|
摘 要] 近来一些刊物上争议雷电流波形8/20μs和10/350μs谁是雷电流标准波形?本文介绍了将笔者收集到国内外观测的雷电放电基本特性和参数以及防雷保护计算中推荐的应用数值。
[关键词] 雷电放电 雷电流 雷电压
近来在《雷电防护与标准化》、《防雷世界》、《中国雷电与防护》等杂志上刊登了人工冲击电流波形8/20μs和10/350μs的争议文章，究竟哪种波形符合自然雷电流波形？笔者将自己收集到的国内外在防雷保护计算中雷电放电基本特性和参数全面介绍如下，读者可从中得到判断。
1、关于雷电放电简述
雷云是电荷载体。雷电是云团之间，或云团内部，或云团对地的电荷放电现象。在地球上，平均每天发生800万次雷击。
雷云中的电荷分布是不均匀的，通常形成好多个电荷密集中心。每个电荷中心电荷约0.1～10C（库仑），而大块雷云同极性的总电荷可达数百库仑。
由于电荷分布不均匀引起不同极性云团之间和云与地之间产生强电场。造成闪电发生的条件，必须是该处电场强度超过了空气电气强度。
雷电放电是继续生长的先导形态，基本上是按电场电力线方向。实测结果表明，大部分雷电放电是云间或云内部进行的，只有小部分是对地发生的，雷云对地电位可高达数千万伏到上亿伏。对地的雷电放电中，90％概率是由对地负极性云团发生（这种放电通常称负极性的放电）。雷电先导的形成和继续发展是复杂物理过程。对其更详细了解，至今研究不够。所以在工程防雷计算应用中难免使用各种不同的雷电放电简化模型，对负极性放电先导中看作为储存负电荷通道。
雷云团中电荷，通常在它底下的地表面上或地面突出物体（架空线路杆塔、避雷针线、导线、建筑物等）感应电荷。当云团中电荷密集处的电场强度达到临界水平，产生雷电先导。由雷云中先导发展至地面时间约几个毫秒。光学照片显示先导继续生长不是均匀的，是跳跃式的或迈步式的，向地频繁迈步前进，即走一段停一会，再走一段，再停会儿。每级的长度为10—200m，每级停歇时间为10—100μs，先导每给发展速度约为107m/s，延续时间约1μs。先导中心的线电荷密度为（0.1～1）·10－3C/m，先导的电晕半径约0.6—6m。它有一个向下伸展的电荷囊，相应先导发展时的电流约为100A，先导中的纵向电位梯度约为100—500kV/m。下行负先导在发展中会分成数支，这和空气原来随机存在的离子团有关。当下行先导接近地面上被击物时，地面上被击物（一般是较突出部分）会开始迎着它发出向上的迎面先导。迎面先导可以是一个，也可以是几个。当迎面先导与下行先导相遇时，就产生强烈的瞬间电荷中和效应，产生极大的放电电流，通常称其为“雷电流”，或称为“主放电电流”，并伴随有雷鸣和沿主放电通道中形成明亮光以及射线，这就是雷云放电的主放电阶段。
由地向云传播速度约为光速的十分之几。流经被击物的雷电流幅值与定位高度、先导电荷相关。这就可能获得电流与击距（抛球半径或滚球半径）之间的挂钩，但有很多参数不“真知”，一般推断，目前世界上有很多不同的击距与雷电流之间的关系计算公式。一般地说，雷电流愈大，击距愈长，如200kA以上，击距可能在200m及以上，雷电流15—20kA，击距可能为20—30m。
雷击时，主放电过程中，通常在同一通道中多重放电，含有多个脉冲。这是雷云中存在着多个电荷中心形成的。在第一电荷中心完成上述放电过程之后，可能引起第二、第三……电荷中心向第一电荷中心通道放电，经其入地。因此，雷击放电含多重放电，含多个脉冲波（冲击波），每个脉冲波（冲击波）相隔时间约0.6ms至0.8s，脉冲数目平均为2—3个，最多记录到42个。后续放电，是沿着第一次放电（第一脉冲）的游离通道进行的，自上向下顺利连续发展，没有先导的停歇现象，但主放电仍然是由下向上发展的。雷击多重放电总持续时间可达1秒，绝大多数的持续时间不超过0.3秒。一般地说，主放电脉冲雷电流幅值和陡度 ；第1次幅值比后续大，后续 比第一次大；脉冲波前是相当复杂形状。
防雷保护工程计算中，人为地进行加工处理，采用固定斜角波陡度来替代。实测放电脉冲幅值和陡度分散性很大。所以在防雷保护工程计算中采用第1脉冲和后续脉冲雷电流幅值和陡度不相关。现在，国际上对架空线路和变电所以及建筑物防雷保护计算中均应用第1脉冲和后续脉冲参数进行评估。
图1中所示的为负下行雷过程。图1（a）为用高速摄像机拍得的光学照片描绘图，图1（b）为相应的电流变化情况。
正雷云的下行雷过程与上述过程基本相同，但下行正先导的逐级发展是不明显的，其主放电有时有很长的波头时间（几百微秒）和很长的波尾时间（几千微秒）。
先导放电首先由地面发生并向上发展到雷云的上行雷，一般是在当地面有高耸的突出物时，不论雷云极性的正负，都可能发生负上行雷（此时雷云为正极性）的，上行先导是逐级发展，每级长度约5～18m。从总体上说，无壅⒏旱纳闲邢鹊嫉酱锢自剖保蚶自频牡嫉缧阅懿缓茫蟛糠植⑽拗鞣诺绻谭⑸?BR> 球雷是线状闪电时在切线方向上所形成的流动性发光球体。球雷的直径为20cm左右。球雷可能出现在天空中，也可能出现在地面附近，呈红、橙或黄色，常伴有嘶嘶声和特殊气味，存在时间可达3秒钟以上，随风滚动，速度约2m/s，最后会自动消失或遇到障碍物而爆炸。球雷可引起燃烧并使金属熔化，也可伤害人畜。防止球雷袭击的办法是关上门窗，或至少不形成穿堂风，以免球雷随风进入屋内。
2、雷电放电参数
雷电放电参数是防雷设计的重要依据。雷电放电参数包括主放电通道波阻、雷电流波形、雷电流幅值概率分布、雷电流陡度概率分布、雷电极性、重复放电次数及对地输送的电荷量等。
2.1 主放电通道波阻
主放电阶段雷电通道阻抗不是常值，是随通道电流增大而减小。这参数以等值阻抗ZM来表征，随雷电流幅值变化关系见图2(1)。
雷电通道阻抗计算值受流经被击物的雷电流幅值Iwt影响。Iwt可按下式计算：
式中：Iwt——流经被击物体的雷电流幅值，kA；
IR=0——流经良好接地物体的雷电流幅值，kA；
ZM——主放电阶段雷电通道阻抗，Ω；见图2；
Zdx——被击物体等值阻抗，Ω；例如，雷击架空线路导线时为Zdx= Zda/2；
Zda——架空线路导线波阻，Ω。
在计算事件的大多数中，ZM应用等于无穷大，这时Iwt=IR=0，这就相当认为雷电通道是电流源。在ZM=∞时，架空线路耐雷指标计算，给出在雷电绕击导线时的雷击导线跳闸次数计算时储备很小。按图2中所ZM精确值，雷击架空线路导线时的电流阈值计算获得的电压等级在500kV及以上，这说明绕击是雷击跳闸主要原因。
2.2 雷电流波形
世界各国测得的对地放电雷电流波形基本一致，多数是单极性重复脉冲波，少数为较小的负过冲，一次雷击放电过程常常包含多次先导至主放电的过程（分别第一次放电和随后放电）和后续电流。注意这点，对考核各种防雷保护器通流能量是很重要的。实际是通过防雷保护器雷电流为一连串的几百微秒波长的脉冲。
K·贝格尔（K·Berger）等人在圣萨尔瓦托观测站测得大量雷电流波形图，图3、4、5分别为第一次放电，正极性放电和随后负放电的电流波形，它们之间有明显的区别。第一次负放电电流波形较长，在峰值附近有明显的双峰；随后放电电流波形的波头较短，没有双峰，电流陡度远大于第一次放电（即第一次脉冲），而电流幅值约为第一次放电的一半。随后放电，约有一半存在连续的后续电流，至少持续40ms，电流从数十安到五百安。
典型的雷电流波形通常用双指数来描述
i(t)=IM(e－αt－e－βt)（2）
式中：IM为雷电流（脉冲）幅值。
综合各国观测结果，一次雷击（闪电）有多次雷电流脉冲，一般2－3个，最多记录到42个，多数是单极性的重复脉冲，约85％的雷电流（脉冲）波头长度在1－5μs，平均为2.6μs。雷电流（脉冲）波长在20－350μs。所以在工程上选用，视其敏感性，例如DL/T620——1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中，在计算杆塔反击耐雷水平时采用雷电流波形为2.6/50μs，但在计算杆塔及反击时沿导线侵入变电所雷电波形，在闪络点导线上雷电波头近似直角波，与直击雷电流波头关系不大，主要是闪络截波，从偏严考虑，波尾较长，这样仅波头受沿导线传播时电晕衰减影响，波幅值不受影响。在考核避雷器残压时用陡波头（0.9～1.1μs）；而考核避雷器动作负载时，CIGRE WG33－11的1999年报告中建议用100/200μs波形来代替现行的8/20μs。总之，雷电流波形选用视具体情况而定。又如，有的工程计算时采用指数波，余弦波、斜角等等，这是数学运算方便关系。
2.3 雷电流幅值概率分布
某一次雷击的电流幅值是随机的，对大量实测的雷电流幅值进行统计分析，可得其概率分布曲线。不同地区的雷电流幅值概率分布是不同的，这主要与地区的纬度、地形、地貌、气象和雷暴强度有关。
图6中所示是K·贝格尔在圣萨尔托山（Mount san salvatore）上记录到101次负极性放电和26次正极性放电第一次放电电流幅值（脉冲）的概率分布；图7中所示是F·波波兰斯基（F.Popolansky）汇总了世界各地624次正、负极性第一次放电电流幅值（脉冲）的概率分布；图8中所示是J·G·安德生（J·G·Anderson）综合美国观测结果的雷电流幅值的概率分布。由图可见，概率曲线遵循对数正态分布规律。
中国电力行业标准DL/T620－1997(2)，综合了中国几十年观测结果，对雷暴日超过20的地区，雷电流幅值的概率分布推荐为
lgP=－I/88 （3）
式中：P为雷电流幅值超过I的概率；I为雷电流幅值，kA。对20雷暴日及以下地区。概率分布将减小，推荐为lgP=－I/44。
2.4 雷电流陡度概率分布
K·贝格尔在萨尔瓦托山的观测结果如图9中所示。法国电力公司（EDF）的C·H·GARY著《雷电和输电系统》（1984）中推荐的雷电流陡度概率分布如图10中所示。美国IEEE Std，142－1991标准推荐的雷电流陡度概率如图11中所示。
2.5 雷电流极性
当雷云电荷为正时，所发生的雷云放电为正极性放电，雷电流极性为正，反之，雷电流极性为负。实测统计资料表明，不同的地形地貌，雷电流正负极性比例不同，负极性所占比例在75％～90％之间。
2.6 俄99《导则》推荐架空线路和变电所防雷保护计算中使用的雷电参数
俄99《导则》(1)推荐架空线路和变电所防雷计算中使用的雷电参数，认为不应该用大综合的，应该使用在架空线路实测获得的雷电流分布。
架空线路耐雷强度计算，通常仅考虑雷电放电第1脉冲，这是因后续脉冲作用的闪络概率远低于第1脉冲的。但在某些特殊情况下，评估具有很大电感的杆塔耐雷强度时才考虑后续脉冲的（如多回单杆，跨江河的大跨越架空线路，等等）。
在雷电多重放电时，第1脉冲会在架空线路绝缘上产生过电压，而电流后续脉冲也会产生，但是，通常的继电保护动作时间和自动重合器（АПВ）（不小于1秒）时，在雷电多重放电时绝缘闪络完全可在架空线路一次跳闸中。
变电所防雷保护计算应考虑雷电多重放电的第1脉冲和后续脉冲。
雷电多重放电示波图研究结果中获得的统计分布，绘述成对数正态分布，其第1脉冲和后续脉冲参数如下：
·电流幅值I；
·在（0.1～0.9）Ⅰ段的电流波前陡度—A01；
·在（0.3～0.9）Ⅰ段的电流波前陡度—A03；
·电流波前最大陡度 ——Amax；
·电流脉冲下降至0.5I值的时间 ——τi;
·波前时间：在（0.1～0.9）Ⅰ段 ——τf01；
·在（0.3～0.9）Ⅰ段 ——τf03
雷电放电参数的对数正态分布特性（数学期望和变异系数σlgI）超过概率0.95；0.5和0.05的参数值，以及它的最大记录值见表1。
第1脉冲电流幅值，由不同国家在野外实测获得结果，列举了三种分布曲线（图12）；
＊ 国际大电网（CIGRE）第33学术委员会（SC－33）推荐——依据高塔测量结果的汇总分布；
＊ 两个分布是架空线路雷电流实测汇总分布，杆塔高度相差约20m。
对数正态定律参数与杆塔高度hgt的关系，可按如下方法选择；
在hgt≤20m时：
I=20，kA （4）
σlg=0.39（5）
在hgt>20m时：
I=20＋0.32(hgt－20), kA （6）
σlg=0.39－0.0028(hgt－20)（7）
超过Ii的雷电流幅值概率，可利用如下公式计算：
式中：——其大于0.5概率的雷电流幅值。
计算110kV及以上架空线路的雷击杆塔时耐雷强度，电流脉冲波前形状是一个原理性的数值；在陡波时，在波前上绝缘反击闪络概率最大。脉冲波前，相当复杂形状，不是常数陡度，在计算中考虑了下面情况，用固定（常数）斜角波陡度来替代。雷击杆塔时绝缘反击闪络是发生在雷电流值约30kA及以上的脉冲波前上。在雷电流幅值的平均值（20－30）kA时脉冲极大多数，这时刻已来到高于0.5I波前段，即波前开始段的波形不具有110－1150kV架空线路耐雷强度计算用的数值。计算脉冲应该是接近实际的高于0.5I段。这样情况满足了经0.3I至0.9I斜角波前要求，即A03定义要求。采用的计算脉冲雷电流陡度正态分布对数用下列值来估算：
第一脉冲 A1=10.8kA/μs;σlgA1=0.265（9）
后续脉冲A2=10.8kA/μs;σlgA2=0.4（10）
2.7 重复放电次数及对地输送的电荷量
在一个雷云单体中，常常有多个电荷密集中心，因此，一次雷云放电也常常包含多次放电脉冲，称多重放电。根据6000次实测统计，平均重复放电2～3次，最多42次。累计每次全放电过程对地输送电荷量称为放电电荷，每次闪击电荷的累积分布如图13和图14中所示。法国电力公司（EDF）和C·H·GARY推荐如图15中所示。
3、雷电活动与气象条件的关系
雷电活动的强度是因地区而异的，有的地区强，有的地区弱。某一地区的雷电活动强度，目前我国仍是用年平均雷电日这一数字来表示。我国年平均雷电日分布大体可以划分为四个区域：西北地区年平均雷电日一般在20日以下，全国最弱的是新疆地区，年平均雷电日最少，雷暴季节也最短，年平均雷电日一般在10日以下：长江以北地区(包括东北地区)年平均雷电日为20—40个日；长江以南地区(不含北纬23°以南地区)年雷电日为40—80个日；北纬23°以南地区年平均雷电日80以上，海南及雷洲半岛地区，是我国雷电活动最强地区，年平均雷电日高达120～130日。
我国雷电活动总的规律是；
(1)南方多于北方。也就是说越靠近赤道和热带地区，雷电活动就越强；越往北，也就是气温较冷，雨量较小的地区，雷电活动就较弱。
(2)山地多于平原。例如云贵高原、康藏高原等地区的雷电活动就比同纬度的其他地区强。此外，我国山地的雨量，一般比平原多。
(3)内陵多于沿海。在其他条件相同时，濒海或靠近大江大河的地区的雷电活动较其他地区较弱。
(4)在其他条件相同时，土壤电阻率较高的地区，雷电活动也较弱。例如，西北和内蒙古等沙漠地区，雷电活动就比同纬度的其他地区如华北、东北等地少很多。
(5)我国雷电活动移动的方向，在华北多自西北向东南；华中和西南是由东向西，夏季有从东方来者：华南方向比较不定。
年平均雷电日这数字只能给人们提供某一地区雷电活动的粗略概况。“雷电日”是按预报点在这一日里只要有一次雷暴来定义的，未表明在这一个雷电日内雷电活动持续多久或雷击密度，以及至报告点的距离和方向，或雷电放电是在云之间还是云对地。最近一些国家，例为美国和俄罗斯都致力在宽阔地区的实际量测的对地雷击密度分布图来替代传统雷电日(雷暴日)分布图。
雷电活动强弱程度与落雷概率是两个不同概念。事实上，即使是同一地区，雷电活动也是有所不同的。有的地方受局部气象条件的影响，雷电活动可能比邻近地方强得多。例如，在山区，向阳南坡落雷多于山背阴北坡；傍海的一面山坡落雷多于背海的另一面山坡；雷暴走廊与风向一致的地方生风口和顺风的河谷里落雷多于别的地方等等。这是因为山区地方受局部气象条件的影响更为显著缘故。
4、雷击的选择性和易击点
大量雷击统计资料和实验研究证明，雷击地点和建筑设施及房屋遭受雷击部位是有一定规律的，这些规律称为雷击的选择性或易击点。
雷电易击地突出物。例如：架空输电线路及其杆塔，发变电露天设施和厂房，类似的地面突出结构物体。这些雷击物，可能其上有金属良导体结构和半导体材料。
山区架空输电线路雷击跳闸率是很严重的。220kV新（安江）杭（州）Ⅰ回路全长119.4km，于1960年9月28日投运，1961年发生雷击跳闸7次，跳闸率达3.68次/百km年（40雷电日）。为此，自1962年起在线路多雷区和易击点加强防雷措施同时并在线路上安装了大量的磁钢棒进行测量记录，通过1962年至1988年的雷电流幅值测量记录和1961年至1994年线路雷击跳闸率分析指出：雷击有选择性，线路全长一半左右无雷击记录，多雷区和易击点约占全线三分之一。加强多雷区和易击点的防雷措施能显著降低雷击跳闸率。新杭Ⅰ回路的多雷区和易击点的地形，一般为山高、势陡、谷深、高差变化大，档距较长的地段；其地质，一般是两种或数种地质的交错处。
对山区架空线路的雷击选择性，国内外有很多文献介绍，图16和图17是雷击选择性现象图解和山区线路雷击情况图例。
发电厂、变电所设施和建筑物，特别是烟囱，易遭雷击。从烟囱中冒出热气柱和烟气有时含有少量的导电物质和游离的气团，它们比一般空气易于导电，等于加高了烟囱的高度，这是烟囱易遭雷击原因之一。
地面上建筑物的性质和形状对雷电的发展是有影响的。在高大建筑物的尖顶和边缘上电场强度最大，这是高耸突出的建筑物容易遭雷击的缘故。
在旷野，即使建筑物不高，也易遭雷击。在田野里供休息用的凉亭、草棚、水车棚、树木等遭雷击事例亦是很多的。这是：
（1）树、树皮层中含有水汽。
（2）木结构，表面潮湿，木材里残留水份，或里面有金属管或线。
（3）泥石结构，表面潮湿，或内壁含水份通道。
（4）钢筋混凝土结构。
这些半导体通道是足够允许传导向上接近云团反极性电荷的（先导放电电流），但他们是不足够允许流过一定主放电电流（雷电流）不发热或机构效应。因此，遭雷击时，枝皮“爆炸”了，石头和砖块被冲掉了。钢筋部件又未连接时必须是水泥块破裂。木结构多般是从含有水份那里产生蒸汽压力爆破。在雷击通道中的轻细的金属部件可能被雷电流磁应力扭歪。
根据文献(3)报导，从1954年至1984年调查到的雷击统计，如表2中所示。
雷击选择性还表现在建筑物遭受雷击的部位上，表3是将1954年至1984年的115次中，有关建筑部位的44次作为分析基础，其中击到房角和兽头的占45.5％，击到房脊的占27％，击到女儿墙和房檐的占20.5％，只有少数击到屋面。
从地质和地形上分析，雷电易击在金属矿床的地方，河岸、地下水出口处，山坡与稻田接壤的地方和具有不同电阻率土壤交界地方。
5、电力系统物体被雷击次数估算
至今，世界各国对电力系统物体（架空线路、变电所、建筑物等）的雷击次数都是间接地估算的。按其长、宽、高来推算等效地面面积。等效面积乘以对地雷击密度P0，获得该被击物雷击次数。
P0是指在一个持续期间内单位面积记录的雷击次数。俄54《导则》(4)和DL/T620—1997是以“雷暴日”数与P0相关来推算。
DL/T620—1997推荐，40个“雷暴日”地区P0取为0.07。40个“雷暴日”地区避雷线或导线对地平均高度为h（m）的架空线路，每100km40个“雷暴日”的雷击次数：
NL=0.28(b＋4h)（11）
式中：b—两根避雷线之间的距离，m。
俄99《导则》(1)改用“雷暴小时”与P0相关来推算。分对地平均高度hcp大于30m和30m及以下两种情况分别确定。
实测证明，“雷暴日”或“雷暴小时”与P0是弱相关。从第4节《雷击的选择性和易击点》论述中可知，目前世界各国所用的被击物的雷击次数是不精确的，这是设计时预计值与运行值不一致的重要原因之一。
6、雷电过电压
雷云放电时在导线或电气设备上所形成的过电压，称为雷电过电压，又称为外部过电压，或称为大气过电压。
雷电过电压分为直击雷过电压和感应雷过电压。雷电直击于电力系统（导线、设备）或设施或建筑物时产生的过电压称为直击雷过电压。直击雷过电压对任何电压等级（含百万伏电压等级）的线路和设备都可能产生危险。雷电击于导线或电气设备附近时，由于静电和电磁感应而在导线或电气设备上形成的过电压称为感应雷过电压。感应雷过电压通常只对35kV及以下等级的线路和设备构成威胁。
关于雷电过电压的防护，至今，国内外著名有识的专家的共识是：雷击是不能阻止其发生的，即无源不可消雷，也不能驱（拒）雷，只能拦截导引改变入大地路径。很好地设计和建设雷电过电压防护系统是能避免雷电过电压产生破坏后果。
雷电过电压防护系统（以下简称防雷保护系统）是一个系统工程。通常包含若干个子系统，也即若干道防线构成一个完整的防护系统。一般地说，防直击雷系统由避雷针（线）组成；防侵入波系统由分流、均压、等电位和限幅（避雷器、限压器、压敏电阻器、放电器、电容器等）组成。
参考文献
(1) 俄罗斯统一电力系统（ЕЭСРОССИИ）：《РУКОВОДСТВО ПО ЗАЩИТЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ》. РД153－34.3－35.125－99。Санкт－Петербург ИЗДатеяъство ПЭИПК, 1999
(2) 中华人民共和国电力行业标准DL/T620－1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》
(3) 王时煦，马宏达，陈首：建筑物防雷设计 中国建筑工业出版社，1985年
(4) 苏联电站和电工部：《РУКОВОДСТВО УКАЗАНИЯ ПО ЗАЩИ－ТЕ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ЭЛЕТРОТЕХНИЧЕСКИ－Х УСТАНОВОК ПЕРЕМННОГО ТОКА 3～220kB》 ГЗИ，1954
|
