高电压技术第5章雷电及防雷设备1.pdf

第5章雷电及防雷设备

研究雷电过电压的必要性：

雷电现象极为频繁，产生的雷电过电压

可达数千kV，足以使电气设备绝缘发生

闪络和损坏，引起停电事故。

有必要理解雷电产生的原因、过程及参

数，以理解防雷原理及设计防雷设备。

有必要对输电线路、发电厂和变电所的

电气装置的采取防雷保护措施。

5.1雷电的电气参数

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。

5.1.1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。

雷云的形成过程是综合性的。

强气流将云中的水滴吹裂时，较大的残滴

带正电，较小的水珠带负电，小水珠被气流带

走，于是云的各部分带有不同的电荷，这是水

滴破裂效应。

水在结冰时，冰粒会带正电，没有结冰的

被风吹走小水珠将带负电，这是水滴结冰效应。

最后形成带正电的云粒子在云的上部，而负电的

水成物在云的下部，或者带负电的水成物以雨或雹

的形式下降到地面。当上面所讲的带电云层一经形

成，就形成雷云空间电场。

由此可见，雷电的成因源于大气的运动。

5.1.2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

1

：

主

电

子

崩

；

2

：

二

次

电

子

崩

；

3

：

流

注

图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

5.1.3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

充电的垂直导线突然与被击物体接通来模拟。

图雷击大地时的计算模型

(a)模拟先导放电(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，如下图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，如下图（b）所

示。