雷電過(guò)程與雷電參數(shù)

1、雷電自然中最宏偉壯觀的現(xiàn)象，雷電自然中最宏偉壯觀的現(xiàn)象，也是最普遍的現(xiàn)象之一，它對(duì)人也是最普遍的現(xiàn)象之一，它對(duì)人類(lèi)的生活環(huán)境、工作條件等都造類(lèi)的生活環(huán)境、工作條件等都造成了很大的影響，因此對(duì)雷電的成了很大的影響，因此對(duì)雷電的研究和防護(hù)意義重大。研究和防護(hù)意義重大。 早在早在1818世紀(jì)初，富蘭克林等物理世紀(jì)初，富蘭克林等物理學(xué)家已經(jīng)揭示了學(xué)家已經(jīng)揭示了“閃電就是電閃電就是電”的本質(zhì)，而隨著物理學(xué)的進(jìn)一步的本質(zhì)，而隨著物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，人們對(duì)雷電這一自然現(xiàn)象發(fā)展，人們對(duì)雷電這一自然現(xiàn)象有了更深刻的認(rèn)識(shí)。有了更深刻的認(rèn)識(shí)。第七章第七章 雷電放電及防雷保護(hù)裝置雷電放電及防雷保護(hù)裝置n 歐美雷電科學(xué)

2、的建立歐美雷電科學(xué)的建立著名的風(fēng)箏試驗(yàn)（著名的風(fēng)箏試驗(yàn)（17世紀(jì)，世紀(jì)，富蘭富蘭克林克林）：）： 240米長(zhǎng)的纏繞鋼絲的米長(zhǎng)的纏繞鋼絲的麻繩上產(chǎn)生麻繩上產(chǎn)生20cm的電火花的電火花著名科學(xué)家著名科學(xué)家G W Richman（17111753）（彼）（彼得堡科學(xué)院院士）觀察雷電而死亡得堡科學(xué)院院士）觀察雷電而死亡高速攝影、記錄示波器、雷電定向定位儀等現(xiàn)高速攝影、記錄示波器、雷電定向定位儀等現(xiàn)代化測(cè)量技術(shù)（豐富人類(lèi)對(duì)雷電的認(rèn)識(shí)）代化測(cè)量技術(shù)（豐富人類(lèi)對(duì)雷電的認(rèn)識(shí)）從電力工程的角度來(lái)看，最值得我們注意的兩個(gè)方面是：從電力工程的角度來(lái)看，最值得我們注意的兩個(gè)方面是： 雷電放電在電力系統(tǒng)中引起很高的雷電

3、過(guò)電壓，雷電放電在電力系統(tǒng)中引起很高的雷電過(guò)電壓，它是造成電力系統(tǒng)絕緣故障和停電事故的主要原因它是造成電力系統(tǒng)絕緣故障和停電事故的主要原因之一之一 產(chǎn)生巨大電流，使被擊物體炸毀、燃燒、使導(dǎo)產(chǎn)生巨大電流，使被擊物體炸毀、燃燒、使導(dǎo)體熔斷或通過(guò)電動(dòng)力引起機(jī)械損壞。體熔斷或通過(guò)電動(dòng)力引起機(jī)械損壞。雷電放電雷電放電實(shí)質(zhì)上是實(shí)質(zhì)上是一種一種超長(zhǎng)氣隙的火花放電超長(zhǎng)氣隙的火花放電，它，它所產(chǎn)生所產(chǎn)生的雷電流高達(dá)數(shù)十、甚至數(shù)百千安，從而會(huì)引起巨大的的雷電流高達(dá)數(shù)十、甚至數(shù)百千安，從而會(huì)引起巨大的電磁效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)。電磁效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)。 雷云的形成雷云的形成 雷電放電過(guò)程雷電放電過(guò)程 雷電參數(shù)雷

4、電參數(shù) 雷電過(guò)電壓的形成雷電過(guò)電壓的形成第一節(jié)第一節(jié) 雷電過(guò)程與雷電參數(shù)雷電過(guò)程與雷電參數(shù)雷云的形成機(jī)理獲得比較廣泛認(rèn)同的是雷云的形成機(jī)理獲得比較廣泛認(rèn)同的是水滴分裂起電理論水滴分裂起電理論：大水滴分裂成水珠和細(xì)微的水沫，出現(xiàn)電荷分離現(xiàn)象，大水大水滴分裂成水珠和細(xì)微的水沫，出現(xiàn)電荷分離現(xiàn)象，大水珠帶正電，小水沫帶負(fù)電，細(xì)微水沫被上升。氣流帶往高空，珠帶正電，小水沫帶負(fù)電，細(xì)微水沫被上升。氣流帶往高空，形成大片帶負(fù)電的雷云。形成大片帶負(fù)電的雷云。 雷云下部局部正電荷區(qū)。雷云下部局部正電荷區(qū)。一、雷云的形成一、雷云的形成 雷電放電就其本質(zhì)而言是雷電放電就其本質(zhì)而言是一種超長(zhǎng)氣隙的火花放電一種超長(zhǎng)氣

5、隙的火花放電。 二、雷電放電過(guò)程二、雷電放電過(guò)程負(fù)極性棒板負(fù)極性棒板不能順利向前發(fā)展不能順利向前發(fā)展主放電：先導(dǎo)靠近地面時(shí)，進(jìn)入主放電階段，強(qiáng)烈的電主放電：先導(dǎo)靠近地面時(shí)，進(jìn)入主放電階段，強(qiáng)烈的電荷中和過(guò)程，伴隨著雷鳴和閃光。主放電的時(shí)間極短，荷中和過(guò)程，伴隨著雷鳴和閃光。主放電的時(shí)間極短，只有只有5010050100微秒，放電發(fā)展速度微秒，放電發(fā)展速度50100m/50100m/微秒。電流幅微秒。電流幅值高達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百千安；值高達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百千安；余輝階段：主放電完成后，云中剩余電荷沿著導(dǎo)電通道余輝階段：主放電完成后，云中剩余電荷沿著導(dǎo)電通道開(kāi)始流向大地，這一階段稱(chēng)放電的余輝階段，電流數(shù)百

6、開(kāi)始流向大地，這一階段稱(chēng)放電的余輝階段，電流數(shù)百安。安。先導(dǎo)放電：雷云中的電荷分布是不均勻的，當(dāng)雷云中的先導(dǎo)放電：雷云中的電荷分布是不均勻的，當(dāng)雷云中的某個(gè)電荷密集中心的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)某個(gè)電荷密集中心的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)（2530kV/cm2530kV/cm，有水滴時(shí)僅為，有水滴時(shí)僅為10kV/cm10kV/cm）時(shí)，空氣便開(kāi)始）時(shí)，空氣便開(kāi)始電離，形成指向大地的一段電離的微弱導(dǎo)電通道；電離，形成指向大地的一段電離的微弱導(dǎo)電通道；w 分級(jí)先導(dǎo)：多次先導(dǎo)分級(jí)先導(dǎo)：多次先導(dǎo) 主放電的重復(fù)過(guò)程，主放電的重復(fù)過(guò)程，每次間歇時(shí)每次間歇時(shí)間為幾十毫秒，放電次數(shù)一般為間為幾十毫秒，放電次數(shù)一

7、般為2323次，最多為次次，最多為次雷云中可能存在多個(gè)電荷中心，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電荷中心完成上述雷云中可能存在多個(gè)電荷中心，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電荷中心完成上述放電過(guò)程后，可能引起其他電荷中心向第一個(gè)中心放電，并放電過(guò)程后，可能引起其他電荷中心向第一個(gè)中心放電，并沿著第一次放電通路發(fā)展。沿著第一次放電通路發(fā)展。 理解以下幾點(diǎn)：理解以下幾點(diǎn)：雷云對(duì)地放電的實(shí)質(zhì)是雷云電荷向大地的突然釋放雷云對(duì)地放電的實(shí)質(zhì)是雷云電荷向大地的突然釋放被擊物體的電位取決于雷電流和被擊物體阻抗的乘積被擊物體的電位取決于雷電流和被擊物體阻抗的乘積從電源性質(zhì)看，相當(dāng)于一個(gè)電流源的作用過(guò)程從電源性質(zhì)看，相當(dāng)于一個(gè)電流源的作用過(guò)程人們能夠測(cè)知的電量

8、，重要是流過(guò)被擊物體的電流人們能夠測(cè)知的電量，重要是流過(guò)被擊物體的電流雷電放電由帶電荷的雷云引起雷電放電由帶電荷的雷云引起u大多數(shù)的放電發(fā)生在雷云之間不危險(xiǎn)大多數(shù)的放電發(fā)生在雷云之間不危險(xiǎn)u少數(shù)的放電發(fā)生在雷云和大地之間危險(xiǎn)少數(shù)的放電發(fā)生在雷云和大地之間危險(xiǎn)對(duì)地放電的雷云大多數(shù)帶負(fù)電荷對(duì)地放電的雷云大多數(shù)帶負(fù)電荷( (一一) )雷電活動(dòng)頻度雷電活動(dòng)頻度雷暴日及雷暴小時(shí)雷暴日及雷暴小時(shí) 雷暴日雷暴日T Td d是一年中發(fā)生雷電的天數(shù)，以聽(tīng)到雷聲為準(zhǔn)，在一是一年中發(fā)生雷電的天數(shù)，以聽(tīng)到雷聲為準(zhǔn)，在一天內(nèi)只要聽(tīng)到過(guò)雷聲，無(wú)論次數(shù)多少，均計(jì)為一個(gè)雷暴日。天內(nèi)只要聽(tīng)到過(guò)雷聲，無(wú)論次數(shù)多少，均計(jì)為一個(gè)雷暴

9、日。 雷暴小時(shí)雷暴小時(shí)T Th h是一年中發(fā)生雷電放電的小時(shí)數(shù)，在一個(gè)小時(shí)內(nèi)是一年中發(fā)生雷電放電的小時(shí)數(shù)，在一個(gè)小時(shí)內(nèi)只要有一次雷電，即計(jì)為一個(gè)雷電小時(shí)。只要有一次雷電，即計(jì)為一個(gè)雷電小時(shí)。 一個(gè)雷暴日折合一個(gè)雷暴日折合三個(gè)雷暴小時(shí)。三個(gè)雷暴小時(shí)。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)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 15Td 4040，多雷區(qū)；，多雷區(qū)；9090，強(qiáng)雷區(qū)，強(qiáng)雷區(qū) 三、雷電參數(shù)三、雷電參數(shù)雷暴日和雷暴小時(shí)的統(tǒng)計(jì)中，并沒(méi)有區(qū)分雷云之間的放電和雷暴日和雷暴小時(shí)的統(tǒng)計(jì)中，并沒(méi)有區(qū)分雷云之間的放電和雷云對(duì)地的放電。但是，只有落地雷才有可能產(chǎn)生對(duì)電力系

10、雷云對(duì)地的放電。但是，只有落地雷才有可能產(chǎn)生對(duì)電力系統(tǒng)造成危害的過(guò)電壓。統(tǒng)造成危害的過(guò)電壓。 ( (二二) )地面落雷密度地面落雷密度( )( )和雷擊選擇性和雷擊選擇性 表示每平方公里地面在一個(gè)雷暴日受到的平均雷擊次數(shù)。表示每平方公里地面在一個(gè)雷暴日受到的平均雷擊次數(shù)。 我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)T Td d 4040的地區(qū)，取的地區(qū)，取 0.070.07 ( (三三) )雷道波阻抗雷道波阻抗（Z Z0 0）雷電通道長(zhǎng)度數(shù)千米，主放電時(shí)如同導(dǎo)體，類(lèi)似于一條分雷電通道長(zhǎng)度數(shù)千米，主放電時(shí)如同導(dǎo)體，類(lèi)似于一條分布參數(shù)線路，具有某一等值波阻抗，稱(chēng)為雷道波阻抗。布參數(shù)線路，具有某一等值波阻抗，稱(chēng)為雷道波阻

11、抗。主放電過(guò)程可看作是一個(gè)主放電過(guò)程可看作是一個(gè)電流波電流波沿著波阻抗為沿著波阻抗為Z Z0 0的雷道投的雷道投射到雷擊點(diǎn)的波過(guò)程。射到雷擊點(diǎn)的波過(guò)程。 我國(guó)有關(guān)規(guī)程建議取我國(guó)有關(guān)規(guī)程建議取Z Z0 0 300 300 02II 88lgIP負(fù)極性雷擊均占負(fù)極性雷擊均占757590%90%，對(duì)設(shè)備絕緣危害較大，對(duì)設(shè)備絕緣危害較大, ,防雷計(jì)算中防雷計(jì)算中一般均按負(fù)極性考慮。一般均按負(fù)極性考慮。I( (五五) )雷電流幅值（雷電流幅值（ ） 0I通常定義雷電流為雷擊于低阻接地電阻通常定義雷電流為雷擊于低阻接地電阻( 30)( 30)的物體時(shí)流的物體時(shí)流過(guò)雷擊點(diǎn)的電流。它近似等于電流入射波過(guò)雷擊點(diǎn)

12、的電流。它近似等于電流入射波 的兩倍，即的兩倍，即 I一般地區(qū)，雷電流幅值超過(guò)一般地區(qū)，雷電流幅值超過(guò) 的概率可按下式計(jì)算的概率可按下式計(jì)算( (四四) )雷電的極性雷電的極性波前陡度的最大極限值一般可取波前陡度的最大極限值一般可取50 kA/us50 kA/us左右。左右。( (六六) )雷電流的波前時(shí)間、陡度及波長(zhǎng)雷電流的波前時(shí)間、陡度及波長(zhǎng)雷電流的波前時(shí)間雷電流的波前時(shí)間T T1 1處于處于1 14us4us的范圍內(nèi)，平均為的范圍內(nèi)，平均為2.6us2.6us。波長(zhǎng)。波長(zhǎng)T T2 2 處于處于2020100us100us的范圍內(nèi)，多數(shù)為的范圍內(nèi)，多數(shù)為40us40us左右。左右。我國(guó)防雷

13、設(shè)計(jì)采用我國(guó)防雷設(shè)計(jì)采用2.6/40us2.6/40us的波形；在絕緣的沖擊高的波形；在絕緣的沖擊高壓試驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓的波形定為壓試驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓的波形定為1.2/50us1.2/50us6 . 2Ia 雷電流波前的平均陡度雷電流波前的平均陡度 (kA/us)(kA/us)(0tteeIiati )(1Ttati)(11TtIaTi)cos1 (2tIi ( (七七) )雷電流的計(jì)算波形雷電流的計(jì)算波形1 1、雙指數(shù)波、雙指數(shù)波2 2、斜角波、斜角波3 3、斜角平頂波、斜角平頂波 4 4、半余弦波、半余弦波在防雷計(jì)算中，按不同要求采用不同的計(jì)算波形在防雷計(jì)算中，按不同要求采用不

14、同的計(jì)算波形( (八八) )雷電的多重放電次數(shù)及總延續(xù)時(shí)間雷電的多重放電次數(shù)及總延續(xù)時(shí)間有有5555的對(duì)地雷擊包含兩次以上的重復(fù)沖擊；的對(duì)地雷擊包含兩次以上的重復(fù)沖擊；3 35 5次次沖擊者有沖擊者有25%25%；1010次以上者有次以上者有4%4%。平均重復(fù)沖擊次數(shù)取。平均重復(fù)沖擊次數(shù)取3 3次。次。( (九九) )放電能量放電能量A=QU=10A=QU=107 7V V20C20C202010107 7W W. .s s（200MW200MW秒），放電能量秒），放電能量不大，但是在極短時(shí)間內(nèi)放出的，因而功率很大。不大，但是在極短時(shí)間內(nèi)放出的，因而功率很大。四、雷電過(guò)電壓的形成四、雷電過(guò)電壓

15、的形成( (一一) )雷電放電的計(jì)算模型雷電放電的計(jì)算模型( (三三) )感應(yīng)雷擊過(guò)電壓感應(yīng)雷擊過(guò)電壓 雷擊于線路附近大地或接地的線路桿塔頂部等，在絕雷擊于線路附近大地或接地的線路桿塔頂部等，在絕緣的導(dǎo)線上引起感應(yīng)過(guò)電壓。緣的導(dǎo)線上引起感應(yīng)過(guò)電壓。AiUIR100AUI( (二二) )直接雷擊過(guò)電壓直接雷擊過(guò)電壓 雷擊于地面上接地良好的物體雷擊于地面上接地良好的物體雷擊于導(dǎo)線或檔距中央避雷線雷擊于導(dǎo)線或檔距中央避雷線先導(dǎo)放電階段先導(dǎo)放電階段：雖然有束縛電荷的存在，但是由于負(fù)電荷移動(dòng)較慢，故線：雖然有束縛電荷的存在，但是由于負(fù)電荷移動(dòng)較慢，故線路上產(chǎn)生的的電流較小，相應(yīng)的電壓也較小，路上產(chǎn)生的的電流較小，相應(yīng)的電壓也較小，可忽略。可忽略。主放電階段主放電階段：負(fù)電荷迅速被中和，束縛的正電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)使導(dǎo)線對(duì)地形：負(fù)電荷迅速被中和，束縛的正電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)使導(dǎo)線對(duì)地形成一定電壓，而雷電流產(chǎn)生的磁通在導(dǎo)線也感應(yīng)出一定電壓。這兩者之和成一定電壓，而雷電流產(chǎn)生的磁通在導(dǎo)線也感應(yīng)出一定電壓。這兩者之和就是感應(yīng)雷擊過(guò)電壓，分別稱(chēng)為雷擊過(guò)電壓的靜電分量和電磁分量。就是感應(yīng)雷擊過(guò)電壓，分別稱(chēng)為雷擊過(guò)電壓的靜電分量和電磁分量。小小 結(jié)結(jié)獲得比較廣泛認(rèn)同的雷云形成機(jī)理為獲得比較廣泛認(rèn)同的雷云形成機(jī)理為水滴分裂起電理論水滴分裂起電理論。 雷電放電就其本質(zhì)而言是一種超長(zhǎng)氣隙