8-1雷电放电和雷电过电压 《高电压技术》课件
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8.1 雷电放电和雷电过电压
雷电是一种可怖而又壮观的自然现象，我国东周时《庄子》 上有记述：“阴阳分争故为电，阳阴交争故为雷，阴阳错行， 天地大骇，于是有雷、有霆。”
人们对雷电现象的科学认识始于18世纪中叶，著名科学家 有富兰克林（Franklin）、M·B·罗蒙诺索夫（Jiomohocob）、 L·B·黎赫曼（Phxmah）等，如著名的富兰克林风筝实验，第 一次向人们揭示了雷电只不过是一种火花放电的秘密，他们通 过大量实验取得卓越成就，建立了现代雷电学说，认为雷击是 云层中大量阴电荷和阳电荷迅速中和而产生的现象。特别是利 用高速摄影、自动录波、雷电定向定位等现代测量技术对雷电 进行的观测研究，大大丰富了人们对雷电的认识。
8.1.2 雷电放电过程
作用于电力系统的雷电过电压最常见的 （约90%）是由带负电的雷云对地放电引起，称 为负下行雷，下面以负下行雷为例分析雷电放 电过程。负下行雷通常包括若干次重复的放电 过程，而每次可以分为先导放电、主放电和余 辉放电三个阶段。
先导放电阶段 主放电阶段 余辉放电阶段
图8-1 负雷云下行雷的过程 (a)负下行雷的光学照片描绘图 (b)放电过程中雷电流的变化过程
放电之后，约有一半存在连续的后续电流，至 少持续40ms，电流从数十至500kA，平均约100kA。
据统计，雷电流的波头在1～5 s 的范围内，多为
2.5～2.6 s；波长多在20～100 s 的范围内，平均 约为50 s；按DL/T 620—1997标准，取2.6s ，为 50 s，记为2.6/50 s 。
图8-5 感应雷过电压的形成 (a)先导放电阶段 （b）主放电阶段
小结
➢雷云的形成主要是含水汽的空气的热对流效应。雷电源于大 气的运动。
➢雷电的放电过程：
先导放电阶段 主放电阶段 余辉放电阶段
➢主要的雷电参数有：
雷暴日及雷暴小时、地面落雷密度、主放电通道波阻抗、 雷电流极性、雷电流幅值、雷电流等值波形、雷电流陡度等。
5.雷电流幅值
按DL/T 620—1997标准，一般我国雷暴日超过
20的地区雷电流的概率分布为 logP I 88
或
I
P 10 88
（8-3）
6.雷电流等值波形
雷电流的幅值随各国自然条件的不同而差别 较大，而测得的雷电流波形却基本一致。第一次 负放电电流波形的波头较长，在峰值附近有明显 的双峰；随后放电电流波形的波头较短，没有双 峰，电流陡度远大于第一次放电，而电流幅值约 为第一次放电的一半。
（ ）来表示，是指每一雷暴日每平方公里地面遭受
雷击的次数。地面落雷密度和雷暴日的关系式为：
0.02T3d0.3
（8-1）
DL/T 620—1997标准取Td 40为基准，则 0.07
3.主放电通道波阻抗 从工程实用的角度和地面感受的实际效果出发，
先导放电通道可近似为由电感和电容组成的均匀分 布参数的导电通道，其波阻抗为：
雷电冲击试验和防雷设计中常用的雷电流等值 波形有双指数波、斜角波和半余弦波三种。
图8-2 雷电流的等值波形 (a)双指数波 (b)斜角波 (c)半余弦波
7.雷电流陡度
雷电流陡度是指雷电流随时间上升的速度。雷电流陡度越
大，对电气设备造成的危害也越大。雷电流陡度的直接测量更
为困难， 常常根据一定的幅值 、波头和波形来推算 。DL/T
➢雷电过电压的形成
•直击雷过电压 •感应雷过电压
（本节完）
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Z0
L0 C0
（8-2）
L0 为通道单位长度的电感量，C 0 为通道单位长 度的电容量。主放电通道波阻抗与主放电通道雷电
流有关，雷电流愈大，波阻抗愈大。
4.雷电流极性
当雷云电荷为负时，所发生的雷云放电为负极 性放电，雷电流极性为负；反之，雷电流极性为正。 实测统计资料表明，不同的地形地貌，雷电流正负 极性比例不同，负极性所占比例在75%~90%之间，因 此，防雷保护都取负极性雷电流进行研究分析。
620—1997标准取波头形状为斜角波，波头按2.6 s考虑，雷电
流陡度aI 2.6。计算雷电流冲击波波头陡度出现的概率可用
下列经验公式计算：
log Pa
a 36
或
a
Pa 10 36
（8-4）
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8.1.4雷电过电压的形成
1.直击雷过电压 雷击地面由先导放电转变为主放电的过程可以用一
根已充当的垂直导线突然与被击物体接通来模拟。
本节内容： ➢8.1.1 雷云的形成 ➢8.1.2 雷电放电过程 ➢8.1.3 有关的雷电参数 ➢8.1.4 雷电过电压的形成
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8.1.1 雷云的形成
能产生雷电的带电云层称为雷云。
雷云的形成主要是含水汽的空气的热对流效 应。太阳的热辐射使地面部分水分化为蒸汽，含 水蒸汽的空气受到炽热的地面烘烤而上升，会产 生向上的热气流。热气流每上升10km，温度下降 约10℃，热气流与高空冷空气相遇形成雨滴、冰 雹等水成物，水成物在地球静电场的作用下被极 化，形成热雷云。
(a)模拟先导放电
图8-3 雷击大地时的计算模型 (b)模拟主放电 (c)主放电通道电路
(d)等值电路
2.感应雷过电压
由于雷云对地放电过程中，放电通道周围空间电磁场的急剧 变化，会在附近线路的导线上产生过电压。在雷云放电的先导阶 段，先导通道中充满了电荷，如图8-5（a）所示当先导到达附近 地面时，主放电开始，先导通道中的电荷被中和，与之相应的导 线上的束缚电荷得到解放，以波的形式向导线两侧运动，如图85（b）所示。
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8.1.3 有关的雷电参数
雷电放电受气象条件、地形和地质等许多自然因素 影响，带有很大的随机性，因而表征雷电特性的各种参 数也就具有统计的性质。
主要的雷电参数有： 雷暴日及雷暴小时、地面落雷密度、主放电通道波 阻抗、雷电流极性、雷电流幅值、雷电流等值波形、雷 电流陡度等。
1.雷暴日及雷暴小时
雷暴日Td 是指该地区平均一年内有雷电放电的 平均天数，单位d/a 。 雷暴小时Th 雷暴小时是指平均一年内的有雷电 的小时数，单位h/a。
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
2. 地面落雷密度
表征雷云对地放电的频繁程度以地面落雷密度
雷电是一种可怖而又壮观的自然现象，我国东周时《庄子》 上有记述：“阴阳分争故为电，阳阴交争故为雷，阴阳错行， 天地大骇，于是有雷、有霆。”
人们对雷电现象的科学认识始于18世纪中叶，著名科学家 有富兰克林（Franklin）、M·B·罗蒙诺索夫（Jiomohocob）、 L·B·黎赫曼（Phxmah）等，如著名的富兰克林风筝实验，第 一次向人们揭示了雷电只不过是一种火花放电的秘密，他们通 过大量实验取得卓越成就，建立了现代雷电学说，认为雷击是 云层中大量阴电荷和阳电荷迅速中和而产生的现象。特别是利 用高速摄影、自动录波、雷电定向定位等现代测量技术对雷电 进行的观测研究，大大丰富了人们对雷电的认识。
8.1.2 雷电放电过程
作用于电力系统的雷电过电压最常见的 （约90%）是由带负电的雷云对地放电引起，称 为负下行雷，下面以负下行雷为例分析雷电放 电过程。负下行雷通常包括若干次重复的放电 过程，而每次可以分为先导放电、主放电和余 辉放电三个阶段。
先导放电阶段 主放电阶段 余辉放电阶段
图8-1 负雷云下行雷的过程 (a)负下行雷的光学照片描绘图 (b)放电过程中雷电流的变化过程
放电之后，约有一半存在连续的后续电流，至 少持续40ms，电流从数十至500kA，平均约100kA。
据统计，雷电流的波头在1～5 s 的范围内，多为
2.5～2.6 s；波长多在20～100 s 的范围内，平均 约为50 s；按DL/T 620—1997标准，取2.6s ，为 50 s，记为2.6/50 s 。
图8-5 感应雷过电压的形成 (a)先导放电阶段 （b）主放电阶段
小结
➢雷云的形成主要是含水汽的空气的热对流效应。雷电源于大 气的运动。
➢雷电的放电过程：
先导放电阶段 主放电阶段 余辉放电阶段
➢主要的雷电参数有：
雷暴日及雷暴小时、地面落雷密度、主放电通道波阻抗、 雷电流极性、雷电流幅值、雷电流等值波形、雷电流陡度等。
5.雷电流幅值
按DL/T 620—1997标准，一般我国雷暴日超过
20的地区雷电流的概率分布为 logP I 88
或
I
P 10 88
（8-3）
6.雷电流等值波形
雷电流的幅值随各国自然条件的不同而差别 较大，而测得的雷电流波形却基本一致。第一次 负放电电流波形的波头较长，在峰值附近有明显 的双峰；随后放电电流波形的波头较短，没有双 峰，电流陡度远大于第一次放电，而电流幅值约 为第一次放电的一半。
（ ）来表示，是指每一雷暴日每平方公里地面遭受
雷击的次数。地面落雷密度和雷暴日的关系式为：
0.02T3d0.3
（8-1）
DL/T 620—1997标准取Td 40为基准，则 0.07
3.主放电通道波阻抗 从工程实用的角度和地面感受的实际效果出发，
先导放电通道可近似为由电感和电容组成的均匀分 布参数的导电通道，其波阻抗为：
雷电冲击试验和防雷设计中常用的雷电流等值 波形有双指数波、斜角波和半余弦波三种。
图8-2 雷电流的等值波形 (a)双指数波 (b)斜角波 (c)半余弦波
7.雷电流陡度
雷电流陡度是指雷电流随时间上升的速度。雷电流陡度越
大，对电气设备造成的危害也越大。雷电流陡度的直接测量更
为困难， 常常根据一定的幅值 、波头和波形来推算 。DL/T
➢雷电过电压的形成
•直击雷过电压 •感应雷过电压
（本节完）
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Z0
L0 C0
（8-2）
L0 为通道单位长度的电感量，C 0 为通道单位长 度的电容量。主放电通道波阻抗与主放电通道雷电
流有关，雷电流愈大，波阻抗愈大。
4.雷电流极性
当雷云电荷为负时，所发生的雷云放电为负极 性放电，雷电流极性为负；反之，雷电流极性为正。 实测统计资料表明，不同的地形地貌，雷电流正负 极性比例不同，负极性所占比例在75%~90%之间，因 此，防雷保护都取负极性雷电流进行研究分析。
620—1997标准取波头形状为斜角波，波头按2.6 s考虑，雷电
流陡度aI 2.6。计算雷电流冲击波波头陡度出现的概率可用
下列经验公式计算：
log Pa
a 36
或
a
Pa 10 36
（8-4）
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8.1.4雷电过电压的形成
1.直击雷过电压 雷击地面由先导放电转变为主放电的过程可以用一
根已充当的垂直导线突然与被击物体接通来模拟。
本节内容： ➢8.1.1 雷云的形成 ➢8.1.2 雷电放电过程 ➢8.1.3 有关的雷电参数 ➢8.1.4 雷电过电压的形成
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8.1.1 雷云的形成
能产生雷电的带电云层称为雷云。
雷云的形成主要是含水汽的空气的热对流效 应。太阳的热辐射使地面部分水分化为蒸汽，含 水蒸汽的空气受到炽热的地面烘烤而上升，会产 生向上的热气流。热气流每上升10km，温度下降 约10℃，热气流与高空冷空气相遇形成雨滴、冰 雹等水成物，水成物在地球静电场的作用下被极 化，形成热雷云。
(a)模拟先导放电
图8-3 雷击大地时的计算模型 (b)模拟主放电 (c)主放电通道电路
(d)等值电路
2.感应雷过电压
由于雷云对地放电过程中，放电通道周围空间电磁场的急剧 变化，会在附近线路的导线上产生过电压。在雷云放电的先导阶 段，先导通道中充满了电荷，如图8-5（a）所示当先导到达附近 地面时，主放电开始，先导通道中的电荷被中和，与之相应的导 线上的束缚电荷得到解放，以波的形式向导线两侧运动，如图85（b）所示。
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8.1.3 有关的雷电参数
雷电放电受气象条件、地形和地质等许多自然因素 影响，带有很大的随机性，因而表征雷电特性的各种参 数也就具有统计的性质。
主要的雷电参数有： 雷暴日及雷暴小时、地面落雷密度、主放电通道波 阻抗、雷电流极性、雷电流幅值、雷电流等值波形、雷 电流陡度等。
1.雷暴日及雷暴小时
雷暴日Td 是指该地区平均一年内有雷电放电的 平均天数，单位d/a 。 雷暴小时Th 雷暴小时是指平均一年内的有雷电 的小时数，单位h/a。
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
2. 地面落雷密度
表征雷云对地放电的频繁程度以地面落雷密度