第七章雷电放电及防雷保护装置
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第七章雷电放电及防雷保护装置
第一节 雷电放电和雷电过电压
➢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 20,000 μs
1000 μs
1000 μs
分级先导 大地
箭状先导
第一次主放电
100 μs
0.03 μs 入地电流
箭状先导
100 μs 0.03 μs
第三次主放电 t
100 μs
时间 t 图7-2 雷电放电的发展过程及雷电流波形
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
lg P I 88
(六)雷电流的波前时间、陡度及波长
波前陡度的最大极限值一般可取50 kA/us左右。 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 a I (kA/us)
2.6
(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
iI0(et et)
2、斜角波
i at
3、斜角平顶波
ia(ttT1)
ia1T I(tT 1)
4、半余弦波
i I (1co st)
2
(八)雷电的多重放电次数及总延续时间
A点电压幅值：UA=IRi
2. 雷击于导线或档距中央避雷线
U0 Z0
Z0
A
I’2
2U0
ZZ
Z
Z
O来自百度文库
(a)示意图
如果电流电压均以幅值表示
(b) 电压源等值电路
I'2
2U0
Z0
Z 2
IZ0
Z0
Z 2
• 导线雷击点A的电压幅值
UAI'2Z 2I
Z0Z 2Z0Z
令Z0=300Ω ，Z=400Ω ，可得UA=120I
• 通常“云—地”之间的线状雷电在开始时往往是一微 弱发光的通道从雷云向地面伸展，它以逐级推进的方 式向下发展，每级长度约25~50m，每级的伸展速度 约104 km/s，各级之间有30~90μs的停歇，所以平均 发展速度只有100~800km/s这种预放电称为逐级引路 或先导放电。
• 当先导放电接近地面时，地面上一些高耸的物体因周 围电场强度达到了能使空气电离程度，会发出向上的 迎面先导，当它与下行先导相遇时，就出现了强烈的 电荷中和过程，出现极大的电流，这就是雷电的主放 电阶段，伴随着雷鸣和闪光。这段时间极短，只有 50~100 μs，它是沿着负的下行先导通道，由下而上 逆向发展的，亦称“回击”,速度可达 20000~150000km/s。
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。 一次雷电总延续时间，有50%小于0.2s
(九)放电能量
A=QU=107V×20C＝20×107W.s，放电能量不大，但是 在极短时间内放出的，因而功率很大。
四、雷电过电压的形成
(一)雷电放电的计算模型
(三)感应雷击过电压
• 除了前面介绍的直接雷击过电压外,电力系统中还会出 现另一种雷电过电压—感应雷击过电压，它的形成机 理与直接雷击过电压完全不同。
图7-7 感应雷过电压产生机理示意图
(a)先导放电阶段
(b)主放电阶段
1. 在雷击点与电力线路之间的距离s>65m的情 况下
Ui
25Ihc s
(K
雷云下部局部正电荷区。
二、 雷电放电过程
• 雷电放电是一种超长气隙的火花放电，与金属 电极间的长气隙放电是相似的。
• 由于雷云的物理性质毕竟与金属板不同，因而 具有多次重复雷击等现象和特点。
• 雷云下部大部分带负电荷，大多数的雷击是负 极性的，雷云中的负电荷会在地面感应出大量 正电荷。
• 地面与大地之间或两块带异号电荷的雷云之间， 会形成强大的电场，其电位差可达数兆伏甚至 数十兆伏。
• 2.感应雷击过电压一定要在雷云及其先导通道中的电 荷被中和后才出现；相邻导线间感应电压与感应源同 生同灭；
V)
2. 式中I—雷电流幅值
3.
hc—导线的平均对地高度
4.
s—雷击点与线路之间的距离
2. 雷击于塔顶等紧靠导线的接地物体
3.
Ui=ahc
4. 式中a—感应雷过电压系数，它近似等于雷
电流的平均波前陡度，即a≈I/2.6
• 感应雷击过电压与相邻导线间感应电压的异同:
• 1.感应雷击过电压的极性一定与雷云的极性相反，而 相邻导线间感应电压的极性一定与感应源相同；
(二) 直接雷击过电压的几个典型算例 1. 雷击于地面上接地良好的物体(Ri=15Ώ)
i0
A
A
2i0 Z0 Ri
i Ri
O
(a)
(b)
根据雷电流的定义,这时流过雷击点A的电流即为雷电 流i。如(b)为其电流源等值电路则雷电流为：
iZ 0 Z 0R i2 i03 2 3 0 10 0 i0 5 0 1 .9 i02 i0
波阻抗。
我国有关规程建议取Z0≈ 300Ω
(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。
I (五)雷电流幅值（ ）
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 0
的两倍，即
I 2I0
I 一般地区，雷电流幅值超过 的概率可按下式计算
(二)地面落雷密度( )和雷击选择性 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）
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。
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
第一节 雷电放电和雷电过电压
➢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 20,000 μs
1000 μs
1000 μs
分级先导 大地
箭状先导
第一次主放电
100 μs
0.03 μs 入地电流
箭状先导
100 μs 0.03 μs
第三次主放电 t
100 μs
时间 t 图7-2 雷电放电的发展过程及雷电流波形
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
lg P I 88
(六)雷电流的波前时间、陡度及波长
波前陡度的最大极限值一般可取50 kA/us左右。 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 a I (kA/us)
2.6
(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
iI0(et et)
2、斜角波
i at
3、斜角平顶波
ia(ttT1)
ia1T I(tT 1)
4、半余弦波
i I (1co st)
2
(八)雷电的多重放电次数及总延续时间
A点电压幅值：UA=IRi
2. 雷击于导线或档距中央避雷线
U0 Z0
Z0
A
I’2
2U0
ZZ
Z
Z
O来自百度文库
(a)示意图
如果电流电压均以幅值表示
(b) 电压源等值电路
I'2
2U0
Z0
Z 2
IZ0
Z0
Z 2
• 导线雷击点A的电压幅值
UAI'2Z 2I
Z0Z 2Z0Z
令Z0=300Ω ，Z=400Ω ，可得UA=120I
• 通常“云—地”之间的线状雷电在开始时往往是一微 弱发光的通道从雷云向地面伸展，它以逐级推进的方 式向下发展，每级长度约25~50m，每级的伸展速度 约104 km/s，各级之间有30~90μs的停歇，所以平均 发展速度只有100~800km/s这种预放电称为逐级引路 或先导放电。
• 当先导放电接近地面时，地面上一些高耸的物体因周 围电场强度达到了能使空气电离程度，会发出向上的 迎面先导，当它与下行先导相遇时，就出现了强烈的 电荷中和过程，出现极大的电流，这就是雷电的主放 电阶段，伴随着雷鸣和闪光。这段时间极短，只有 50~100 μs，它是沿着负的下行先导通道，由下而上 逆向发展的，亦称“回击”,速度可达 20000~150000km/s。
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。 一次雷电总延续时间，有50%小于0.2s
(九)放电能量
A=QU=107V×20C＝20×107W.s，放电能量不大，但是 在极短时间内放出的，因而功率很大。
四、雷电过电压的形成
(一)雷电放电的计算模型
(三)感应雷击过电压
• 除了前面介绍的直接雷击过电压外,电力系统中还会出 现另一种雷电过电压—感应雷击过电压，它的形成机 理与直接雷击过电压完全不同。
图7-7 感应雷过电压产生机理示意图
(a)先导放电阶段
(b)主放电阶段
1. 在雷击点与电力线路之间的距离s>65m的情 况下
Ui
25Ihc s
(K
雷云下部局部正电荷区。
二、 雷电放电过程
• 雷电放电是一种超长气隙的火花放电，与金属 电极间的长气隙放电是相似的。
• 由于雷云的物理性质毕竟与金属板不同，因而 具有多次重复雷击等现象和特点。
• 雷云下部大部分带负电荷，大多数的雷击是负 极性的，雷云中的负电荷会在地面感应出大量 正电荷。
• 地面与大地之间或两块带异号电荷的雷云之间， 会形成强大的电场，其电位差可达数兆伏甚至 数十兆伏。
• 2.感应雷击过电压一定要在雷云及其先导通道中的电 荷被中和后才出现；相邻导线间感应电压与感应源同 生同灭；
V)
2. 式中I—雷电流幅值
3.
hc—导线的平均对地高度
4.
s—雷击点与线路之间的距离
2. 雷击于塔顶等紧靠导线的接地物体
3.
Ui=ahc
4. 式中a—感应雷过电压系数，它近似等于雷
电流的平均波前陡度，即a≈I/2.6
• 感应雷击过电压与相邻导线间感应电压的异同:
• 1.感应雷击过电压的极性一定与雷云的极性相反，而 相邻导线间感应电压的极性一定与感应源相同；
(二) 直接雷击过电压的几个典型算例 1. 雷击于地面上接地良好的物体(Ri=15Ώ)
i0
A
A
2i0 Z0 Ri
i Ri
O
(a)
(b)
根据雷电流的定义,这时流过雷击点A的电流即为雷电 流i。如(b)为其电流源等值电路则雷电流为：
iZ 0 Z 0R i2 i03 2 3 0 10 0 i0 5 0 1 .9 i02 i0
波阻抗。
我国有关规程建议取Z0≈ 300Ω
(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。
I (五)雷电流幅值（ ）
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 0
的两倍，即
I 2I0
I 一般地区，雷电流幅值超过 的概率可按下式计算
(二)地面落雷密度( )和雷击选择性 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）
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。
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