雷电的产生及参数;雷电冲击击穿培训资料

1 ，击穿电压分散性也较大。
思考作业
6-3、2-10
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
N10 h100T 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
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。
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
➢ 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
➢ 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
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）：
➢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。
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
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
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”。
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。
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。
在防雷计算中，按不同要求采用不同的计算波形
iI0(et et)
iI(1co ts )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
➢ 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
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。
❖ 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
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
（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。
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。
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பைடு நூலகம்50％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。
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
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。
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
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；
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。
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%。
➢ 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。