图 雷电反击图(地线)
3、分布参数电路的研究方法
空中的输电线是导体,地面也是导体,任何两个导体之间必存在电容,所以输电线对大地有电容,而其中的介质就是常常被我们忽略的空气。
输电线是承载电流的,有电流必有磁力线交链导线,所以输电线有电感。
在比工频要快大约5000倍的高频雷电波作用下,实质上可以认为在输电线上的每一个点上,都有不能忽略的对地电容和电感。这就是说,在工频下的一根架空导线,在受到雷击时,必须引入这样的一种思维模式:类似高等数学中的微积分思想,将上述导线视为由无穷多个点组成,这些点无间隙地分布在导线上,每一个点都存在一个电容参数和电感参数,它们共同组成了一个分布参数电路。
下图就是用分布参数电路来表示的一根架空长导线。其中的dx表示导线上的一个点,代表以大地为回路的导线每点电感值,代表导线每点对地电容值。
分布参数电路与集中参数电路的共同点是两者都必须符合基尔霍夫电路第一和第二定律,不同点是前者具有无穷多个回路而后者只具有有限个回路。
雷击到导线上的某一个点时,对于接近雷击点以及远离雷击点,它们在感受雷击的影响时,是遵循先来后到的原则的,因此必然得出下面的结论。
4、电荷在导线上流动需要时间
由于雷电波的时间以微秒计,所以电源合闸瞬间,第一个回路中的电容立即充电,而由于该回路中的电感上的电流不能突变,所以没有电流,后面第二个回路的电容也就没有电荷,必须要经过一段时间才能充满。同理,电容离起始端越远,则被电荷充满的时间延时也越大。这就是说,电荷在输电线上的传递需要时间,即雷电冲击波存在传播速度。
由于输电线的参数仅是每一点的对地电容C0和每一点的电感L0,所以传播速度一定是C0和L0的函数。又由于C0和L0分别又是空气的介质系数ε0和空气的导磁系数μ0的函数,所以传播速度也一定只与ε0和μ0有关。
5、电荷在导线上的流动形式是电磁波
电荷在导线上流动时,单位长度C0上的电压会逐个建立,单位长度L0中的电流会逐个通过。电压伴随着电场,电流伴随着磁场,而这些电场和磁场分别以波动的形式存在,也就是说,电荷在导线上流动时出现了电磁波。
6、影响电磁波传播的是波阻
在研究电荷沿导线流动的规律时,与集中参数回路一样,需要研究回路中电压与电流的比例关系。在集中参数回路中,这种关系由阻抗来体现。由于在分布参数回路中,仅有每一点的对地电容C0和每一点的电感L0,所以这种回路中的电压与电流的比例关系仅与C0和L0有关,为了与集中参数回路中的阻抗叫法尽量接近,称这种比例关系为波阻。
实际上,集中参数回路的阻抗与分布参数回路中的波阻是两种完全不同的概念。
可以这样认为:同样的一根导线,对工频波呈现出阻抗,而对极短的雷电波则呈现出波阻。
再举两例,以加深对波阻的理解。
在假定架空线为无穷长的情况下,其波阻Z=500欧。如果架空线为有限长,则在有限长部分,其波阻为500欧,到了有限长终端,电磁波在无路可走的情况下,只能往有限长部分反射,这个时候的波阻就不是500欧了。
杆塔的电感和对地电容形成了150欧的波阻。杆塔每米的对地电容一般为10微微法。根据来波变化率可以计算出杆塔的电容电流为每米6安培,如果是10米杆塔,则有60安培的电容电流。
而雷电流为千安级,所以杆塔的电容电流可以忽略。即雷电流不愿意从空气中走,而愿意从杆塔和接地电阻走。