輸配電系統(tǒng)雷擊方式及放電路徑的研究

郭玉鋒 弓耀波（中石油天然氣股份有限公司玉門(mén)油田分公司煉油化工總廠配電車(chē)間，甘肅 玉門(mén) 735200）

輸配電系統(tǒng)雷擊方式及放電路徑的研究

郭玉鋒 弓耀波（中石油天然氣股份有限公司玉門(mén)油田分公司煉油化工總廠配電車(chē)間，甘肅 玉門(mén) 735200）

夏季的強(qiáng)對(duì)流天氣極易形成雷電，當(dāng)閃電擊中輸配電線路時(shí)會(huì)注入巨大的能量，而雷擊電流激波會(huì)通過(guò)輸電線路傳播使得過(guò)電壓保護(hù)繼電器動(dòng)作造成電力輸送的中斷，對(duì)供電品質(zhì)造成重大影響。本文將從雷擊形成的原因、雷擊放電路徑及雷擊分類三個(gè)方面分析不同雷擊現(xiàn)象對(duì)輸配電系統(tǒng)的影響，以更接近實(shí)際雷擊電流設(shè)計(jì)出合理的避雷設(shè)備。

雷擊方式；放電路徑；避雷設(shè)備；雷擊成因；雷擊突波

雷暴天氣在地球上常發(fā)生于赤道及熱帶地區(qū)夏季午后的強(qiáng)對(duì)流天氣，隨著雷暴天氣發(fā)生概率的增加，使得發(fā)生雷擊的次數(shù)相應(yīng)增加，本文通過(guò)分析雷電的閃絡(luò)路徑、極性定義四種不同的雷擊方式，并分析雷擊對(duì)于建筑物、用電設(shè)備及生物造成的傷害。

1 雷電云層的形成

當(dāng)?shù)乇硭蛛S著氣溫的升高被蒸發(fā)時(shí)，形成的上升氣流會(huì)在高空凝結(jié)形成積雨云層，暖空氣團(tuán)中夾帶著大量水蒸氣繼續(xù)在云層中上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)云層最上層時(shí)溫度約為-30℃，水蒸汽會(huì)凝結(jié)成冰粒。當(dāng)冰粒過(guò)大時(shí)會(huì)在重力作用下下落，在此冰粒上升與大冰粒下降的劇烈氣流擾動(dòng)過(guò)程中，正負(fù)電荷被分離并積存在云中，形成雷雨冰雹，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)及冰粒上升下降運(yùn)動(dòng)的持續(xù)，電荷不斷的積累。根據(jù)以往研究，一般雷云大小高度為8～12公里，上層為高密度的冷空氣，下層為潮濕的暖空氣。其中的冰晶(帶正電)及水蒸氣(帶負(fù)電)通過(guò)氣流的作用后，電荷就會(huì)被分離分布在雷云的特定位置。正電荷會(huì)分布在云上端，而負(fù)電荷則集中在下半部，并且一部分正電荷會(huì)散落在底端，整個(gè)云層就像一個(gè)上正下負(fù)的巨型蓄電池。

2 前道閃擊與回復(fù)閃擊

閃電看似是瞬間發(fā)生的現(xiàn)象，其實(shí)閃電的產(chǎn)生過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的。首先當(dāng)云層電荷持續(xù)累積的同時(shí)會(huì)通過(guò)感應(yīng)的方式，把地表中的異電荷吸引到附近區(qū)域(地表的電荷量與云層間的電荷量成正比)，如此該云層和地表就會(huì)有一個(gè)電勢(shì)差存在。由于空氣的絕緣特性，所以剛開(kāi)始不會(huì)放電。當(dāng)電勢(shì)大到足以破壞中間空氣的絕緣時(shí)，帶電云層會(huì)因電荷的作用將臨近空氣電離，使其具有導(dǎo)電能力。然后，電荷以步階方式逐漸向地面延伸，這一現(xiàn)象稱為前導(dǎo)步階閃擊。

當(dāng)前導(dǎo)步階閃擊逐漸接近地面時(shí)，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，物體曲率大的地方，等電位面密度、電廠強(qiáng)度劇增，致使內(nèi)部空氣會(huì)向上移動(dòng)與向下延伸的云層所帶電荷會(huì)和，這兩者連接時(shí)便形成電流通道，即產(chǎn)生正負(fù)電荷激烈的中和現(xiàn)象。這個(gè)過(guò)程時(shí)間為數(shù)微秒且發(fā)出極強(qiáng)烈的光。如果云層蓄積的能量足夠大時(shí)，云層內(nèi)會(huì)再釋放出類似前道閃擊的現(xiàn)象。沿著之前的回復(fù)閃擊路徑再發(fā)生第二次回復(fù)閃擊中和兩端能量。當(dāng)發(fā)生兩次以上的回復(fù)閃擊時(shí)，稱之為復(fù)擊雷電，當(dāng)出現(xiàn)多次復(fù)擊雷電時(shí)就形成了閃電。

3 放電路徑

閃電會(huì)以四種方式出現(xiàn)，分別為：云間放電、云對(duì)云放電、云對(duì)地放電(或地對(duì)云放電)以及云對(duì)大氣放電。一般而言雖然雪暴、沙暴或者是火山爆發(fā)都有可能發(fā)生閃電，但閃電大部分均來(lái)自雷暴。上述四種閃絡(luò)途徑以云對(duì)地的放電對(duì)我們影響最大，因?yàn)榫薮蟮哪芰繉⒅苯油高^(guò)建筑物或動(dòng)植物泄放到大地。將云對(duì)地的放電細(xì)分又可分由極性與方向歸類：正極雷、負(fù)極雷與上行雷、下行雷。極性的判別是由前導(dǎo)閃擊通道所攜帶的電荷極性決定的，方向則是由放電路徑中分叉方向判定。但不論哪一種極性，方向，雷擊對(duì)建筑物、用電設(shè)備及生物都會(huì)造成傷害。

4 雷擊分類

由于雷擊發(fā)生時(shí)，巨大的能量加注在物體上會(huì)造成明顯的傷害，但是快速中和能量的過(guò)程意味著空間中的電、磁場(chǎng)也會(huì)迅速變化，會(huì)使得臨近的金屬物品感應(yīng)電造成損害，因此如果以入侵的途徑分類，雷擊可細(xì)分為兩種：

①直接雷擊：指云對(duì)地的雷擊，直接透過(guò)建筑物、動(dòng)植物等形成對(duì)地的放電回路。因而使得建筑物、動(dòng)植物等同一阻抗的物體流過(guò)巨大電流，由雷電產(chǎn)生的電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等造成建筑物損壞以及人員傷亡。一般對(duì)于直接雷擊的防護(hù)是通過(guò)避雷針(即接閃絡(luò)器、引下線與接地棒)，構(gòu)成完整的電氣通路后將電流泄入大地。

②感應(yīng)雷擊：避雷針雖能降低直擊雷擊建筑物被擊中的概率與損壞程度，但雷電仍透過(guò)多種形式及途徑破壞電子設(shè)備，感應(yīng)電便是雷電在雷云之間或雷云對(duì)地的放電時(shí)，在附近的戶外傳輸信號(hào)線路、埋地電力線、設(shè)備間連接線和電磁感應(yīng)并侵入設(shè)備，使串聯(lián)在線路中間或終端的電子設(shè)備遭到損壞。感應(yīng)雷電雖然沒(méi)有直擊雷電猛烈，但其發(fā)生的概率比直擊雷電高的多，直擊雷電只會(huì)發(fā)生在雷云對(duì)地閃擊時(shí)才會(huì)對(duì)地面造成災(zāi)害，而感應(yīng)雷則不論雷云對(duì)地閃擊或者雷云對(duì)雷云之間的閃擊，都可能發(fā)生并造成災(zāi)害。此外，直擊雷一次只能一個(gè)小范圍目標(biāo)，而一次的閃擊可以在較大的范圍內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)局部感應(yīng)雷過(guò)電壓現(xiàn)象，并且這種感應(yīng)高壓可以通過(guò)電力線，電話線等傳輸?shù)暮苓h(yuǎn)，致使危害范圍擴(kuò)大。

5 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)雷電云層的形成進(jìn)行了分析，得到了雷電云層中電荷的分布情況。在此基礎(chǔ)上，對(duì)閃電現(xiàn)象的形成進(jìn)行了分析，著重的構(gòu)成閃電的前道閃擊與回復(fù)閃擊之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，并對(duì)云間的擊中放電方式及放電路徑進(jìn)行了闡述。最后，本文對(duì)雷擊的分類進(jìn)行了探討，著重分析直接雷擊及感應(yīng)雷擊的區(qū)別及危害，以此為防雷、避雷設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。