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油田分公司煉油化工總廠配電車間，甘肅 玉門 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油田分公司煉油化工總廠配電車間，甘肅 玉門 735200）

夏季的強對流天氣極易形成雷電，當(dāng)閃電擊中輸配電線路時會注入巨大的能量，而雷擊電流激波會通過輸電線路傳播使得過電壓保護繼電器動作造成電力輸送的中斷，對供電品質(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方面分析不同雷擊現(xiàn)象對輸配電系統(tǒng)的影響，以更接近實際雷擊電流設(shè)計出合理的避雷設(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)夏季午后的強對流天氣，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，形成的上升氣流會在高空凝結(jié)形成積雨云層，暖空氣團中夾帶著大量水蒸氣繼續(xù)在云層中上升，當(dāng)?shù)竭_云層最上層時溫度約為-30℃，水蒸汽會凝結(jié)成冰粒。當(dāng)冰粒過大時會在重力作用下下落，在此冰粒上升與大冰粒下降的劇烈氣流擾動過程中，正負電荷被分離并積存在云中，形成雷雨冰雹，隨著時間的延長及冰粒上升下降運動的持續(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(帶負電)通過氣流的作用后，電荷就會被分離分布在雷云的特定位置。正電荷會分布在云上端，而負電荷則集中在下半部，并且一部分正電荷會散落在底端，整個云層就像一個上正下負的巨型蓄電池。

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，其實閃電的產(chǎn)生過程是相當(dāng)復(fù)雜的。首先當(dāng)云層電荷持續(xù)累積的同時會通過感應(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有一個電勢差存在。由于空氣的絕緣特性，所以剛開始不會放電。當(dāng)電勢大到足以破壞中間空氣的絕緣時，帶電云層會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，在強電場作用下，物體曲率大的地方，等電位面密度、電廠強度劇增，致使內(nèi)部空氣會向上移動與向下延伸的云層所帶電荷會和，這兩者連接時便形成電流通道，即產(chǎn)生正負電荷激烈的中和現(xiàn)象。這個過程時間為數(shù)微秒且發(fā)出極強烈的光。如果云層蓄積的能量足夠大時，云層內(nèi)會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，稱之為復(fù)擊雷電，當(dāng)出現(xiàn)多次復(fù)擊雷電時就形成了閃電。

3 放電路徑

閃電會以四種方式出現(xiàn)，分別為：云間放電、云對云放電、云對地放電(或地對云放電)以及云對大氣放電。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，但閃電大部分均來自雷暴。上述四種閃絡(luò)途徑以云對地的放電對我們影響最大，因為巨大的能量將直接透過建筑物或動植物泄放到大地。將云對地的放電細分又可分由極性與方向歸類：正極雷、負極雷與上行雷、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，雷擊對建筑物、用電設(shè)備及生物都會造成傷害。

4 雷擊分類

由于雷擊發(fā)生時，巨大的能量加注在物體上會造成明顯的傷害，但是快速中和能量的過程意味著空間中的電、磁場也會迅速變化，會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，雷擊可細分為兩種：

①直接雷擊：指云對地的雷擊，直接透過建筑物、動植物等形成對地的放電回路。因而使得建筑物、動植物等同一阻抗的物體流過巨大電流，由雷電產(chǎn)生的電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機械效應(yīng)等造成建筑物損壞以及人員傷亡。一般對于直接雷擊的防護是通過避雷針(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地的放電時，在附近的戶外傳輸信號線路、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，直擊雷電只會發(fā)生在雷云對地閃擊時才會對地面造成災(zāi)害，而感應(yīng)雷則不論雷云對地閃擊或者雷云對雷云之間的閃擊，都可能發(fā)生并造成災(zāi)害。此外，直擊雷一次只能一個小范圍目標(biāo)，而一次的閃擊可以在較大的范圍內(nèi)同時產(chǎn)生多個局部感應(yīng)雷過電壓現(xiàn)象，并且這種感應(yīng)高壓可以通過電力線，電話線等傳輸?shù)暮苓h，致使危害范圍擴大。

5 結(jié)語

本文首先對雷電云層的形成進行了分析，得到了雷電云層中電荷的分布情況。在此基礎(chǔ)上，對閃電現(xiàn)象的形成進行了分析，著重的構(gòu)成閃電的前道閃擊與回復(fù)閃擊之間的關(guān)系進行了分析，并對云間的擊中放電方式及放電路徑進行了闡述。最后，本文對雷擊的分類進行了探討，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)計提供參考。