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1、单元一 雷过电压及防雷设备认知,雷电是自然中最宏伟壮观的现象也是最普遍的现象之一，它对人类的生活环境、工作条件等都造成了很大的影响，因此对雷电的研究和防护意义重大。,早在18世纪初，富兰克林等物理学家已经揭示了闪电就是电的本质，随着物理学的进一步发展，人们对雷电这一自然现象有了更深刻的认识。,情境一 雷过电压的产生和雷电参数雷电冲击下气体的击穿,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
2、的主要原因之一。幻灯片24,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。幻灯片25,一、雷电放电过程及其特点,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,雷云中的电荷分布,1、雷电放电的机理：冻结起电、水滴分裂起电,沫被上升气流带往高空，形成大片带负电的雷云。,实测表明：510km高度主要是正电荷云层，15km高度主要是负电荷云层。,雷云中电荷分布一般不均匀，有多个电荷密积区。随着电荷积累，雷云电位升高，对地电位差可达数兆至数十兆伏。当不同电荷雷云间或雷云与大地凸出物接近到一定程度，其间电场强度达到该空间的
3、击穿强度时，就会发生雷云间或对地的火花放电，即通常所说的雷击。一般把对地面凸出物直接的雷击叫直击雷。,2、放电过程：,雷云接近地面时，地面感应出异性电荷。由于雷云中电荷分布不均匀，地面高低不平，其间电场强度分布很不均匀。当强度达到2530kV/cm时，发生由雷云向大地发展的跳跃式“先导放电”，先导通道接近大地时，发生大地向雷云发展的极明亮的“主放电”，再向上发展到云端即结束；云中残余电荷经主放电通道继续流向大地，称为“余光放电”。,先导阶段：方向向下、电流小、速度慢（150km/s）；主放电阶段：方向向上、大电流（几百KA）、高陡度（C的10%50%）、短时间（50100s）；余光放电：电流不
4、大、持续长（0.030.15s）。,高幅值、高陡度、短时间，大多数雷击是负极性。,3、特点：,二、雷电参数,1、雷电流的幅值,通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻(30)的物体时流过雷击点的电流。,我国标准推荐，一般地区，雷电流幅值超过I的概率可按下式计算,除陕南以为的西北地区、内蒙古等雷电活动较弱，雷电流幅值较小，P可表示为：,我国一般地区，按经验公式可得到，雷电流幅值超过20kA的概率约为59%，超过50kA的概率约为27%，超过88kA的概率为10%。,2、雷电流的波前时间、陡度及波长,雷电流的波前时间T1处于14s的范围内，平均为2.6s。波长T2处于20100s的范围内，多数为40s左
5、右。我国防雷设计采用2.6/40s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1.2/50s。,雷电流波前的平均陡度为,3、雷电流的计算波形,在防雷计算中，按不同要求采用不同的计算波形,4、雷暴日及雷暴小时,为评价某地区雷电活动的强度，常用该地区多年统计所得到的平均出现雷暴日或雷暴小时来估计。,在一天内或一小时内只要听到一次雷声就作为一个雷电日Td或一个雷电小时Th 由于不同年份的雷电日数变化很大，所以均采用多年平均值年平均雷暴日,雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关,雷州半岛和海南岛，雷电活动强烈，平均达100133日；北回归线以南在80日以上（但台湾只有30日）
6、；长江以北大部在2040日；西北多数在20日以下，但西藏高达5080日。京、沪、宁、汉、成都、呼约为40日；沈、津、济、郑大约为30日；穗、昆、南宁为7080日。,5、地面落雷密度和输电线路落雷次数,地面落雷密度指每个雷电日每平方公里的地面上的平均落雷次数（单位：次/平方公里雷电日）,我国标准对Td=40的地区，取,输电线路年平均遭受雷击的次数,单位：次/100公里年,运行经验表明：土壤电阻率 较周围土地小得多的场地、山谷间的小河旁、迎风的山坡等，地面落雷密度远大于平均值，称为易击区。变电站或线路选址时应考虑避开这些地区。,6、雷电通道的波阻抗,雷电通道长度数千米，半径仅为数厘米，类似于一条分
7、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,7、雷电的极性,负极性雷击均占7590%，对设备绝缘危害较大，防雷计算中一般均按负极性考虑。,三、雷电冲击电压下气体的击穿,（一）冲击波形及特点,冲击波：雷电冲击 操作冲击,标准雷电波：,IEC和国标规定：T1=1.2s30T2=50s20%一般写为1.20/50,特点：,高幅值、高陡度、短时间,标准雷电冲击电压波,T1视在波前时间T2视在半峰值时间,（二）冲击放电特点,足够大的电场强度或足够高的电压。在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电
8、子。需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。,1、完成气隙击穿的三个必备条件：,完成击穿所需放电时间很短（微秒级）：,直流电压、工频交流等持续作用的电压，满足上述三个条件不成问题；当所加电压为变化速度很快、作用时间很短的冲击电压时，因有效作用时间短，放电时间就变成一个重要因素。,总放电时间 tb=t0tstf,2、放电时间的组成：,t1tstf 称为放电时延,t0气隙在持续电压下的击穿电压为U0，为所加电压从0上升到U0的时间；,ts从电压达到U0瞬时起到气隙中出现第一个有效电子为止的时间称为统计时延。,tf出现有效电子后，引起碰撞游离，形成电子崩，发展到流注和主放电，最后完成气隙击穿
9、需要的时间，称为放电形成时延。,短气隙中（1cm以下），特别是电场均匀时，tfts，放电时延主要取决于ts。为减小ts：可提高外施电场使气隙中出现有效电子的概率增加 可采用人工光源照射，使阴极释放出更多的电子 较长气隙时，放电时延主要决定于tf，且电场越不均匀，tf越大。,冲击放电特点：,具有放电时延；UbU0,（三）伏秒特性,当击穿过程中加在间隙上的电压随时间变化时，击穿电压指间隙上的最高电压。,对持续电压来说，电压变化比放电发展的速度慢得多，电压达到静态击穿电压后，可认为电压基本不变，所以击穿电压就等于静态击穿电压。,对雷电冲击电压来说，电压变化速度极快，在电压达到静态击穿电压后的放电时延
10、内，电压变化较大，击穿电压高于静态击穿电压；且击穿电压随时间而变。,冲击击穿特性最好用电压和时间两个参量来表示，这种在“电压时间”坐标平面上形成的曲线，通常称为伏秒特性曲线，它表示对某一冲击电压波形，该气隙的冲击击穿电压与击穿时间的关系。,1、伏秒特性及伏秒特性曲线,它可全面反映间隙在冲击电压下的击穿特性。,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。当电压不很高时击穿一般发生在波尾；当电压较高时，击穿百分比将达100，放电时延大大缩短，击穿一般发生在波前。当击穿发生在波前时，U与t均取击穿时的值；当击穿发生在波尾时，U取波峰值，t取击穿时
11、间值。,2、伏秒特性曲线的测定,实际的伏秒特性曲线如下图所示，是以上、下包络线为界的带状区域。,3、伏秒特性与电场的关系,随着时间的延伸，一切气隙的伏秒特性都趋于平坦，但特性曲线变平的时间却与气隙的电场形式有较大关系：,极不均匀电场：平均击穿场 强低，放电时延长，曲线上翘；,均匀、稍不均匀电场：无弱场强区，平均击穿场强高，放电时延短，曲线平坦。,电场越均匀，“V-S”越平。,4、伏秒特性的应用,电气设备的绝缘配合,要求 曲线尽量相似 力求平坦,因此在避雷器等保护装置中，放电间隙宜采用均匀电场，确保在各种电压下保护装置伏秒特性低于被保护设备。,（四）雷电冲击50击穿电压,伏秒特性虽能全面反映间隙在冲击电压下的击穿特性，但求取繁琐。,在工程实际中常采用50冲击击穿电压（U50%）来表征气隙的基本冲击击穿特性。,定义：,在多次施加某一波形和峰值一定的冲击电压时，间隙被击穿概率为50时的击穿电压。,实际中，施加10次电压中有4-6次击穿了，这一电压即可认为是50冲击击穿电压。,特点：,与电场均匀度有关,思考作业,6-3、2-10,(2)在极不均匀电场中，由于放电时延较长，其冲击系数,(1)在均匀和稍不均匀场中，击穿电压分散 性小。冲击系数,，击穿电压分散性也较大。,
