输配电系统雷击方式及放电路径的研究

郭玉锋 弓耀波（中石油天然气股份有限公司玉门油田分公司炼油化工总厂配电车间，甘肃 玉门 735200）

输配电系统雷击方式及放电路径的研究

郭玉锋 弓耀波（中石油天然气股份有限公司玉门油田分公司炼油化工总厂配电车间，甘肃 玉门 735200）

夏季的强对流天气极易形成雷电，当闪电击中输配电线路时会注入巨大的能量，而雷击电流激波会通过输电线路传播使得过电压保护继电器动作造成电力输送的中断，对供电品质造成重大影响。本文将从雷击形成的原因、雷击放电路径及雷击分类三个方面分析不同雷击现象对输配电系统的影响，以更接近实际雷击电流设计出合理的避雷设备。

雷击方式；放电路径；避雷设备；雷击成因；雷击突波

雷暴天气在地球上常发生于赤道及热带地区夏季午后的强对流天气，随着雷暴天气发生概率的增加，使得发生雷击的次数相应增加，本文通过分析雷电的闪络路径、极性定义四种不同的雷击方式，并分析雷击对于建筑物、用电设备及生物造成的伤害。

1 雷电云层的形成

当地表水分随着气温的升高被蒸发时，形成的上升气流会在高空凝结形成积雨云层，暖空气团中夹带着大量水蒸气继续在云层中上升，当到达云层最上层时温度约为-30℃，水蒸汽会凝结成冰粒。当冰粒过大时会在重力作用下下落，在此冰粒上升与大冰粒下降的剧烈气流扰动过程中，正负电荷被分离并积存在云中，形成雷雨冰雹，随着时间的延长及冰粒上升下降运动的持续，电荷不断的积累。根据以往研究，一般雷云大小高度为8～12公里，上层为高密度的冷空气，下层为潮湿的暖空气。其中的冰晶(带正电)及水蒸气(带负电)通过气流的作用后，电荷就会被分离分布在雷云的特定位置。正电荷会分布在云上端，而负电荷则集中在下半部，并且一部分正电荷会散落在底端，整个云层就像一个上正下负的巨型蓄电池。

2 前道闪击与回复闪击

闪电看似是瞬间发生的现象，其实闪电的产生过程是相当复杂的。首先当云层电荷持续累积的同时会通过感应的方式，把地表中的异电荷吸引到附近区域(地表的电荷量与云层间的电荷量成正比)，如此该云层和地表就会有一个电势差存在。由于空气的绝缘特性，所以刚开始不会放电。当电势大到足以破坏中间空气的绝缘时，带电云层会因电荷的作用将临近空气电离，使其具有导电能力。然后，电荷以步阶方式逐渐向地面延伸，这一现象称为前导步阶闪击。

当前导步阶闪击逐渐接近地面时，在强电场作用下，物体曲率大的地方，等电位面密度、电厂强度剧增，致使内部空气会向上移动与向下延伸的云层所带电荷会和，这两者连接时便形成电流通道，即产生正负电荷激烈的中和现象。这个过程时间为数微秒且发出极强烈的光。如果云层蓄积的能量足够大时，云层内会再释放出类似前道闪击的现象。沿着之前的回复闪击路径再发生第二次回复闪击中和两端能量。当发生两次以上的回复闪击时，称之为复击雷电，当出现多次复击雷电时就形成了闪电。

3 放电路径

闪电会以四种方式出现，分别为：云间放电、云对云放电、云对地放电(或地对云放电)以及云对大气放电。一般而言虽然雪暴、沙暴或者是火山爆发都有可能发生闪电，但闪电大部分均来自雷暴。上述四种闪络途径以云对地的放电对我们影响最大，因为巨大的能量将直接透过建筑物或动植物泄放到大地。将云对地的放电细分又可分由极性与方向归类：正极雷、负极雷与上行雷、下行雷。极性的判别是由前导闪击通道所携带的电荷极性决定的，方向则是由放电路径中分叉方向判定。但不论哪一种极性，方向，雷击对建筑物、用电设备及生物都会造成伤害。

4 雷击分类

由于雷击发生时，巨大的能量加注在物体上会造成明显的伤害，但是快速中和能量的过程意味着空间中的电、磁场也会迅速变化，会使得临近的金属物品感应电造成损害，因此如果以入侵的途径分类，雷击可细分为两种：

①直接雷击：指云对地的雷击，直接透过建筑物、动植物等形成对地的放电回路。因而使得建筑物、动植物等同一阻抗的物体流过巨大电流，由雷电产生的电效应、热效应和机械效应等造成建筑物损坏以及人员伤亡。一般对于直接雷击的防护是通过避雷针(即接闪络器、引下线与接地棒)，构成完整的电气通路后将电流泄入大地。

②感应雷击：避雷针虽能降低直击雷击建筑物被击中的概率与损坏程度，但雷电仍透过多种形式及途径破坏电子设备，感应电便是雷电在雷云之间或雷云对地的放电时，在附近的户外传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线和电磁感应并侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损坏。感应雷电虽然没有直击雷电猛烈，但其发生的概率比直击雷电高的多，直击雷电只会发生在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害，而感应雷则不论雷云对地闪击或者雷云对雷云之间的闪击，都可能发生并造成灾害。此外，直击雷一次只能一个小范围目标，而一次的闪击可以在较大的范围内同时产生多个局部感应雷过电压现象，并且这种感应高压可以通过电力线，电话线等传输的很远，致使危害范围扩大。

5 结语

本文首先对雷电云层的形成进行了分析，得到了雷电云层中电荷的分布情况。在此基础上，对闪电现象的形成进行了分析，着重的构成闪电的前道闪击与回复闪击之间的关系进行了分析，并对云间的击中放电方式及放电路径进行了阐述。最后，本文对雷击的分类进行了探讨，着重分析直接雷击及感应雷击的区别及危害，以此为防雷、避雷设备的设计提供参考。