电气安全教材-第七章雷电和静电防护

第七章雷电和静电防护

雷电和静电有许多相似之处。例如,雷电和静电都是相对于观察者静止的电荷聚积的结果；雷电放电与

静电放电都有一些相同之处；雷电和静电的主要危害都是引起火灾和爆炸等。但雷电与静电电荷产生和聚积的方式不同、存在的空间不同、放电能量相差甚远，其防护措施也有很多不同之处。本章将分别介绍雷电和静电的特点及防护技术。

第一节雷电安全雷电是一种自然现象，雷击是一种自然灾害。雷击房屋、电力线路、电力设备等设施时，会产生极高的过电压和极大的过电流，在所波及的范围内，可能造成设施或设备的毁坏，可能造成大规模停电，可能造成火灾或爆炸，还可能直接伤及人畜。

一、雷电的种类带电积云是构成雷电的基本条件。当带不同电荷的积云互相接近到一定程度，或带电积云与大地凸出

物接近到一定程度时，发生强烈的放电，发出耀眼的闪光。由于放电时温度高达20000 C,空气受热急剧

膨胀，发出爆炸的轰鸣声。这就是闪电和雷鸣。

1. 直击雷带电积云与地面目标之间的强烈放电称为直击雷。带电积云接近地面时，在地面凸出物顶部感应出异性电荷，当积云与地面凸出物之间的电场强度达到25~30kV/cm 时，即发生由带电积云向大地发展的跳跃式先导放电，持续时间约

5~10ms,平均速度为100~1000km/s，每次跳跃前进约50m，并停顿30~50卩s。当先导放电达到地面凸出物时，即发生从地面凸出物向积云发展的极明亮的主放电，其放电时间仅50~100卩s, 放电速度约为光速的1/5~1/3，即约为60000~100000km/s。主放电向上发展，至云端即告结束。主放电结束后继续有微弱的余光，持续时间约为30~150ms。

大约50%的直击雷有重复放电的性质。平均每次雷击有三四个冲击，最多能出现几十个冲击。第一个冲击的先导放电是跳跃式先导放电，第二个以后的先导放电是箭形先导放电，其放电时间仅为10ms 。一次雷击的全部放电时间一般不超过500ms。

2. 感应雷感应雷也称为雷电感应或感应过电压。它分为静电感应雷和电磁感应雷。

静电感应雷是由于带电积云接近地面，在架空线路导线或其他导电凸出物顶部感应出大量电荷引起的。在带电积云与其他客体放电后，架空线路导线或导电凸出物顶部的电荷失去束缚，以大电流、高电压冲击波的形式，沿线路导线或导电凸出物极快地传播。近20年来人们的研究表明，放电流柱也会产生强烈

的静电感应。

电磁感应雷是由于雷电放电时，巨大的冲击雷电流在周围空间产生迅速变化的强磁场引起的。这种迅速变化的磁场能在邻近的导体上感应出很高的电动势。如系开口环状导体，开口处可能由此引起火花放电；如系闭合导体环路，环路内将产生很大的冲击电流。

3. 球雷球雷是雷电放电时形成的发红光、橙光、自光或其他颜色光的火球。球雷出现的概率约为雷电放电次数的2%，其直径多为20cm左右，运动速度约为2m/s或更高一些，存在时间为数秒钟到数分钟。球雷是

一团处在特殊状态下的带电气体。有人认为，球雷是包有异物的水滴在极高的电场强度作用下形成的。在雷雨季节，球雷可能从门、窗、烟囱等通道侵入室内。

此外，直击雷和感应雷都能在架空线路或空中金属管道上产生沿线路或管道的两个方向迅速传播的雷电侵入波。雷电侵入波的传播速度在架空线路中约为300m/卩s,在电缆中约为150m/卩s。

二、雷电参数雷电参数是防雷设计的重要依据之一。雷电参数系指雷暴日、雷电流幅值、雷电流陡度、冲击过电压等电气参数。

1. 雷暴日

为了统计雷电活动的频繁程度，经常采用年雷暴日数来衡量。只要一天之内能听到雷声的就算一个雷暴日。通常说的雷暴日都是指一年内的平均雷暴日数，即年平均雷暴日，单位d/a。雷暴日数愈大，说明雷

电活动愈频繁。山地雷电活动较平原频繁，山地雷暴日约为平原的3倍。我国广东省的雷州半岛（琼州半岛）

和海南岛一带雷暴日在80d/a以上，长江流域以南地区雷暴日约为40~80d/a，长江以北大部分地区雷暴日约

为20~40d/a，西北地区雷暴日多在20d/a以下。西藏地区因印度洋暧流沿雅鲁藏布江上溯，很多地方雷暴日高达到

50~80d/a。就几个大城市来说，广州、昆明、南宁约为70~80d/a，重庆、长沙、贵阳、福州约为50 d/a，

北京、上海、武汉、南京、成都、呼和浩特约为40d/a，天津、郑州、沈阳、太原、济南约为30d/a等。

我国把年平均雷暴日不超过15d/a的地区划为少雷区，超过40d/a划为多雷区。在防雷设计时，应考虑当地雷暴日条件。

我国各地雷雨季节相差也很大，南方一般从二月开始，长江流域一般从三月开始，华北和东北延迟至四月开始，西北延迟至五月开始。防雷准备工作均应在雷雨季节前做好。

2. 雷电流幅值

雷电流幅值是指主放电时冲击电流的最大值。雷电流幅值可达数十至数百千安。根据实测，可绘制雷电流概率曲线。我国年平均雷暴日为20d/a以上地区的雷电流幅值的概率可用下式表达：

lgP=-l sJ108 （7.1）

式中:P --------- 雷电流幅值的概率，％;

I SM —

例如，对于100kA的雷电流幅，按式（7.1）可求得其概率为11.9%，

即每100次雷击中，大约有12次雷击的雷电流幅值达到100kA。做防雷设

计时，雷电流幅值可按100kA考虑。

年平均雷暴日为20d/a以下的地区，雷电流幅值的概率可用下式表达：

lgP=-I sM54 （7.2）

雷电放电时，先导放电电流不超过400A，余光电流为

100~1000A。

图7-1雷电流波形图

3. 雷电流陡度

雷电流陡度是指雷电流随时间上升的速度。雷电流冲击波波头陡度可达到50kA/卩s,平均陡度约为30

kA/卩s。雷电流陡度与雷电流幅值和雷电流波头时间的长短有关，雷电流波头时间仅数微秒。做防雷设计时，一般取波头形状为斜角波，时间按2.6卩s考虑。雷电流陡度越大，对电气设备造成的危害也越大。因此，在防雷要求较高的场合，波头形状宜取为半余弦波（见图7-1）。这时，

i 鸟1 si nt @1 cos」（7.3）

2 2 t

式中：T t――雷电流波头时间，T t= n / 3。

不难证明，半余弦波波头的最大陡度为斜角波陡度的n /2倍。按余弦波波头考虑的防雷设计显然是偏于

安全的。

4. 雷击冲击过电压

雷击时的冲击过电压很高，直击雷冲击过电压可用下式表达：

d i

U D iR IE L」（7.4 ）

d t

式中U D直击雷冲击过电压，