雷電沖擊試驗(yàn)

《電氣工程名詞》第一版。

1998年，經(jīng)全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)審定發(fā)布。

雷電沖擊波通常指的是直擊雷或者是感應(yīng)雷，在架空線路或者是上空中金屬管道上面產(chǎn)生沖擊波，而這樣的沖擊波基本上是沿著線路兩個(gè)方向或者是沿管道進(jìn)行傳遞。而雷電沖擊波在架空線路當(dāng)中傳播的速度約為 300m/μs，而在電纜當(dāng)中的傳播速度大約為 150m/μs，每一類(lèi)型的沖擊波的波形相差非常大。如果進(jìn)行耐壓試驗(yàn)的時(shí)候，波頭為（1.5±0.2）μs，波長(zhǎng)為（40±4）μs，其峰值電壓應(yīng)該取400~4800kV。在電力變壓器雷電沖擊試驗(yàn)中有各種各樣的故障，為了保證樣品的絕緣質(zhì)量，其性質(zhì)不能發(fā)生一點(diǎn)損壞，一般情況下，可以通過(guò)記錄顯示外加的電壓波形圖及其示傷電阻的電流而進(jìn)行判斷分析。

發(fā)生雷電沖擊試驗(yàn)的時(shí)候，通過(guò)示傷電阻可以得到電流的波形，通過(guò)分壓器來(lái)可以得到?jīng)_擊電壓的波形，故障判斷通常采用，50%的電壓和50%的電流波形與在全電壓情況下進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，一般通過(guò)以下方法，假設(shè)正常的波形電壓達(dá)到了50%，經(jīng)過(guò)對(duì)重合程度的對(duì)比就可以知道變壓器是否發(fā)生了損壞。

在進(jìn)行變壓器雷電沖擊試驗(yàn)以后，還會(huì)進(jìn)行工頻耐壓、倍頻感應(yīng)、局部放電、空載等試驗(yàn)項(xiàng)目，然而對(duì)于這些試驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)講，只是作為了一種輔助辦法。

由于變壓器在工頻耐壓、感應(yīng)以及雷電沖擊作用下的絕緣特性有著非常大的差異，在某個(gè)地方發(fā)生了故障，梯度和沖擊電位會(huì)非常高，其它試驗(yàn)試很難發(fā)現(xiàn)，并且沖擊電壓截波的電位是不一樣的，而全波的繞組電位梯度也是不一樣的，并且電位的分布也是不一樣的，截波和全波基本上都是運(yùn)用了各自范圍試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析判斷。

電力變壓器沖擊試驗(yàn)的過(guò)程判斷方法非常直觀，對(duì)于變電力變壓器沖擊試驗(yàn)的過(guò)程判斷方法非常直觀，對(duì)于變壓器油箱里面的聲音，在變壓器油箱里有煙類(lèi)氣體冒出來(lái)，變壓器雷電沖擊試驗(yàn)后，空載試驗(yàn)的損耗和空載電流明顯增加。

但是，電力變壓器在進(jìn)行雷電沖擊試驗(yàn)的時(shí)候，如果變壓器繞組有少部分發(fā)現(xiàn)了損傷現(xiàn)象，達(dá)到了輕微擊穿的程度，以上現(xiàn)象根本看不出來(lái)?，F(xiàn)在，判斷沖擊故障最基本的方法主要是波形比較法，也就是比較沖擊試驗(yàn)在下降電壓下以及全電壓下的示傷電流波形和電壓波形，看有沒(méi)有發(fā)生畸變而進(jìn)行分析判斷。

最近幾年以來(lái)，技術(shù)人員再使用一個(gè)新的判斷方法，函數(shù)傳遞法，這個(gè)方法剛被引進(jìn)對(duì)沖擊故障的檢測(cè)進(jìn)行研究，很多還需要進(jìn)一步進(jìn)行完善。

雷電是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀而又有點(diǎn)令人生畏的放電現(xiàn)象。雷電一般產(chǎn)生于對(duì)流發(fā)展旺盛的積雨云中，因此常伴有強(qiáng)烈的陣風(fēng)和暴雨，有時(shí)還伴有冰雹和龍卷風(fēng)。積雨云頂部一般較高，可達(dá)20公里，云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空氣對(duì)流等過(guò)程，使云中產(chǎn)生電荷。云中電荷的分布較復(fù)雜，但總體而言，云的上部以正電荷為主，下部以負(fù)電荷為主。因此，云的上、下部之間形成一個(gè)電位差。當(dāng)電位差達(dá)到一定程度后，就會(huì)產(chǎn)生放電，這就是我們常見(jiàn)的閃電現(xiàn)象。閃電的的平均電流是3萬(wàn)安培，最大電流可達(dá)30萬(wàn)安培。閃電的電壓很高，約為1億至10億伏特。一個(gè)中等強(qiáng)度雷暴的功率可達(dá)一千萬(wàn)瓦，相當(dāng)于一座小型核電站的輸出功率。放電過(guò)程中，由于閃道中溫度驟增，使空氣體積急劇膨脹，從而產(chǎn)生沖擊波，導(dǎo)致強(qiáng)烈的雷鳴。 帶有電荷的雷云與地面的突起物接近時(shí)，它們之間就發(fā)生激烈的放電。在雷電放電地點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的閃光和爆炸的轟鳴聲。這就是人們見(jiàn)到和聽(tīng)到的閃電雷鳴。

雷云形成

產(chǎn)生雷電的條件是雷雨云中有積累并形成極性?？茖W(xué)家們對(duì)雷雨云的帶電機(jī)制及電荷有規(guī)律分布，進(jìn)行了大量的觀測(cè)和試驗(yàn)，積累了許多資料，并提出各種各樣的解釋?zhuān)行┱擖c(diǎn)至今還有爭(zhēng)論。

1. 對(duì)流云初始階段的“離子流”假說(shuō)。

大氣中存在這大量的正離子和負(fù)離子，在云中的雨滴上，電荷分布是不均勻的，最外邊的分子帶負(fù)電，里層的帶正電，內(nèi)層比外層的電勢(shì)差約高0.25V。為了平衡這個(gè)電勢(shì)差，水滴就必須優(yōu)先吸收大氣中的負(fù)離子，這就使水滴逐漸帶上了負(fù)電荷。當(dāng)對(duì)流發(fā)展開(kāi)始時(shí)，較輕的正離子逐漸的被上升的氣流帶到云的上部；而帶負(fù)電的云滴因?yàn)楸容^重，就留在了下部，造成了正負(fù)電荷的分離。

2. 冷云的電荷積累

當(dāng)對(duì)流發(fā)展到一定階段，云體伸入0℃層以上的高度后，云中就有了過(guò)冷水滴、霰粒和冰晶等。這種由不同相態(tài)的水汽凝結(jié)物組成且溫度低于0℃的云，叫冷云。冷云的電荷形成和積累過(guò)程有如下幾種：

① 過(guò)冷水滴在霰粒上撞凍起電

在云層重有許多水滴在溫度低于0℃時(shí)也不會(huì)凍結(jié)，這種水滴叫過(guò)冷水滴。過(guò)冷水滴是不穩(wěn)定的，只要它們被輕輕地震動(dòng)一下，就馬上凍結(jié)稱冰粒。當(dāng)過(guò)冷水滴與霰粒碰撞時(shí)，會(huì)立即凍結(jié)，這叫撞凍。當(dāng)發(fā)生撞凍時(shí)，過(guò)冷水滴外部立即凍成冰殼，但它的內(nèi)部仍暫時(shí)保持著液態(tài)，并且由于外部?jī)鼋Y(jié)放的潛熱傳到內(nèi)部，其內(nèi)部液態(tài)過(guò)冷水的溫度比外面的冰殼高。溫度的差異使得凍結(jié)的過(guò)冷水滴外部帶上正電，內(nèi)部帶上負(fù)電。當(dāng)內(nèi)部也發(fā)生凍結(jié)時(shí)，云滴就膨脹分裂，外表皮破裂成許多帶正電的冰屑，隨氣流飛到云層上部，帶負(fù)電的凍滴核心部分則附在較重的霰粒上，使霰粒帶負(fù)電并留在云層的中下部。

② 冰晶與霰粒的摩擦碰撞起電

霰粒是由凍結(jié)水滴組成的，成白色或乳白色，結(jié)構(gòu)比較松脆。由于經(jīng)常有冷水滴與它撞凍并釋放潛熱，它的溫度一般比冰晶高。在冰晶中含有一定量的自由離子（OH-和H ），離子數(shù)隨溫度升高而增多。由于霰粒與冰晶接觸部分存在著溫度差，高溫端的自由離子必然要多于低溫端，因而離子必然從高溫端向低溫端遷移。離子遷移時(shí)，帶正電的氫離子速度較快，而帶負(fù)電的較重的氫氧根離子則較慢。因此，在一定時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)了冷端氫離子過(guò)剩的現(xiàn)象，造成了高溫端為負(fù)，低溫端為正的電極化。當(dāng)冰晶與霰粒接觸后，又分離時(shí)，溫度較高的霰粒就帶上了負(fù)電，而溫度較低的冰晶就帶上了正電。在重力和上升氣流的作用下，較輕的帶正電的冰晶集中到云的上部，較重的帶負(fù)電的霰粒則停留在云層的下部，因而造成了冷云的上部帶正電而下部帶負(fù)電。

③ 水滴因含有稀薄鹽分而起電

出了上述冷云的兩種起電機(jī)制外，還有人提出了由于大氣中水滴含有稀薄鹽分而產(chǎn)生起電機(jī)制。當(dāng)云滴凍結(jié)時(shí)，冰的晶格中可以容納負(fù)的氯離子，卻排斥正的鈉離子。因此，水滴凍結(jié)的部分帶負(fù)電，而未凍結(jié)的部分帶正電(水滴凍結(jié)時(shí)是從里向外進(jìn)行的)。由于水滴凍結(jié)而成的霰粒在下落的過(guò)程中，摔掉表面還未來(lái)得及凍結(jié)的水分，形成許多帶正電的小云滴，而凍結(jié)的核心部分則帶負(fù)電。由于重力和氣流的分選作用，電正點(diǎn)的小滴被帶到云的上部，而帶負(fù)電的霰粒則停留在云的中、下部。

3. 暖云的電荷積累

在熱帶地區(qū)，有一些云整個(gè)云體都位于0℃以上區(qū)域。因而只含有水滴而沒(méi)有固態(tài)水粒子。這種云叫暖云或水云。暖云也會(huì)出現(xiàn)雷電現(xiàn)象。在中緯度地區(qū)的雷暴云，云體位于0℃等溫線一下的部分，就是云的暖區(qū)。在云的暖區(qū)里也有起電過(guò)程發(fā)生。

在雷雨云的發(fā)展過(guò)程中，上數(shù)機(jī)制在不同的發(fā)展階段分別起作用。但是，最主要的帶電機(jī)制還是由于水滴凍結(jié)造成的。大量觀測(cè)事實(shí)表明，只有當(dāng)云頂呈現(xiàn)纖維狀，絲縷結(jié)構(gòu)時(shí)，云彩發(fā)展成為雷雨云。飛機(jī)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，雷雨云中存在以冰、雪晶和霰粒為主的大量云粒子，而且大量電荷的積累即雷雨云迅猛帶電機(jī)制，必須依靠霰粒生長(zhǎng)過(guò)程的碰撞、撞凍和摩擦等才能發(fā)生。