新编电气工程师手册(三).pdf

第三十一章防雷保护与间接接触电击防护技术第一节雷电现象、种类和性质一、雷电现象及雷电的种类（一）雷电现象雷电是雷云之间或雷云对地面放电的一种自然现象。在雷雨季节里，地面上的水分受热变成水蒸气，并随热空气上升，在空气中与冷空气相遇，使上升气流中的水蒸气凝成水滴或冰晶，形成积云。云中的水滴受强烈气流的摩擦产生电荷，而且微小的水滴带负电，小水滴容易被气流带走形成带负电的云；较大的水滴留下来形成带正电的云。由于静电感应，带电的云层在大地表面会感应出与云块异性的电荷，当电场强度达到一定值时，即发生雷云与大地之间的放电；在两块异性电荷的雷云之间，当电场强度达到一定值时，便发生云层之间放电。放电时伴随着强烈的电光和声音，这就是雷电现象。雷云放电时，也是由于雷云中的电荷逐渐聚集增加使其电场强度达到一定程度时，周围空气的绝缘性能就被破坏，于是正雷云对负雷云之间或者雷云对地之间，发生强烈的放电现象。其中尤以雷云对地放电（直接雷击）对地表的供电网络和建筑物的破坏性最大。雷云是产生雷电的基本因素，而雷云的形成必须具有下列三个条件：!空气中有足够的水蒸气；#有使潮湿的空气能够有上升并凝结为水珠的气象或地形条件；$具有气流强烈持久地上升的条件。雷电过电压是由雷云放电产生的，它是一种壮观的自然现象，包括闪电和雷鸣两种现象，两者相伴出现，因而常称之为雷电。最常见的雷云有热雷云和锋面雷云两种。垂直上升的湿热气流升至#%&(高空时，湿热气流中的水分逐渐凝结成浮悬的小水滴，小水滴越聚越多形成大面积的乌黑色积云。若此类积云由于某种原因而带电荷则称为热雷云。此外，水平移动的气流因温度不同，当冷、热气团相遇时，冷气团的容度较大，推举热气团上升。在它们的广泛的交界面上，热气团中的水分突然受冷凝结成小水滴及冰晶而形成翻腾的积云，此类积云如带电荷称为锋面雷云。一般情况，锋面雷云波及的范围比热雷云大得多，可能有几公里甚至十几公里宽的大范围地区，流动的速度可高达每小时!)%#)(。因此，它所形成的雷电危害性也较大。雷云对地之间的电位是很高的，它对大地有静电感应。此时雷云下面的大地感应出异性的电荷，两者之间构成了一个巨大的空间电容器。雷云中或是在雷云对地之间，电场强度各处不一样。当雷云中任一电荷聚集中心处的电场强度达到#&%$)*+,(时，空气开始游离，成为导电性的通道，叫做雷电先导。雷电先导进展到离地面大约在!)%$)(高度时，地面受感应而聚集的异号电荷更加集中，特别是易于聚集在较突起或较高的地面突出物上，于是形成了迎雷先导，向空中的雷电先导快速接近。当两者接触时，这时地面的异-)!第四篇电气工程安全技术篇号电荷经过迎雷先导通道与雷电先导通道中的电荷发生强烈的中和，出现极大的电流并发出光和声，这就是雷电的主放电阶段。主放电阶段存在的时间极短，一般约!#$!%，电流可达数十万安。主放电阶段结束后，雷云中的残余电荷继续经放电通道入地，称为余辉阶段。余辉电流为$#$&，持续时间一般为(#$!%。雷云放电波形，见图($)$。图($)$雷云放电波形图由于雷云中可能同时存在着几个电荷聚集中心，所以第一个电荷聚集中心完成对地的放电后，紧接着第二个、第三个电荷聚集中心也可能沿第一次放电通道再次中和放电。因此雷云放电经常出现多重性，常见的为*#(次，每次的放电间隔时间从几百微秒到几百毫秒不等，放电电流都比第一次小得多，且逐次减小。雷电对电力系统而言，是一种极大的威胁。根据英国、美国、前苏联电力部门的统计数字，在所有电力系统中，破坏正常运行的事故，有!+#,+是由于大气过电压引起的。（二）雷电的种类雷电的种类可分为直击雷、感应雷、雷电波侵入及球雷四种。$直击雷有时雷云较低，周围又没有带异性电荷的云层，而在地面上突出的树木或建筑物等，感应出异性电荷，雷云就会通过这些物体与大地之间直接放电，这种直接击在建筑物或其他物体的雷击，称为直击雷。由于受直接雷击，被击物体产生很高的电位，而引起过电压，流过的雷电流可达几十千安甚至几百千安，对设备、架空线及建筑物产生极大的破坏作用，如架空线上产生几千千伏的高压后，会引起线路的闪络放电，发生短路事故，而且会波及变电所、发电厂，引起严重的后果。雷击放电大多数具有“重复放电”的性质。产生极大的雷电流，引起地面建筑物和其他物体的损坏，甚至发生爆炸和引起火灾。*感应雷感应雷又称雷电感应，它是由于雷电流的强大电场和磁场变化产生的静电感应和电磁感应引起的。它能造成金属部件之间产生电火花放电。静电感应的特点是，当雷云出现在导体的上空时，由于感应作用，使导体上感应带有与雷云的异性电荷，雷云放电时，在导体上的感应电荷得不到释放，致使导体与地面之间形成很高的电位差。电磁感应的特点是，由于雷电流的幅值和陡度迅速变化，在它周围的空间里，会产生强大的变化的电磁场，在其中的导体感应产生极大的电动