雷电放电及防雷保护

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
课程内容 雷云的形成 雷电放电过程 雷电参数 雷电过电压的形成
一、雷电放电和雷电过电压
1、雷云 热气流上升，云层水滴分裂带电，其中的细微水沫带 负电，被上升气流带往高空，形成大片带负电的雷云 ，其高度为距离地面1~4km；被分裂出的水珠带正电， 悬浮在云中，形成雷云下部的局部正电荷区； 距离地面4~5km的主要为正电荷云层，温度低，冷凝成 冰晶，冰晶与空气碰撞，带正电的气流携带冰晶的细 微碎片向上运动，形成大片正电荷雷云；整块雷云有 若干个电荷中心，负电荷在雷云下部，离地大约5001000m 雷云电荷（下部大多为负电荷）与地面感应电荷（大 多为正电荷）构成空间电场，其放电机理类似于特长 间隙的放电，只是大地及其表面物体取代了金属电极 ，另一极为云层。
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。
雷电活动与地形关联性
2010 年 7 月 10 日 21 时至 22 时 2010 年 7 月 11 日 1 时至 2 时 雷电活动在水系 和山脉附近较为 密集
雷电活动在湖 泊处最为密集 雷电活动在水系 和山脉附近较为 密集
2、雷电放电过程 • 雷电空间电场特点：电位差大（MV级）、距离长、平均 场强不超过100kV/m（1kV/cm）； • 个别气隙发生电子崩和电晕，引发雷电放电；逐级推进向 地面发展，发展速度慢，各级发展间有停歇（使用流注先 导放电理论）； • 先导放电：在电极附近炙热的强电离高导电气隙通道，分 级发展，每级长度25~50m，伸展速度107m/s，每级停歇 30~90us，放电电流不大，为10~800A； • 主放电：地面突出物容易发生向上的迎面先导，与下行先 导发生接闪，形成极其强烈的电离，电流可高达数十~数 百kA，电流方向自下而上，又称“回击”，伴随雷鸣和 闪光，时间为50~100us，为光速的一半； • 大部分雷击都是负雷闪（90%），少部分是正雷闪 • 余辉阶段

中国古代对雷电的认识
公元前 1500年殷商甲骨文中就有 “ 雷 ” 字，稍晚的西 周青铜器上有“电”字，它指的是闪电 最早的文字记载时东汉哲学家王充（ 27 －约 97 年）他 在《论衡》中对雷电进行了描述 “ 雷者火也。以人中 雷而死，即询其身，中火则须发烧焦。” 但王充、沈括、柳宗元、朱熹等反对神鬼论。元代末 刘基（刘伯温）（1311－1375）在《刘文正公文集》 中讲 “ 雷何物也？曰雷者，大气之郁而激发也，阴气 团于阳，必迫，迫极而迸，迸而声为雷，光为电。” 中国古代的认识只停留在观察自然界，作理性思辨， 而没有动手制造仪器，变革所研究的对象，进行试样 工作，寻找其规律，因而无法前进
• 我国每年因雷害伤亡人数大约在10500人左右 • 90年代湖北某农场一次雷击当场击死14人 • 2008年6月29日武汉天河机场附近5名农民在 屋檐下避雨遭雷击，二死三伤 • 1997年一次雷电直击鄂西某电视塔顶，塔顶上 的微波机损坏，雷电过电压波通过塔上引线把 高电位引入发射机房，致使发射机、载波机、 电源设备等都受到严重损坏，停播数日之久 • 电力系统每年雷击跳闸事故造成直接经济损失 约200亿元
3、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


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 人们从20世纪30年代开始加强了对雷电及其防 护技术的研究，特别是利用高速摄影、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）
第一次主放电
箭状先导
第三次主放电
雷电放电过程 • 基本过程：先导放电阶段 ；主放电阶段
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
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。 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。
雷电放电及防雷保护装置
李华伟 北京交通大学电气工程学院 电气楼307室 hwli@
参考华北电力大学以及华中科技大学李黎老师课件，特此致谢！
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。 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。