雷电过程及雷电参数
现代防雷技术PPT课件第一章雷电及其参数
04
防雷技术概述与标准
防雷技术的基本概念
防雷技术定义
01
防雷技术是指通过一系列措施和方法，预防和减轻雷电对人类
生命财产和设施造成危害的技术。
雷电的形成
02
雷电是大气中的静电放电现象，通常发生在雷暴天气中，由带
电的云层与地面或其它物体之间的电场差引起。
雷电的危害
03
雷电可以引起火灾、爆炸、电击等危害，对人类的生命财产和
雷电活动预测
雷电活动预测的原理
通过分析气象数据、卫星云图、雷达回波等信息，结合地 理、气候等因素，对未来一段时间内的雷电活动进行预测。
雷电活动预测的方法
目前常用的雷电活动预测方法包括统计方法、数值预报和 人工智能等方法，这些方法可以提供较为准确的雷电活动 预测结果。
雷电活动预测的应用
雷电活动预测在气象服务、航空航天、电力、通信等领域 有着广泛的应用，可以为相关行业提供预警和防范措施， 减少雷电灾害造成的损失。
03
雷电的分类与分布
雷电的分类
01
02
03
04
直击雷
指雷云直接对地面上的建筑物 、人或动物等放电的现象。
感应雷
指雷云在放电过程中，产生的 静电和电磁感应对周围物体产 生的静电和电磁作用的现象。
球形雷
指雷云中形成的特殊放电现象 ，呈球形或椭球形，直径通常
在几十厘米到几米之间。
雷电浪涌
指雷击发生后，在电源和数据 传输线路上感应出的过电压和
过电流的现象。
雷电的分布规律
雷电活动的地理分布
雷电活动的分布与地理位置、气候条件、地形地貌等因素有关， 通常山地、高原、盆地等地区雷电活动较为频繁。
雷电活动的季节分布
雷电过程与雷电参数
信号干扰： 雷电产生的 电磁干扰可 能导致电子 设备信号传 输中断或数 据丢失
雷电防护措施
安装避雷针：将雷电引向地面避免直接击中建筑物 接地系统：将雷电电流引入地下避免电流在空气中传播 屏蔽措施：使用金属网或金属板屏蔽建筑物避免雷电直接击中 防雷器：安装防雷器防止雷电通过电源线、电话线等进入建筑物
雷电对电子设备的危害
直接雷击： 雷电直接 击中电子 设备导致 设备损坏 或烧毁
感应雷击： 雷电通过 电磁感应 作用导致 电子设备 内部电路 损坏
电磁脉冲： 雷电产生的 电磁脉冲可 能导致电子 设备内部电 路损坏或数 据丢失
电源浪涌： 雷电产生的 电源浪涌可 能导致电子 设备电源损 坏或数据丢 失
接地不良： 电子设备 接地不良 可能导致 设备损坏 或数据丢 失
雷电过程与雷电参数
汇报人：
目录
添加目录标题 雷电过程 雷电参数
01 雷电的危害与防护 04
02 雷电的应用 05
03
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雷电过程
雷电的形成
云层中的电荷积累 电荷的聚集和分离 电荷的释放和传播 雷电的形成和放电过程
雷电的分类
云内闪电：发生在云层内部的闪电 云间闪电：发生在两个云层之间的闪电 云地闪电：发生在云层与地面之间的闪电 云空闪电：发生在云层与高空物体之间的闪电 云内云外闪电：发生在云层内部和外部之间的闪电 云内云内闪电：发生在云层内部不同区域之间的闪电
雷电的传播
雷电过程：从云层到地面的放电过程 传播方式：通过电离空气和电离云层之间的电场传播 传播速度：约每秒30万公里 传播距离：可达数百公里 传播时间：从云层到地面仅需几毫秒 传播影响：可能导致电力系统故障、通信中断等
雷电的影响
《高电压工程基础》第9章 雷电及防雷装置
（1）过电压作用时，避雷器先于被保护电力设备放电，当然这要由两者 的全伏秒特性的配合来保证； （2）避雷器应具有一定的熄弧能力，以便可靠地切断在第一次过零时的 工频续流。
➢ 避雷器的种类
保护间隙，管式避雷器，阀式避雷器（包括金属氧化物避雷器）
一、保护间隙
高电压工程基础
保护间隙常用双羊角状间隙， 取其有电弧上吹特性，我国常用于3 ~ 10kV电网中。保护间隙有一定的 限制过电压效果，但不能避免供电 中断。
➢ 雷电通道波阻抗
雷电通道如同一个导体，雷电流在导体中流动，对电流波呈现一定 的阻抗，该阻抗叫做雷电通道波阻抗 （规程建议取 300 ~ 400Ω）。
高电压工程基础
➢ 雷电流的极性
国内外实测结果表明，负极性雷占绝大多数，约占 75 ~ 90 %。
➢ 雷电流幅值
雷电流：雷击具有一定参数的物体时，若被击物阻抗为零，流过被击物 的电流规程规定，雷电流是指雷击于的低接地电阻物体时，流过该物体 的电流。
➢ 雷电流的波形
标准波形
斜角平顶波
半余弦波
高电压工程基础
9.3 避雷针和避雷线
➢ 避雷针（线）的保护原理
当雷云的先导向下发展，高出地面的避雷针（线）顶端形成局部电 场强度集中的空间，以至有可能影响下行先导的发展方向，使其仅对避 雷针（线）放电，从而使得避雷针（线）附近的物体免遭雷击。
➢ 对避雷针（线）的要求
高电压工程基础
➢ 金属氧化物避雷器（MOA）
金属氧化物主要成份是氧化锌，有时也称为氧化锌避雷 器。金属氧化物避雷器有一系列优点： ①非线性系数α值很小。在额定电压作用下，通过的电流极 小，因此可以做成无间隙避雷器。 ②保护性能好。它不需间隙动作，电压一旦升高，即可迅 速吸收过电压能量，抑制过电压的发展；有良好的陡度响 应特性；性能稳定。 ③金属氧化物避雷器基本无续流，动作负载轻，耐重复动 作能力强。 ④通流容量大。避雷器容易吸收能量，没有串联间隙的制 约，仅与阀片本身的强度有关。同碳化硅（SiC）阀片比较， 氧化物阀片单位面积的通流能力大 4 ~ 4.5 倍。 ⑤结构简单，尺寸小，易于大批量生产，造价低。 ⑥适用于多种特殊需要。
雷电的基础知识
雷电的基础知识在带有不同电荷雷云之间，或在雷云及由其感应而生的不同电荷之间发生击穿放电，即为雷电。
雷电是自然界中一种特殊的、极为壮观的声、光、电现象—伴随有闪电和雷鸣的一种恐怖而雄伟壮观的自然现象。
一、雷电的成因及其特性参数⑴、雷云和雷电①雷云：能发生闪电的云为雷云。
层积云、雨层云、积云、积雨云均与闪电有关，其中积雨云则最为重要。
②闪电：积雨云形成过程中，在大气电场以及温差起电效应、破碎起电效应的同时作用下，正负电荷分别在云的不同部位积聚。
当电荷积聚到一定程度，就会在云与云之间或云与地之间发生放电，即“闪电”。
闪电的形状：枝状、球状、片状、带状。
闪电的形式有云天闪电、云间闪电、云地闪电。
⑵、雷电的成因①雷电：带有电荷的云层向下靠近地面时，地面上的凸出物、金属等，会被感应出异性电荷，随着电场强度的逐步增强，雷云向下形成下行先导，地面的物体形成向上闪流，两者相遇即形成对地放电。
②闪电：带负电荷的雷云在大地表面会感应出正电荷，这样雷云与大地间形成一个大的电容器，当电场强度超过大气被击穿的强度时，就发生了雷云与大地之间的放电，即常说的闪电，或者说是雷击。
③雷云放电过程：雷云——雷电先导——迎雷先导——主放电阶段——余辉放电⑶、雷电的特性参数①雷电日（T）：一年中发生雷电放电的天数，(衡量雷电活动频繁的程度)。
②雷电流：雷击电流大致呈单极性的脉冲波。
主要可采用三个参数来表示，即雷电流的幅值、波头时间和半幅值时间。
③雷电过电压：主要决定于雷电流陡度和雷电流通道的阻抗，它的大小可按下式来计算：U=IR+L（式中：I—雷电流幅值kA；i—随时间变化的雷电流kA；R—接地电阻Ω；L—雷电流通道的电感H）。
二、雷电的种类主要分为直击雷、感应雷、雷电波入侵、雷球、雷击电磁脉冲。
⑴、直击雷指雷电直接击在建筑物构架、动植物上，因电效应、热效应和机械效应等造成建筑物等损坏以及人员的伤亡。
⑵、感应雷也称为雷电感应或感应过电压。
雷电参数及防雷措施
2.电流极对地面电位分布的影响
3.电极呈直线布置
测得接地电阻
半球形接地电极的接地电阻
要减小测量误差，应尽量增大电流极、电压极与 接地电极间的距离
无间隙
无续流
优点
耐重复动 作能力強 通流容量 大
易于制成 直流系统 用避雷器
无间隙氧化锌避雷器的电气参数
1.标称放电电流
1kA 1.5k A 2.5k A
冲击波形为8/20µs的放 电电流峰值
20kA
10kA
5kA
2.残压 放电电流通过避雷器时在端子间的 最大电压值(kV 峰值)
残压
• 标称放电电流下的残压 • 陡波电流下的残压 • 操作冲击电流下的残压
1～5km的高度主要是负电荷的云
q 4.1.2 雷电放电
雷电放电的三个段 先导放电
• 云、地间电场强度达到空气的击 穿场强时(约10-30kV/cm)，空气 发生电离，产生一个向地面发展 的等离子通道
• 下行先导到达地面、或与地面上 的突出物上产生的迎面先导相遇， 产生雷云与大地的放电通道 • 主放电结束后，云中剩余电荷沿 主放电通道释放
优点 伏-秒特性平坦,不产生截波 防止截波: 与间隙串联一个电阻R
防止截波
电阻的作用:
阻尼振荡
阀片的伏安特性
单个平板型放电间隙的结构
标准放电间隙组
4、氧化锌避雷器
u ci
α
非线性系数
ZnO : α 0.01 ~ 0.04
Si C : α 0.2 ~ 0.5
适用于大批 量生产、造 价低、经济 性好
第四章 雷电参数及防雷设施
目
雷电及其危害 雷电参数 防雷保护装置
录
避雷器与电子设备防雷保护器件 接地装置
雷电和雷电流参数
雷电和雷电流参数
§2.1 雷电活动参数 2.1.1.1 雷暴日 表征不同地区雷暴日活动的频繁程度。 （1）雷暴日：指该天发生雷暴的日子，即在一天内，只要听到雷
声一次或一次以上的就算一个雷暴日，而不论该天 雷暴发生的次数和持续时间。 • 月雷暴日：一个月内雷暴的天数，单位：d • 季雷暴日：一个季度内雷暴的天数，单位：d • 年雷暴日：一年中雷暴的天数，单位：d （所有雷暴日都不能反映一天中雷暴发生多少次或雷暴持续时间） （2）月平均雷暴日：月雷暴日的多年平均结果，单位：d 季平均雷暴日：季雷暴日的多年平均结果，单位：d 年平均雷暴日：年雷暴日的多年平均结果，单位：d
雷击距与雷电流幅值关系的经验公式 (式2.31)：
ds bImc
式中，ds 雷击距，m Im 雷电流幅值，Ka b 、c 常数，由实测数据确定
G() 6AIm (1 j)4
图2.17
图2.7
对于图2.8
t t
u(t) AUm (1 e 1 )e 2
A = 1.037 1 = 0.4074 s 2 = 68.22 s
图2.8
它的频谱函数为（式2.21）：
G()
AUm
1
2
1
UL 是恒压负载两端的保护
元件动作之后的残压
W P(t)dt
是恒压负载吸收的瞬时功率
参看书第32页下面的式子 参看书第33页的表2.7
2.2.3.2 频谱分析
对于图2.7
i(t)
AI
mt
3e
t
式中A = 0.01243(s)-3， = 3.911 s
它的频谱函数为（式2.20）：
第五章雷电放电特性及防雷设备
第五章 雷击放电特性及防雷装置5.1 雷电放电过程会引起破坏作用的雷云对地放电的绝大多数（80%以上）是负极性的。
雷电多重性（先导、主放电、余光放电）一、先导（梯级先导）第一次先导的梯级性是负先导本身的发展特点所决定的。
每一梯级长度平均50m ，梯级间歇时间10～100us 平均50us 。
cv 10001=先导通道具有良好的导电性，带有与雷云同极性的多余电荷 二、主放电、闪电、雷鸣、雷电的破坏性先导接近地面。
在漏道端部因出现高场强，使空气强烈电离而产生高密度的等离子区。
→自下而上，高电解的等离子体通道。
t=50～100us ，i =几十千安～几百千安201(=v ～21)c 温度 2万℃以上三、余光放电连续先导——直串先导5.2 雷电参数及雷电活动特性电流Rvi zz +=0σ，R<30Ω，雷电通道波阻抗Ω>3000z .即R 《z 0，则v i σ=雷击过电压dtdi L iR u ⋅+=我国“电力设备过电压保护设计技术规程” 1、雷电流峰值 108lg IP -= (式5-3)54lg IP -=，少雷区2、雷电流波形 波长时间2.6us 形状：斜角形usKA Idtdi a /6.2==（式5-4）半余弦波头)cos 1(2wt Ii -= （式5-5）3、雷电日 雷电小时强雷区 平均雷电日>90 多雷区 平均雷电日>40 少雷区 平均雷电日>154、落雷密度γ（每个雷电日每平方公里地面上的平均落雷次数） 0.015 次/⋅Km 2雷电日 次数 Th N ⨯⨯=100100010γ(Th b N ⨯⨯+=10010004γ次/100km 年)若T=40，γ=0.015代入则N=0.6h 次/⋅km 100年5.3 避雷针和避雷线（直击雷保护措施）我过规程推荐的保护范围是对应0.1%绕击率而言的。
绕击：雷电绕过避雷装置而击于被保护物的现象。
（屏蔽失效引起） 反击：避雷针与被保护物之间的间隙击穿。
雷电现象及危害
雷电现象及危害一、雷电现象及危害1.雷电产生的原因雷电现象比较复杂，它是由于地面湿气受热上升或空中不同冷、热气团相遇凝成水滴或冰晶形成积云，在运动时使电荷发生分离，当电荷积聚到足够数量时，就在带有不同电荷的云间或由于静电感应而产生不同电荷的云地间发生的放电现象。
雷云中可能同时存在着几个电荷聚集中心，所以经常出现多次重复性的放电现象，常见的为 2 ～3次，当第一个电荷聚集中心完成放电过程后，其电位迅速下降，第二个电荷聚集中心立即向着前一个放电位置移动，瞬间重复放电。
每次间隔时间从几百微秒到几百毫秒不等，但其放电电流将逐次递减。
2.雷电种类（1）直击雷带电积云接近地面与地面凸出物之间的电场强度达到空气的介电强度（25 ～30kV /mm）时发生的放电现象，称为直击雷。
（2）静电感应雷带电积云接近地面凸出物时，在其顶部感应出大量异性电荷，当带电积云与其他部位或其他积云放电后，凸出物顶部的电荷失去束缚高速传播形成高压冲击波。
此冲击波由静电感应产生，具有雷电特征，称为静电感应雷。
（3）电磁感应雷雷电流在周围空间产生迅速变化的强磁场，在邻近的导体上感应出很高的电动势，该电动势具有雷电特征，称为电磁感应雷。
（4）球雷雷电放电时产生的球状发光带电气体，称为球雷，球雷可能造成多种危害。
3.雷电参数（1）雷电流幅值雷电流幅值指主放电时冲击电流的最大值，该幅值可达数十至数百千安，雷电流幅值越大，出现的概率越小。
（2）雷电流陡度。
雷电流由零增长至最大幅值的这一部分，称为波头（τt），通常只有 1 ～4μs；电流值下降的部分，称为波尾，可长达数十微秒。
（3）雷电冲击过电压雷电冲击过电压指冲击电压的最大值。
4.雷电的危害（1）危害的形式①直接雷击的危害。
地面上的人、畜、建筑物、电气设备等直接被雷电击中，叫做直接雷击。
发生直接雷击时，特大的雷电流（几十至几百千安）通过被击物，在被击物内部产生高达几万度的温度，使被击物燃烧，使架空导线熔化。
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雷电放电及防雷保护装置
雷电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，而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。
i I (1 cos t ) 2
(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。
(九)放电能量 A=QU=107V×20C ＝ 20×107W.s （200MW 秒），放电能量 不大，但是在极短时间内放出的，因而功率很大。
雷电放电由带电荷的雷云引起
大多数的放电发生在雷云之间－不危险 少数的放电发生在雷云和大地之间－危险
对地放电的雷云大多数带负电荷 理解以下几点：
雷云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放
被击物体的电位取决于雷电流和被击物体阻抗的乘积 从电源性质看，相当于一个电流源的作用过程
人们能够测知的电量，重要是流过被击物体的电流
欧美雷电科学的建立
著名的风筝试验（17世纪，富兰 克林）： 240米长的缠绕钢丝的 麻绳上产生20cm的电火花 著 名 科 学 家 G W Richman （ 1711 － 1753 ） （彼得堡科学院院士）观察雷电而死亡
高速摄影、记录示波器、雷电定向定位仪等现 代化测量技术（丰富人类对雷电的认识）
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度、当地气象条件、地形地貌有关 Td <15，少雷区；>40，多雷区；>90，强雷区 雷暴日和雷暴小时的统计中，并没有区分雷云之间的放电和 雷云对地的放电。但是，只有落地雷才有可能产生对电力系 统造成危害的过电压。
(二)地面落雷密度(
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，主放电时如同导体，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
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 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。
I (kA/us) a 2.6
波前陡度的最大极限值一般可取50 kA/us左右。
(七)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 1、双指数波
3、斜角平顶波 i at(t T1 ) i aT 1 I (t T 1) 4、半余弦波
)和雷击选择性
(四)雷电的极性 负极性雷击均占75～90%，对设备绝缘危害较大,防雷计算中 一般均按负极性考虑。
(五)雷电流幅值（ I ） 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 I 的两倍，即
I 2I0
一般地区，雷电流幅值超过
0
I 的概率可按下式计算
I lg P 88
(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 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 雷电流波前的平均陡度
第一节 雷电过程与雷电参数
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。
二、雷电放电过程
雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的火花放电。
负极性棒板 不能顺利向前发展
雷电放电过程 基本过程：先导放电阶段 ；主放电阶段；余辉放电阶段
先导放电：雷云中的电荷分布是不均匀的，当雷云中的 某个电荷密集中心的电场强度达到空气击穿场强 （25~30kV/cm，有水滴时仅为10kV/cm）时，空气便开始 电离，形成指向大地的一段电离的微弱导电通道； 主放电：先导靠近地面时，进入主放电阶段，强烈的电 荷中和过程，伴随着雷鸣和闪光。主放电的时间极短， 只有 50~100 微秒，放电发展速度 50~100m/ 微秒。电流幅 值高达数十甚至数百千安；
四、雷电过电压的形成
(一)雷电放电的计算模型
(二)直接雷击过电压 雷击于地面上接地良好的物体
U A IRi
雷击于导线或档距中央避雷线
U A 100I
(三)感应雷击过电压 雷击于线路附近大地或接地的线路杆塔顶部等，在绝 缘的导线上引起感应过电压。
余辉阶段：主放电完成后，云中剩余电荷沿着导电通道 开始流向大地，这一阶段称放电的余辉阶段，电流数百 安。
分级先导：多次先导 主放电的重复过程，每次间歇时
间为几十毫秒，放电次数一般为2~3次，最多为４０次
雷云中可能存在多个电荷中心，当第一个电荷中心完成上述 放电过程后，可能引起其他电荷中心向第一个中心放电，并 沿着第一次放电通路发展。