雷电冲击试验

《电气工程名词》第一版。

1998年，经全国科学技术名词审定委员会审定发布。

雷电冲击波通常指的是直击雷或者是感应雷，在架空线路或者是上空中金属管道上面产生冲击波，而这样的冲击波基本上是沿着线路两个方向或者是沿管道进行传递。而雷电冲击波在架空线路当中传播的速度约为 300m/μs，而在电缆当中的传播速度大约为 150m/μs，每一类型的冲击波的波形相差非常大。如果进行耐压试验的时候，波头为（1.5±0.2）μs，波长为（40±4）μs，其峰值电压应该取400~4800kV。在电力变压器雷电冲击试验中有各种各样的故障，为了保证样品的绝缘质量，其性质不能发生一点损坏，一般情况下，可以通过记录显示外加的电压波形图及其示伤电阻的电流而进行判断分析。

发生雷电冲击试验的时候，通过示伤电阻可以得到电流的波形，通过分压器来可以得到冲击电压的波形，故障判断通常采用，50%的电压和50%的电流波形与在全电压情况下进行详细对比，一般通过以下方法，假设正常的波形电压达到了50%，经过对重合程度的对比就可以知道变压器是否发生了损坏。

在进行变压器雷电冲击试验以后，还会进行工频耐压、倍频感应、局部放电、空载等试验项目，然而对于这些试验项目来讲，只是作为了一种辅助办法。

由于变压器在工频耐压、感应以及雷电冲击作用下的绝缘特性有着非常大的差异，在某个地方发生了故障，梯度和冲击电位会非常高，其它试验试很难发现，并且冲击电压截波的电位是不一样的，而全波的绕组电位梯度也是不一样的，并且电位的分布也是不一样的，截波和全波基本上都是运用了各自范围试验的结果进行分析判断。

电力变压器冲击试验的过程判断方法非常直观，对于变电力变压器冲击试验的过程判断方法非常直观，对于变压器油箱里面的声音，在变压器油箱里有烟类气体冒出来，变压器雷电冲击试验后，空载试验的损耗和空载电流明显增加。

但是，电力变压器在进行雷电冲击试验的时候，如果变压器绕组有少部分发现了损伤现象，达到了轻微击穿的程度，以上现象根本看不出来。现在，判断冲击故障最基本的方法主要是波形比较法，也就是比较冲击试验在下降电压下以及全电压下的示伤电流波形和电压波形，看有没有发生畸变而进行分析判断。

最近几年以来，技术人员再使用一个新的判断方法，函数传递法，这个方法刚被引进对冲击故障的检测进行研究，很多还需要进一步进行完善。

雷电是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的放电现象。雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中，因此常伴有强烈的阵风和暴雨，有时还伴有冰雹和龙卷风。积雨云顶部一般较高，可达20公里，云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空气对流等过程，使云中产生电荷。云中电荷的分布较复杂，但总体而言，云的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主。因此，云的上、下部之间形成一个电位差。当电位差达到一定程度后，就会产生放电，这就是我们常见的闪电现象。闪电的的平均电流是3万安培，最大电流可达30万安培。闪电的电压很高，约为1亿至10亿伏特。一个中等强度雷暴的功率可达一千万瓦，相当于一座小型核电站的输出功率。放电过程中，由于闪道中温度骤增，使空气体积急剧膨胀，从而产生冲击波，导致强烈的雷鸣。 带有电荷的雷云与地面的突起物接近时，它们之间就发生激烈的放电。在雷电放电地点会出现强烈的闪光和爆炸的轰鸣声。这就是人们见到和听到的闪电雷鸣。

雷云形成

产生雷电的条件是雷雨云中有积累并形成极性。科学家们对雷雨云的带电机制及电荷有规律分布，进行了大量的观测和试验，积累了许多资料，并提出各种各样的解释，有些论点至今还有争论。

1. 对流云初始阶段的“离子流”假说。

大气中存在这大量的正离子和负离子，在云中的雨滴上，电荷分布是不均匀的，最外边的分子带负电，里层的带正电，内层比外层的电势差约高0.25V。为了平衡这个电势差，水滴就必须优先吸收大气中的负离子，这就使水滴逐渐带上了负电荷。当对流发展开始时，较轻的正离子逐渐的被上升的气流带到云的上部；而带负电的云滴因为比较重，就留在了下部，造成了正负电荷的分离。

2. 冷云的电荷积累

当对流发展到一定阶段，云体伸入0℃层以上的高度后，云中就有了过冷水滴、霰粒和冰晶等。这种由不同相态的水汽凝结物组成且温度低于0℃的云，叫冷云。冷云的电荷形成和积累过程有如下几种：

① 过冷水滴在霰粒上撞冻起电

在云层重有许多水滴在温度低于0℃时也不会冻结，这种水滴叫过冷水滴。过冷水滴是不稳定的，只要它们被轻轻地震动一下，就马上冻结称冰粒。当过冷水滴与霰粒碰撞时，会立即冻结，这叫撞冻。当发生撞冻时，过冷水滴外部立即冻成冰壳，但它的内部仍暂时保持着液态，并且由于外部冻结放的潜热传到内部，其内部液态过冷水的温度比外面的冰壳高。温度的差异使得冻结的过冷水滴外部带上正电，内部带上负电。当内部也发生冻结时，云滴就膨胀分裂，外表皮破裂成许多带正电的冰屑，随气流飞到云层上部，带负电的冻滴核心部分则附在较重的霰粒上，使霰粒带负电并留在云层的中下部。

② 冰晶与霰粒的摩擦碰撞起电

霰粒是由冻结水滴组成的，成白色或乳白色，结构比较松脆。由于经常有冷水滴与它撞冻并释放潜热，它的温度一般比冰晶高。在冰晶中含有一定量的自由离子（OH-和H ），离子数随温度升高而增多。由于霰粒与冰晶接触部分存在着温度差，高温端的自由离子必然要多于低温端，因而离子必然从高温端向低温端迁移。离子迁移时，带正电的氢离子速度较快，而带负电的较重的氢氧根离子则较慢。因此，在一定时间内就出现了冷端氢离子过剩的现象，造成了高温端为负，低温端为正的电极化。当冰晶与霰粒接触后，又分离时，温度较高的霰粒就带上了负电，而温度较低的冰晶就带上了正电。在重力和上升气流的作用下，较轻的带正电的冰晶集中到云的上部，较重的带负电的霰粒则停留在云层的下部，因而造成了冷云的上部带正电而下部带负电。

③ 水滴因含有稀薄盐分而起电

出了上述冷云的两种起电机制外，还有人提出了由于大气中水滴含有稀薄盐分而产生起电机制。当云滴冻结时，冰的晶格中可以容纳负的氯离子，却排斥正的钠离子。因此，水滴冻结的部分带负电，而未冻结的部分带正电(水滴冻结时是从里向外进行的)。由于水滴冻结而成的霰粒在下落的过程中，摔掉表面还未来得及冻结的水分，形成许多带正电的小云滴，而冻结的核心部分则带负电。由于重力和气流的分选作用，电正点的小滴被带到云的上部，而带负电的霰粒则停留在云的中、下部。

3. 暖云的电荷积累

在热带地区，有一些云整个云体都位于0℃以上区域。因而只含有水滴而没有固态水粒子。这种云叫暖云或水云。暖云也会出现雷电现象。在中纬度地区的雷暴云，云体位于0℃等温线一下的部分，就是云的暖区。在云的暖区里也有起电过程发生。

在雷雨云的发展过程中，上数机制在不同的发展阶段分别起作用。但是，最主要的带电机制还是由于水滴冻结造成的。大量观测事实表明，只有当云顶呈现纤维状，丝缕结构时，云彩发展成为雷雨云。飞机观测发现，雷雨云中存在以冰、雪晶和霰粒为主的大量云粒子，而且大量电荷的积累即雷雨云迅猛带电机制，必须依靠霰粒生长过程的碰撞、撞冻和摩擦等才能发生。