[工学]5雷电放电及防雷保护装置

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1、第七章雷电放电及防雷保护装置人们对雷电现象的科学认识始于18世纪中叶，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，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，大大丰富了人们对雷电的认识。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。从电力工程的角度来看，最值

2、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；（着重探讨）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。第一节雷电放电和雷电过电压雷云的形成雷电放电过程雷电参数雷电过电压的形成一、雷云的形成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。探测气球所测得的

3、云中电荷分布表明，在雷云的顶部往往充斥着正电荷。（另外一种起电机理解释）在离地面4~5km的高空，大气温度经常处于-10~-20℃，因而此处的水分已变成冰晶，它们与空气摩擦时也会起电，冰晶带负电、空气带正电。带正电的气流携带着冰晶碰撞时造成的细微碎片向上运动，使雷云的上部充满正电荷，而带负电的大粒冰晶下降到云的下部时，因此处气温已在0℃以上，冰晶融化为带负电的水滴。整块雷云可以有若干个电荷中心，负电荷中心位于雷云的下部、距地面500~10000m的范围内。直接击向地面的放电通常从负电荷中心边缘开始

4、。雷电放电过程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。雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的火花放电。雷电放电的发展过程先导：不连续性（分级先导），历时约0.005~0.010s。每一级先导发展速度相当高，但每发展到一定长度（平均约50m）就有一个10~100μs的间隔。发展速度约为光速的1/1000。主放电：时间50~100μ

5、s，移动速度为光速的1/20~1/2；主放电时电流可达数千安，最大可达200~300kA。余辉：雷云中剩下的电荷继续沿主放电通道下移，称为余辉放电阶段。余辉放电电流仅数百安，但持续的时间可达0.03~0.15s。三、雷电参数(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

6、度、当地气象条件、地形地貌有关Td<15，少雷区；Td>40，多雷区；Td>90，强雷区(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，半径仅为数厘米，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≈300Ω(四)雷电的极性负极性雷击均占75～90%，对设备绝缘危害较大,防

7、雷计算中一般均按负极性考虑。(五)雷电流幅值（）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。一般地区，雷电流幅值超过的概率可按下式计算(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（半峰值时间）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1.2/50us。我国规定波前时间T1=2.6us

8、雷电流波前的平均陡度(kA/us)波前陡度的最大极限值一般可取50kA/us左右。(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。一次雷电总延续时间，有50%小于0.2s。(九)放电能量放电能量其实不大，但是在极短时间内放出的，因而所对应的功率很大。雷电放电就象把原先产生雷云时所吸收的能量在一瞬间返还给大自然。雷击所造成的危害主要有两种形式。一是带电的云层对大地上的某一点发生猛烈放电，