雷电的形成与防护

雷电是由雷云（带电的云层）对地面建筑物及大地的自然放电引起的。在天气闷热潮湿的时候，地面上的水受热变为蒸汽，并且随地面的受热空气而上升，在空中与冷空气相遇，使上升的水蒸汽凝结成小水滴，形成积云。云中水滴受强烈气流吹袭，分裂为一些小水滴和大水滴，较大的水滴带正电荷，小水滴带负电荷。细微的水滴随风聚集形成了带负电的雷云；带正电的较大水滴常常向地面降落而形成雨，或悬浮在空中。由于静电感应，带负电的雷云，在大地表面感应有正电荷。这样雷云与大地间形成了一个大的电容器。当电场强度很大，超过大气的击穿强度时，即发生了雷云与大地间的放电，就是一般所说的雷击

雷电的形成

雷电是云内、云与云之间或云与大地之间的放电现象。夏季的午后，由于太阳辐射的作用，近地层空气温度升高，密度降低，产生上升运动，在上升过程中水汽不断冷却凝结成小水滴或冰晶粒子，形成云团，而上层空气密度相对较大，产生下沉运动，这样的上下运动形成对流。在对流过程中，云中的小水滴和冰晶粒子发生碰撞，吸附空气中游离的正离子或负离子，这样水滴和冰晶就分别带有正电荷和负电荷，一般情况下，正电荷在云的上层，负电荷在云的底层，这些正负电荷聚集到一定的量，就会产生电位差，当电位差达到一定程度，就会发生猛烈的放电现象，这就是雷电的形成过程。雷电电荷在放电过程中，产生很强的雷电电流，雷电电流将空气击穿，形成一个放电通道，出现的火光就是闪电。在放电通道中空气突然加热，体积膨胀形成爆炸的冲击波产生的声音就是雷声

雷电的危害雷电的危害雷电的危害 雷电就是巨大的电火花。雷电流总是选择距离最近、最易导电的路径向大地泄放，凡是空气中导电微粒较多、地面上高耸物体、地面与地下的电阻率较小的地段容易落雷。一般说来，地面导电性能好，有突出的高大物体等，都易遭受雷击。例如导电性能好的金属矿物质条件就比一般地质条件更易遭雷击；湿土的雷击机会就比干土、沙地和岩石地面要多；水面比旱地易遭雷击；高楼、烟囱这些突出建筑物就比平地易遭雷击；山地也比谷地易遭雷击。 直接被雷电击中会受伤害，但有时，即使未被雷电直接击中，由于离雷击点很近也会造成事故。这是因为强大的雷电电流向地里泄放时，由于地电阻的存在，使近雷击点处的电压值要比远离雷击点处的电压值大得多。因此，人若两脚分开站立，一脚离雷击点近，另一脚离雷击点远，就产生一定的电位差，这就是常说的“跨步电压”。一部分雷电电流由于“跨步电压”而流过人体，同样会造成伤害。 雷电灾害的严重性表现在它具有巨大的破坏性上。它给人类社会带来极大的危害，如造成人员伤亡、财产损失等。雷电灾害波及面广，人类社会活动、农业、林业、牧业、建筑、电力、通信、航空航天、交通运输、石油化工、金融证券等各行各业，几乎无所不及。

科技信息　。电力与能源０　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　２０１０年第１期　变电站雷电防护　黄晓波彭刚　（广东电网公司惠州供电局　广东　惠州　５１６１００）　【摘要】变电站雷击事故会对系统安全运行产生影响。文章总结了雷电放电的基本特性和参数．阐述了雷电能量进入变电站的不同方式　及其产生的危害，介绍了变电站直击雷、雷电侵入波的主要防护措施。总结了进线段和变压器的雷电防护措施，介绍了二次设备防雷设计的原　则和主要措施　【关键词】变电站；雷电防护；过电压；防护措施　变电站是电力系统的枢纽，由雷击造成的事故会引发大面积停　电。雷电是带电荷的雷云引起的放电现象，是过电压的一个重要产生　原因　】。因此，在变电站设计和运行中必须保证其雷电防护措施的可靠　性。　按照雷电能量进入变电站方式的不同，可以将雷击分为三种：　１）直击雷，指雷电直接击中变电所内构筑或电气设备的情况。如　直击雷直接击中高压设备，就会造成绕击事故，如击中避雷针或避雷　线，则会由于地点位设备的电位急剧升高而造成反击事故。另外，雷击　点处高幅值电流产生的热效应，会直接破坏构筑物。　２）雷电侵入波。当雷电在远方击中输电线路或输电线路附近地面　时，雷电能量会通过电导耦合、电磁感应或静电感应的方式进入输电　线路，并沿线传播进入变电站。线路经过地理范围广，雷击线路频繁．　因此雷电侵入波是造成变电站雷害事故的主要原因。侵入变电站的雷　电波幅值在一定程度上受到线路绝缘水平的限制。但由于线路绝缘水　平一般高于变电站，因此必须采用防护措施来削弱侵入波的幅值和陡　度，限制变电站内的过电压水平，避免电气设备发生雷害事故。　３）感应雷。当雷电击中变电站内或附近的构筑物时，会在周围空　间产生强烈的电磁场，能量会通过静电感应或电磁感应的方式进入变　电站二次系统，对二次设备的安全产生威胁。静电感应与静电场相关．　雷云底部分布的大量电荷会产生很强的静电场。静电场会使雷云下方　的地表面和导体感生出大量与雷云底部电荷符号相反的电荷，当雷云　放电后，静电场消失，导体上的电荷将向低电位方向流动．在导体中形　成浪涌电流。电流的幅值随雷云与导体距离增加而减小，随雷云电量　增加而增大。电磁感应与时变磁场相关，雷击发生时，电流会在雷电通　道周围产生幅值很高的脉冲磁场，这种磁场含有丰富的高频分量，会　在附近的导体上产生感应电动势或感生电流。这种作用随雷云与导体　距离增加而减弱，随雷电流增加而增强。感应雷的危害小于直击雷和　雷电侵入波，防护时主要考虑其对二次设备产生的影响。　针对雷电过电压的不同成因，应在变电站采用相应的措施进行保　护。变电站的一次设备和二次设备均可能遭受雷电危害，要针对不同　设备性质，采用合理的措施。　１　雷电放电基本特性　放电过程包括先导放电、主放电和余辉放电三个阶段．放电通常　是重复进行的，随着放电的次数增加而雷电流会逐渐减少。一个典型　的雷电放电将包括２～３次及以上的闪电，最多可达４Ｏ多次。每次闪电　之间相隔０．０３～０．０５ｓ的时间目　实测结果表明，雷电流是单极性的脉冲波，７５％～９０％为负极性，　大多数雷电流的幅值在１０ｋＡ～１００ｋＡ的范围之间，符合一定的概率分　布。我国推荐采用如下公式计算【　：　ｌｇＰ＝一　Ｉ　（１）　其中，，是雷电流幅值，ｋＡ；Ｐ是幅值大于等于，的雷电流概率，ｋ　为常数，一般取８８，对于雷电活动很弱的少雷地区，取４４进行计算。　根据大量实测数据表明。雷电流时间参数存在分散性，我国标准　建议设计中雷电流波头时间采用２．６ＦＬＳ（　），半波长时间采用５０￣ＬＳ　（　）。被击物体的电压波形与电流同相，我国采用ＩＥＣ标准，波头时间　１．２　ｓ，半波长时问５０ｐ；ｓ。　雷电日乃是表征雷电活动频繁程度的参数，与所处的纬度及距　海洋距离相关，北回归线以南为８Ｏ以上，长江以南到北回归线为４０～　８０，长江以北（包括华北东北地区）为２０～４０，西北地区多数在２０以　下。每雷电日每平方公里地面上平均落雷次数Ｙ可以用公式（２）计算。　０　３　ｙ＝０．０２３　（１）　Ｉｍ　髓９，柏　癌　娃ｌＩｍ　图１标准雷电流波形　Ｆｉｇ．１　Ｓｐｅｃｉｆｉｅｄ　ｗａｖｅ　ｓｈａｐｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｉｍｐｕｌｓｅ　２直击雷防护　为保护变电站电气设备及其他构筑物不受直接雷击，需要装设避　雷针或避雷线。避雷针的装设可分为独避雷针和构架避雷针两种。　对于３５ｋＶ变电站必须装有独立的避雷针，为保证雷击时避雷针　不因击穿而发生反击，要求避雷针与被保护设备距离不小于５ｍ，其相　应接地装置距离不小于３ｍ。对于１１０ｋＶ及以上的变电站，由于此类电　压等级配电装置的绝缘水平较高，在土壤电阻率不大于１０００１￣・Ｉｎ的　情况下，可以将避雷针直接装设在配电装置的架构上。装设避雷针的　构架应就近埋设辅助击中接地装置。该装置与变电站那节电网的连接　点与主变压器接地点间电气距离不应小于１５ｍｍ。　避雷线的保护原理与避雷针相同，引雷作用和保护宽度较小，但　纵向保护范围大，更方便和经济。近年来，国内外多采用避雷线保护　５００ｋＶ大型超高压变电站。避雷针在装设时同样要考虑与被保护设备　的安全距离问题。　为满足防雷措施的性能，变电站的接地网要严格按照ＤＬ／Ｔ６２１—　１９９７（（交流电气装置的接地》设计　，保证雷电流人地时不产生过高的　地点位升高，一般要求避雷针或避雷线工频接地电阻不大于１Ｏｎ。　避雷针的保护范围是其主要的设计参数，早期世界各国关于避雷　针保护范围的公式主要分折线法、曲线法、直线法三种，我国最早防雷　规范ＧＢＪ５７—８３　，采用“改进折线法”．这些方法有一个共同点——避　雷针越高，其保护范围越宽。　实践证明这与实际不完全符合．经过防雷科学工作者们的努力，　创造了“滚球法避雷针保护范围计算法”。“滚球法”是国际电工委员会　ｆＩＥＣ）推荐的接闪器保护范围计算方法之一，我国１９９４年新颁布的　ＧＢ５００５７—９４《建筑防雷设计规范》也采纳“滚球法”作为接闪器保护范　围的计算方法［０３。“滚球法”对接闪器的设置要求比“改进折线法”更为　严格。避雷线的保护范围可以采用与避雷针相似的方法计算。　３雷电侵入波防护　变电站对侵入波防护的主要措施是在其进线上装设避雷器。避雷　器包括四个主要类型：保护间隙、排气式避雷器、阀型避雷器和氧化锌　避雷器。阀型避雷器的基本元件为火花间隙和非线性电阻。目前．ＦＳ　３３１

雷击的危害和防护

雷电是一种大气中的放电现象，作为一种无法抑制的强大的自然力的爆发，不仅威胁着人类的生命安全，而且常使电力、航空、通信、建筑等许多部门遭到破坏。在正常运行时，电力系统电气设备的绝缘处于额定电压作用下。但是，由于雷击和操作等原因，电力系统中某些部分的电压可能升高， 甚至会大大超过正常状态下的数值。这种对电气设备绝缘造成危险的电压升高，称为过电压。按过电压产生的原因分为大气过电压（雷击过电压）和内部过电压两大类。。

1 .雷电的形成：大气中的水蒸气和地面的湿气受热上升， 在空中不同冷、热气团相遇，凝结成水滴或冰晶，形成积云。积云运动，使电荷发生分 离，亦即在上下气流的强烈摩擦和撞击下，形成带正、负不同电荷的积云，也称雷云。

云层中电荷越聚越多，就形成了正、负不同雷云间的强大电场。同时，由于静电感应， 带电的雷云临近地面时，对大地或电气设备将感应出与雷云极性相反的电荷，二者之间形成了一个巨大的“电容器” 。雷云中电荷积聚到足够数量时，电场强度达到 25~30kV / cm 时，就会使正、负雷云之间或雷云与大地之间的空气绝缘击穿，而发出先导放电， 当先导放电到达另一雷云或大地时，就产生强烈的“中和”作用，出现强大的电流，其值可达数十至数百千安。该电流称为雷电流，这一过程称为主放电过程。主放电的温度可达 20000 ℃ ，使周围的空气猛烈膨胀，并出现耀眼的光亮和巨响，称为雷电，亦即通常所说的雷鸣和闪电。主放电到达云端就已结束，然后，云中的残余电荷，经主放电通道下来与地上的电荷中和，称为余光放电过程。余光阶段的电流不大，但持续时间较长。由于云中可能同时存在几个电荷堆积中心，当第一个电荷中心的上述放电完成后， 可能引起第二个、第三个中心向第一个通道放电，因此，雷电往往是多重性的（约占 40 % ) ，放电的平均数约为三次，雷击总的持续时间一般不超过 0.5s 。

2 .雷电过电压的基本形式 ：分为直接雷过电压、感应雷过电压、侵人波过电压三种基本形式。 （1）直接雷过电压。 雷云直接击中房屋、杆塔、电力装置等物体时，强大的雷电流流过该物体而泄人大 地，在该物体上将产生很高的电压降，称为直接雷过电压。由于直接雷过电压幅值极高，是任何绝缘都无法直接承受的，因此必须采取有效的保护措施，通常用避雷针、 避雷线、 避雷带或避雷网进行防护。 （2）感应雷过电压。 当雷击设备或架空线路附近地面时，在设备或导线上由于静电感应和电磁感应而产 生的过电压，称为感应雷过电压。感应过电压对 35kV 及以下绝缘是危险的，应采取措施加以防 护，但对 110kV 及以上的设备，由于其绝缘的冲击耐压水平高于 500kV ，故没有危 险。 （3）侵人波过电压。 它是指由于架空线路或架空金属管道上遭受直接雷或感应雷而产生的高压冲击雷电荷，可能沿线路或管道侵人室内。据统计，在电力系统中，由于雷电波侵人而造成的雷害事故，约占雷害总数的一半以上。

雷电的形成、分类与危害

一、 雷电的形成

雷电是自然界中的一种放电现象。

雷电放电和一般电容器放电本质相同，所不同只是这个电容器两块极板，并不是人为制造的，而是自然形成的。两块极板有时是两块云块，有时一块是云块、另一块则是大地或地面上凸出的建筑物。并且这两块极板间的距离比电容器大得多，有时可达数公里。因此，可以说雷电是一种特殊的电容器放电现象。

大气中的饱和水蒸汽，由于气候的变化，发生上升或下降的对流，在对流过程中由于强烈的摩擦和碰撞，水蒸汽凝结成的水滴就被压分解成带有正负电荷的小水滴，大量的水滴聚积成带有不同电荷的雷云。随着电荷的积聚，雷云的电位逐渐升高。当带有不同电荷的两块雷云接近到一定程度时，两块雷云间的电场强度达到25-30kV/cm时，其间的空气绝缘被击穿，引起两块雷云间的击穿放电；当带电荷的云块接近地面时，由于静电感应，使大地感应出与雷云极性相反的电荷，当带电云块对地电场强度达到25-30kV/cm时，周围空气绝缘被击穿，雷云对大地发生击穿放电。放电时出现强烈耀眼的弧光，就是我们平时看到的闪电，闪电通道中大量的正负电荷瞬间中和，造成的雷电流高达数百千安，这一过程称为主放电，主放电时间仅30-50μs，放电波陡度高达50KA/μs ，主放电温度高达20000℃，使周围空气急剧加热，骤然膨胀而发生巨响，这就是我们平时听到的雷声。闪电和雷声的组合我们称为雷电。

由于声音传播的速度比光的传播速度要慢得多，所以我们总是先看到闪电，而后听到雷声。

雷电的特点是：电压高、电流大、频率高、时间短。

二、雷电的分类

（一） 直击雷

雷云对地面或地面上凸出物的直接放电，称为直击雷。也叫雷击。直击雷放电过程的展开图见图8-22。

雷云放电过程的展开图可以这样解释：当雷云对地面放电时，开始出现先驱放电，放电电流比较小，一经到达地面，就开始主放电，主放电由地面开始沿着先驱放电的通道直到云端，放电电流迅速增大。主放电时间很短，电流迅速衰减，以后是余光放电，电流变小。