雷電沖擊試驗

《電氣工程名詞》第一版。

1998年，經(jīng)全國科學技術(shù)名詞審定委員會審定發(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方向或者是沿管道進行傳遞。而雷電沖擊波在架空線路當中傳播的速度約為 300m/μs，而在電纜當中的傳播速度大約為 150m/μs，每一類型的沖擊波的波形相差非常大。如果進行耐壓試驗的時候，波頭為（1.5±0.2）μs，波長為（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)生一點損壞，一般情況下，可以通過記錄顯示外加的電壓波形圖及其示傷電阻的電流而進行判斷分析。

發(fā)生雷電沖擊試驗的時候，通過示傷電阻可以得到電流的波形，通過分壓器來可以得到?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行詳細對比，一般通過以下方法，假設(shè)正常的波形電壓達到了50%，經(jīng)過對重合程度的對比就可以知道變壓器是否發(fā)生了損壞。

在進行變壓器雷電沖擊試驗以后，還會進行工頻耐壓、倍頻感應(yīng)、局部放電、空載等試驗項目，然而對于這些試驗項目來講，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，在某個地方發(fā)生了故障，梯度和沖擊電位會非常高，其它試驗試很難發(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用了各自范圍試驗的結(jié)果進行分析判斷。

電力變壓器沖擊試驗的過程判斷方法非常直觀，對于變電力變壓器沖擊試驗的過程判斷方法非常直觀，對于變壓器油箱里面的聲音，在變壓器油箱里有煙類氣體冒出來，變壓器雷電沖擊試驗后，空載試驗的損耗和空載電流明顯增加。

但是，電力變壓器在進行雷電沖擊試驗的時候，如果變壓器繞組有少部分發(fā)現(xiàn)了損傷現(xiàn)象，達到了輕微擊穿的程度，以上現(xiàn)象根本看不出來?，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，看有沒有發(fā)生畸變而進行分析判斷。

最近幾年以來，技術(shù)人員再使用一個新的判斷方法，函數(shù)傳遞法，這個方法剛被引進對沖擊故障的檢測進行研究，很多還需要進一步進行完善。

雷電是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀而又有點令人生畏的放電現(xiàn)象。雷電一般產(chǎn)生于對流發(fā)展旺盛的積雨云中，因此常伴有強烈的陣風和暴雨，有時還伴有冰雹和龍卷風。積雨云頂部一般較高，可達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流等過程，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，下部以負電荷為主。因此，云的上、下部之間形成一個電位差。當電位差達到一定程度后，就會產(chǎn)生放電，這就是我們常見的閃電現(xiàn)象。閃電的的平均電流是3萬安培，最大電流可達30萬安培。閃電的電壓很高，約為1億至10億伏特。一個中等強度雷暴的功率可達一千萬瓦，相當于一座小型核電站的輸出功率。放電過程中，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，導致強烈的雷鳴。 帶有電荷的雷云與地面的突起物接近時，它們之間就發(fā)生激烈的放電。在雷電放電地點會出現(xiàn)強烈的閃光和爆炸的轟鳴聲。這就是人們見到和聽到的閃電雷鳴。

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家們對雷雨云的帶電機制及電荷有規(guī)律分布，進行了大量的觀測和試驗，積累了許多資料，并提出各種各樣的解釋，有些論點至今還有爭論。

1. 對流云初始階段的“離子流”假說。

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

2. 冷云的電荷積累

當對流發(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程有如下幾種：

① 過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℃時也不會凍結(jié)，這種水滴叫過冷水滴。過冷水滴是不穩(wěn)定的，只要它們被輕輕地震動一下，就馬上凍結(jié)稱冰粒。當過冷水滴與霰粒碰撞時，會立即凍結(jié)，這叫撞凍。當發(fā)生撞凍時，過冷水滴外部立即凍成冰殼，但它的內(nèi)部仍暫時保持著液態(tài)，并且由于外部凍結(jié)放的潛熱傳到內(nèi)部，其內(nèi)部液態(tài)過冷水的溫度比外面的冰殼高。溫度的差異使得凍結(jié)的過冷水滴外部帶上正電，內(nèi)部帶上負電。當內(nèi)部也發(fā)生凍結(jié)時，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，帶負電的凍滴核心部分則附在較重的霰粒上，使霰粒帶負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，帶正電的氫離子速度較快，而帶負電的較重的氫氧根離子則較慢。因此，在一定時間內(nèi)就出現(xiàn)了冷端氫離子過剩的現(xiàn)象，造成了高溫端為負，低溫端為正的電極化。當冰晶與霰粒接觸后，又分離時，溫度較高的霰粒就帶上了負電，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)生起電機制。當云滴凍結(jié)時，冰的晶格中可以容納負的氯離子，卻排斥正的鈉離子。因此，水滴凍結(jié)的部分帶負電，而未凍結(jié)的部分帶正電(水滴凍結(jié)時是從里向外進行的)。由于水滴凍結(jié)而成的霰粒在下落的過程中，摔掉表面還未來得及凍結(jié)的水分，形成許多帶正電的小云滴，而凍結(jié)的核心部分則帶負電。由于重力和氣流的分選作用，電正點的小滴被帶到云的上部，而帶負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)，有一些云整個云體都位于0℃以上區(qū)域。因而只含有水滴而沒有固態(tài)水粒子。這種云叫暖云或水云。暖云也會出現(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)里也有起電過程發(fā)生。

在雷雨云的發(fā)展過程中，上數(shù)機制在不同的發(fā)展階段分別起作用。但是，最主要的帶電機制還是由于水滴凍結(jié)造成的。大量觀測事實表明，只有當云頂呈現(xiàn)纖維狀，絲縷結(jié)構(gòu)時，云彩發(fā)展成為雷雨云。飛機觀測發(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制，必須依靠霰粒生長過程的碰撞、撞凍和摩擦等才能發(fā)生。