所以国际上习惯于把流经波阻抗为零(或接近于零)的被击物体的电流称为“雷电流”。
从其定义可以看出,雷电流i的幅值恰好等于沿通道Z0传来的流动电流波i0的幅值的两倍。
雷电放电有单通道放电,如图1-4所示,和多通道,如图1-5所示,先导放电是不规则的树枝状(如图1-4所示),但它还是具有分布参数的特征,作为粗略估计一般假设它是一个具有均匀电感、电容等分布参数的导电通道,即可以假设其波阻抗是均匀的。
图1-4单通道雷电放电过程(用彩色)
图1-5多通道雷电放电
雷电放电涉及气象、地貌等自然条件,随机性很大,关于雷电特性的诸参数因此具有统计的性质,需要通过大量实测才能确定,防雷保护设计的依据即来源于这些实测数据。
在防雷设计中,最关心的是雷电流波形、幅值分布及落雷密度等参数。
1.1.3雷电流幅值和波形
(1)幅值分布的概率
雷电流是单极性的脉冲波。
对一般地区,我国现行标准推荐雷电流幅值分布的概率如下:
(1-1)
其中,I为雷电流幅值(kA);P为幅值大于I的雷电流概率。
例如,当雷击时,出现幅值大于50kA雷电流的概率为33%,大于88kA的概率为10%。
该公式是从1025个有效的雷电流观测数据中归纳出来的。
对年雷暴日数小于20的地区(我国除陕南以外的西北地区、内蒙古的部分地区),雷电流幅值较小,P可按下式计算:
(1-2)
(2)波形和极性
虽然雷电流的幅值随各国气象条件相差很大,但各国测得的雷电流波形却是基本一致的。
根据实测统计,雷电流的波头时间大多为1~5µs,平均为2~2.5µs。
我国的防雷规程建议雷电流的波头时间取2.6µs,此时雷电流的平均波头陡度
与幅值成正比,即
kA/μs(1-3)
雷电流的波长大多为20~100µs,平均约为50µs,大于50µs的仅占18~30%。
因此,在保护计算中,雷电流的波形可以采用2.6/50µs的双指数波。
在线路防雷设计中,一般可取斜角平顶波头以简化计算,我国规程规定雷电波的波头时间采用2.6µs。
而在特高塔的防雷设计中,为更接近于实际,可取半余弦波头,其表达式为
(1-4)
其中,I为雷电流幅值;ω为角频率。
对半余弦波头,其最大陡度出现在t=τf/2时,其值为平均陡度的π/2倍。
根据国内外的实测统计,75~90%的雷电流是负极性的。
因此电气设备的防雷保护和绝缘配合一般都按负极性雷进行研究。
1.1.4雷暴日和雷暴小时
为了表征不同地区的雷电活动频繁程度,常用年平均雷暴日作为计量单位。
雷暴日是一年中有雷电的天数,在一天内只要听到雷声就算一个雷暴日。
我国各地雷暴日的多少和纬度及距海洋的远近有关。
海南岛及广东的雷州半岛雷电活动频繁而强烈,平均年雷暴日高达100~133。
北回归线(北纬23.5︒)以南一般在80以上(但台湾省只有30左右),北纬23.5︒到长江一带约为40~80,长江以北大部地区(包括东北)多在20~40,西北多在20以下。
西藏沿雅鲁藏布江一带约达50~80。
我国把年平均雷暴日不超过15的叫少雷区,超过40的叫多雷区,超过90的叫强雷区。
在防雷设计中,要根据雷暴日的多少因地制宜。
雷暴小时是一年中有雷暴的小时数,在一小时内只要听到雷声就算一个雷电小时。
据统计,我国大部分地区雷暴小时与雷暴日之比约为3。
我国规程建议采用雷暴日作为计算单位。
1.1.5地面落雷密度和输电线路落雷次数
雷暴日和雷暴小时中,包含了雷云之间的放电,而防雷实际中关心的是云—地之间的放电。
地面落雷密度表征了雷云对地放电的频繁程度,其定义为每平方公里每雷暴日的对地落雷次数,用γ表示。
世界各国根据各自的具体情况,γ的取值不同。
根据我国标准规定,对雷暴日T=40的地区,γ=0.07次/平方公里⋅雷暴日。
输电线路的存在,改变了雷云—地之间的电场分布,有引雷作用。
根据模拟试验及运行经验,线路每侧的引雷宽度为2h(h为避雷线的平均高度,m)。
因此,对雷暴日T=40地区,避雷线或导线平均高度为h的线路,每100km每年雷击的次数
次(1-5)
其中,b为两根避雷线之间的距离,m。
1.1.6雷电冲击电压作用下气体的击穿
由雷电造成冲击电压的幅值高、陡度大、作用时间极短,在冲击电压作用下空气间隙的击穿特性有着许多新的特点,并且雷电冲击电压与操作冲击电压下的特性也有很大不同。
下面我们讨论在雷电冲击电压下空气间隙的击穿特性。
一、雷电冲击电压标准波形
图1-6标准雷电冲击电压波形
为了检验绝缘耐受冲击电压的能力,在高压试验室中利用冲击电压发生器产生冲击电压,以模拟雷闪放电引起的过电压。
过去,各国、各地不同的实验室用各自产生的冲击电压进行试验,因为波形不同,击穿电压也不同,所得结果无法互相比较。
为使实验结果具有可比性和实用价值,国际电工委员会(IEC)规定了雷电冲击电压的标准波形参数。
标准波形是根据大量实测到的雷电冲击电压波形制订的。
如图1-6所示。
雷电冲击电压是非周期性指数衰减波,波形由波头时间和波尾时间加以确定。
由于波形的原点较为模糊,波峰附件较为平缓,因此波形的原点和波峰的位置不易确定,为此取幅值的0.3倍和0.9倍两点连成直线,这条直线与横坐标的交点定义为视在原点,这条直线的延长线与幅值的交点定义为波峰点,从视在原点到波峰点的时间定义为视在波头时间,从视在原点到幅值的一半所对于的点定义为视在波尾时间。
IEC规定:
视在波头时间T1=1.2μs,容许偏差±30%;视在波尾时间T2=50μs,容许偏差±20%;通常表示为
1.2/50μs波,±符号表示波的极性。
我国国家标准规定的波形参数与IEC相同。
二、放电时延
雷电冲击电压是变化速度很快、作用时间很短的波,其有效作用时间是以微秒计的。
实验表明:
对空气间隙施加冲击电压,要使间隙击穿不仅需要足够幅值的电压,有引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子,而且需要电压作用一定的时间让放电得以发展以至击穿。
设对间隙施加冲击电压,当经过时间t1后,电压升高到持续作用电压下的击穿电压Us(称为静态击穿电压)时,间隙并不立即击穿,而需要经过一定时间间隔tlag,才能击穿。
因这时间隙中可能尚未出现有效电子,间隙中受到外界因素的作用出现自由电子需要一定时间,从t1开始到间隙中出现第一个有效电子所需的时间ts称为统计时延,这一电子的出现的所需时间是具有统计性的。
从有效电子出现时刻起到产生电子崩、形成流注和发展到主放电,乃至间隙击穿完成所需的时间tf称为放电形成时延,它同样具有统计性。
所以,冲击放电所需的全部时间为
(1-6)
式中,
称为放电时延,记为tlag,它是统计时延和放电形成时延的总和。
图1-7冲击放电时间的组成
研究表明:
短间隙(几厘米内)中,特别是电场较均匀时,间隙中的电场到处都很强,放电发展速度快,放电形成时延短,此时ts>>tf,这种情况下tlag主要决定于ts。
为了减小ts,一方面可提高外施电压使气隙中出现有效电子的概率增加,另一方面可采用人工光源照射,使阴极释放出更多电子。
如用较小的球隙测冲击电压通常采取照射措施就是一例。
在较长间隙中,电场不均匀,局部场强高,出现有效电子的概率增加,统计时延短,放电时延往往主要决定于tf,且电场越不均匀tf越长。
三、雷电50%冲击击穿电压(U50%)
在持续电压作用下,当气体状态不变时,间隙距离一定,击穿电压就具有确定的数值,当间隙上所加电压达到击穿电压时,间隙就被击穿。
在冲击电压作用下,保持冲击电压波形不变,逐渐提高冲击电压的幅值,在幅值很低时,虽然多次重复施加冲击电压,但间隙均不击穿;随着幅值增高,间隙有时击穿而有时不击穿,这是因为随着外加电压的升高,放电时延缩短;当电压幅值增加到某一定值时,由于放电时延有分散性,对于较短的放电时延,击穿已有可能发生,而较长的放电时延,击穿则不发生。
也就是说,在多次施加同一电压值时,有时击穿,有时不击穿;随着电压幅值继续升高,间隙击穿的百分比越来越增加;最后,当电压超过某一值后,间隙百分之百击穿。
由于冲击电压作用下放电有分散性,所以很难准确得到一个使间隙击穿的最低电压值,因此工程上采用50%冲击击穿电压(U50%)来描述间隙的冲击击穿特性,即在多次施加同一电压时,用间隙击穿概率为50%的电压值来反映间隙的耐受冲击电压的特性。
图1-8“棒-棒”和“棒-板”长空气间隙的雷电50%冲击击穿电压和极间距离的关系
1-正极性“棒-板”;2-正极性“棒-棒”;3-负极性“棒-棒”;4-负极性“棒-板”;
采用50%冲击击穿电压决定绝缘距离时,应根据击穿电压分散性的大小,留有一定的裕度。
在均匀电场和稍不均匀电场中,击穿电压分散性小,其U50%和静态击穿电压Us相差不大,因此冲击系数β(U50%与Us之比)接近1。
而在极不均匀电场中,由于放电时延较长,其冲击系数β均大于1,击穿电压分散性也大一些,其标准偏差可取±3%。
实验表明:
“棒-棒”和“棒-板”在间隙距离不很大时(几百厘米内)的冲击击穿特性有极性效应,气隙距离较大时同样存在极性效应,图1-8给出了“棒-棒”和“棒-板”长空气间隙的雷电50%冲击击穿电压和极间距离的关系,可以看出:
“棒-板”气隙有明显的极性效应,“棒-棒”气隙也有极性效应。
四、伏秒特性
由于雷电冲击电压持续时间短,间隙的击穿存在放电时延现象,所以仅靠U50%冲击击穿电压来表征间隙击穿特性是不够的,还必须将击穿电压值与放电时间联系起来确定间隙的击穿特性,也就是伏秒特性,它是表征气隙击穿特性的另一种方法。
图1-9表示通过实验绘制气隙伏秒特性的方法,其步骤是保持间隙距离不变、保持冲击电压波形不变,逐级升高电压使气隙发生击穿,记录击穿电压波形,读取击穿电压值U与击穿时间t。
注意到当电压不很高时击穿一般在波尾时间发生,当电压很高时,击穿百分比将达100%,放电时间大大缩短,击穿可能在波头时间发生。
以图1-9三个坐标点为例说明绘制方法:
击穿发生在波前时,U与t均取击穿时的值(图中2、3坐标点);击穿发生在波尾时,U取波峰值,t取击穿时对应值(图中1坐标点);将1、2、3各点连接起来,即可得到伏秒特性曲线。
图1-9气隙伏秒特性曲线的绘制方法(虚线表示原始冲击电压波形)
图1-10伏秒特性带与50%伏秒特性
1-上包线,2-50%伏秒特性,3-下包线,4-U50%
间隙的伏秒特性曲线的形状与间隙中的电场分布有关。
在均匀电场和稍不均匀电场中,击穿时平均场强较高,放电发展较快,放电时延较短,伏秒特性曲线平坦;在极不均匀电场中,平均击穿场强较低,放电时延较长,放电分散性大,伏秒特性曲线较为陡峭。
实际上,放电时间有分散性,即在每级电压下可测得不同的放电时间,所以伏秒特性是如图1-10所示的以上、下包线为界的带状区域。
工程上为方便起见,通常用平均伏秒特性或50%伏秒特性曲线表征气隙的冲击击穿特性,在绝缘配合中伏秒特性具有重要意义。
图1-11表示被保护设备绝缘的伏秒特性1与保护间隙的伏秒特性2配合的情况,这种配合可达到完全保护,因为伏秒特性1的下包线时时都在伏秒特性2的上包线之上,即任何情况下保护间隙都会先动作从而保护了电气设备的绝缘。
为了节约被保护设备的绝缘造价,应使伏秒特性1与伏秒特性2的间隔不致过大,要求保护间隙2的伏秒特性低而平坦。
用伏秒特性表征气隙的冲击击穿特性较为全面和准确,但其制作相当费时。
在某些情况下,只用某一特定的,如50%冲击击穿电压值就够了。
图1-11伏秒特性的正确配合