雷电和雷电流参数

第二章雷电和雷电流参数§2.1雷电活动参数2.1.1.1雷暴日表征不同地区雷暴日活动的频繁程度。（1）雷暴日：指该天发生雷暴的日子，即在一天内，只要听到雷声一次或一次以上的就算一个雷暴日，而不论该天雷暴发生的次数和持续时间。月雷暴日：一个月内雷暴的天数，单位：d季雷暴日：一个季度内雷暴的天数，单位：d年雷暴日：一年中雷暴的天数，单位：d（所有雷暴日都不能反映一天中雷暴发生多少次或雷暴持续时间）（2）月平均雷暴日：月雷暴日的多年平均结果，单位：d季平均雷暴日：季雷暴日的多年平均结果，单位：d年平均雷暴日：年雷暴日的多年平均结果，单位：d见书第18页的表，例如兰州的雷暴日数是23.6d/a，属多雷区。长春的雷暴日数是35.2d/a，属多雷区。2.1.1.2雷暴时（书第19页）（1）雷暴时：在一个小时内只要听到一次或一次以上的雷声就算一个雷暴时。（我国大部分地区一个雷暴日大约为3个雷暴时）日雷暴时：一日内发生雷暴的时数，单位：时月雷暴时：一月中发生雷暴的时数，单位：时季雷暴时：一季内发生雷暴的时数，单位：时年雷暴时：一年内发生雷暴的时数，单位：时（2）平均雷暴时平均日雷暴时：日雷暴时的多年平均结果，单位：时平均月雷暴时：月雷暴时的多年平均结果，单位：时平均季雷暴时：季雷暴时的多年平均结果，单位：时平均年雷暴时：年雷暴时的多年平均结果，单位：时（3）逐时年雷暴时：一天中某一小时内在全年中的雷暴时数，时平均逐时年雷暴时：逐时年雷暴时的多年平均结果，时2.1.1.3雷暴月（1）雷暴月：该月中发生过雷暴，而不论该月发生过多少天雷暴。年雷暴月：一年中雷暴月数，单位：月（2）平均雷暴月：年雷暴月的多年平均结果，单位：月2.1.1.4雷暴季节（1）雷暴季节：一年中雷暴所发生的月份构成的时段，而不论在这些月份中雷暴发生的天数。（2）平均雷暴季节：雷暴季节的多年平均结果。2.1.1.5雷暴持续时期（1）一年中初雷日与终雷日之间的天数，单位：d（2）平均雷暴持续时期：雷暴持续时期的多年平均结果，天2.1.2雷电的空间分布参数2.1.2.1地面落雷密度Ng：每个雷暴日每平方千米上的平均落雷次数，又叫闪电频数。单位是：km-2d-1一般取式中Td是年平均雷暴日数我国过电压保护规程取地面落雷密度为我国建筑物防雷规范GB50057-94使用3.10237.0dgTN3.1015.0dgTN3.1024.0dgTN§2.2雷电流的波形及常用参数雷电流具有电流所具有的一切效应，不同的是它在短时间内以脉冲的形式通过强大的电流。尤其是直击雷，它的峰值有几十千安培，甚至几百千安培。2.2.1雷电流的波形2.2.1.1雷电流的波形•雷电流具有单极性的脉冲波形，大约有80%~90%的雷电流是负极性的（负地闪）。•雷电放电具有重复性，一次雷电平均包括3~4次放电，通常第一次放电的电流幅值最高。《建筑规范》64页图2.2.1.2雷电流波形画法书第22页图实线A是对88次实测雷电流的取平均值虚线B是对10次实测雷电流的取平均值参看书第24页的表2.3a2.2.1.3雷电流的等值波形（1）双指数等值波形（式2.7）波形见图2.4，几个参数见表2.4(2)等值斜角波（式2.8）波形见2.5（参看书第25页的表2.4）)()(mtteeAItim1If（3）等值余弦波形（式2.9）式中0为等值角频率，它与波头f时间之间的关系为：该波形上的波头上升部分的最大陡度出现在t=f/2处：书第27页图2.6)cos1(2)(0mtItifπ02ddm0maxIti(4)幂指数波形（式2.10）应用实例（式2.11）（见右图）：书第27页图2.7式中A=0.01243(s)-3，=3.911stkknkkmeBtti1)(tetAIti3m)(2.2.1.4几种常用的雷电过电压波形及其近似表达式（1）1.2/50s波形（式2.12）这种波形是电气电子设备绝缘耐受性能试验中常用的标准雷电过电压脉冲波形。式中：A=1.0371=0.4074s2=68.22s书第28页图2.821)1()(mtteeAUtu(2)0.5100kHz衰减振荡波形（式2.13和式2.14）由雷电在低压交流线路上引起的暂态过电压常具有衰减振荡波形，且第一个波的波头时间很短。式中常数B=0.6025k=0.525A=1.159书第28页图2.91=0.4791s2=9.7788s0=2105rad/sμs5.2)(μs5.20)](1)[(mmtBUttktBUtU）（teeAttt0cos)1()(21（3）10/1000s波形（式2.12）通信线路上雷电暂态过电压等值波形，用于对通信线路网络中的设备进行试验。此时式中：A=1.019书第28页图2.101=3.827s2=1404s21)1()(mtteeAUtu2.2.2雷电流幅值的累计概率对大量的观测数据进行统计，传统用经验公式（式2.15）：年雷暴日大于等20d/a地区用：（参照书第29页图2.11）式中，Im是雷电流幅值（kA）P是雷电流幅值超过Im的概率例如：Im=100kA，则用反对数表查0.0741得1186，首数表示真数P的小数点位置，即表明，每100次雷电放电大约有12次雷电流超过100千安培。108lgmIP0741.10741.019259.0119259.0108100108lgmIP1%1212.01186.0P也可用式2.16：如果用这个公式，上例的年雷暴日小于或等于20d/a地区用：上例的88lgmIP54lgmIP%3.7P%4.1P2.2.3雷电流的能量与频谱2.2.3.1能量估算雷电的能量被负载吸收，等效为右图负载电阻RL吸收的能量为当R0=RL满足时，负载获得最大能量，为单位负载电阻吸收的能量（单位能量）为参看书第32页的表2.5和2.6ttuRWd)(41020maxttuRRRtRRRtutRtiWLLLLLd)()(d)()(d)(022020002ttiRWLd)(/2对于恒压负载，看右图UL是恒压负载两端的保护元件动作之后的残压是恒压负载吸收的瞬时功率参看书第32页下面的式子参看书第33页的表2.7ttPWd)(2.2.3.2频谱分析对于图2.7式中A=0.01243(s)-3，=3.911s图2.7它的频谱函数为（式2.20）：图2.17tetAIti3m)(4m)j1(6)(AIG对于图2.8A=1.0371=0.4074s2=68.22s图2.8它的频谱函数为（式2.21）：图2.1721)1()(mtteeAUtuj111j11)(212mAUG对于图2.9图2.9它的频谱函数为（式2.22）：图2.172212022m0j111j11)(UAG可见：波头和波长时间长的波形（10/1000s）具有较低的转折频率和较慢的衰减速度，而波头时间短的（0.5s~100kHz）衰减振荡波形具有较高的转折频率和较快的衰减速度•什么叫波特图？采用半对数坐标（频率用对数分度，增益和相角采用线性分度）并用折线近似表示的幅频特图2.17性和相频特性曲线的图叫波特图。①雷电流峰值比率的频率分布：指每一个单一频率的电流峰值对整个雷电流波峰值之比的分布。对于双指数波形书第34页对此式变换推导得（式2.24）这个式子的模I()就是雷电流峰值比率的频率分布。•由此可见：频率越高，电压峰值越低（1kHz以上的电压峰值明显下降）。也就是雷电流主要分布在低频部分，随着频率的升高而递减。另外，在波前相同的情况下，波尾越长，低频部分越丰富。)()(mtteeAIti222222220j)j(II②雷电流峰值比率积累的频率分布雷电流的直接破坏作用表现为：•对设备的过电压击穿•冲击能量很大的热击穿把（2.24）式对进行积分得（2.26式）8/20s、1.5/40s、10/700s波形的90%峰值电流积累分别出现在24kHz、87kHz、11kHz附近。•波前越陡，谐波越丰富，受雷电影响的频率范围就越宽。022000220220220220222222220)lg(21jarctgarctgdjdjdddj)j(I什么是谐波？如果电流或电压是非正弦周期函数，可将非正弦周期信号展开成傅里叶级数，展开后的傅里叶级数具有无穷多项，每一项都是正弦或余弦函数，只是各项的频率不相同，称之为谐波。例如右图是一个周期性矩形波，第46页图用傅里叶级数展开，其表达式为电路与电子电路书第46页下面的图TtTTttf2/,A2/0,A)()sin15sin513sin31(sinπA4)(tkkttttf③雷电波能量比率积累的频率分布书第36页的结论：•雷电波能量比率积累的频率分布表现在低频部分增值快，频率越高，增值越慢。•雷电的能量大多分布在低频部分。•对于8/20s、1.5/40s、10/700s这三个雷电波，90%以上雷电能量分布在频率为十多千赫以下。说明：在通信网络中要防止十多千赫以下频率的雷电波侵入，就能吧雷电波的能量消减掉90%以上。2.2.4闪击距离•闪击距离的概念：当下行先导最先到达地面上某一物体的临界定向范围时，下行先导定向地向这个物体发展，并使之遭受雷击。这种临界定向距离书第38页图2.21称为雷击距（也叫闪击距离、定向距离）。见图。看书第37页的图2.18左边的图图2.18左边的图这是雷击距与电场强度的函数关系的图试验表明：负雷击的临界击穿强度为500kV/m正雷击的临界击穿强度为300kV/m有人给出了雷击距与雷电流之间的关系式：此式对应于书第38页图2.20中的曲线3)m(1065.0iR•雷击距的大小与下行先导头部的电位高低有关，与先导通道中携带的电荷密度有关。而先导中的电荷密度决定着随后回击出现的雷电流幅值，所以雷击距大小依赖于雷电流的幅值。雷击距与雷电流幅值关系的经验公式(式2.31)：式中，ds雷击距，mIm雷电流幅值，Kab、c常数，由实测数据确定对于高耸物体，该公式修正为：式中f(h)为考虑被击物体高度影响的一个函数csbIdm)(mhfbIdcs书第39页有式子（2.33）和（2.34）对于正雷，有对于负雷，有看书第39页图2.23书第39页图2.23)1015/ln(08.13/2m)(hIds3/23/2m)()15(8.0hIds