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雷电流沿导线的流动

Posted on 2005年12月10日 20:47

雷击导线意味着有大量的电荷涌到导线上来，它产生的作用完全和将电源合闸到导线上一样，因此对于雷击导线，可以想像是电源合闸，至于电源是直流还是交流，可以不去考虑，反正它是供给导线电荷的装置。

我们研究雷击导线的规律，实际上是研究电荷沿导线流动的规律。对于输电线来说，它对地有电容，这些电容不是在一头一尾有，而是处处都有。输电线有电流通过的有磁力线交链导线，所以输电线也有电感，这些电感也是处处都有，即在输电线上，它每点都有对地电容，每点都有电感，它们分布在全部输电线的所有点上。

开关合闸意味着给导线送电荷，当开关刚合上时，则第一个电容先充满，由于电感上的电流不能突变，所以第一个电感此时没有电流，因此该电感之后的第二个电容上也没有电荷，必须要经过一段时间才能充满，从这里我们得出一个概念，电荷传递需要时间，用专业的语言，即电信号的传递是有速度的，电荷的传递形成了波，所以雷电也称为雷电波，现在我们知道由于线路上的众多电容电感处处与它作梗，所以雷电波在导线上运动是有速度的，通过计算，它的运动速度为每秒钟跑30万公里，即一秒钟可绕地球7周半，这个数字太大了，因为我们的输电线路甚至把输电电压提高到特电压阶段（即1000KV以上），线路的长度也只有千把公里，我们把该速度上下各缩小百万分之一，即雷电波的速度为300米／微秒，恰好雷电释放电荷的速度也是极快的，它可以在1个微秒之内达到最大值，所以雷电波的速度用米／微秒表示是合理的。雷电波沿导线运动时即有电压又有电流，电压意味电场，电流意味磁场，所以雷电波就是电磁波．我们知道，光的速度也是每秒30万公里，所以光也是电磁波，所以速度把两个不同的学科联系起来了。

雷电波的电压与雷电流的比值我们称为波阻，这很奇怪，前面我们只承认导线处处有电容和电感，而把导线的电阻忽略不计了，现在波阻却出现了．波阻的产生不是因为导线电阻的存在，而是导线电容、电感的存在，使波的运动受到了阻碍。即导线在雷电波时呈现为波阻．对无限长架空线来说，其波阻或者说对电源呈现的作用是400欧姆，对无限长电缆，其波阻为30欧姆。波阻是一个很有趣的概念，如果导线无限长，我们就可以用波阻去替代这条导线。如果导线中途断开了，则断开处的波阻无穷大，雷电波到此电压会增加1倍，这个概念在技术上很重要，例如雷电波打到输电线上，传到变压器，如果变压器此时空载，则变压器将承受2倍的雷电压。

我们再来分析雷打到地上的情况。雷电打到地面上之前，一定在一个通道内行进，这个通道实际上也可以认为是一根导线，所以雷电通道也有波阻，其值为300欧姆。雷击中地面时，遇到的主要是接地电阻，而接地电阻相对于雷电通道的波阻而言可以忽略不计，所以流过接地点的雷电流为沿雷电通道来波的2倍。这是因为雷电波在导线上传播时，既有电能又有磁能，到了地面之后，电阻为零了，所以电压没有了，即电能为零，而能量又要守恒，所以电能只能转化为磁能，磁能与电流相对应，故电流增加1倍。