01 雷 電 參 數

1.1

雷電流幅值

雷電流幅值與云霧中的電荷有關，是個隨機的變化量。我國的雷電流幅值經過統計，其概率大致為：

每100次雷電流，平均有12次超過100千安，有1/3的超過50千安，有60次超過20千安，80次超過10千安。

1.2

再談雷電日

為了統計雷電的活動頻繁度，采用雷電日為單位，在一天內只要聽到雷聲就算一個雷電日。也有用雷電小時作單位的，即在一個小時內只要聽到雷聲就算一個雷電小時。據統計，我國大部地區一個雷電日約折合為3個雷電小時。

雷電日的多少和經緯度有關。

在炎熱潮濕的赤道附近雷電日最多。埃塞俄比亞的剛大隆每年平均有230個雷電日，印尼有220個雷電日，我國以海南島的澄邁雷電日最多，平均133.4日，而海南島的那大為124.1日。

以一般平均值來說，赤道地帶約100~150雷電日，熱帶約75~100雷電日，中緯度是30~50雷電日，而在極圈附近只有幾個雷電日。

在山地，由于局部熱雷云的影響，雷電通常比平原多，而在海上則較少。

在暖氣流經常流過的沿海地區，雷電比大陸腹地要多。我國新疆只有10個左右雷電日，在新疆的且末為3.5，在麻扎為2個雷電日，在青海的冷湖為2.3，在格松為0.3個雷電日，后者為我國雷電日最少的地方。

就全國范圍來說，廣東省的雷州半島和海南島一帶是雷電活動最強烈的地區，平均雷電日高達100~133日，雷電常常象炸彈一樣震憾門窗。

北回歸線（北緯23.5°）以南一般在80日以上（但臺灣省只有30日左右），北緯23.5°到長江一帶約為40~80日，長江以北大部分地區（包括東北）多在20~40日之間。

西北地區多數在20日以下。

西藏因印度洋暖流沿雅魯藏布江上溯，很多地方雷電日高達50~80日。

對幾個大城市來說：

沈陽、天津、濟南、鄭州、太原約為30日；

北京、上海、南京、武漢、成都、呼和浩特約為40日；

重慶、長沙、貴陽、福州約為50日；

而廣州、昆明、南寧約為70~80日。

我國把年平均雷電日不超過15日的地區叫少雷區，超過40日的叫多雷區。在防雷設計上，要根據雷電日的多少因地制宜。

1.3

落雷密度

這是一個專業性的名詞，英文名稱為：ground flash density，縮寫：GFD。它表征了雷云對地放電的頻繁程度，即表示每平方公里每個雷電日的對地落雷次數，用希臘字母γ表示，這個數值各個國家是不同的，根據實測結果，我們國家的γ取0.015（這是以前的規定，因為我國幅員遼闊，很難用一個統一的數來描繪，現在不同地區已有不同的γ）。

看到這里，大家可能在頭腦中還是不能清晰地建立這個概念，下面以例說明之。

例如武漢地區的某個變電站，變電站占地面積為長寬各100米，那么這個變電站一年要打幾次雷呢？武漢的雷電日為40個，變電站的面積用平方公里（因為落雷密度用的是平方公里）表示則為：

長/1000 × 寬 / 1000 ＝ 100 / 1000 × 100 / 1000=0.01平方公里，按照落雷密度的定義，該變電站一年的落雷次數似乎應該為：40×0.01×0.015＝0.006次。

實際上變電站不是緊貼在地面上，變電站中的建筑物或高聳的構架具有引雷的作用，根據模擬試驗及運行經驗，高度越高，引雷作用越大，所以應該在變電站的長、寬各側加上5h ( h為變電站內最高設備的高度) 作為引雷寬度，所以上述變電站的占地面積雖然為 100 / 1000 × 100 / 1000 平方公里 ，但是，它的引雷面積應該為：（100 ＋10h） / 1000 × （100 ＋10h ）/ 1000 平方公里 。如果在這個變電站中，最高的設備是一個構架，該構架高度為15米，則該變電站一年的落雷次數為：

40×[100＋10×15] / 1000× [100＋10×15] / 1000× 0.015=0.0375次/年

這個結果不便于說明問題，將它取一個倒數看看，1／0.0375年／次=26.7年／次，含義是：落雷一次需要多少年。

即該變電站大約27年落雷一次，這樣對落雷密度的含義就比較清楚了。通過此例也告訴我們，當我們從一個方向看不清事物的時候，不妨從它的反方向去考慮考慮，因為一陰一陽謂之道也！

現在我們終于明白引入落雷密度的目的了。它可以幫助我們建立一個概念，即具有一定高度、一定面積的變電站或者發電廠，究竟多少年可以遭受一次雷擊，顯然，γ越大，遭受的雷擊越多。我國的γ取0.015究竟準確度有多大，目前也有不少爭論，但以前的標準就是這樣規定的。

大家對上面的變電站27年才落一次雷可能不以為然，覺得好像該變電站并無防雷的必要，但是27年落雷一次，不是說第27年雷才到此一游，而是27年間，隨時都有可能落雷，說不定明天這個變電站就會遭受雷擊。更何況，武漢市也并不只有這一個變電站，起碼27個變電站是必須的，如果這27個變電站都不防雷的話，那么武漢市平均每年都要有一個變電站遭受雷擊，這種現象無論如何是不允許的。

02 雷擊大地與感應

當烏云密布時，云是帶電的，并稱之為雷云。據統計，90％左右的雷云帶負電。當雷云處于導線的上方時，它對大地、對導線均有靜電感應，此時雷云下的大地和導線均感應出異號的正電荷。

在雷云沒有放電時，這些正電荷被雷云中的負電荷所吸引，不得動彈，被緊緊地束縛在導線和大地上。

如果此時雷云沒有擊中導線而是擊中大地，則大地與雷云中的電荷迅速聯姻，于是導線上的束縛電荷就解放了，轉變為自由電荷，向導線兩側流動，在導線上形成巨大的電流i， i 與導線的波阻z相乘即產生很大的電壓波 u = iz，這個電壓波稱為感應電壓波，帶正極性。

顯然，雷電流i 越大，感應電壓波越大；導線的懸掛高度 hd 越大，感應電壓波越大。

反之，雷擊地面點與導線的垂直距離s 越大，則感應電壓越小，所以感應過電壓

式中是比例系數，它具有電阻的量綱。

我們常常關心感應過電壓的幅值ug，則

式中

I——雷電流幅值（千安）

hd ——導線懸掛的平均高度（米）

s——雷擊地面點距導線的垂直距離（米）

實際測量結果表明，感應過電壓的幅值可達300～400 kV。

對于35kV的線路，它一般懸掛三個x — 4.5絕緣子，x — 4.5絕緣子串的沖擊絕緣強度用表示，可用下式近似來求：

式中m 為每串絕緣子個數，上式在 m ＝（2～14）的范圍內均適用。由此可知，三個 x — 4.5 絕緣子的沖擊絕緣強度約為350kV，所以感應雷的幅值可以使上述絕緣子串閃絡。

而對于110kV線路，每串有7個x — 4.5 絕緣子，其沖擊絕緣強度為：

所以感應雷的幅值不能使110kV 的絕緣子串閃絡。

由此可見，感應過電壓會造成35kV及以下的線路閃絡。而對于60kV及以上高壓線路，由于線路的沖擊絕緣強度均在500kV以上，所以感應過電壓一般不會引起這些線路的閃絡。

還有一個問題需要放在最后交待，公式ug = k I hd / s 實際上是有使用條件的。因為雷擊地面時，距離導線會有一段距離。經實際測量證實，s = 50 米是一個界限，當s ＞ 50 米時， ug = k I hd / s 成立。當s ≤ 50 米時，雷云事實上會被桿塔或避雷線吸引而擊中線路本身，這樣在計算公式中s=0，公式已經不存在了。

03 再談直流和交流參考電壓

保護設備與其他設備的主要區別是它應該在某種特定的時候必須動作。

具體到避雷器，它是一種過電壓的保護設備，其功能就是：在雷電過電壓出現時應該動作。

而避雷器的參考電壓即與避雷器的動作電壓有關。

避雷器的動作是靠其電阻片的非線性實現的。

3.1

直流1mA參考電壓

在國標及許多產品說明書中，都標有“直流1mA參考電壓”的字樣，該名稱系引用日本人的所謂“1mA臨界動作電壓”的概念，也可以與“起始動作電壓”等同起來。

看下圖所示的避雷器的伏安特性曲線，橫坐標是直流電流，縱坐標是對應的直流電壓。

從圖中可以看到：直流1mA電壓是避雷器閥片從線性區進入非線性區的分界點（從線性區進入非線性區必有分界點）。

在線性區，曲線比較陡峭，即電阻較大；在非線性區，曲線比較平緩，即電阻較小，而直流1mA對應了曲線從電阻大變為電阻小的拐點。

如果將此特性與避雷器的動作聯系起來，即當直流電流＜1毫安時，避雷器不動作；專業書上稱為預擊穿區；當直流電流＞1毫安時，避雷器動作，專業書上稱為擊穿區。

避雷器的保護作用正在于這拐點前后的高度的非線性特性。

直流1mA參考電壓這一參數，是制造廠設計避雷器的重要基準，因為根據直流1mA參考電壓，就可以選擇閥片的數量了，同時也就確定了避雷器的殘壓了。

另外，因為測量上的方便，也是現場檢測避雷器性能變化的主要依據。

3.2

工頻參考電壓

對避雷器施加交流電壓，此時產生的電流稱為全電流，它包括阻性電流分量和容性電流分量。

在電流的阻性分量為1毫安時，避雷器兩端的電壓峰值作為工頻參考電壓。

工頻參考電壓恰好位于閥片的交流非線性伏安特性中從小電流區進入大電流區的分界點。

而直流1mA電壓也恰好位于閥片的直流非線性伏安特性中從小電流區進入大電流區的分界點。

這兩種非線性略有差異。一般前者的峰值與后者相近。

所以可以認為：工頻參考電壓與直流1mA參考電壓在物理意義上是相類似的，只是在測量上前者比后者復雜。

因為在測量工頻參考電流時，還有容性電流的存在，而我們希望得到的是阻性電流的分量，所以在測量時，我們還要想辦法使避雷器電流中的阻性分量足夠大，使其雜散電容的影響可以忽略，這樣就增加了測量的復雜性。

而避雷器的直流1mA參考電壓與工頻參考電壓所對應的動作電壓基本一致，測量中又不需要考慮容性電流，何樂不為呢！

本文由網友投稿，作者為武漢大學 張德賽 教授，版權歸屬原作者，在這里表示非常感謝。歡迎更多的朋友分享您們的工作經歷、工作經驗、工作想法。本文為原作者個人觀點，不代表本公眾號贊同其觀點和對其真實性負責。

自然界中的雷電不可能消失

人類對技術進步的向往和沖動也不可能終止

技術進步帶來的潛在威脅

只能靠技術的繼續進步來解決