雷电冲击过电压的理论与试验
一．引言
电能与人类的生存、发展有密切关系，而高电压与绝缘技术是其中一个很重要的知识体系，它是支撑电能应用的一根有力的支柱。
高电压技术是以试验研究为基础的研究高电压及其相关问题的应用技术。其内容主要涉及在高电压作用下各种绝缘介质的性能和不同类型的放电现象，高电压设备的绝缘结构设计，高电压试验和测量的设备及方法，电力系统的过电压与绝缘配合、高电压或大电流环境影响和防护措施，以及高电压、大电流的应用等。
目前，随着科技的发展、经济的需要，输电电压等级越来越高，输电距离越来越长，电网结构也越来越复杂。而高电压技术对于进一步发展超高压、特高压输电继续起着重要的推动作用。一些国家正在沿着传统的“外沿发展模式”，继续开展更高一级电压。
二．雷电冲击过电压理论
雷电冲击电压是有雷电放电形成电流通过被击物体流入大地，电流脉冲在被击物体阻抗上的压降形成冲击电压。雷电放电包括三个阶段：先导放电，主放电，余光放电。主放电电流幅值较小，但电流波前时间比第一分量小得多，易造成过电压。 各分量中的最大电流和电流增长最大陡度是造成被击物体上过电压、电动力和爆破力的主要因素。 在余光阶段流过较长时间的电流则是造成雷电热效应的重要因素之一 。
波形组成
气隙的击穿有一个最低静态击穿电压Ｕｏ ，但外加电压不小于Ｕｏ 仅是气隙击穿的必要条件，欲使气隙击穿，还必须使该电压持续作用一定的时间。 静态击穿电压Ｕ0 是使气隙击穿的最小电压。 雷电冲击电压分为：全波 ，截波－－雷电冲击波被某处放电而截断的波形.
(1) 全波：非周期性冲击电压，很快到峰值再逐渐下降 .如图1
作图：取峰值＝1. ０，０. ９－－Ｂ点， ０. ３－－Ａ点， ０. ５－－Q 点， 连ＡＢ线，交１. ０于C 点，交横轴O 1点。 O1C －－波前 Ｔ＝(t1-t 2)
t f ＝FO 1－－视在波前时间
t f ／T ＝（１. ０－０. ０）／（０. ９－０. ３）
t f ＝Ｔ／０. ６＝１. ６７Ｔ
t t －－视在半峰值时间
波形有振荡时，取平均曲线。
规定：波形参数为t f ＝１. ２μｓ±３０％
t t ＝５０μｓ±２０％ 峰值允差 ±３％
图1雷电冲击过电压全波波形
(2) 截波:
截断时间ＴＣ ：ＧＨ段
截波峰值1.0处 ：截断前的电压峰值
截断时刻电压：截断时实际电压
截波电压骤降视在陡度：ＣＤ线斜率
电压过零系数
规定：ＴＣ ＝２～５μｓ
电压过零系数０. ３（０. ２５～０. ３５范围内）
图2 雷电冲击过电压截波波形
对某一定的非持续作用的电压波形，气隙的耐压性能需用外加电压的峰值和击穿时间共同表示，这就是该气隙在该电压波形下的伏秒特性．
在峰值较低但延续时间较长的冲击电压作用下气隙可能击穿，而在峰值较高但延续时间较短的冲击电压作用下气隙可能不击穿。
伏秒特性：在电压波形一定的情况下，气隙击穿时的外加电压峰值与击穿时间的关系：
Ｕｂ ＝ｆ（tb ）
其作法为 保持一定的波形而逐级升高电压，以示波图来求取。电压低击穿发生在峰值过后时，峰值作纵坐标；击穿发生在波峰时，即为伏秒特性的点；击穿发生在尚未到峰值时，击穿时电压值作纵坐标。伏秒特性有分散性，为一组曲线，代表不同击穿几率（同一气隙在同一电压作用下，每次击穿时间不完全一样）。 Ψ＝０下包络线，其左方完全不击穿； Ψ＝１上包络线，其右方完全击穿 ；一般取Ψ＝０. ５（５０％曲线）为平均伏秒特性 。
在一定波形的冲击电压作用下，外加电压的幅值变化，导致间隙击穿概率为５０％时的电压称为Ｕ50％（不考虑电压作用时间）．Ｕ50％ 接近伏秒特性带的最下边缘，可用Ｕ50％ 代替最小冲击放电电压；Ｕ50％ 放电时间较长，已接近静态放电临界电压值Ｕ0。
波的传播
雷击输电线路时，将有大量的电荷沿雷电通道倾注到雷击点，并向线路两侧迅速流动，即电磁波的传播过程称之为行波的传播．在此过程中会产生瞬间的高幅值的过电压。无损耗单导线线路中的波过程的基本规律及其含义是导线上任何一点的电压或电流，等于通过该点的前行波与反行波之和，前行波电压与电流之比为十Z ，反行波电压与电流之比为一Z
传播速度 v =d x
d t =1
雷电波沿架空线传播的速度与光速（3×108m/s）相同，而在电缆中传播的速度约为上值的1/2～1/3。
输电线路的长度总是有限的，当雷电波传到其末端时，线路的电感、电容的参数会发生变化。我们将参数发生变化的点称为节点．波在节点的运动规律将发生变化，即产生了折射和反射现象。行波的折射和反射规律：电压折射系数α和反射系数β, 其大小由与节点相连的导线波阻抗ZI 和Z2决定。
当z2＝2I 时，α＝1，β＝0，这表明电压折射波等于入射波，而电压反射波为零．即不发生任何折、反射现象，实际上这是均匀导线的情况。
当Z2>Z1时α>1,β>0，电压为正反射，折射电压高于入射电压；当Z2
三．雷电冲击过电压试验
冲击电压是一种非周期性快速变化的脉冲电压。因此测量冲击电压的仪表和测量系统必须具有良好的瞬变响应特性。冲击电压的测量包括峰值测量和波形记录两个方面，目前最常用的测量冲击高电压的装置有：分压器一示波器；分压器一峰值电压表；测量球隙。
冲击分压器一示波器测量系统是测量冲击高电压的主要装置。它不仅能测出冲击电压的峰值，还能显示及记录其波形。整个测量系统包括：从试品到分压器高压端的高压引线、分压器、把分压器与示波器连接起来的同轴电缆和示波器。
试验电路
按试验设备，试品及测量装置的实际布置，可分为下述三个基本电路(参见图3) ：
a.主电路：包括冲击电压发生器，附加调波元件及试品；
b.测量电路；
c.截断波电路(产生截波用) 。
图3 典型的冲击试验电路图
C g —发生器电容；C L —负荷电容；C t —试品等值电容；L t —试品等值电感；
R si —串联电阻(波前电阻) ；R se —外部串联电阻(或波前电阻) ；
R p —并联电阻(波尾电阻) ；Z c —截断电路中的附加阻抗；Z 1—分压器高压臂阻抗；
Z 2—分压器低压臂阻抗
示波器记录
按GB 1094.3—85中的规定应记录：
a.外施电压波形；
b.至少一个瞬变现象的波形。
即至少需要两个独立的记录通道。
必须记录外施电压的波形，至于记录其它瞬变现象，可根据所采用的故障探测方法来选择。
为了便于对试验结果进行分析及使全试验电压下和降低电压的波形图便于比较，最好利用示波器上合适的衰减器，使相对应的波形图均具有相同的幅值。
电压波形记录
a.波形测定
在调节试验电路参数时，需要详细的记录电压波形；全波波形需记录：波前部分，一般示波器扫描时间可选择为10μs 之内(中性点试验时可以更长一些) ；波尾部分，应能计算出半值时间，有时还需记录出第一个反峰值。截波波形需记录：从零至第一个反峰值出现后的整个波形，示波器扫描可选择在10μs 左右。
b.试验波形记录
主要是为了记录波形的峰值，并且尽可能记录较长时间的波形变化情况，通常示波器扫描时间可选择为：
对于全波，不小于50μs ；
对于截波，10～25μs 。
在正常试验中，一般采用一个时间来记录波形是足够的，但试验出现疑问时，为了便于判断，则可能需要几种不同扫描时间的记录。
分析波形，做出伏秒特性曲线
四．预防措施
雷闪雷鸣是一种自然现象，雷电的电压很高，瞬时电流强度很大，因此，一次雷电的放电时间虽然只有0．01S 左右，但其释放出的能量却大得惊人。雷电放电时，可使电气设备 绝缘击穿，建筑物造成破坏，家用电器击毁，人体及牲畜死亡或受伤等。 雷电入射波到达线路末端结点处会发生全反射，线路的开路末端电压将增大至雷电行波
电压的2倍，严重威胁线路的绝缘安全，必须
设置避雷器等防雷保护措施。
避雷针保护作用的原理
能使雷云电场发生突变，使雷电先导的发
展沿着避雷针的方向发展，直击于其上，雷电
流通过避雷针及接地装置泄入大地而防止避雷
针周围的设备受到雷击。
保护范围
避雷针是防止直击雷的有效措施。一定高度的
避雷针（线）下面，有一个安全区域，此区域
内的物体基本上不受雷击。我们把这个安全区
域叫做避雷针的保护范围。如图所示。
h x ≥
h x
h 2h 2 r x =(h -h x ) P r x =
(1. 5h -2h x ) P
h:避雷针高度，m h x ：被保护物高度，m P：高度影响系数
30m
h h ≤30m , P =1
防雷装置
防雷装置由接闪器、引下线和接地体三部分组成，其作用是防止直接雷击或将雷电流引入大地，以保证人身及建（构）筑物安全。
避雷器是防止雷电过电压侵袭配电和其他电气设备的保护装置。避雷器安装在被保护设备的引入端，其上端接在架空输电线路上，下端接地。其中阀型避雷器是保护变、配电装置常用的一种避雷装置；管型避雷器一般是用于线路上；保护间隙是最简单最经济的防雷装置，俗称简单避雷器，一般安装在线路的进户处，用来保护电度表等设备。
五．结论
通过本次设计细致了解了雷电的形成，放电的过程，冲击电压波形组成及其传播原理等知识。系统地理顺了雷电击穿过电压的理论基础。通过设计雷电冲击过电压试验及其特性曲线的分析，可以充分认识到雷电击穿的危害，所以对设备进行保护是一个必不可少的环节。
做好设备绝缘和避雷保护不仅对电气设备而且对人们的日常生活都具有非常重要的意义。所以学好高电压技术是十分重要的。
参考文献
清华大学电气工程系列教材 高电压试验技术(第3版) 张仁豫、陈昌渔、王昌长 清华大学出版社 (2009-09出版)
赵智大，高电压技术，电力出版社，2007
张纬钹，何金良等，过电压防护与绝缘配合，2002
500kV 绝缘子串的人工雾淞覆冰和放电试验
盐雾下瓷绝缘子放电试验研究
雷电冲击过电压的理论与试验
一．引言
电能与人类的生存、发展有密切关系，而高电压与绝缘技术是其中一个很重要的知识体系，它是支撑电能应用的一根有力的支柱。
高电压技术是以试验研究为基础的研究高电压及其相关问题的应用技术。其内容主要涉及在高电压作用下各种绝缘介质的性能和不同类型的放电现象，高电压设备的绝缘结构设计，高电压试验和测量的设备及方法，电力系统的过电压与绝缘配合、高电压或大电流环境影响和防护措施，以及高电压、大电流的应用等。
目前，随着科技的发展、经济的需要，输电电压等级越来越高，输电距离越来越长，电网结构也越来越复杂。而高电压技术对于进一步发展超高压、特高压输电继续起着重要的推动作用。一些国家正在沿着传统的“外沿发展模式”，继续开展更高一级电压。
二．雷电冲击过电压理论
雷电冲击电压是有雷电放电形成电流通过被击物体流入大地，电流脉冲在被击物体阻抗上的压降形成冲击电压。雷电放电包括三个阶段：先导放电，主放电，余光放电。主放电电流幅值较小，但电流波前时间比第一分量小得多，易造成过电压。 各分量中的最大电流和电流增长最大陡度是造成被击物体上过电压、电动力和爆破力的主要因素。 在余光阶段流过较长时间的电流则是造成雷电热效应的重要因素之一 。
波形组成
气隙的击穿有一个最低静态击穿电压Ｕｏ ，但外加电压不小于Ｕｏ 仅是气隙击穿的必要条件，欲使气隙击穿，还必须使该电压持续作用一定的时间。 静态击穿电压Ｕ0 是使气隙击穿的最小电压。 雷电冲击电压分为：全波 ，截波－－雷电冲击波被某处放电而截断的波形.
(1) 全波：非周期性冲击电压，很快到峰值再逐渐下降 .如图1
作图：取峰值＝1. ０，０. ９－－Ｂ点， ０. ３－－Ａ点， ０. ５－－Q 点， 连ＡＢ线，交１. ０于C 点，交横轴O 1点。 O1C －－波前 Ｔ＝(t1-t 2)
t f ＝FO 1－－视在波前时间
t f ／T ＝（１. ０－０. ０）／（０. ９－０. ３）
t f ＝Ｔ／０. ６＝１. ６７Ｔ
t t －－视在半峰值时间
波形有振荡时，取平均曲线。
规定：波形参数为t f ＝１. ２μｓ±３０％
t t ＝５０μｓ±２０％ 峰值允差 ±３％
图1雷电冲击过电压全波波形
(2) 截波:
截断时间ＴＣ ：ＧＨ段
截波峰值1.0处 ：截断前的电压峰值
截断时刻电压：截断时实际电压
截波电压骤降视在陡度：ＣＤ线斜率
电压过零系数
规定：ＴＣ ＝２～５μｓ
电压过零系数０. ３（０. ２５～０. ３５范围内）
图2 雷电冲击过电压截波波形
对某一定的非持续作用的电压波形，气隙的耐压性能需用外加电压的峰值和击穿时间共同表示，这就是该气隙在该电压波形下的伏秒特性．
在峰值较低但延续时间较长的冲击电压作用下气隙可能击穿，而在峰值较高但延续时间较短的冲击电压作用下气隙可能不击穿。
伏秒特性：在电压波形一定的情况下，气隙击穿时的外加电压峰值与击穿时间的关系：
Ｕｂ ＝ｆ（tb ）
其作法为 保持一定的波形而逐级升高电压，以示波图来求取。电压低击穿发生在峰值过后时，峰值作纵坐标；击穿发生在波峰时，即为伏秒特性的点；击穿发生在尚未到峰值时，击穿时电压值作纵坐标。伏秒特性有分散性，为一组曲线，代表不同击穿几率（同一气隙在同一电压作用下，每次击穿时间不完全一样）。 Ψ＝０下包络线，其左方完全不击穿； Ψ＝１上包络线，其右方完全击穿 ；一般取Ψ＝０. ５（５０％曲线）为平均伏秒特性 。
在一定波形的冲击电压作用下，外加电压的幅值变化，导致间隙击穿概率为５０％时的电压称为Ｕ50％（不考虑电压作用时间）．Ｕ50％ 接近伏秒特性带的最下边缘，可用Ｕ50％ 代替最小冲击放电电压；Ｕ50％ 放电时间较长，已接近静态放电临界电压值Ｕ0。
波的传播
雷击输电线路时，将有大量的电荷沿雷电通道倾注到雷击点，并向线路两侧迅速流动，即电磁波的传播过程称之为行波的传播．在此过程中会产生瞬间的高幅值的过电压。无损耗单导线线路中的波过程的基本规律及其含义是导线上任何一点的电压或电流，等于通过该点的前行波与反行波之和，前行波电压与电流之比为十Z ，反行波电压与电流之比为一Z
传播速度 v =d x
d t =1
雷电波沿架空线传播的速度与光速（3×108m/s）相同，而在电缆中传播的速度约为上值的1/2～1/3。
输电线路的长度总是有限的，当雷电波传到其末端时，线路的电感、电容的参数会发生变化。我们将参数发生变化的点称为节点．波在节点的运动规律将发生变化，即产生了折射和反射现象。行波的折射和反射规律：电压折射系数α和反射系数β, 其大小由与节点相连的导线波阻抗ZI 和Z2决定。
当z2＝2I 时，α＝1，β＝0，这表明电压折射波等于入射波，而电压反射波为零．即不发生任何折、反射现象，实际上这是均匀导线的情况。
当Z2>Z1时α>1,β>0，电压为正反射，折射电压高于入射电压；当Z2
三．雷电冲击过电压试验
冲击电压是一种非周期性快速变化的脉冲电压。因此测量冲击电压的仪表和测量系统必须具有良好的瞬变响应特性。冲击电压的测量包括峰值测量和波形记录两个方面，目前最常用的测量冲击高电压的装置有：分压器一示波器；分压器一峰值电压表；测量球隙。
冲击分压器一示波器测量系统是测量冲击高电压的主要装置。它不仅能测出冲击电压的峰值，还能显示及记录其波形。整个测量系统包括：从试品到分压器高压端的高压引线、分压器、把分压器与示波器连接起来的同轴电缆和示波器。
试验电路
按试验设备，试品及测量装置的实际布置，可分为下述三个基本电路(参见图3) ：
a.主电路：包括冲击电压发生器，附加调波元件及试品；
b.测量电路；
c.截断波电路(产生截波用) 。
图3 典型的冲击试验电路图
C g —发生器电容；C L —负荷电容；C t —试品等值电容；L t —试品等值电感；
R si —串联电阻(波前电阻) ；R se —外部串联电阻(或波前电阻) ；
R p —并联电阻(波尾电阻) ；Z c —截断电路中的附加阻抗；Z 1—分压器高压臂阻抗；
Z 2—分压器低压臂阻抗
示波器记录
按GB 1094.3—85中的规定应记录：
a.外施电压波形；
b.至少一个瞬变现象的波形。
即至少需要两个独立的记录通道。
必须记录外施电压的波形，至于记录其它瞬变现象，可根据所采用的故障探测方法来选择。
为了便于对试验结果进行分析及使全试验电压下和降低电压的波形图便于比较，最好利用示波器上合适的衰减器，使相对应的波形图均具有相同的幅值。
电压波形记录
a.波形测定
在调节试验电路参数时，需要详细的记录电压波形；全波波形需记录：波前部分，一般示波器扫描时间可选择为10μs 之内(中性点试验时可以更长一些) ；波尾部分，应能计算出半值时间，有时还需记录出第一个反峰值。截波波形需记录：从零至第一个反峰值出现后的整个波形，示波器扫描可选择在10μs 左右。
b.试验波形记录
主要是为了记录波形的峰值，并且尽可能记录较长时间的波形变化情况，通常示波器扫描时间可选择为：
对于全波，不小于50μs ；
对于截波，10～25μs 。
在正常试验中，一般采用一个时间来记录波形是足够的，但试验出现疑问时，为了便于判断，则可能需要几种不同扫描时间的记录。
分析波形，做出伏秒特性曲线
四．预防措施
雷闪雷鸣是一种自然现象，雷电的电压很高，瞬时电流强度很大，因此，一次雷电的放电时间虽然只有0．01S 左右，但其释放出的能量却大得惊人。雷电放电时，可使电气设备 绝缘击穿，建筑物造成破坏，家用电器击毁，人体及牲畜死亡或受伤等。 雷电入射波到达线路末端结点处会发生全反射，线路的开路末端电压将增大至雷电行波
电压的2倍，严重威胁线路的绝缘安全，必须
设置避雷器等防雷保护措施。
避雷针保护作用的原理
能使雷云电场发生突变，使雷电先导的发
展沿着避雷针的方向发展，直击于其上，雷电
流通过避雷针及接地装置泄入大地而防止避雷
针周围的设备受到雷击。
保护范围
避雷针是防止直击雷的有效措施。一定高度的
避雷针（线）下面，有一个安全区域，此区域
内的物体基本上不受雷击。我们把这个安全区
域叫做避雷针的保护范围。如图所示。
h x ≥
h x
h 2h 2 r x =(h -h x ) P r x =
(1. 5h -2h x ) P
h:避雷针高度，m h x ：被保护物高度，m P：高度影响系数
30m
h h ≤30m , P =1
防雷装置
防雷装置由接闪器、引下线和接地体三部分组成，其作用是防止直接雷击或将雷电流引入大地，以保证人身及建（构）筑物安全。
避雷器是防止雷电过电压侵袭配电和其他电气设备的保护装置。避雷器安装在被保护设备的引入端，其上端接在架空输电线路上，下端接地。其中阀型避雷器是保护变、配电装置常用的一种避雷装置；管型避雷器一般是用于线路上；保护间隙是最简单最经济的防雷装置，俗称简单避雷器，一般安装在线路的进户处，用来保护电度表等设备。
五．结论
通过本次设计细致了解了雷电的形成，放电的过程，冲击电压波形组成及其传播原理等知识。系统地理顺了雷电击穿过电压的理论基础。通过设计雷电冲击过电压试验及其特性曲线的分析，可以充分认识到雷电击穿的危害，所以对设备进行保护是一个必不可少的环节。
做好设备绝缘和避雷保护不仅对电气设备而且对人们的日常生活都具有非常重要的意义。所以学好高电压技术是十分重要的。
参考文献
清华大学电气工程系列教材 高电压试验技术(第3版) 张仁豫、陈昌渔、王昌长 清华大学出版社 (2009-09出版)
赵智大，高电压技术，电力出版社，2007
张纬钹，何金良等，过电压防护与绝缘配合，2002
500kV 绝缘子串的人工雾淞覆冰和放电试验
盐雾下瓷绝缘子放电试验研究