[科普中国]-雷电过电压

雷电过电压是指由于雷云放电而产生的过电压。雷电过电压与气象条件有关，由电力系统外部原因造成的，因此又称之为大气过电压或外部过电压。

简述雷电过电压来自于雷云放电。但对于雷云荷电的机理的研究还很不够，有些假说和理论还缺乏可靠的确证。一般认为，雷云电荷是局限在大量分散的水性质点（如水滴、冰粒、雪片等）上的，而不是独立的自由活动的离子和电子。水性质点最强烈的荷电过程与它们转换到不同的存在状态有关，也与它们吸收离子、相互撞击、被破碎分裂或被融合等过程有关。带有异号电荷的水性质点的分离，可能是由于它们在强烈气流和地球引力场作用下具有不同的空气动力学特性，由此，在雷云的不同部位积累了异号电荷，在这些部位之间产生了电场，水性质点在该电场中的极化又可能促进了雷云的荷电过程，其综合效果是造成相当强的产生和分离电荷的能力，使得雷云主要荷电部分的横向范围扩展到几公里，并将雷云电荷在垂直方向分离成两个大的电荷中心。不同极性雷云主要部分的电荷量接近相等；不同雷云中的电荷量可能相差很大，一般雷云中的电荷量达几百库仑。总电荷中只有一部分是通过闪电流入大地的，与此同时，也有云间和云内放电。1

雷电过电压的持续时间约为几十微秒，具有脉冲的特性，故常称为雷电冲击波。其特点是：幅值大，频率高。

类型雷电过电压也称外部过电压，是由于电力系统中的设备或建筑物遭受来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压。雷电冲击波的电压幅值可高达1亿伏，其电流幅值可高达几十万安，因此对系统危害极大，必须加以防护。

雷电过电压又分为直击雷过电压、感应雷过电压、侵入雷过电压。

(1)直击雷过电压。

当雷电直接击中电气设备、线路或建筑物时，强大的雷电流通过其流入大地，在被击物上产生较高的电位降，称为直击雷过电压。

基本防护措施就是将雷电接闪并泄放到大地。

(2)感应雷过电压。

1)静电感应。当线路或设备附近发生雷云放电时，虽然雷电流没有直接击中线路或设备，但在导线上会感应出大量的和雷云极性相反的束缚电荷，当雷云对大地上其他目标放电后，雷云中所带电荷迅速消失，导线上的感应电荷就会失去雷云电荷的束缚而成为自由电荷，并以光速向导线两端急速涌去，从而出现过电压，称为静电感应过电压。

2)电磁感应。由于雷电流有极大的峰值和陡度，在它周围有强大的变化电磁场，处在此电磁场中的导体会感应出极大的电动势，使有气隙的导体之间放电，产生火花，引起火灾。

基本防护措施是将金属体连通并接地，等电位就可消除彼此的电动势差。

(3)侵入雷过电压。

是由于线路、金属管道等遭受直接雷击或感应雷而产生的雷电波，沿线路、金属管道等侵入变配电所或建筑物而造成。

基本防护措施是线缆入建筑物的外皮接地及适时设置浪涌保护器。2

危害当雷电放电时，强大的雷电流将通过地面E的被击物，其热破环作用和机械力破坏作用都非常大，同时还能在邻近的线路上感应出数值很高的过电压，这些过高电压会流窜到供电系统中造成更大的危害，其主要表现如下：

①热效应。雷电产生强大电流，瞬间通过物体时产生高温，引起燃烧、熔化、汽化，烧毁设备，引起火灾。

②电磁效应。放电时在导体上产生静电感应和电磁感应，产生火花而引起火灾或爆炸，或雷电流泄入大地造成“跨步电压”引起人畜伤亡；雷电沿着架牵线路或金属管道侵入室内，危及人身安全和损坏设备（雷电波侵入）。

③机械效应，雷电通过导体时产生冲击性电动力，导体常发生炸裂、劈开。3

防护装置防雷装置主要包括避雷针、避雷线和避雷器。

(1)避雷针和避雷线

直击雷的防护措施通常采用接地良好的避雷针或避雷线。避雷针和避雷线在空间位置上高于被保护物体，顶端形成局部电场强度集中的空间，可将雷电吸引过来击于避雷针和避雷线，并通过自身接地装置使雷电流泄人大地，起到保护作用。为了使雷电流安全泄人大地，要求避雷针和避雷线应有良好的接地装置。

另外，当强大的雷电流泄人大地时，必然在避雷针、线或接地装置上产生幅值很高的过电压，有可能使它们与被保护物之间的间隙击穿(称为反击)。为了防止反击，避雷针、避雷线与被保护物之间应保持一定的距离。

(2)避雷器

避雷针和避雷线能避免被保护设备遭受雷电直击，但是不能限制因雷击引起的过电压。避雷器能把电气设备上的过电压限制在一定范围内，从而防止过电压损坏设备。避雷器使用时与被保护设备并联，当雷电入侵波或操作波超过避雷器的动作电压时，避雷器将先于被保护设备放电，强大的冲击电流泄人大地，从而限制了过电压。避雷器放电后，又立即能恢复其正常的绝缘状态，使系统正常工作。4

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所