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1、雷云的产生和雷电放电过程雷云的产生和雷电放电过程 1.1.1 雷电发生机理 雷电是由雷云放电引起的，关于雷云的聚集和带电至今还没有令人满意的解释，目前比较普遍的看法是：热气流上升时冷凝产生冰晶，气流中的冰晶碰撞后分裂导致较轻的部分带负电荷并被风吹走形成大块的雷云；较重的部分带正电荷并可能凝聚成水滴下降，它们在重力作用下下落的速度大，并在下落过程中与其他水份粒子发生碰撞，结果一部分被另一水生成物捕获，增大水成物的体积，另一部分云粒子被反弹回去，这些反弹回去的云粒子通常带正电荷，悬浮在空中形成一些局部带正电的云区，而水生成物带上负电荷。由于水成物下降的速度快，而云粒子的下降速度慢，因而正、负电荷的
2、微粒逐惭分离，最后形成带正电的云粒在云的上部，而带负电的水成物在云的下部。整块雷云里边可以有若干个电荷中心。负电荷中心，离地大约50010000m。它在地面上感应出大量的正电荷。 随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度时，就会发生云间或对大地的火花放电。雷电放电包括雷云对大地，雷云对雷云和雷云内部的放电现象。大多数雷云放电都是在雷点与雷云之间进行的，只有少数是对地进行的。在防雷工程中，主要关心的是雷云对大地的放电，如图1-1所示。 图1-1云对地放电 雷云对大地放电通常分为先导放电、主放电和辉光放电三个阶段。云一地之间的线状雷电在开始时往往从雷云边缘向地面发展，以
3、逐级推进方式向下发展。每级长度约10200m，每级的伸展速度约107m/s，各级之间有10100s的停歇，所以平均发展速度只有105m/s，这种放电称为先导放电，如图1-3所示。当先导接近地面时，地面上一些高耸的物体因周围电场强度达到了能使空气电离的程度，会发出向上的迎面先导。当它与下行先导相遇时，就出现了强烈的电荷中和过程，出现极大的电流，伴随着雷鸣和闪光，这就是雷电的主放电阶段。主放电的过程极短，只有50100s，它是沿着负的下行先导通道，由下而上逆向发展，故又称“回击”，其速度高达21071.5108m/s。以上是负电荷雷云对地放电的基本过程，可称为下行负雷闪；对应于正电荷雷云对地放电的
4、下行正雷闪所占的比例很小，其发展过程亦基本相似。主放电完成后，云中剩余的电荷沿着原来的主放电通道继续流入大地，看到的是一片模糊的发光，这就是辉光放电。 从旋转相机拍下的光学照片显示，大多数云对地雷击是重复的，即在第一次雷击形成的放电通道中，会有多次放电尾随，放电之间的间隔大约为0.5500ms。主要原因是：在雷云带电的过程中，在云中可形成若干个密度较高的电荷中心，第一次先导一主放电冲击泄放的主要是第一个电荷中心的电荷。在第一次冲击完成之后，主放电通道暂时还保持高于周围大气的电导率，别的电荷中心将沿已有的主放电通道对地放电，从而形成多重雷击。第二次及以后的放电，先导都是自上而下连续发展的，没有停
5、顿现象。放电的数目平均为23次，最多观测到42次。通常第一次冲击放电的电流最大，以后的电流幅值都比较小。图1-2所示为用旋转相机和高压示波器拍摄和记录的负雷云对地放电的典型过程和电流波形。 雷云20,000s1000s1000s分级先导第一次主放电箭状先导第二次主放电箭状先导第三次主放电大地t100s0.03s100s100s0.03s先导电流主放电电流t时间 图1-2 雷电放电的发展过程和雷电流的波形 若地面上存在特别高的导电性能良好的接地物体时，也可能首先从该物体顶端出发，发展向上的先导，称上行雷。但上行雷先导到达雷云时，一般不会发生主放电进程，这是因为雷云的导电性能比大地差得多，难以在极
6、短的时间内提供为中和先导通道中电荷所需要的主放电电流，而只能向雷云深处发展多分支的云中先导。通过宽广区域的电晕流洼，从分散的水性质点上卸下电荷，汇集起来，以中和上行先导中的部分电荷。这样电流放电过程显然只能是较缓和的，而不可能有大冲击电流的特性。其放电电流一般不足千安，而延续时间则较长，可能长达10-1s。此外，上行先导从一开始就出现分支的概率较大。 1.1.2雷击时的等值电路 雷击地面发生主放电的开始，可以用图1-3中开关S的闭合来表示。图中Z是被击物与大地之间的阻抗，是先导放电通道中电荷的线密度，S闭合之前相当于先导放电阶段。S突然闭合，相当于主放电开始，如图1-3所示。发生主放电时，将有
7、大量的正、负电荷沿先导通道逆向运动，并中和雷云中的负电荷。由于电荷的运动形成电流i，因此雷击点A的电位也突然发生变化。雷电流i的大小与先导通道的电荷密度以及主放电的发展速度有关。 在防雷研究中，最关心的是雷击点A的电位升高，而可以不考虑主放电速度、先导电荷密度及具体的雷击物理过程，因此可以从A点的电位出发来把雷电放电过程简化为一个数学模型，如图1-3所示；进而得到其彼得逊等值电路，如图1-3中、所示。图中，Z0表示雷电通道的波阻抗。需要说明的是：尽管雷云有很高的初始电位才可能导致主放电，但地面被击物体的电位并不取决于这一初始电位，而是取决于雷电流与被击物体阻抗的乘积。所以，从电源的性质看，雷电
8、具有电流源的性质。 Z0-s-v+s-i0-s-u0-v-Z0AZ02u0i(d)ZoSAAAZZ2i0ZAZ0Zoooo(e)(a)(b)(c)(a)先导放电；主放电；计算模型；电压源等值电路；电流源等值电路图1-3雷电放电模型和等值电路 在雷击点A与地中零电位面之间串接着一个阻抗，它可以代表被击中物体的接地电阻R，也可以代表被击物体的波阻抗Z。从图1-3中可以看出，当Z=0时，i=2i0；若Ztf，这种情况下tlag主要决定于ts。为了减小ts，一方面可提高外施电压使气隙中出现有效电子的概率增加，另一方面可采用人工光源照射，使阴极释放出更多电子。如用较小的球隙测冲击电压通常采取照射措施就是
9、一例。在较长间隙中，电场不均匀，局部场强高，出现有效电子的概率增加，统计时延短，放电时延往往主要决定于tf，且电场越不均匀tf越长。 三、雷电50%冲击击穿电压 在持续电压作用下，当气体状态不变时，间隙距离一定，击穿电压就具有确定的数值，当间隙上所加电压达到击穿电压时，间隙就被击穿。 在冲击电压作用下，保持冲击电压波形不变，逐渐提高冲击电压的幅值，在幅值很低时，虽然多次重复施加冲击电压，但间隙均不击穿；随着幅值增高，间隙有时击穿而有时不击穿，这是因为随着外加电压的升高，放电时延缩短；当电压幅值增加到某一定值时，由于放电时延有分散性，对于较短的放电时延，击穿已有可能发生，而较长的放电时延，击穿则
10、不发生。也就是说，在多次施加同一电压值时，有时击穿，有时不击穿；随着电压幅值继续升高，间隙击穿的百分比越来越增加；最后，当电压超过某一值后，间隙百分之百击穿。 由于冲击电压作用下放电有分散性，所以很难准确得到一个使间隙击穿的最低电压值，因此工程上采用50%冲击击穿电压来描述间隙的冲击击穿特性，即在多次施加同一电压时，用间隙击穿概率为50的电压值来反映间隙的耐受冲击电压的特性。 U50%(MV)3.53.02.52.01.521.010.5340123456d(m) 图1-19 “棒棒”和“棒板”长空气间隙的雷电50%冲击击穿电压和极间距离的关系图1-8“棒-棒”和“棒-板”长空气间隙的雷电50
11、%冲击击穿电压和极间距离的关系 1-正极性“棒-板”；2-正极性“棒-棒”；3-负极性“棒-棒”；4-负极性“棒-板”； 采用50%冲击击穿电压决定绝缘距离时，应根据击穿电压分散性的大小，留有一定 的裕度。在均匀电场和稍不均匀电场中，击穿电压分散性小，其U50%和静态击穿电压Us相差不大，因此冲击系数接近1。而在极不均匀电场中，由于放电时延较长，其冲击系数均大于1，击穿电压分散性也大一些，其标准偏差可取3%。 实验表明：“棒-棒”和“棒-板”在间隙距离不很大时的冲击击穿特性有极性效应，气隙距离较大时同样存在极性效应，图1-8给出了“棒-棒”和“棒-板”长空气间隙的雷电50%冲击击穿电压和极间距
12、离的关系，可以看出：“棒-板”气隙有明显的极性效应，“棒-棒”气隙也有极性效应。 四、伏秒特性 由于雷电冲击电压持续时间短，间隙的击穿存在放电时延现象，所以仅靠U50%冲击击穿电压来表征间隙击穿特性是不够的，还必须将击穿电压值与放电时间联系起来确定间隙的击穿特性，也就是伏秒特性，它是表征气隙击穿特性的另一种方法。 图1-9表示通过实验绘制气隙伏秒特性的方法，其步骤是保持间隙距离不变、保持冲击电压波形不变，逐级升高电压使气隙发生击穿，记录击穿电压波形，读取击穿电压值U与击穿时间t。注意到当电压不很高时击穿一般在波尾时间发生，当电压很高时，击穿百分比将达100%，放电时间大大缩短，击穿可能在波头时
13、间发生。以图1-9三个坐标点为例说明绘制方法：击穿发生在波前时，U与t均取击穿时的值；击穿发生在波尾时，U取波峰值，t取击穿时对应值；将1、2、3各点连接起来，即可得到伏秒特性曲线。 U3210波形） t图1-9 气隙伏秒特性曲线的绘制方法（虚线表示原始冲击电压Ub12304t图1-10 伏秒特性带与50%伏秒特性 1-上包线， 2-50%伏秒特性，3-下包线， 4-U50% 间隙的伏秒特性曲线的形状与间隙中的电场分布有关。在均匀电场和稍不均匀电场中，击穿时平均场强较高，放电发展较快，放电时延较短，伏秒特性曲线平坦；在极不均匀电场中，平均击穿场强较低，放电时延较长，放电分散性大，伏秒特性曲线较
14、为陡峭。 实际上，放电时间有分散性，即在每级电压下可测得不同的放电时间，所以伏秒特性是如图1-10所示的以上、下包线为界的带状区域。工程上为方便起见，通常用平均伏秒特性或50%伏秒特性曲线表征气隙的冲击击穿特性，在绝缘配合中伏秒特性具有重要意义。 图1-11表示被保护设备绝缘的伏秒特性1与保护间隙的伏秒特性2配合的情况，这种配合可达到完全保护，因为伏秒特性1的下包线时时都在伏秒特性2的上包线之上，即任何情况下保护间隙都会先动作从而保护了电气设备的绝缘。为了节约被保护设备的绝缘造价，应使伏秒特性1与伏秒特性2的间隔不致过大，要求保护间隙2的伏秒特性低而平坦。 用伏秒特性表征气隙的冲击击穿特性较为全面和准确，但其制作相当费时。在某些情况下，只用某一特定的，如50%冲击击穿电压值就够了。 图1-11 伏秒特性的正确配合
