雷类别的重要依据之一。工程防雷体系及建筑物防雷类别2、建筑物27建筑物外部防雷系统主要防直击雷（含顶击和侧击），也包括反击。外部防雷系统是建筑防雷体系中的第一道防线，是内部防雷的基础，是预防性体系。基本思路：控制雷电能量走向，使其以对建筑物危害最小的方式泄放。建筑物外部防雷系统主要防直击雷（含顶击28建筑物外部防雷系统一、系统构成由接闪器、引下线和接地装置构成。1、接闪器作用：引雷击向自身，以控制雷云向建筑物放电的部位，实质为引雷器。一般设置在高出建筑物的高度上。原理：利用自身高出建筑物的突出地位和金属材料能够快速聚集大量电荷的特性，以及尖端放电机理，控制雷电先导的发展方向。建筑物外部防雷系统一、系统构成29建筑物外部防雷系统类型：人工接闪器，自然接闪器。人工接闪器：避雷针、线、带、网等；自然接闪器：金属屋面、杆塔等。建筑物外部防雷系统类型：人工接闪器，自然30建筑物外部防雷系统2、引下线作用：将接闪器接受的雷电能量由高处引向大地。常见类型：人工引下线，自然引下线。人工引下线：镀锌圆钢、扁钢，同轴屏蔽电缆等。自然引下线：建筑物柱内钢筋等，构筑物金属杆体等。建筑物外部防雷系统2、引下线31建筑物外部防雷系统3、防雷接地体作用：使雷电能量更有效率地向大地泄放。常见类型：自然接地体，人工接地体。建筑物防雷系统示例建筑物外部防雷系统3、防雷接地体建筑物32建筑物外部防雷系统

二、接闪器保护范围滚球法、网格尺寸法、折线法（不推荐）。1、滚球法（1）原理。设立以hr为半径的一个假想硬壳球体（称为滚球），沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只能触及接闪器、或只触及接闪器和地面，而不能触及被保护建筑物时，则建筑物各部位就得到接闪器的保护，否则需要对建筑物上被滚球触及的区域进一步设置保护，建筑物外部防雷系统二、接闪器保护范围33建筑物外部防雷系统建筑物外部防雷系统34建筑物外部防雷系统

（2）应用

用于各种接闪器保护范围确定，也用于较高建筑物对邻近较低建筑物保护范围确定。

（3）滚球半径hr取值按建筑物防雷类别固定取值：一类防雷建筑：30m；

二类防雷建筑：45m；

三类防雷建筑：60m。建筑物外部防雷系统（2）应用35建筑物外部防雷系统2、网格尺寸法控制避雷网网格尺寸大小，就能有效地保护建筑物。（以下单位：m）

一类防雷建筑：5X5或6X4以下。二类防雷建筑：10X10或12X8以下。三类防雷建筑：20X20或24X16以下。滚球法与网格尺寸法的关系：滚球法适用于任何接闪器，网格尺寸法适用于避雷网。对避雷网，两种方法可各自独立应用，满足其一即可。

建筑物外部防雷系统2、网格尺寸法36建筑物外部防雷系统

三、典型接闪器保护范围计算（一）避雷针保护范围计算1、单只避雷针保护范围计算分针高小于和大于滚球半径两种情况。针高大于滚球半径时，高出滚球半径的部分对增大保护范围无效，保护范围按针高等于滚球半径计算。建筑物外部防雷系统三、典型接闪器保护范围计算37建筑物外部防雷系统建筑物外部防雷系统38建筑物外部防雷系统建筑物外部防雷系统39建筑物外部防雷系统

（二）避雷线的保护范围只考虑等高杆塔的情况。分避雷线高小于和大于滚球半径两种情况。3、单根避雷线保护范围建筑物外部防雷系统（二）避雷线的保护范围40建筑物外部防雷系统建筑物外部防雷系统41建筑物外部防雷系统小结滚球法：准确性较好，概念明晰，适用面广，建筑电气工程多有采用，特别适用于避雷针、线的保护范围确定。接下来重点讲解。网格尺寸法：简单明了，对避雷网式接闪器特别方便。折线法：准确性和应用方便性不好，但电力工程中仍在采用。建筑物外部防雷系统小结42谢谢！谢谢！43建筑物外部防雷系统雷电的形成与危害雷电能量在导体上的传输工程防雷体系及建筑物防雷类别建筑物外部防雷系统建筑物外部防雷系统雷电的形成与危害44雷电的形成与危害图1雷云对大地放电（直击雷）示意图a)负雷云出现在大地建筑物上方时b)负雷云对建筑物顶部尖端放电时雷电的形成与危害图1雷云对大地放电（直击雷）示意图45雷电的形成与危害

一、雷电的形成与危害

1、形成

形成过程：雷云，先导（向下先导、迎面先导）

放电，主放电，余辉放电。雷击方式：直接雷击，感应雷击。

2、危害热效应，机械力效应，电磁效应。能量巨大，破坏力强。雷电的形成与危害一、雷电的形成与危害46雷电的形成与危害二、雷电参数1、气象参数

雷暴日，雷暴小时。按雷暴日可划分雷击强度区域：

少雷区：年雷暴日少于15；

多雷区：年雷暴日40～90；

强雷区：年雷暴日大于90。雷电的形成与危害二、雷电参数47雷电的形成与危害2、电气参数

（1）雷击基本形式及其组合

闪击：雷电向大地或地表附着物的放电称为闪击。雷击：闪击过程中的每一次放电称为一次雷击。通常一个闪击过程包含有若干次雷击。

闪击又分为由雷云向建筑物发展向下闪击和由建筑物向雷云发展的向上闪击。雷电的形成与危害2、电气参数48雷电的形成与危害雷电的形成与危害49雷电的形成与危害雷电的形成与危害50雷电的形成与危害雷电的形成与危害51雷电的形成与危害（2）建筑物防雷工程中雷电参数取值

建筑防雷工程中关心的是受雷击的对象（即建筑物）实际承受的雷击参量大小，这些参量应按一定概率下最不利的情况考虑。因此防雷工程中所关心的雷电参量，不再只与雷电本身有关，还与受雷击对象的特性相关。雷电的形成与危害（2）建筑物防雷工程中雷电参数取值52雷电的形成与危害首次短时雷击的雷电流参数雷电流参数防雷建筑类别一类二类三类I幅值/kA200150100T1波头时间/μs101010T2波头时间/μs350350350Qs电荷量/C1007550W/R单位能量/(MJ/Ω)105.62.5雷电的形成与危害首次短时雷击的雷电流参数雷电流参数防雷建筑类53雷电的形成与危害后续短时雷击的雷电流参数雷电流参数防雷建筑类别一类二类三类I幅值/kA5037.525T1波头时间/μs0.250.250.25T2波头时间/μs100100100I/T1平均陡度/(kA/μs)200150100雷电的形成与危害后续短时雷击的雷电流参数雷电流参数防雷建筑类54雷电的形成与危害长时间雷击的雷电流参数雷电流参数防雷建筑类别一类二类三类Q1电荷量/C5037.525T时间/s0.250.250.25雷电的形成与危害长时间雷击的雷电流参数雷电流参数防雷建筑类别55雷电的形成与危害（3）雷电波的表述

通常用T1/T2波形表达，这里符号“/”没有除法运算的含义，仅指雷电波波头时间与半峰时间的一种组合。例如，常用的试验波形有10/350μs电流波、8/20μs电流波、1.2/50μs电压波等。雷电的形成与危害（3）雷电波的表述56雷电能量在导体上的传输一、传输线

1、集中与分布参数电路

关键：电路尺寸与电磁波波长的相对大小。电路尺寸远小于电磁波波长——集中参数电路电路尺寸可比于

电磁波波长——分布参数电路为什么几何尺寸尺寸如此重要？雷电能量在导体上的传输一、传输线57雷电能量在导体上的传输雷电能量在导体上的传输58雷电能量在导体上的传输2、传输线简介

（1）集中与分布参数电路的主要区别

集中参数电路：电流、电压只是时间的函数，在一个支路范围内与位置无关。

u=u（t），i=i（t）

分布参数电路：电流、电压不仅是时间的函数，还是位置的函数，即：

u=u（x，t），i=i（x，t）

因此，分布参数电路中没有节点、支路等概念，KCL、KVL不再成立。

雷电能量在导体上的传输2、传输线简介59雷电能量在导体上的传输

（2）传输线的波阻抗

传输线上某一点同向传输的电压电流之比，叫做该点的波阻抗。

Z（x）=u（x，t）/i（x，t）

波阻抗也是一个位置的函数。解释线性传输线，均匀传输线，传输线的波阻抗。波阻抗只表明某一点上电压和电流的比例关系，但并不表明能量消耗，因此与集中参数电路中的阻抗有本质的差异。

雷电能量在导体上的传输（2）传输线的波60雷电能量在导体上的传输

（3）传输线的等效电路

如何用集中参数电路的方法去分析实为分布参数电路的传输线？

“长”与“短”的相对性及条件转换。传输线上某一点和紧邻的下一点上电流都可能不同，说明传输线上可以有净电荷的集聚。雷电能量在导体上的传输（3）传输线的等61雷电能量在导体上的传输传输线的集中参数等效电路无限分割＋级联组合雷电能量在导体上的传输传输线的集中参数等效电路62雷电能量在导体上的传输二、传输线上的行波

（1）行波概念整体看：传输线比作铁路，行波就好比火车。就传输线上任一固定点看：该点上电压（电流）随时间的变化，表明不同时刻通过该点的电压（电流）行波的瞬时值。行波实际表明了能量在空间的传输。

（2）行波波速

v2=1/（L0C0）=1/（μ0ε0）

雷电能量在导体上的传输二、传输线上的行波63雷电能量在导体上的传输

（3）行波的折射与反射

当传输路径上波阻抗变化时，由于电场与磁场能量的重新分配，会产生波的折射与反射现象。电流波：表明了磁场能量的传播。电压波：表明了电场能量的传播。波阻抗：表明了磁场与电场能量的比例。根据能量守恒定律，波阻抗变化时，会发生电场和磁场能量的转换，使电流波和电压波发生变化。

（4）示例雷电能量在导体上的传输64雷电能量在导体上的传输末端开路末端短路雷电能量在导体上的传输末端开路末端短路65雷电能量在导体上的传输三、导体上雷电能量传输与传输线的关系雷电波中能量不可忽略的谐波频率达MHz级。相对应的波长为几十到几百米，已小于一般电力或信息线路长度，达到与建筑物尺度可比拟的程度。讨论线路上雷电能量传输时，均将其看作为行波。讨论建筑物上雷电能量传输时，有时仍可近似将导体当作集中参数电路处理。雷电能量在导体上的传输三、导体上雷电能量传输与传输线的66工程防雷体系及建筑物防雷类别

一、工程防雷体系

1、工程防雷标准简述

IEC/TC81——国际电工委员会雷电防护技术委员会。IEC-61024（1990实施）→IEC-62305（2003始逐渐替换IEC-61024）IEC/TC64——国际电工委员会建筑物电气装置和电击防护技术委员会。

IEC/TC37——国际电工委员会避雷器和电涌保护器技术委员会。工程防雷体系及建筑物防雷类别一、工程防雷体系67工程防雷体系及建筑物防雷类别2、工程防雷体系结构工程防雷体系及建筑物防雷类别2、工程防雷体系结构68工程防雷体系及建筑物防雷类别

二、建筑物防雷类别1、建筑防雷类别划分的目的与结果（1）目的。明确建筑物受雷击的概率，明确建筑物受雷击后果的严重程度，明确防护严密程度要求。

（2）类别划分。划分为三个类别。一类防雷要求最高，二类次之，三类最低。不在以上三个类别中的建筑物，可不做人工防雷。

工程防雷体系及建筑物防雷类别二、建筑物防雷类别69工程防雷体系及建筑物防雷类别2、建筑物年预计雷击次数N计算

该参数表明了建筑物受雷击的概率，有专门的工程计算方法，与建筑物体量、雷电气象参数、建筑物所处位置环境状况等有关。该参数是划分建筑物防雷类别的重要依据之一。工程防雷体系及建筑物防雷类别2、建筑物70建筑物外部防雷系统主要防直击雷（含顶击和侧击），也包括反击。外部防雷系统是建筑防雷体系中的第一道防线，是内部防雷的基础，是预防性体系。基本思路：控制雷电能量走向，使其以对建筑物危害最小的方式泄放。建筑物外部防雷系统主要防直击雷（含顶击71建筑物外部防雷系统一、系统构成由接闪器、引下线和接地装置构成。1、接闪器作用：引雷击向自身，以控制雷云向建筑物放电的部位，实质为引雷器。一般设置在高出建筑物的高度上。原理：利用自身高出建筑物的突出地位和金属材料能够快速聚集大量电荷的特性，以及尖端放电机理，控制雷电先导的发展方向。建筑物外部防雷系统一、系统构成72建筑物外部防雷系统类型：人工接闪器，自然接闪器。人工接闪器：避雷针、线、带、网等；自然接闪器：金属屋面、杆塔等。建筑物外部防雷系统类型：人工接闪器，自然73建筑物外部防雷系统2、引下线作用：将接闪器接受的雷电能量由高处引向大地。常见类型：人工引下线，自然引下线。人工引下线：镀锌圆钢、扁钢，同轴屏蔽电缆等。自然引下线：建筑物柱内钢筋等，构筑物金属杆体等。建筑物外部防雷系统2、引下线74建筑物外部防雷系统3、防雷接地体作用：使雷电能量更有效率地向大地泄放。常见类型：自然接地体，人工接地体。建筑物防雷系统示例建筑物外部防雷系统3、防雷接地体建筑物75建筑物外部防雷系统

二、接闪器保护范围滚球法、网格尺寸法、折线法（不推荐