雷电的产生及参数;雷电冲击击穿

特点
1、雷电放电的机理：冻结起电、水滴分裂起电
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。
雷云中的 电荷分布
实测表明：5～10km高度主要是正电荷云层，1～5km高 度主要是负电荷云层。
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。
1、伏秒特性及 伏秒特性曲线
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。
单元一 雷过电压及防雷设备认知
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。
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：
电场越均匀，“V-S”越平。
➢ 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。
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：
4、伏秒特性的应用
电气设备的绝缘配合
要求 ①曲线尽量相似 ②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。
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，tf<<ts，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
❖ 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（50～100µs）；
❖ 余光放电：电流不大、持续长（0.03～0.15s）。
3、特点：
高幅值、高陡度、短时间，大多数雷击是负极性。
二、雷电参数
1、雷电流的幅值
➢ 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；Ub>U0
（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。
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25～30kV/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”。
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1～4μs的范围内，平均 为2.6μs。波长T2处于20～100μs的范围内，多数 为40μs左右。 我国防雷设计采用2.6/40μs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 1.2/50μs。
雷电流波前的平均陡度为
3、雷电流的计算波形
➢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。
2、放电时间的组成：
总放电时间 tb=t0＋ts＋tf t1＝ts＋tf 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；
它可全面反映间隙在冲击电压下的击穿特性。
2、伏秒特性曲线的测定
➢ 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取击穿时间 值。
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。
1 ，击穿电压分散性也较大。
思考作业
6-3、2-10
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
(1)在均匀和稍不均匀场中，击穿电压分散 性小。冲击系数
U 50 1
U0
(2)在极不均匀电场中，由于放电时延较长，其冲击系数
我国有关规程建议取
7、雷电的极性
负极性雷击均占75～90%，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： ①雷电冲击 ②操作冲击
标准雷电波：
IEC和国标规定： T1=1.2μs±30％ T2=50μs±20% 一般写为±1.20/50
标准雷电冲击电压波
特点：高幅值、高陡度、短时间 T1——视在波前时间 T2——视在半峰值时间
（二）冲击放电特点
1、完成气隙击穿的三个必备条件：
➢ 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 电子。 ➢ 需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。
完成击穿所需放电时间很短（微秒级）：
➢ 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100～133日； 北回归线以南在80日以上（但台湾只有30日）；长江以 北大部在20～40日；西北多数在20日以下，但西藏高达 50～80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70～80日。
在防雷计算中，按不同要求采用不同的计算波形
i I 0 (et et ) i I (1 cost) 2
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
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
5、地面落雷密度和输电线路落雷次数
地面落雷密度γ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
N 10h 100T 单位：次/100公里•年
1000
运行经验表明：土壤电阻率 较周围土地小得多
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。
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
lg P I 88
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： lg P I
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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%。