雷电的产生及参数;雷电冲击击穿

单元一单元一 雷过电压及防雷设备认知雷过电压及防雷设备认知雷电雷电是自然中最宏伟壮观的现象也是最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、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。对雷电的研究和防护意义重大。 早在早在18世纪初，世纪初，富兰克林富兰克林等物理学家已等物理学家已经揭示了闪电就是电的本质，随着物理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。现象有了更深刻的认识。情境一情境一 雷过电压的产生和雷电参数雷过电压的产生和雷电参数雷电冲击下气体的击穿雷电冲击下气体的击穿雷电放电实质上是一种超长气隙的雷电放电实质上是一种超长气隙的火花放电火花放电，它所，它所产生的雷电流高达数十、甚至数百千安，从而会引产生的雷电流高达数十、甚至数百千安，从而会引起巨大的起巨大的电磁效应、机械效应和热效应。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从电力工程的角度来看，最值得我们注意的两个方面是：面是： 雷电放电在电力系统中引起雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压很高的雷电过电压，它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一。之一。幻灯片幻灯片24 产生巨大电流，使被击物体炸毁、燃烧、使导体产生巨大电流，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。熔断或通过电动力引起机械损坏。幻灯片幻灯片25水滴分裂起电理论水滴分裂起电理论：大水滴分裂成水珠和细微的水沫，出：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，细微水现电荷分离现象，大水珠带正电，小水沫带负电，细微水雷云中的雷云中的电荷分布电荷分布1 1、雷电放电的机理：、雷电放电的机理：冻结起电、水滴分裂起电冻结起电、水滴分裂起电 沫被上升气流带往高空，形沫被上升气流带往高空，形成大片带负电的雷云。成大片带负电的雷云。实测表明：实测表明：5 510km10km高度主要是正电荷云层，高度主要是正电荷云层，1 15km5km高度高度主要是负电荷云层。主要是负电荷云层。 雷云中电荷分布一般不均匀，有多个电荷密积区。随着电荷雷云中电荷分布一般不均匀，有多个电荷密积区。随着电荷积累，雷云电位升高，对地电位差可达数兆至数十兆伏。当积累，雷云电位升高，对地电位差可达数兆至数十兆伏。当不同电荷雷云间或雷云与大地凸出物接近到一定程度，其间不同电荷雷云间或雷云与大地凸出物接近到一定程度，其间电场强度达到该空间的击穿强度时，就会发生雷云间或对地电场强度达到该空间的击穿强度时，就会发生雷云间或对地的的火花放电火花放电，即通常所说的雷击。一般把对地面凸出物直接，即通常所说的雷击。一般把对地面凸出物直接的雷击叫的雷击叫直击雷直击雷。2 2、放电过程：、放电过程：雷云接近地面时，地面感应出异性电荷。由于雷云中电荷分雷云接近地面时，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。当强度达到强度达到2530kV/cm时，发生由雷云向大地发展的跳跃时，发生由雷云向大地发展的跳跃式式“先导放电先导放电”，先导通道接近大地时，发生大地向雷云发，先导通道接近大地时，发生大地向雷云发展的极明亮的展的极明亮的“主放电主放电”，再向上发展到云端即结束；云中，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，称为残余电荷经主放电通道继续流向大地，称为“余光放电余光放电”。 v先导阶段：方向向下、电流小、速度慢先导阶段：方向向下、电流小、速度慢（150km/s）；）；v主放电阶段：方向向上、大电流（几百主放电阶段：方向向上、大电流（几百KA）、高）、高陡度（陡度（C的的10%50%）、短时间（）、短时间（50100s）；）；v余光放电：电流不大、持续长（余光放电：电流不大、持续长（0.030.15s）。）。3、特点：、特点：1、雷电流的幅值、雷电流的幅值通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻(30)的物体时流过雷击点的电流。的物体时流过雷击点的电流。我国标准推荐，我国标准推荐，一般地区，雷电流幅值超过一般地区，雷电流幅值超过I的概的概率可按下式计算率可按下式计算88lgIP除陕南以为的西北地区、内蒙古等雷电活动较弱，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，雷电流幅值较小，P可表示为：可表示为： 44lgIP我国一般地区，按经验公式可得到，雷电流幅值超我国一般地区，按经验公式可得到，雷电流幅值超过过20kA的概率约为的概率约为59%，超过，超过50kA的概率约为的概率约为27%，超过，超过88kA的概率为的概率为10%。 2、雷电流的波前时间、陡度及波长、雷电流的波前时间、陡度及波长雷电流的波前时间雷电流的波前时间T1处于处于14s的范围内，平均的范围内，平均为为2.6s。波长。波长T2处于处于20100s的范围内，多数的范围内，多数为为40s左右。左右。 我国防雷设计采用我国防雷设计采用2.6/40s的波形；在绝缘的冲击的波形；在绝缘的冲击高压试验中，标准雷电冲击电压的波形定为高压试验中，标准雷电冲击电压的波形定为1.2/50s。雷电流波前的平均陡度为雷电流波前的平均陡度为3、雷电流的计算波形、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在防雷计算中，按不同要求采用不同的计算波形 2)cos1(tIi)(0tteeIi4、雷暴日及雷暴小时、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。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在一天内或一小时内只要听到一次雷声就作为一个个雷电日雷电日Td或一个或一个雷电小时雷电小时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多年平均值年平均雷暴日年平均雷暴日雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关地貌有关雷州半岛和海南岛，雷电活动强烈，平均达雷州半岛和海南岛，雷电活动强烈，平均达100100133133日；日；北回归线以南在北回归线以南在8080日以上（但台湾只有日以上（但台湾只有3030日）；长江以日）；长江以北大部在北大部在20204040日；西北多数在日；西北多数在2020日以下，但西藏高达日以下，但西藏高达50508080日。京、沪、宁、汉、成都、呼约为日。京、沪、宁、汉、成都、呼约为4040日；沈、日；沈、津、济、郑大约为津、济、郑大约为3030日；穗、昆、南宁为日；穗、昆、南宁为70708080日。日。5、地面落雷密度和输电线路落雷次数、地面落雷密度和输电线路落雷次数地面落雷密度地面落雷密度指每个雷电日每平方公里的地面上指每个雷电日每平方公里的地面上的平均落雷次数（单位：次的平均落雷次数（单位：次/平方公里平方公里雷电日）雷电日）我国标准对我国标准对Td=40的的地区，取地区，取输电线路年平均遭受雷击的次数输电线路年平均遭受雷击的次数ThN100100010单位：次单位：次/100公里公里年年运行经验表明：运行经验表明：土壤电阻率土壤电阻率 较周围土地小得多较周围土地小得多的场地的场地、山谷间的小河旁山谷间的小河旁、迎风的山坡等迎风的山坡等，地面，地面落雷密度远大于平均值，称为落雷密度远大于平均值，称为易击区易击区。变电站或。变电站或线路选址时应考虑避开这些地区。线路选址时应考虑避开这些地区。 6、雷电通道的波阻抗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，称为条分布参数线路，具有某一等值波阻抗，称为雷道雷道波阻抗波阻抗。 主放电过程可看作是一个电流波沿着波阻抗为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。的雷道投射到雷击点的波过程。 我国有关规程建议取我国有关规程建议取7、雷电的极性、雷电的极性负极性雷击均占负极性雷击均占7590%，对设备绝缘危害较大，对设备绝缘危害较大，防雷计算中一般均按负极性考虑。防雷计算中一般均按负极性考虑。三、雷电冲击电压下气体的击穿三、雷电冲击电压下气体的击穿 （一）冲击波形及特点（一）冲击波形及特点冲击波：冲击波：雷电冲击雷电冲击 操作冲击操作冲击标准雷电波：标准雷电波： IEC和国标规定：和国标规定：T1=1.2s30T2=50s20%一般写为一般写为1.20/50 特点：特点： 高幅值、高陡度、短时间高幅值、高陡度、短时间 标准雷电冲击电压波标准雷电冲击电压波T1视在波前时间视在波前时间T2视在半峰值时间视在半峰值时间（二）冲击放电特点（二）冲击放电特点足够大的电场强度或足够高的电压。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。电子。 需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。1 1、完成气隙击穿的三个必备条件：、完成气隙击穿的三个必备条件：完成击穿所需放电时间很短（微秒级）：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；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，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。因有效作用时间短，放电时间就变成一个重要因素。总放电时间总放电时间 tb=t0tstf2 2、放电时间的组成：、放电时间的组成：t1tstf 称为称为放电时延放电时延t0气隙在持续电压下的击穿气隙在持续电压下的击穿电压为电压为U0，为所加电压从，为所加电压从0上上升到升到U0的时间；的时间；ts从电压达到从电压达到U0瞬时起到气隙中出现第一个有效电子为瞬时起到气隙中出现第一个有效电子为止的时间称为止的时间称为统计时延。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，称为流注和主放电，最后完成气隙击穿需要的时间，称为放电放电形成时延。形成时延。短气隙中（短气隙中（1cm以下），特别是电场均匀时，以下），特别是电场均匀时，tfU0（三）伏秒特性（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。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。电压就等于静态击穿电压。对雷电冲击电压来说，电压变化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较大，击穿电压高于静态击穿电压；且击穿电压随时间而变。压；且击穿电压随时间而变。冲击击穿特性最好用冲击击穿特性最好用电压电压和和时间时间两个参量来表示，这种在两个参量来表示，这种在“电压时间电压时间”坐标平面上形成的曲线，通常称为坐标平面上形成的曲线，通常称为伏秒特性伏秒特性曲线曲线，它表示对某一冲击电压波形，该气隙的冲击击穿电压，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。与击穿时间的关系。1、伏秒特性及、伏秒特性及伏秒特性曲线伏秒特性曲线它可全面反映间隙在冲击电压下的击穿特性。它可全面反映间隙在冲击电压下的击穿特性。 保持冲击电压波形不变，逐级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，读取击穿电压值击穿电压波形，读取击穿电压值U与击穿时间与击穿时间t。 当电压不很高时击穿一般发生当电压不很高时击穿一般发生在波尾；当电压较高时，击穿百在波尾；当电压较高时，击穿百分比将达分比将达100100，放电时延大大，放电时延大大缩短，击穿一般发生在波前。缩短，击穿一般发生在波前。 当击穿发生在波前时，当击穿发生在波前时，U与与t均取击穿时的值；当击穿发生在均取击穿时的值；当击穿发生在波尾时，波尾时，U取波峰值，取波峰值，t取击穿时取击穿时间值。间值。2 2、伏秒特性曲线的测定、伏秒特性曲线的测定实际的伏秒特性曲线如下图所示，是以上、下包络线为界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。的带状区域。3 3、伏秒特性与电场的关系、伏秒特性与电场的关系随着时间的延伸，一切气隙随着时间的延伸，一切气隙的伏秒特性都趋于平坦，但的伏秒特性都趋于平坦，但特性曲线变平的时间却与气特性曲线变平的时间却与气隙的电场形式有较大关系：隙的电场形式有较大关系： 极不均匀电场：平均击穿场极不均匀电场：平均击穿场 强低，放电时延长，曲线上翘；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，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，放电时延短， 曲线平坦。曲线平坦。电场越均匀，电场越均匀，“V-S”V-S”越平。越平。4 4、伏秒特性的应用、伏秒特性的应用? 电气设备的绝缘配合电气设备的绝缘配合要求要求 曲线尽量相似曲线尽量相似 力求平坦力求平坦 因此在避雷器等保护装置中，放电间隙宜采用均匀电场，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。确保在各种电压下保护装置伏秒特性低于被保护设备。（四）（四）雷电冲击雷电冲击5050击穿电压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，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。但求取繁琐。在工程实际中常采用在工程实际中常采用5050冲击击穿电压（冲击击穿电压（U50%）来表征）来表征气隙的基本冲击击穿特性。气隙的基本冲击击穿特性。定义：定义：在多次施加某一波形和峰值一定的冲击电压时，在多次施加某一波形和峰值一定的冲击电压时，间隙被击穿概率为间隙被击穿概率为50时的击穿电压。时的击穿电压。实际中，施加实际中，施加10次电压中有次电压中有4-6次击穿了，这一电压即可次击穿了，这一电压即可认为是认为是5050冲击击穿电压。冲击击穿电压。特点：特点：思考作业思考作业6-3、2-101(2)(2)在极不均匀电场中，由于放电时延较长，其冲击系数在极不均匀电场中，由于放电时延较长，其冲击系数 (1)(1)在均匀和稍不均匀场中，击穿电压分散在均匀和稍不均匀场中，击穿电压分散 性小。性小。冲击系数冲击系数，击穿电压分散性也较大。，击穿电压分散性也较大。1050UU