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如何更好地理解 Dr. William A. Chisholm 的专栏文章
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如何更好地理解 Dr. William A. Chisholm 的专栏文章

August 27, 2015 • Columns, 最近文章汇总

这一期有一篇Dr.William A.Chisholm的专 栏文章,题为"致力于实现优质的电能质 量- 甚至发生雷电时也不例外"。这篇文章实质 上谈的是架空绝缘导线雷击断线问题,它发生 在35千伏及以下的配电系统,主要由感应过电 压引起。文章中涉及雷电参数和雷击大地与感 应等概念,本文将对这些概念进行说明。 一、雷电参数 1. 雷电流幅值 雷电流幅值与云雾中的电荷有关,是个随机的变化量。我国的雷电流 幅值经过统计,其概率大致为:每100次雷电流,平均有12次超过100 千安,有1/3的超过50千安,有60次超过20千安,80次超过10千安。 2. 雷电日 在一天内只要听到雷声,就算一个雷电日。我国各地的雷电日与纬度 以及距海洋的远近有关。长江以南,雷电日约为40-80,长江以北大 部分地区(包括东北),多在20-40,西北多在20以下。 3. 落雷密度 这是一个专业性的名词,英文名称为:ground flash density,缩写: GFD。它表征了雷云对地放电的频繁程度,即表示每平方公里每个雷 电日的对地落雷次数,用希腊字母γ表示,这个数值各个国家是不同 的,根据实例,我们国家的γ取0.015(这是以前的规定,现在已有改 变)。看到这里,大家可能还是在头脑中建立不起这个概念,下面以例 说明之。例如武汉地区的某个变电站,变电站占地面积为长宽各100 米,那么这个变电站一年要打几次雷呢?武汉的雷电日为40个,变电 站的面积用平方公里(因为落雷密度用的是平方公里)表示则为: 长 /1000 × 宽 / 1000 = 100 / 1000 × 100 / 1000=0.01平方公里, 按照落雷密度的定义,该变电站一年的落雷次数似乎应该为 40×0.01×0.015=0.006次。实际上变电站不是紧贴在地面上,变电 站中的建筑物或高耸的构架具有引雷的作用,根据模拟试验及运行经 验,高度越高,引雷作用越大,所以应该在变电站的长、宽各侧加上 5h ( h为变电站内最高设备的高度) 作为引雷宽度,所以上述变电站的 占地面积虽然为 100 / 1000 × 100 / 1000 平方公里 ,但是,它的引 雷面积应该为:(100 +10h) / 1000 × (100 +10h )/ 1000 平方 公里 。如果在这个变电站中,最高的设备是一个构架,该构架高度为 15米,则该变电站一年的落雷次数为: 40×[100+10×15] / 1000× [100+10×15] / 1000× 0.015=0.0375次/年 这个结果不便于说明问题,将它取一个倒数看看,1/0.0375年/次 =26.7年/次,含义是:落雷一次需要多少年。即该变电站大约27年 落雷一次,这样对落雷密度的含义就比较清楚了。通过此例也告诉我 们,当我们从一个方向看不清事物的时候,不妨从它的反方向去考虑 考虑,因为一阴一阳谓之道也!现在我们终于明白引入落雷密度的目 的了。它可以帮助我们建立一个概念,即具有一定高度、一定面积的 变电站或者发电厂,究竟多少年可以遭受一次雷击,显然,γ越大, 遭受的雷击越多。我国的γ取0.015究竟准确度有多大,目前也有不少 争论,但以前的标准就是这样规定的。 大家对上面的变电站27年才落一次雷可能不以为然,觉得好像该变电站并无防雷的必要,但是27年落雷一次,不是说第27年雷才到此一 游,而是27年间,随时都有可能落雷,说不定明天这个变电站就会遭 受雷击。更何况,武汉市也并不只有这一个变电站,起码27个变电站 是需要的,如果这27个变电站都不防雷的话,那么武汉市平均每年都 要有一个变电站遭受雷击,这种现象无论如何是不允许的。
二、雷击大地与感应 当乌云密布时,云是带电的,并称之为雷云。据统计,90%左右的雷 云都带负电荷。当雷云处于导线的上方时,它对大地、对导线均有静 电感应,均会感应出异号的正电荷。在雷云没有放电时,这些正电荷 被雷云中的负电荷吸引,不得动弹,被紧紧地束缚在导线和大地上。 如果此时雷云没有击中导线而是击中大地,则大地的正电荷与雷云中 的负电荷迅速联姻,于是导线上的束缚电荷就解放了,转变为自由电 荷,向导线两侧流动,在导线上形成巨大的电流 i , i 与导线的波阻 z 相乘即产生很大的电压波 u = iz ,这个电压波称为感应电压波,带正 极性。 显然,雷电流 i 越大,感应电压波就越大;导线的悬挂高度 hd 越大, 感应电压波也越大。反之,雷击地面点与导线的垂直距离 s 越大,则 感应电压越小,所以感应过电压
ug=k Ihd/s
式中 k 是比例系数,它具有电阻的
量纲。
我们常常关心感应过电压的幅值
u,则u=k Ihd ggs 式中 I - 雷电流幅值(千安) hd - 导线悬挂的平均高度(米) s - 雷击地面点距导线的垂直 距离(米)
实际测量结果表明,感应过电压的幅值可达300~400千伏。对于35千 伏线路,它一般悬挂三个 x - 4.5 的绝缘子,三个 x - 4.5 绝缘子的冲击 绝缘强度约为350千伏,所以感应雷的幅值可以使上述绝缘子串闪络。 而对于110千伏线路,每串有7个 x - 4.5 绝缘子,其冲击绝缘强度为 700千伏,所以感应雷的幅值不能使110千伏的绝缘子串闪络。由此可 见,感应过电压会造成35kv及以下的线路闪络。而对于60千伏及以上 高压线路,由于线路的冲击绝缘强度均在500千伏以上,所以感应过电 压一般不会引起这些线路的闪络。 还有一个问题需要放在最后交待,公式 ug = k* Ihd /s
                      实际上是有使用条件的。因为雷击地面时,距离导线会有一段距离,经实际测量证实,
s =50米是一个界限,当 s >50 米时,公式 ug = k* Ihd /s成立。当 s ≤50米时,雷云事实上会被杆塔或避雷线吸引而击中线路本身,这样在计算 公式中 s = 0 ,公式不存在。
张德赛 INMR中文刊主编 武汉大学电气工程学院 如何更好地理解 Dr. William A. Chisholm 的专栏文章 如何更好地理解 Dr. William A. Chisholm 的专栏文章 如何更好地理解 Dr. William A. Chisholm 的专栏文章 CHINA08ss 201508270001

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