110kv牵引变电所防雷接地设计

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1、高 等 教 育 自 学 考 试毕 业 论 文110kv牵引变电所防雷接地设计丁永杰专 业： 轨道交通供电 主考学校：兰州交通大学 准考证号： 指导教师姓名职称： 王云松 讲师 甘肃省高等教育自学考试办公室印制2013年 4 月 26 日供电专业本科论文XX专业 110kv牵引变电所防雷接地设计110kv traction substation lightning protection and grounding design丁永杰dingyongjie兰州交通大学自考本科毕业论文摘 要变电所是电力系统重要组成部分，因此，它是防雷的重要保护部位。雷电具有很强的危害性，因此应该重视牵引变电所雷电的

2、防护。如果变电所发生雷击事故，将造成大面积的停电，给社会生产和人民生活带来不便，这就要求防雷措施必须十分可靠。变电所是电力系统防雷的重要保护，如果发生雷击事故，将造成大面积的停电，严重影响社会生产和人民生活。所以变电所的防雷措施必须十分可靠。变电所遭受雷击的来源及解决方案 (1)雷击的来源。一是雷直击于变电所的设备上；二是架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所。 (2)变电所对于直击雷的保护一般采取装设避雷针或采用沿变电所进线段一定距离内架设避雷线的方法解决。 (3)架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所，是导致变电所雷害的主要原因，若不

3、采取防护措施，势必造成变电所电气设备绝缘损坏，引发事故。在变电所内装设避雷器的目的在于限制入侵雷电波的幅值，使电气设备的过电压不致于超过其冲击耐压值。而变电所的进线段上装设保护段的主要目的，在于限制流经避雷器的雷电流幅值及入侵雷电波的陡度。（4）变电所装设避雷针的原则 所有被保护设备均应处于避雷针(线)的保护范围之内，以免遭受雷击。 当雷击避雷针时，避雷针对地面的电位可能很高，如它们与被保护电气设备之间的绝缘距离不够，就有可能在避雷针遭受雷击后，使避雷针与被保护设备之间发生放电现象，这种现象叫反击。此时避雷针仍能将雷电波的高电位加至被保护的电气设备上，造成事故。不发生反击事故的避雷针与电气设备

4、之间的距离称为避雷针与电气设备之间防雷最小距离。（5）雷击避雷针时，雷电流流经避雷针及其接地装置，为了防止避雷针与被保护设备或构架之间的空气间隙被击穿而造成反击事故，空气间隙必须大于最小安全净距。 为了防止避雷针接地装置与被保护设备或构架之间在土壤中的间隙被击穿而造成反击事故，空气间隙必须大于最小安全净距。（6）对于35kV及以下的变电所，因其绝缘水平较低，必须装设独立的避雷针，并满足不发生反击的要求。 对于110kV以上的变电所，由于此类电压等级配电装置的绝缘水平较高，可以将避雷针直接装设在配电装置的构架上，因而雷击避雷针所产生的高电位不会造成电气设备的反击事故。装设避雷针的配电构架，应装设

5、辅助接地装置，该接地装置与变电所接地网的连接点，距主变压器的接地装置与变电所的接地网的连接点的电气距离不应小于15m。其作用是使雷击避雷器时，在避雷器接地装置上产生的高电位，沿接地网向变压器接地点传播的过程中逐渐衰减，使侵入的雷电波在达到变压器接地点时，不会造成变压器的反击事故。由于变压器的绝缘较弱，同时变压器又是变电所的重要设备，故不应在变压器的门型构架上装设避雷针。 由于变电所的配电装置至变电所出线的第一杆塔之间的距离可能比较大，如允许将杆塔上的避雷线引至变电所的构架上，这段导线将受到保护，比用避雷针保护经济。由于避雷线两端的分流作用，当雷击时，要比避雷针引起的电位升高小一些。因此，110

6、kV及以上的配电装置，可将线路避雷线引接至出线门型构架上，但土壤电阻率大于1000m的地区，应装设集中接地装置。对于3560kV配电装置，土壤电阻率不大于500m的地区，允许将线路的避雷线引接至出线门型构架上，但应装设集中接地装置。当土壤电阻率大于500m时，避雷线应终止于线路终端杆塔，进变电所一档线路保护可用避雷针保护。牵引变压器的设计主要包括变压器的容量计算和技术指标的检测，设计必须符合高（低）压侧主接线的设计要求。绝缘设备的检验主要是关于电气设备的动稳定、热稳定性、开关设备的选型和校验，以及对室内外母线，各个支持绝缘子和穿墙套管，电压、电流互感器的选型和校验。另一部分主要内容是对牵引变电

7、所的防雷接地设计，包括避雷针、避雷线、避雷器以及接地系统的设计。牵引变压器的设计主要包括变压器的容量计算和技术指标的检测，设计必须符合高（低）压侧主接线的设计要求。绝缘设备的检验主要是关于电气设备的动稳定、热稳定性、开关设备的选型和校验，以及对室内外母线，各个支持绝缘子和穿墙套管，电压、电流互感器的选型和校验。另一部分主要内容是对牵引变电所的防雷接地设计，包括避雷针、避雷线、避雷器以及接地系统的设计。本文讲述了雷电、雷电压和雷电流的形成过程，并给出了雷电参数，阐述了防雷装置如避雷针、避雷器的防雷原理以及保护范围，给出了直击雷和感应雷的防护方案，介绍了目前我国牵引变电所防雷接地设计中常用的几种措

8、施，如：合理选择牵引变电所修建的地理位置，架设避雷针、敷设接地网，在进线段装设避雷器，同时对几种防雷措施进行了深入的论述和定量的计算分析。基于常用的防雷接地的设计方法，对110kv牵引变电所进行了详细的防雷接地设计。设计中，结合当地现状，综合考虑了气候、地形、环境等多种因素，给出了较好的防雷接地保护方案。通过对牵引变电所的防雷接地设计，全面剖析了电力系统中如何让提高牵引变电所的防雷水平，从而有效地降低牵引变电所的雷击事故，减少雷电对电网安全运行的影响。关键词：牵引变电所；防雷接地；雷电放电；雷电流论文类型：应用研究AbstractThe lightning has very strong ha

9、rmfulnesss we should pay attention to drawing the shelter of the lightning of transformer substation.Substation power system is important to the mine facilities, if lightning accident occurred, causing widespread power outages, and seriously affect the social production and peoples life .Therefore a

10、sked the substation lightning protection measures must be very reliable. Substation lightning source and solution method. (1) Lighting source. Direct lightning stroke to substation equipment; two is the overhead line lightning induced overvoltage and lightning over.voltage lightning wave intrusion f

11、ormed along the line of substation.(2)substation lightning protection for generally taken with a lightning rod or a substation incoming line within a certain distance of the lightning line method to solve erection.(3)the overhead line lightning induced overvoltage and lightning over.voltage lightnin

12、g wave intrusion formed along the transmission line substation, is the leading cause of substation lightning is the main reason ,if do not take protective measures, is bound to cause the substation electrical equipment insulation damage, cause an accident, In transformer substation arrester installe

13、d aims to limit intrusion of lightning wave amplitude, so that the electrical equipment of the over voltage not to exceed its impulse withstand voltage value. While the substation incoming lines installed protection section of the main purpose is to restrict the flow through the surge arrester, ligh

14、tning current amplitude and intrusion of lightning wave steepness. (4) Substation with a lightning rod principle all the protected equipment shall be kept in a lightning rod (wire) within the scope of protection, to avoid being struck by lightning. When the lightning arrester, lightning rod on groun

15、d potentials can be very high, as they and the protected electrical equipment struck by lightning, the lightning rod and protected equipment occurred between the discharge phenomenons, thisphenomenon is called back. The lightning arrester can still be lightning wave high potentials to the protected

16、electrical apparatus, causing the accident. No impact accidents lightning minimum distance between the electrical equipment.(5)lightning arrester, lightning current flowing through the lightning conductor and earthling device in order to prevent the lightning rod and the equipment being protected or

17、 framework of the air gap between the breakdown was caused by impact accident, air gap must be greater than the minimum distance of An Quanjing.In order to prevent lightning grounding device and the equipment being protected or between frames in soil of the gap breakdown caused by impact accident, a

18、ir gap must be greater than the minimum distance of An Quanjing.(6)for 35kv and below the power substation, because of its low insulation level, must be arranged independently of the lightning rod, and meet the requirements not counterattack.For more than 110kv substation, such as voltage grade powe

19、r distribution device insulation level is higher, can be directly installed on the distribution of lightning rod device structure, and lightning arrester of the resulting high potential does not cause electrical equipment against accidents. With a lightning rod for distribution frame, should install

20、 auxiliary grounding device, the grounding device of substation grounding grid connection point, away from the main transformer grounding device of substation grounding grid connection point electric distance shall not be less than 15m. Its role is to enable the lightning arrester, the arrester grou

21、nding device has high potential, along the grounding transformer ground to spread gradually in the process of decay, which penetrated the lightning in the transformer grounding, does not cause transformer strike accident. Due to the insulation of the transformer is weaker, at the same time the trans

22、former is the important equipment of substation, it should not be in the transformer type door frame is provided with a lightning arrester. As a result of substation power distribution device to substation outlet of the first tower distance may be relatively large, such as allowing the tower lightni

23、ng conductor of the lead to the substation framework; the conductor will be protected, than with lightning protection economy. The lightning lines at both ends of the shunt effect, when lightning strikes, than lightning induced potential rise of some small. Therefore, 110kV and above power distribut

24、ion device, lightning arrester line can be guided and connected to the outlet door type frame, but the soil resistivity greater than 1000 ohm m area, should be installed with a centralized grounding device. In 35 60kV soil resistivity distribution device, not more than 500 ohms m area, allowing the

25、line lightning wire guided and connected to the outlet door type frame, but should be installed with a centralized grounding device. When the soil resistivity greater than 500 ohm m, lightning conductors shall be terminated in line terminal tower, into a line of substation protection available for l

26、ightning rod protection. Traction transformer design mainly includes the transformer capacity calculation and testing indicators the design must accord with high (low) pressure side main wiring design requirements. Insulation equipment inspection is mainly about electrical equipment dynamic stabilit

27、y, thermal stability, switching equipment selection and validation, as well as indoor and outdoor bus, each support insulator and bushing current transformer, voltage, the selection and validation. Another part is the main content of the traction substation lightning protection and grounding design,

28、 including lightning, lightning, lightning arrester and the design of grounding system. Traction transformer design mainly includes the transformer capacity calculation and testing indicators; the design must accord with high (low) pressure side main wiring design requirements. Insulation equipment

29、inspection is mainly about electrical equipment dynamic stability, thermal stability, switching equipment selection and validation, as well as indoor and outdoor bus, each support insulator and bushing current transformer, voltage, the selection and validation .Another part is the main content of th

30、e traction substation lightning protection and grounding design, including lightning, lightning, lightning arrester and the design of grounding system. The traction transformer design includes transformer capacity computing and technology indicators testing, design must meet the high (low) pressure

31、side of the main connection of the design requirements. Insulation test equipment for electrical equipment mainly on the dynamic stability, thermal stability, switching equipment selection and validation, as well as indoor and outdoor bus, each supporting insulators and wall bushings, voltage, curre

32、nt transformer selection and check. Another part of the main content is the design of substation grounding lightning protection, including lightning, grounding wire, surge arresters and grounding system design.This text describes the lightning, thunder and lightning current voltage forming process,

33、and gives the lightning parameter, elaborated the lightning protection device, such as a lightning rod arrester lightning protection principle and the scope of protection, gives the thunder and lightning induction protection scheme, introduced at present our country traction substation lightning pro

34、tection and grounding design commonly used in several measures, such as: rational selection of traction substation building location, set lightning rod, laying grounding grid, into the line arrester installed, at the same time to several protection measures were discussed and the quantitative calcul

35、ation and analysis. Based on the commonly used in lightning protection and grounding design method, the 110kV traction substation are discussed in detail the design of lightning protection grounding. In the design, combined with the local situation, considering terrain, climate, environment and othe

36、r factors, has given the good grounding for lightning protection scheme. Based on the traction substation lightning protection and grounding design, comprehensive analysis of power system how to improve traction substation lightning protection level, thereby effectively reducing traction substation

37、lightning accident, reduce lightning influence on safe operation of power grid.Key words: traction substation; lightning protection; lightning currentType of thesis: Application Research- V -兰州交通大学自考本科毕业论文目录摘要I引言1一 雷21 雷电21.1 雷电的形成21.2 雷电的放电21.3 雷电放电过程21.3.1先导过程21.3.2主放电过程31.4雷电的危害31.5 雷电的防护32 雷电参数及

38、防雷装置42.1雷电参数62.1.1雷击时的等值电路62.1.2 雷电流72.1.3 雷暴日与雷暴小时92.1.4地面落雷密度103 防雷设备103.1保护原理103.2 保护范围10二 避雷器151 避雷器的分类及比较162阀式避雷器电气特性的基本参数193 金属氧化物避雷器电气特性参数204 避雷针和避雷线215.防雷接地的概述215.1防雷接地的发展概况215.2 接地与防雷接地22三 冲击电流流经接地装置入地时的基本现象221土壤中的电位分布222 土壤中的电场强度233 接地装置的电感效应及利用率234 防雷接地装置的形成及其电阻的算法245.牵引变电所防雷接地的必要性26四 110

39、KV牵引变电所防雷保护和接地设计271直击雷保护272雷电侵入波保护282.1保护措施282.2 避雷器的设置292. 3 变电站的保护293 110kv高压输电线路的防雷保护303.1 雷电对输电线路的危害303.2 线路雷击跳闸的两种主要表现形式303.3 线路雷击跳闸分析 303.4有避雷线的线路雷击跳闸率的确定323.5 有避雷线线路的雷击跳闸率324 牵引变电所进线段的保护335.牵引变电所内变压器的防雷接地保护365.1 双绕组变压器的防雷保护365.2 三绕组变压器的防雷保护365.3 自藕变压器的防雷保护 375.4变压器中性点的防雷保护38结论40致谢41参考文献42附 录4

40、3附 录 2.2 110kv变电站用氧化锌避雷器电气特性43引 言电力工业是国民经济的一项基础工业和国民经济发展的先行工业，它是一种将煤、石油、天然气、水能、核能、风能等一次能源转换成电能这个二次能源的工业，它为国民经济的其他各部门快速、稳定发展提供足够的动力，其发展水平是反映国家经济发展水平的重要标志。变电站是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。这就要求变电所的一次部分经济合理，二次部分安全可靠，只有这样变电所才能正常的运行工作，为国民经济服务。雷电(Lightning)是一种大气自然现象，对人类社会而言，雷电有时也会造成自然灾害。随着社会的发展，雷电给社造成的危害越来越严

41、重，同时雷电防护(Lightning Protection)科学技术也在人类认识自然、抵御自然灾害的过程中不断发展。全球任何时刻大约有2000个地点遏上雷暴，平均每天约发生800万次闪电，每次闪电在微秒级的瞬间释放出约55kW.h的能量。我们生存的环境既被动地接受自然灾害的侵袭，又能动地为灾害的形成和发展提供条件。从久远的过去开始，雷电就对人类、人类赖以生存的自然资源和人类创造的物质文明构成巨大的威胁，例如，森林火灾有50以上因雷电引发；人们居住生活的建筑物屡遭雷击破坏；电力、石化等工业设施常因雷击而发生灾难性事故。不难看出，雷电灾害的范围随社会经济发展而扩大，其表现形式随其范围扩大而复杂。伴

42、随电力系统中所用电气元件产品诸如断路器、继电器、隔离开关等性能指标的提高，变电站的功能也会越来越完善，可靠性也会得到很大的提高。因此，提高变电所防雷保护科技水平势在必行。一、雷1、雷电1.1 雷电的形成雷电放电是带电荷的雷云引起的放电现象，在某种大气和大地条件下，潮湿的热气流进入大气层冷凝而形成雷云，大气层中的雷云底部大多数带负电，它在地面上感应出大量的正电荷，这样，雷云和大地之间就形成了强大的电场，随着雷云的发展和运动，当空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度时，就会发生雷云之间或雷云对地的放电，形成雷电。按其发展方向可分为下行雷和上行雷。下行雷是在雷云产生并向大地发展的，上行雷是接地物

43、体顶部激发起，并向雷云方向发起的。主放电时电流可达数千安，最大可达 200 300kA。余辉,雷云中剩下的电荷继续沿主放电通道下移，称为余辉放电阶段。余辉放电电流仅数百安，但持续的时间可达 0.03 0.15 s。1.2 雷电放电雷电放电是由带电荷的雷云引起的放电现象。一般认为雷云是在某种大气和大地条件下，由强大的潮湿的热气流不断上升进入稀薄的大气层冷凝的结果。强烈的上升气流穿过云层，水滴被撞分裂带电。轻微的水沫带负电，被风吹得较高，形成大块的带负电的雷云；大滴水珠带正电，凝聚成雨下降，或悬浮在云中，形成一些带正电的区域。雷云的底部大多数是带负电，它在地面上会感应出大量的正电荷。这样，在带有大

44、量不同极性或不同数量电荷的雷云之间，或者雷云和大地之间就形成了强大的电场，其电位差可达几兆伏甚至几十兆伏。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时，就会发生雷云之间或雷云对地的放电。大多数雷电放电发生在雷云之间，对地面上的设备和建筑没有什么直接影响。雷云对地的放电虽占少数，但危害是十分严重的，是造成雷电事故的主要因素。要避免产生雷电事故，就必须对雷电的放电过程、活动规律和雷电参数加以研究。1.3 雷电放电过程按雷电发展的方向可区别为下行雷和上行雷两种。下行雷是在雷云产生并向大地发展的，上行雷是由接地物体顶部激发起，并向雷云方向发展的。雷电的极性是按照从雷云流人大地

45、的电荷的符号决定的。实测表明，不论地质情况如何，90左右是负极性雷。正极性雷和上行雷出现的机会较少，下面介绍最常见的下行负极性雷放电的特性。1.3.1、先导过程 雷云对大地的放电通常包括若干重复的放电过程，每次放电都由先导放电和主放电组成。图61(a)是由高速旋转的照相机摄下的负雷云对地放电的典型照片。 如图6l(a)所示，第一次从雷云向大地发展的先导有逐级跳跃发展的性质，叫梯级先导。每一级的长度为10一200m，平均50m，梯级间的间歇时间为10100s，平均50s，第一先导的传播速度为(18)XlO5ms，即约为光速的l1000左右。先导通道具有良好的导电性，因此带有与雷云同极性的负电荷。

46、雷云与先导的电荷在大地上感应出异号的正电荷，当电荷积累到一定程度时还会出现自下向上发展的逆先导。1.32 主放电过程 当先导发展到接近地面时，就在通道端部出现高场强，使空气强烈游离而产生高密度的等离子区。此区域沿先导通道自下而上迅速传播，形成一条高电导率的等离子体通道。使先导通道以及雷云中的电荷与大地的电荷相中和(需要注意的是，这里所说的“中和”并不一定指正、负离子复合，只要在每个很小的空间内，异号离子的浓度相同，就可以说是中和了)。这个过程就是主放电过程。主放电发展的速度比先导发展速度快得多，达到15X107一15X108ms(12012的光速)。1.4 雷电的危害 雷电是自然界存在的物理现

47、象，打雷是指带正负电荷的雷云之间或是带电荷的雷云对大地快速放电而产生的声和光。雷云之间正负电荷放电现象，就是我们平时看到天空闪光和随之而来的巨大隆隆声。天空打雷对现代微电子的电气设备有伤害，但对自然界生物和净化空气十分有好处。但是天空中带电荷的雷云对大地放电。这种强烈直击雷，不仅产生刺眼闪光和巨大雷声，而且打雷所产生的强大雷电流(几十KA几百KA)、炽热高温(600010000)。猛烈冲击波，对打雷附近的人畜生命安全造成严重威胁，使建筑房屋损坏，森林着火，石油、电力、气象、通信、航空航天建筑设施造成严重破坏。沿着雷电流流动方向，使周围数公里空间造成强大剧变电磁场，静电场和强烈电磁辐射等物理效应

48、。把感应出来雷电压、雷电流通过供电线路、信号线路和各种金属管线传到各家各户造成人员伤亡，特别对微电子设备(计算机、电视、通信设备、电气设备等)造成严重破坏，导致重大经济损失，打雷是年年重复发生的自然现象，根据有关方面统计资料报告，全球每年因雷电灾害造成的损失高达数十亿美元。我国每年因雷击造成伤亡人员达一万多人，造成的各种经济损失也达数亿人民币。1.5 雷电的防护雷电灾害年年有，我们人类对雷电防护认识和经验也是逐年提高。200多年前，美国科学家富兰克林发明了避雷针(实际上是引雷针，使雷电沿引雷针引入地下)，开创了人类雷电防护新纪元。由避雷针、避雷带、引下线、接地网构成了建筑防雷措施，大大减少了建

49、筑物因雷击造成的损失。随着科学技术发展，新型电子设备广泛应用，雷电流引起的感应雷击已成为电子时代的一大公害，上面提到全球每年因雷击造成经济损失达数十亿美元，电子设备损坏占绝大部分。因此，我国上世纪90年代就颁发了中华人民共和国国家标准建筑物防雷设计规范，同时通信、电力、广播电视、石油和铁路等电子产品密集部门，根据国家防雷规范，结合自身情况又制定出更加具体的行业防雷技术标准规范和要求。1999年我国又颁布中华人民共和国气象法，要求各级气象主管机构要统一领导协调全国对雷电灾害防御工作的组织管理。现代防雷技术原则是全方位防护，综合治理。把防雷减灾工程看作是一个系统工程。不但建筑物楼房要做好防雷电的直

50、接雷击，而且还要在供电线路、通信线路上做好防护，防止由雷电引起感应雷对我们各种各样电子设备(计算机、电视、通信设备、电气设备等)损坏。这方面防护首先尽可能将供电线路、通信线路由明线改为埋地电缆。由地下引到各楼内。其次，再在供电线路、信号线路上加装防雷器件，防止雷电流电磁感应而引起感应雷通过电源线、信号线传入电子设备，把电子设备损坏。第三，将建筑防雷地，供电交流接地，电气设备安全保护地和通信及计算机系统接地(也称逻辑接地)组成联合接地系统。雷击时，使和电子设备相连接的地都处在同一电位(消除地的电位差)。所有电气设备都应使用有安全保护地电源插座(若电源插座带有防过电压装置更好)。在防雷问题上我们大

51、家都要按照国家和行业规范去做，就可以确保建筑楼房、电子设备、人员的安全。另外，应大力宣传雷电防护知识，增强自我保护意识。打雷时，不在室外打手机，不要靠近高大建筑物，不在大树下避雨，不在公园靠近建筑物的防雷针、引下线旁坐着休息，就可以免除雷电对我们造成的意外伤害。雷电放电是由雷云引起的放电现象。所谓雷云是指带有电荷的云，云是如何带点的呢？地面的水分在太阳的照射下受热化为水蒸汽，形成上升的热气流。由于太阳不能直接使空气变热，所以空气每上升1km，温度就下降10。热气流上升到一定的高度后，因温度降低是水蒸气凝结成水滴，在足够冷的高空，水滴会进一步冷却成冰晶。水滴和冰晶因其复杂的电荷分离过程及强烈气流

52、的作用更使会形成带电的雷云。2 雷电参数及防雷装置雷电起源于云中水气的起点和同极性电荷的积累，带电的云块称为雷云，雷云是产生雷电的先决条件。所谓雷云是指带有电荷的云，云是如何带电的呢？地面的水分在太阳的照射下受热化为水蒸气，形成上升的热气流。由于太阳几乎不能直接使空气变热，所以空气每上升1km，温度约下降10。热气流上升到一定的高度后，因温度降低使水蒸气凝结成水滴，在足够冷的高空，水滴会进一步冷却成冰晶。水滴和冰晶因其复杂的电荷分离过程及强烈气流的作用便会形成带电的雷云。关于雷云带电的机理有很多种解释，但至今仍无统一变化。比较有代表性的理论主要有冻结起电、水滴分裂起电等。前者认为，水滴冻结时首

53、先从表面开始，表面形成冰壳后，内部在温差的作用下，水中的正离子移向水滴的表面层而使其带正电，留在水滴中心部分的则为负离子。当水滴的中心部分也结冰时，因结冰时的膨胀会使早先已结冰的表层破裂，带正电的碎片被气流带到云的上部，带负电的核心部分则留在云的中、下部。水滴分裂理论认为，强气流使云中水滴吹裂时，较大的水滴带正电，而较小的水滴带负电，小水滴同时被气流所携走。雷电的带电过程也可能是综合性的。实测表明，在510km的高度主要是正电荷的云层，在15km高度主要是负电荷的云层，但在云的底部也往往有一块不大区域的正点荷聚集。雷云中的电荷一般不是在云中均匀分布的，而是形成多个电荷密集区。雷电放电可能是在云

54、中两块异性的雷云尖发生，称之为云中放电。也可能是雷云对大地间放电，称之为云.地放电。这里主要介绍雷云雷云对地的放电，它是造成雷害的主要因素。从本质上讲雷电放电是一种超常间隙的火花放电，许多方面与金属电极间的长空气间隙的放电是相似的，但雷云的物理性质毕竟与金属电极不同，雷电放电有其自身的特点，例如雷电放电可自上而下发展（称为下行雷），也可自下而上发展（称为上行雷），主放电结束后有余光放电，放电还可能具有重复性等。雷云对地的放电通常包含若干次重复的放电过程，每次放电一般都由先导放电、主放电和余光放电三个主要阶段组成。第一次从雷云向大地发展的先导不是连续向下发展的，而是逐级向下推进的，其平均发展速度

55、较慢，相应的电流也较小（数十至数百安）。先导通道导电性能良好，因此带有与雷云同极性的多余电荷。雷云与先导在地面上感应出异号电荷。当先导接近地面时，会从地面较突出的部分发出向上的迎面先导。当迎面先导与下行先导相遇时便开始主放电过程，出现极大的电流（数十至数百千安），并伴随着雷鸣和闪光。主放电存在的时间极短，约50100us，速度要比先导的发展速度快得多。主放电过程是逆着负先导的通道由下向上发展的，主放电到达云端时主放电过程就结束了，然后云中的残余电荷经过主放电通道继续流向大地，称为余光放电。余光放电对应的电流不大（约数百安），但持续的时间却较长（0.030.15s）。雷电放电的重复性可能是因为云

56、中存在多个电荷密集中心。第一个电荷密积中心完成上述放电过程之后，可能会引起其他的电荷密积中心放电。第二次及以后的放电通常沿第一次放电的通道进行，由于该通道在下一次放电前没有充分去游离，所以第二次及以后的放电中先导是连续发展的。第二次及以后的主放电电流一般较小，但电流的上升速度要比第一次的大。以上为负云雷下行雷的放电发展过程。正云雷下行雷的放电过程与此基本相同，但下行正先导的逐级发展不明显。雷电的极性是指自雷云下行到大地的电荷极性。由于雷云的下部主要是负电荷的密积区，故绝大多数（90%左右）的雷击是负极性的。雷云电荷向下发展而形成的雷电放电称为下行雷，下面以下行雷为例来分析雷电放电3的三个阶段。

57、1)先导放电阶段雷云对大地有静电感应，在雷云电场下，大地感应出异种电荷，两者形成一个特殊的大电容器，随着雷云中电荷的逐步积累，空间的电场强度不断增大。当雷云中电荷密集处的电场强度达到空气击穿场强（2530kV/cm）时，就产生强烈的碰撞游离，形成指向大地的一段导电通道，称为雷电先导。先导放电不是连续向下发展的，而是一段接着一段地向前推进。2)主放电阶段当下行先导接近地面时，会从地面较突出的部分发出向上的迎面先导。当迎面先导与下行先导相遇时，便产生强烈的“中和”过程，引起极大的电流，这就是雷电的主放电阶段，伴随出现闪电和雷鸣现象。主放电阶段的特点是：（1） 主放电存在的时间极短，约为50100s

58、。（2） 电流极大，可达数十乃至数百千安。3)余光放电阶段主放电到达云端就结束了，然后云中残余电荷经主放电通道流下来，称为余光放电阶段。由于雷云中的电阻较大，余光放电阶段对应的电流不大（约数百安），持续时间则较长（0.030.05s）。雷云中的电荷分布是不均匀的，往往形成多个电荷密集中心，所以第一个电荷中心完成上述放电过程后，可能引起第二个、第三个甚至多个的中心向第一个中心放电，并沿原先的通道到达大地，因此雷电可能是多重性的。第二次及以后的主放电电流一般较小，不超过30kA。2.1雷电参数2.1.1雷击时的等值电路 雷击地面由先导放电转变为主放电的过程可以用一根已经充电的垂直导线突然于被击物体

59、接同来比拟，如图2.1（a）所示。图中是被击物体于大地（零地位）之间的阻抗，是先导放电通道中电荷的线密度，开关S未闭合之前相当于先导放电阶段。当先导通道到达地面或与地面目标上发出迎面先导相遇时，主放电即开始，相当于开关S合上。此时将有大量的正、负电荷沿先导通道逆向运动，并使其中来自雷云的负电贺中和，如图5.1（b）所示。与此同时，主放电电流即雷电流流过雷击点A并通过阻抗，此时A点电位u也突然升至。显然，电流的数值于先导通道的电荷密度及主放电的发展速度v有关，并且还受阻抗的影响。因为先导通道的电荷密度很难测定，主放电的发展速度也只能根据观测大体判断，唯一容易侧知的量是主放电以后（相当于S合上以后

60、）流过阻抗的电流。因此利用雷电放电过程简化成一个数学模型，进而用到彼德逊等值电路如图2.1(c)、(d)所示以求得比较统一的分析方法。图2.1(c)、(d)中为主放电通道的波阻抗。和则式从雷云向地面传来的行波的电压和电流。 (a)模拟电路 （b）主放电电路 （c）主放电通道电路 （d）等值电路图2.1 雷击放电计算模型2.1.2雷电流因为雷电波流经被击物体时的电流与被击物体的波阻抗有关，因此，我们把流经被击物体的波阻抗为零时的电流被定义为“雷电流”，用来表示。根据雷电放电的等值电路，可知流经被击物体的波阻抗为时的电流与雷电流的关系为： （2.1）目前，我国规程建议雷电通道的波阻抗为300400

61、。雷电流为一非周期的冲击波，它与气象、自然等条件有关，是一个随机变量。下面我们介绍它的幅值、波头、陡度、波长及其波形。1）幅值雷电流的幅值与气象、自然等条件等有关，只有通过大量实测才能正确估计其概率分布规律。我国现行标准推荐雷电流幅值分布的概率如下： （2.2）式中：为雷电流幅值，kA；为幅值大于的雷电概率。例如，当雷击时，出现大于88kA的雷电流幅值的概率p约为10%。 我国西北地区内蒙古等雷电活动较弱，雷电流幅值较小，可按下式计算： （2.3）2）波头、陡度及波长根据实测结果，雷电冲击波的波头是在15s的范围内变化，多为2.52.6s；波长在20100s的范围内，多数为50s左右。波头及波

62、长的长度变化范围很大，工程上根据不同情况的需要，规定出相应的波头于波长的时间。在线路防雷计算时，规程规定取雷电流波头的时间为2.6s，波长对防雷计算结果几乎无影响，为简化计算，一般可视为无限长。雷电流的幅值与波头，决定了雷电流的上升陡度，也就是雷电流随时间的变化率。雷电流的陡度对雷击过电压影响很大，也是一个常用参数。可认为雷电流的陡度与幅值I有线性关系，即幅值愈大，陡度愈大。一般认为陡度超过50kA/s的雷电流出现的概率已经很小了。3）波形实测结果表明，雷电流的幅值、陡度、波头、波尾虽然每次不同，但都是单极性的脉冲波，电力设备的绝缘强度实验和电力系统的防雷保护设计，要求将雷电流波形等值为典型化

63、、可用公式表达、便于计算的波形。常用的等值波形有三种，如图2.2所示。 （a） (b) (c)图2.2 雷击主放电时的电流波形图2.2（a）是标准冲击波，它可表示为。试中为某一固定电流值，、是两个常数，为作用时间。当被击物体的阻抗只是电阻R时，作用在R上的电压波形u于电流波形相同。双指数波形也用做冲击绝缘强度实验的标准电压波形。我过采用国际电工委员会（IEC）国际标准。图2.2(b)为斜角平顶波，其陡度可由给定的雷电流幅值I和波头时间决定，=I/在防雷保护计算中，雷电流波头采用2.6s。这样，可取为I/2.6kA/s.图2.2(c)为等值余弦波，雷电流波形的波头部分，接近半弦波，其表达式为 （2.4）式中： 为雷电流幅值，kA；为角频率，,为波头时间（2.6）。这种等值波形多用于分析雷电流波头的作用，因为用余弦函数波头计算雷电流通过电感支路时所引起的压降比较方便。此时最大陡度出现波头中间，即,其值为 （2.5）2.1.3雷暴日与雷暴小时由于地理条件及气象条件等因素的不同，各地雷电活动的强烈程度不大相同，因此在进行防雷