雷电放电原理1.docx

关于学习雷电放电的学习报告摘要 阐述了雷电的形成及雷电的放电过程。说明了雷电的放电特征。最后进行了雷电放电的参数的计算与长间隙中雷电冲击电场测量分析详细介绍, 为设计有效的防雷系统提供了重要依据。关键词 雷电放电过程 ；长间隙放电 ；流注；先导1 引言 雷电灾害是最严重的自然灾害之一, 给人类造成的损失是巨大的。在建筑物设计中, 防雷是否有效也直接关系到人们的生命安全。要做到有效防雷, 对雷电产生的危害的原因有明确的认识非常需要。2 雷云与雷电放电机理2. 1 雷云的形成过程在雷雨季节, 太阳使地面水分部分化为蒸汽,同时地面空气受到热地面的作用变热而上升, 成为热气流。由于太阳几乎不能直接使空气变热,因此, 每上升1 km, 空气温度约下降10 。上述的热气流遇到高空的冷空气, 水蒸气凝成小水滴,形成热雷云。在一定的地形条件下, 往往会促成热雷云的形成。在夏季日照期间, 山脚处与山顶处的空气之间、较低山坡附近与较高山梁附近的空气之间常存在着较大的温差, 山体低处的温度较高, 而山体高处的空气温度低, 这样就会出现低处热空气上升, 高处冷空气沿山体斜面下降的现象。这种对流过程将产生上升热气流, 从而形成热雷云。除此之外, 水平移动的冷气团或暖气团,在其前锋交界面上也会因冷气团将湿热的暖气团抬高而形成面积极大的锋面雷云。与热雷云相比, 锋面雷云的覆盖范围是相当大的。雷云的带电过程是综合性的, 主要有以下3种效应。( 1) 水滴分裂效应。强气流把云中水滴吹裂时, 较大的水滴带正电, 而较小的水滴带负电, 小水滴同时被气流带走, 于是云的各部分带有不同的电荷。( 2) 感应起电效应。大量测试结果表明, 地球带负电, 其电荷量约为C地球的上空存在着一个带正电荷的电离层, 于是在电离层与地面之间就形成了一个电力线指向地面的大气电场。在这一大气电场的作用下, 云中的水滴将被感应极化, 其上部出现负电荷, 下部出现正电同时, 大气层中存在着射线, 如地壳中放射性物质发出的射线和宇宙射线等, 在这些射线的作用下,空气会发生电离, 产生正、负离子。极化后的水滴在重力作用下向下坠落, 在下落过程中与空气中的离子相遇, 水滴下部将俘获负离子, 而正离子则被排斥而上升, 这样整个水滴就带上了负电荷。另外, 极化水滴还会与云中的冰晶粒和雹粒等云粒子发生碰撞, 这种碰撞使一部分云粒子被极化水滴吸附, 另一部分云粒子则被反弹回去。被反弹回去的云粒子将带走极化水滴下部的部分正电荷, 使水滴带负电荷。( 3) 水滴结冰效应。水在结冰时会带正电荷, 而未结冰的水带负电荷。因此, 在云中的冰晶粒区中, 当上升气流将冰晶粒上面的水分带走后,就会产生电荷分离, 使冰晶粒带正电荷。2. 2 雷云中的电荷分布在一般情况下, 雷云内部的各个部分都会出现电荷, 有的部分带正电荷, 有的部分带负电荷,电荷分布很不规则, 且分布的随机性很大。实测表明, 在5 10 km 的高度主要是正电荷的云层,在1 5 km的高度主要是负电荷的云层, 但在云的底部有一块正电荷聚集的区域。雷云中的电荷分布也不是均匀的, 往往形成多个电荷密集中心。每个电荷中心的电荷约为0. 1 10 C, 而一大块雷云同极性的总电荷则可达数百库。雷云中的平均场强约为150 kV /m, 而在雷击时可达340 kV /m。雷云下面地表的电场一般为10 40 kV /m, 最大可达150 kV /m。当云中电荷密集处的场强达到2 500 3 000 kV /m 时, 就会发生先导放电。雷云放电的大部分是在云间或云内进行的, 只有小部分是对地发生的。雷云对地的电位可高达数千万伏到上亿伏。2. 3 雷电放电特征分析在众多的闪电类型中, 其中云地闪(俗称落地雷)与人类的关系最密切, 因此将其作为分析的对象。在对地的雷电放电(即云地闪)中, 最常见的雷电是自雷云向下开始发展先导放电的。据统计, 无论放电的次数, 还是放电的电荷量, 约90% 的雷是负极性的。3雷电冲击电压作用下流注发展的电场测量长间隙放电的放电间隙为不均匀间隙, 放电过程为暂态过程, 并且在放电时伴有预放电出现，因此进行长间隙放电的测量是较困难的，本文就用研制的自由电位式二维暂态电场传感器通过对电场强度的测量来分析间隙中的放电现象用电场传感器进行长间隙放电实验的测量属于局部测量法，与变像管照相机不同, 它用测定长间隙中某一个或几个点的放电现象来推断整个间隙的放电过程，局部测量法, 还有的用光电倍增管(photomutiplier)来测量间隙中放电的发光行为.本文研制的电场传感器采用球形电容式探头, 用光纤作为信号传输载体,探头电位随所测电场空间的电位而变化（即所谓自由电位）,对被测电场影响较小可用于电力系统重污秽、强噪声、强电磁场的环境中, 并且结构简单, 研制费用低.3.13实验布置图1为冲击电压测量的实验布置示意图。棒一板间隙距离为1.5m，棒电极半径为1cm .将探头置于棒一板间隙的对称轴线上, 并使探头的Z向测量面与对称轴线相垂直。当冲击电压加于棒一板间隙时, 探头就采到电场信号, 并由光缆传输到放置在屏蔽室中的接收机上, 由接收机输出的信号再传到Gould-4035数字存储示波器上, 由电缆将分压器低压臂的电压信号传输到放在屏蔽室内的峰值电压表(HAEFELY-64M,Impulsepeek Voltmete),也可将该电压信号分出一路传输到示波器上.图 1 冲击电压测量的实验布置示意图3.2 雷电冲击波电场测量将探头固定在某一高度H , 施加雷电冲击波于间隙, 波形为1.250us, 幅值约120kv，施加雷电冲击波 50次，相邻两次雷电波的时间间隔约为50s，调整高度H, 重复以上实验可得到探头在不同高度时棒一板间隙中雷电冲击的电场值,将所测得的数据列于表1中,其中Uz 是电场传感器输出的轴向电压波形幅值的平均值Ue是由峰值电压表测得施加电压幅值的平均值，Ez 是每次施加冲击波得到的轴表 1 雷电冲击波电场值向电场幅值除以该次施加冲击波幅值所得到的单位电压下的电场平均值:式中 第i次所施加的雷电冲击波的电压幅值一 第i 次雷电冲击波电压下的轴向电场的幅值形的幅值, 可根据电场传感器输出的轴向电压波形的幅值, 查标定曲线获得.3.3 实验结果分析3.3.1 棒一板间隙轴向电场分析根据表1的数据绘成单位电场强度与探头高度的关系曲线（见图2）。图2中的计算曲线是用模拟电荷法计算闭, 表示在相同电极布置下几何电场与H的关系;实验曲线是在有流注出现的情况下测量出来的, 表示棒一板间隙的poisson场与几何电场相差愈大. 不难推断,这是由流注产生的正空间电荷在起作用,在幅值约为120kv的冲击波作用下流注发展长度约为10cm.因此, 探头的最高位置处已接近流注传播先端, 在此位置(H=138.5cm)的电场值应该小于流注的平均值4-5kvcm,且与这一值相差不太大.本文所测电场值为3.22(kvcm)试验结果得到;a.根据流注先端电场的特点, 用本文的二维电场传感器找到了在棒一板间隙中作用幅值约为120kv的电压时的流注发展长度.b.空间电荷电场对流注传播有重大影响, 间隙中的possion场可比几何电场高1-2倍。3.3.2 暗期二次流注的定性观测结果a在探头距棒电极较远（H较小）时, 探头不能直接感知到二次流注的发生, 在距棒电极较近时探头可以探侧到因二次流注的产生而形成的电场畸变b二次流注往往出现在雷电冲击波波尾（即波幅值下降的时间段）。c电场传感器探测的电场实际是空间电荷电场与几何电场的矢量和, 二次流注的产生实际上是增大了空间电荷电场, 因此所测电场的畸变是以电场增加的形式出现的d暗期持续时间有很大的分散性。从没有二次流注产生（=0）到为十几个微秒，在本实验中均有出现，暗期出现的统计次数约1 一2 次。e流注并非直线传播, 产生的横向电场不为零，在实验中可以观测到; 在探头距棒电极较远时, 横向电场基本上都为零；在探头距棒电极较近时, 在多数的放电情形下横向电场不为零。图2 雷电冲击波的电场和几何电场参考文献 1 GB 50261 2005 自动喷水灭火系统施工及验收规范 S . 2 DGJ 08-94 2007! 民用建筑水灭火系统设计规程 S . 3 李军奇. 消防给水系统中消防泵自检方式的分析 J 52. 4 任振辉, 马永鹏, 刘军. 电气控制与PLC 原理及应用M 北京: 中国水利水电出版社, 20085 Goralski Walter J . ADSL & DSL 技术与工程实践M. 姚永成,译. 第2版1 北京:清华大学出版社,2004.6 Schmitz L，Calderoni P，Ying A. A novel diagnostic for time-resolved spectroscopic argon and lithium density measurementsJ. Nuclear Materials ，2005 ，337(1) ： 1096-1100.7 Qiu D H， Macalpine J M K，Li Z Y. An incremental 3- dimensional analysis of spark paths in airJ. IEEE Trans Dielectr Electr Insul，2000，7(6)：758-763.8 P. Chowdhuri , A. K. Mishra , P. M. Martin and B. W. Mc2 Connell. Volt - Time Characteristics of Air Gaps under Nonstandard Lightning Voltage Waves. 96 SM 421 8 PWRD9 Chowdhuri P , Kotapalli A K. Significant parameters in estimating the st riking distance of lightning st rokes to overhead lines J . IEEE Trans PWRD , 1989 , 4 (3) : 1970 : 197021972.10 孙才新,司马文霞. 大气环境与电气外绝缘M . 北京:中国电力出版社,2002. 7.11 Rizk F A M. Modeling of lightning incidence to tall st ructure ,Part:TheoryJ . IEEE Trans PWRD , 1994 , 9 (1) : 596259912 张勤,王光财,吴维宁,等1 新的综合雷电定位系统的误差计算J .2000 ,26(2) :54255 ,64113 刘南平1 数据通信技术M. 北京:高等教育出版社,2004.14 马海军. TCP/ IP 协议原理与应用M. 北京:清华大学出版社,2005.15 李大友. 网络管理技术网络管理员级M. 北京:电子工业出版社,2005.16 Qiu D H， Macalpine J M K，Li Z Y. An incremental 3-dimensional an