雷电过程与雷电参数(精)

第五章 雷击放电特性及防雷装置5.1 雷电放电过程会引起破坏作用的雷云对地放电的绝大多数（80%以上）是负极性的。

雷电多重性（先导、主放电、余光放电）一、先导（梯级先导）第一次先导的梯级性是负先导本身的发展特点所决定的。

每一梯级长度平均50m ，梯级间歇时间10～100us 平均50us 。

cv 10001=先导通道具有良好的导电性，带有与雷云同极性的多余电荷 二、主放电、闪电、雷鸣、雷电的破坏性先导接近地面。

在漏道端部因出现高场强，使空气强烈电离而产生高密度的等离子区。

→自下而上，高电解的等离子体通道。

t=50～100us ，i =几十千安～几百千安201(=v ～21)c 温度 2万℃以上三、余光放电连续先导——直串先导5.2 雷电参数及雷电活动特性电流Rvi zz +=0σ，R<30Ω，雷电通道波阻抗Ω>3000z .即R 《z 0，则v i σ=雷击过电压dtdi L iR u ⋅+=我国“电力设备过电压保护设计技术规程” 1、雷电流峰值 108lg IP -= (式5-3)54lg IP -=，少雷区2、雷电流波形 波长时间2.6us 形状：斜角形usKA Idtdi a /6.2==（式5-4）半余弦波头)cos 1(2wt Ii -= （式5-5）3、雷电日 雷电小时强雷区 平均雷电日>90 多雷区 平均雷电日>40 少雷区 平均雷电日>154、落雷密度γ（每个雷电日每平方公里地面上的平均落雷次数） 0.015 次/⋅Km 2雷电日 次数 Th N ⨯⨯=100100010γ(Th b N ⨯⨯+=10010004γ次/100km 年)若T=40，γ=0.015代入则N=0.6h 次/⋅km 100年5.3 避雷针和避雷线（直击雷保护措施）我过规程推荐的保护范围是对应0.1%绕击率而言的。

绕击：雷电绕过避雷装置而击于被保护物的现象。

（屏蔽失效引起） 反击：避雷针与被保护物之间的间隙击穿。

雷云的产生和雷电放电过程1.1.1 雷电发生机理雷电是由雷云放电引起的，关于雷云的聚集和带电至今还没有令人满意的解释，目前比较普遍的看法是：热气流上升时冷凝产生冰晶，气流中的冰晶碰撞后分裂导致较轻的部分带负电荷并被风吹走形成大块的雷云；较重的部分带正电荷并可能凝聚成水滴下降，它们在重力作用下下落的速度大，并在下落过程中与其他水份粒子发生碰撞，结果一部分被另一水生成物捕获，增大水成物的体积，另一部分云粒子被反弹回去，这些反弹回去的云粒子通常带正电荷，悬浮在空中形成一些局部带正电的云区，而水生成物带上负电荷。

由于水成物下降的速度快，而云粒子的下降速度慢，因而正、负电荷的微粒逐惭分离，最后形成带正电的云粒在云的上部，而带负电的水成物在云的下部。

整块雷云里边可以有若干个电荷中心。

负电荷中心，离地大约500~10000m。

它在地面上感应出大量的正电荷。

随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度（大气中约为30kV/cm，有水滴存在时约为10kV/cm）时，就会发生云间或对大地的火花放电。

雷电放电包括雷云对大地，雷云对雷云和雷云内部的放电现象。

大多数雷云放电都是在雷点与雷云之间进行的，只有少数是对地进行的。

在防雷工程中，主要关心的是雷云对大地的放电，如图1-1所示。

图1-1云对地放电（用彩色）雷云对大地放电通常分为先导放电、主放电和辉光放电三个阶段。

云一地之间的线状雷电在开始时往往从雷云边缘向地面发展，以逐级推进方式向下发展。

每级长度约10~200m，每级的伸展速度约107m/s，各级之间有10~100µs的停歇，所以平均发展速度只有（1~8）×105m/s，这种放电称为先导放电，如图1-3所示。

当先导接近地面时，地面上一些高耸的物体（如塔尖或山顶）因周围电场强度达到了能使空气电离的程度，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（数十到数百千安），伴随着雷鸣和闪光，这就是雷电的主放电阶段。

雷电参数
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
雷电参数
雷电参数是防雷设计的重要依据之一。

雷电参数系指雷暴日、雷电流幅值、雷电流陡度、冲击过电压等电气参数。

1、雷暴日
只要一天之内能听到雷声的就算一个雷暴日。

通常说的雷暴日都是指一年内的平均雷暴日数，单位d/a。

我国把年平均雷暴日不超过15d/a的地区划为少雷区，超过40d/a划为多雷区。

2、雷电流幅值
雷电流幅值是指主放电时冲击电流的最大值。

雷电流幅值可达数十至数百千安。

3、雷电流陡度
雷电流陡度是指雷电流随时间上升的速度。

雷电流冲击波波头陡度可达到50kA/μs，平均陡度约为30kA/μs。

做防雷设计时，一般取波头形状为斜角波，时间按2.6μs考虑。

雷电流陡度越大，对电气设备造成的危害也越大。

4、雷击冲击过电压
雷击时的冲击过电压很高，直击雷冲击过电压可用下式表达：
式中，UD——直击雷冲击过电压；i——雷电流，kA；RIE——防雷接地装置的冲击接地电阻，Ω；di/dt——雷电流陡度，kA/μs；L——雷电流通路的电感，μH。

如通路长度D以m为单位，则L=1.3D。

显然，直击雷冲击过电压由两部分组成（如图所示）。

图直击雷冲击过电压
（a）斜角波（b）半余弦波前一部分决定于雷流的大小和雷电流通道的电阻；后一部分决定于雷电流通道的电感。

雷电的基础知识在带有不同电荷雷云之间，或在雷云及由其感应而生的不同电荷之间发生击穿放电，即为雷电。

雷电是自然界中一种特殊的、极为壮观的声、光、电现象—伴随有闪电和雷鸣的一种恐怖而雄伟壮观的自然现象。

一、雷电的成因及其特性参数⑴、雷云和雷电①雷云：能发生闪电的云为雷云。

层积云、雨层云、积云、积雨云均与闪电有关，其中积雨云则最为重要。

②闪电：积雨云形成过程中，在大气电场以及温差起电效应、破碎起电效应的同时作用下，正负电荷分别在云的不同部位积聚。

当电荷积聚到一定程度，就会在云与云之间或云与地之间发生放电，即“闪电”。

闪电的形状：枝状、球状、片状、带状。

闪电的形式有云天闪电、云间闪电、云地闪电。

⑵、雷电的成因①雷电：带有电荷的云层向下靠近地面时，地面上的凸出物、金属等，会被感应出异性电荷，随着电场强度的逐步增强，雷云向下形成下行先导，地面的物体形成向上闪流，两者相遇即形成对地放电。

②闪电：带负电荷的雷云在大地表面会感应出正电荷，这样雷云与大地间形成一个大的电容器，当电场强度超过大气被击穿的强度时，就发生了雷云与大地之间的放电，即常说的闪电，或者说是雷击。

③雷云放电过程：雷云——雷电先导——迎雷先导——主放电阶段——余辉放电⑶、雷电的特性参数①雷电日（T）：一年中发生雷电放电的天数，(衡量雷电活动频繁的程度)。

②雷电流：雷击电流大致呈单极性的脉冲波。

主要可采用三个参数来表示，即雷电流的幅值、波头时间和半幅值时间。

③雷电过电压：主要决定于雷电流陡度和雷电流通道的阻抗，它的大小可按下式来计算：U=IR+L （式中：I—雷电流幅值kA；i—随时间变化的雷电流kA；R—接地电阻Ω；L—雷电流通道的电感H）。

二、雷电的种类主要分为直击雷、感应雷、雷电波入侵、雷球、雷击电磁脉冲。

⑴、直击雷指雷电直接击在建筑物构架、动植物上，因电效应、热效应和机械效应等造成建筑物等损坏以及人员的伤亡。

⑵、感应雷感应雷也称为雷电感应或感应过电压。

第二部分雷电基础知识1 雷电的形成1.1 雷云形成的物理过程雷电是雷雨云之间或在云地之间产生的放电现象，雷雨云是产生雷电的先决条件。

雷雨云是对流云发展的成熟阶段，它往往是从积云发展起来的。

发展完整的对流云，可以分为以下三个阶段：（1）形成阶段：这一阶段主要是从淡积云向浓积云发展。

云的垂直尺度有较大的增长，云顶轮廓逐渐清楚，呈圆孤状或菜花形，云体耸立成塔状。

这样的云我们在盛夏常常看到。

在形成阶段中，云中全部为比较规则的上升气流，在云的中、上部为最大上升气流区。

上升气流的垂直廓线呈抛物线型。

在形成阶段，一般不会产生雷电。

（2）成熟阶段：从浓积云发展成积雨云，就伴随雷电活动和降水，这是成熟阶段的征象。

在成熟阶段，云除了有规则的上升气流外，同时也有系统性的下沉气流。

上升气流通常在云的移动方向的前部。

往往在云的右前侧观测到最强的上升气流。

上升气流一般在云的中、上部达到最大值，可以超过25-30米/秒。

（3）消散阶段：一阵电闪雷鸣、狂风暴雨之后，雷雨云就进入了消散阶段。

这时，云中已为有规则的下沉气流所控制。

云体逐渐崩溃，云上部很快演变成中、高云系，云底有时还有一些碎积云或碎层云。

1.2 雷云的电结构一块成熟的雷雨云，其顶部可以伸展到－40℃的高度（约l万米以上），而云底部的温度却在10℃以上。

在云中有水滴，过冷却水滴、雪晶、冰晶等。

在温度高于0℃的“暖层”的云中，全部是水滴（包括云滴）；在温度0至－8℃的云层中，有较多的过冷却水滴（温度低于0℃的水滴），也有一些雪晶、冰晶；在温度低于－20℃的云层中，云中基本上都是雪晶和冰晶。

在成熟阶段的雷雨云中，发生着非常复杂的微物理过程，在云的“暖层”，有水滴之间发生的重力碰撞，也有湍流碰撞和电声碰撞过程。

同时，有大水滴在气流作用下发生变形，破碎而产生“连锁反应”；还有由云的“冷层”中掉到“暖层”中来的大雪花、霰等的融化等。

在温度0℃至－20℃的云层中，水汽由液态往固态转移十分活跃，冰、雪晶的粘连，大冰晶破碎等也很频繁。