雷电的形成与危害OBO.ppt

1、,雷电的形成与危害,OBO 中国培训中心 胡冰 （O（M（EMAIL）,夏季，在大气中常常发生伴有巨大隆隆爆炸声的强烈闪光现象、即雷电现象。它是“国际十年减灾”统计的最严重的十大灾害之一。,大气中的雷电是如何产生的？,雷电现象有那些表现形式？,雷电流的特征是什么？,它是怎样危害人的生命和财产的？,能否阻止雷电对人的生命和财产的损害？,雷电防护的方法有哪些？,这些问题是从事防雷减灾工作者必须知道的基本问题。,第一章 雷电的形成和分类,第一节 雷电的形成 一、大气中存在着电场 人们都知道地球有磁场，人们生活在无处不在的地球磁场中,人的睡眠、电子

2、设备受其影响，如彩电的“跑彩现象”等。但是，大家很少知道人还生活在无处不在的大气电场中，甚至连有些大学教课书都没有清楚地提到过，因此，在某些精密测量中会出现找不出的“怪现象”，使人百思不得其解，实际上产生这种情况的原因是大气中存在着电场。,在直角坐标系中，也可表示为：,另外，可用几何图形形象化地描述大气电场，如图1.1。即用电力线表示静电场。,等位面：测 出电场中电位相 同的点，把这些 点用一个面连接 起来，这样的一 个几何曲面就称 为等位面。,图1.1 晴天大气电场的电力线,如果在不同高度测量E，就可测出如图1.3所示的曲线。大气的电场强度数值由地面向上逐渐减少，到10Km以上，已减小到地面

3、处的数值的3%。,图1.3 大气电场强度E值与高度的关系,二、雷电的形成,通过长期考察： 大气中总是含有大量气体正、负离子，大 气具有微弱导电性。这些带电粒子的生成、运 动和不同带电离子的分离、聚集使大气显电性 、产生大气电场、电流，导致大气中雷电的产生。,实际测量表明： 各地地面大气电场强度是因时、因地而异 ，由此可知，大气电场不唯一决定于地球带电 ，还与空间电荷分布有关。,1、大气带电粒子的形成,大气带电粒子形成的电离源： 大气中放射性物质辐射的射线 宇宙射线 波长小于1000A的紫外线 闪电、火山爆发、森林火灾、尘暴和雪暴 火箭、飞机、工厂产生的离子,大气：由物理性能不同的暖层（电离层）

4、、中间层、 平流层、对流层组成。雷电发生在10Km 以 下的对流层。低层大气带电离子的形成对的 雷电发生有着重要作用。,大气电离率：单位体积和单位时间内大气分子 被电离为正、负离子对的数目， 单位：离子对/cm3s。 描述电离源使大气电离的能力。,图1.4 各种电离源产生 的大气电离率随 高度的分布,2、大气电流的产生,大气分子被射线电离大气电离子。大电离子随时间、地点、大气离子移动而变化，使大气离子的空间分布不均匀。若同一浓度分布区正、负离子均匀分布，混合在一起，宏观大气不显电性。 实际上，除电离源产生的正负离子对外，还有云、雾、降水，树枝、花草、尖端放电产生的电荷，火山爆发、沙暴、雪暴、输

5、电线路电晕放电、工厂排烟释放的带电离子等等。受电场、重力、对流等因素的非对称作用，大气中各处，正、负电荷分布不均匀，使任何局部空间都不是中性，显示有净的体电荷分布。因此大气中电荷的多少（电荷的密度）可表示大气带电特征。,3、大气电荷密度的表示： 若体积为V的大气中携带总的正电荷为Q+，负电荷为Q-，则大气体电荷密度为,其中：J为传导电流密度，J为对流电密 度，J为扩散电流密度。,当大气电场强度发生变化时，还考虑大气位移电流。,4、云雾和雷雨云的起电学说：,云内起电机制（云层是如何带电？）是弄清楚雷电如何产生的重要科学课题，得到了众多大气物理学家的关注，先后提出几十种云内起电机制的理论，但任何一

6、种理论都不能完善地解释所有云荷电的实际观测结果。这些理论概括起来可以分成两类： 一是云雾粒子起电； 二是雷雨云起电；,云雾粒子起电机制,对于云雾粒子，云内的上升气流很弱，云内起电主要是云雾大气内的离子扩散和云滴选择性吸附大气离子引起的。,（1）基本假定 云雾大气中存有大量大气正、负离子，其中大气正、负轻离子的尺度小、重量轻，具有较高的离子迁移率，成为大气离子由高浓度区向低浓度区扩散的主体。,（2）荷电机制 如图，单个云雾粒子 ，其表面处大气正、负 轻离子浓度为零，而离云雾粒子稍 远处有大气正 、负轻离子浓度的平均值，于是在离云雾粒子很 近的大气中，大气正、负轻离子浓度具有径向分 布，从而形成大

7、气正、 负轻离子向云雾粒子 扩散的物理过程，并 使云雾粒子荷电，称 为大气正、负离子扩 散起电机制。,大气粒子扩散起电,积（雷）雨云的起电机制 雷击是指一部分带电 的云层与另一部分带异种 电荷的云层或者带电的云 层与大地之间迅猛的放电 。这种迅猛的放电过程产 生强烈的闪光并伴随巨大 的声音。 雷电与带电的云层存 在分不开，人们通常把发 生闪电的云称为雷雨云。实际上与闪电有关的云有多种，例如层积云、雨层云、积云、积雨云等，但最重要的是积雨云，人们通常提到的总是指积雨云。,（1）评判标准 起电过程发生在积雨云初生和成熟阶段。 雷暴单体中出现的闪电和降水过程平均寿命约为半小时。 一次闪电的电荷平均为

8、20 40C，闪电电矩为100CKm。 闪电发生频率可达几次/分，两次之间有几十秒的间隔。 第一次闪电一般出现于雷达测到积雨云中出现降水粒 子之后约10-20分钟内，云中大范围内大气电场强度大 于3103V cm-1。 云中主要负电荷区一般位于5 -20 C层处，正电荷 区位于其上方几公里，但并非绝对如此。有时在云底附 近发现有一个次级正电荷区。,（3）目前比较流行的几种积雨云起电学说,图1.5 降水粒子选择 扑俘云 雾离子的起电机制,在大气电场中有积雨云形成时，云中含降水粒子 在初始大气电场作用下感生电荷。 如图1.5，由于降水粒子远大于云粒子，降水粒子向下运动，云粒子向上运动。这种极化的水

9、滴在下沉 过程中与大气离子相遇，将 俘获与下部电荷异号的离子 ，于是这些下沉的水滴将带 负电荷，大气正离子则受其 斥力而上升，于是在云中下 部形成负电荷区，其上部为 正电荷区。,碰撞感应起电学说：,云雾粒子,这一学说的定性解释另人满意，但估算出电场强度的时间变化dE/dt的数值，作定量解说时， 遇到了困 难，例如推算出电场增大500Vcm-1需要时间超过12分钟,还未达到产生闪电的程度。所以这一学说只可以说明积雨云的起始阶段。,修改后的感应起电学说：如图1.6所示, 下沉的降水粒 子不一定是液态，可以是冰晶、 雹粒等大粒子，下沉时极化带电，上升气流携 带的中性粒子与它相 碰撞，当接触时间大 于

10、电荷传递所需驰豫 时间（约10-1 -10-2s) 时，弹离的粒子将带 走极化粒子下部的部 分正电荷。,图1.6 云粒子与降水粒子碰撞弹离的起电机制,修改后的感应起电学说讨论：,若把这些颗粒简化看成球，大小粒子的半径各为R及r， 下沉极化粒子相对云粒子的速度为V(VR-Vr) , a为弹离系数， n为云粒子的数密度，则可推得电荷产生率为 dq/dt= 3R2v2nar2（E/2cos+q/6R2） 式中q代表下沉的降水粒子携带的电荷。 把各种粒子碰撞都计及之后，可推算出大气电 场的增长率dE/dt的理论公式，把各种估计参数代入 ，可估算出当大气电场达3103v cm-1时，云中荷电 区水平范围

11、为2Km时，电荷总电量应为33C。修改后 的感应起电学说被认为是积雨云起电机制之一。,积雨云的温差起电学说：,冰的热电效应 在冰块中总是存在H+和OH两种离子，离子的浓度随 温度的升高而增大，当冰的不同部分温度有差异时，温度 高的部分离子浓度大，这就必然出现扩散作用。,夏季经常可观测到在积雨云顶部的卷云处有电晕现象， 这与该处的冰晶和温度有关联。在强对流天气系统中，一 方面冰晶与、雹粒、过冷水滴，在对流气流的携带下相互 碰撞、相互摩擦增温，另一方面水滴冻结时有潜热释放， 在云中产生温差，因此可推想它们肯定与云内起电有 关。 经验与理论研究，确知冰有热电效应，其物理机制如图1.7 所示。, 电场

12、 方向 ,如图1.7a，左端的冰温度高，则正氢离子H+和负氢氧根离子OH均向右方扩散，扩散速度与离子的大小有关，正 H+ 氢离子扩散速度大，所以先期到达右端， 这就导致冰块右端带正电。随着也就出现内部的静电场，它的方向指向左，这一电场的作用阻止氢离子的继续扩散，最后达到动平衡。在宏观上显示出冰块为一电偶极化带电，它与两边的温度差成正比，这种现象就是冰的热电效应。,积雨云的起电与冰的热电效应相关,、过冷液滴与雹接触，过冷液体一旦有了固态的凝结 核，就会发生相变，由液态变为固态，即冰，它将包在作为 凝结核的雹粒上，同时放出潜热，过冷液滴内部因潜热而膨 胀，造成已凝结的外层冰壳的破裂而产生冰屑，由于

13、热电效 应，这些冰屑是带正电的，它们较小而轻，易被上升气流携 至云的上部，所以积雨云的上部积聚起大量的正电荷，温度 也低，当然这里并不排除同时还会有感应起电的物理机制。,积雨云与冰的热电效应相关联，通过两种方式使积雨云带电：,、冰粒、雹粒相互间碰撞摩檫时，接触，由于温度差别而产生热电效应，有离子迁移，当分离时，各带上异号电 荷，在重力和气流的双重作用下，互相分离，使积雨云中出 现正、负电的复杂分布。,、理论推算,根据温差起电理论力量，推算大气 电场从初始的晴天大气电场值增长到 3103vcm-1值所需时间t0=500s，即在降 水出现后10分钟，并由t0可求H=2.5Km 。这与实际观测的平均

14、值相近，被公认 为是可信的起电机制之一。,破碎起电学说,图1.8表示水滴破碎起电过程。 大雨滴 大雨滴 上升气流 上升气流 （a） （b） 大雨滴 小雨滴 上升气流 上升气流 （c） （d） 图1.8 雨滴破碎起电机制的剖面图,观测表明，雷暴云底处集中相但当数量大雨滴，当大雨滴出现在上升气流很强的地方，且当水滴的半径超过毫米时，一个下落的大水滴在下落中受到上升气流的作用变得扁平，下表面被气流吹得凹进去，成为一个不断扩大的以液体圆环为外边界的环状大口袋或水泡，当口袋破裂时产生许多小水滴，如果外电场E指向是自上而下，则大雨滴上部破碎成荷负电的小水滴，下半部破碎成荷正电的较大水滴。于是在云中正、负的

15、重力分离过程中带负电的小水滴随上升气流到达云的上部，而带正电的较大水滴因重力沉降而聚集于0c层以下的云底附近，使云底荷正电。,若考虑到云中雨滴下沉时已存在晴天大气电场，水滴在大气电场中极化，水滴内沿电场方向的上半部带正电，下半部带负电，在破碎后大小水滴所获得的电量就大多了，而且积雨云中的大气电场又会随着体电荷的生成而逐渐增大，使雨滴感应带电的电量也同步增大。根据这一理论补充而推算出来的积雨云的总带电量与实际测值的平均比较接近。,破碎起电情况比较复杂，它与水滴的化学成分、气流、水滴温度、电场强度及水滴破裂形式有关,其起电量很不稳定。实验表明，雨滴破碎强烈时，所形成的电量较多，反之形成的电量较少。

16、,例如，一个半径为4mm的纯水滴在强烈破裂时，生成的电荷为1.810-12C/g，这说明这样的过程，雨滴能达到的带电量并不多，大约比实际观测量至少小2个数量级。,对流起电学说,在热带地区和暖性雷雨中，没有冰晶化过程，以上几种起电过程无法解释雷雨云中的强电场结构。Grenet和Vonnegut)分别于1947、1953年提出暖于暖云对流起电机制。,在这种机制中，云的对流运动反抗着电场施加的力，把云底以下低层大气净正离子电荷带到云内直至云的上部，并在那里集聚形成正电荷中心。这些正的中心电场的作用下，形成向上的传导电流，云顶以上还有电离层的负离子向下移动到云顶，因此云顶以上荷负电离子，它们随着对流云

17、体周围下沉气流沿着云体侧面下降到云体下部，在云的下部形成负电荷中心，使地面产生尖端放电，形成大量正离子，这些又随对流上升气流到达云体上部，进一步加强了云上部的正电荷中心，同时又吸引上方电离层的负离子。,对此过程所需的正、负电荷，都取自云外。约为1安 培的传导电流（由云上的洁净高层大气流入）将小的负离 子携带到云的上表面，在那里它们附着到云粒子上。于是 ，对流环流造成了云表面上浅薄的负空间电荷密集层，它 好象一个盛放云中电荷的口袋。在云下方的地面上，通过 尖端放电约以 1安培速率释放的正离子被上升气流带入云 中，在那里它们附着在云粒子上, 集聚而成为云中上部的 带电区。这个具有正反馈的过程是自加

18、强的。因而，为了 在云发展的初期，使这种过程能够开始，则需要有以电场 或空间电荷的形式存在起电。这种初始起电有几种可能来 源，诸如晴天电、起电的海水溅沫、吹尘、带电的降水、 以及附近已经起电的云等。,4、积雨云的电结构 根据科学工作者的大量观测结果统计，典型雷雨云中的电荷分布如图1-9所示。,左侧：理论模式 右侧：雷雨云中 的电荷分 布 H：垂直高度 l：水平距离 C：库仑,图1-9 典型雷雨云中的电荷分布,5、雷击过程 当天空中有雷雨云的时候，因雷雨云带有大量的电荷，由于静电感应的作用，雷雨云下方的地面和地面上的物体都带上了与雷雨云相反的电荷，当雷雨云与地面之间的电压高到一定的时候，雷雨云与

19、地面上突出的物体之间就会出现放电。,闪电的初始击穿： 在有积雨云存在的大气中，积雨云的 下部有一负电荷中心与其底部的正电荷电荷中心附近局部地 区的大气电场达到104v/cm(103v/cm)左右时， 则负、正电荷 之间的云雾大气会被击穿，负电荷向下中和掉正电荷，这时 从云层下部到云底部全部为负电荷区。,先导注流： 随大气电场的进一步加强，进入起始击穿的后 期，电子与空气的分子发生碰 撞，形成天空中带电的雷雨云 的云粒（或水成物）向地面延 伸，在雷雨云下形成从云层向 下的流光，表现为一条暗淡的 光柱，即先导注流。也叫注流 先导，如右图。,闪电通道： 注流先导不断地向地面发展过程是 一电离过程，在

20、电离过程中生成成对的正、负离子 ，其正离子被云中向 下输送的负电荷不断 中和, 从而形成多枝 状的充满负电荷（对 负地闪）的通道，其 中有一枝是充满负电 荷（对负地闪）的主 通道，称为电离通道 或闪电通道，简称为 通道。,雷击：分枝状的放电主通道到达地面，或与大地 放电迎面会合 以后，就形成 云层到地面的 全程（雷击放 电通道）放电 ，这就是雷击。,闪电通道的特征：在雷击放电通道中，雷雨云与大地之间凝聚着大量的电荷，通过在放电先导所开辟的狭小电离通道（雷击放电通道）中发生猛烈的电荷中和，释放出大量的能量，以至在雷击放电通道中产生万度的高温并发出强烈的闪光和震耳欲聋的雷鸣，在雷击中，雷击点有巨大

21、的雷电流流过。,梯(级）式先导：先导注流开始产生时，是 不连续的，表现为一个一个的脉冲相继向前 发展，其平均速度也约 为105-06m/s，各脉冲间 隔约为3090s，先导 注流继续向地面发展， 呈现为一条暗淡的光柱 像梯级一样逐级伸向地 面，称之为梯（级）式 先导。,梯（级）式先导的特征： 在每梯级的顶端发出较亮的光。梯式先导 在电荷随机分布由 于放电是沿着空气电离最强 最容易导电的路 径发展）的大气中蜿蜒曲折地 进行，并产生 许多向下发展的分枝。梯式先导 的平均传播 速度也约为3.0105m/s，其变化范 围1.0 105m/s-2.606m/s左右，梯式先导由若 干 个单级先导组成，而单

22、个梯级的传播速度则 快得多，一般为5107m/s左右，单个梯级的长 度平均为50m左右，其变化范围为30-120m 左右 ，梯式先导通道的直径较大，变化范围 为1-10 m。,连接先导：当具有负电位的梯式先导到达地面 附近，离地约5-50m时，可形成很强的地面大气 电场，使地面的正电荷向上运动，并产生从地面 向上发展的正流光，这就是连接先导。连接先导 大多发生与地面凸起物处。,回击： 当梯级先导与连接 先导会合，形成一股明亮的 光柱，沿着梯式先导所形成 的电离通道由地面高速冲向 云中，这称为回击。, 回击通道的直径平均为几厘米，其变化范围为0.1-23 cm；,回击的特征, 回击具有较强的的放

23、电电流，峰植电流可达104A量级， 因而发出耀眼的光芒，因而回击比先导亮得多；, 回击的传播速度也比梯式先导的速度快得多，平均为 5 107 m/s 左右，变化范围为2.0 107 m/s到2.0 108 m/s左右；, 负地闪中绝大部分负电荷已在先导放电时储存在先导 主通道及其分枝中，当回击传播过程中便不断中和掉 储存在先导主通道和分枝中的负电荷。,梯式先导，箭式先导，回击示意图,连接点：从地面向上发展起来的反向放电，不仅 具有电晕放电，还具有强的正流光，它与向下先 导会合，其会合点称连接点，有时称之连接先导 的向上流光，若向上流光是在向下先导到达放电 距离的同一瞬间开始发展，则连接先导高度

24、约为 放电距离一半。,第一闪电：由梯式先导到回击这一完整的放电过 程称为第一闪电。,箭式先导：紧接着第一闪击之后，约经过几十毫秒的 时间间隔，形成第二闪击，这时又有一条平均长度为50m 的暗淡光柱，沿着第一闪击的路径由云中直冲地面，这种 流光称为箭式先导。,箭式先导的特征和第二闪击：箭式先导是沿着 预先电离了的路径通过的，它没有梯式先导的梯级结构， 箭式先导的传播速度大于梯式先导的平均传播速度，平均 值为2.0 106m/s，变化范围为1.0 106m/s-2.107m/s 左右，箭式先导通道直径变化范围亦为1-10m左右。当箭 式先导到达地面附近时，地面又产生向上发展的流光与其 会合，即产生

25、向上的回击以一股明亮的光柱沿着箭式先导 的路径由地面高速驰向云中。由煎式先导道回击这仪完整 的放电过程称为第二闪击，第二闪击的基本特征与第一闪 击是相同的，而以后各次闪击的情况与第二闪击的情况基 本相同。,单次闪击和多次闪击：由一次闪击构成的地闪称为单次地闪，由多次闪击构成的地闪称为多闪击地闪。下图给出用照相法摄取的多闪击照片。一次闪电过程由12次闪击构成。第一闪击后的各闪击称为随后闪击。通常一次地闪过程多由24次闪击构成，个别地闪过程的闪击数可达26次之多。多闪击地闪各闪击间隙时间，在无连续电流的情况下平均为50ms左右，变化范围为3-38ms。一次地闪的持续时间平均为0.2S左右，变化范围

26、为0.012S左右。,第二节 雷电的分类,大量的观测事实表明：大地被雷击时，多数是负电荷从雷 雨云向大地放电，称之为负地闪；少数是正电荷从雷雨云向大地放电，称之正地闪。,云层是否发生闪电，取决于云体的电荷量及对地高度或者说是云地间的电场强度。,在一块雷雨云发生的多次雷击中，最后一次雷击往往是雷雨云上的正电荷向大地放电。,根据闪电出现位置、形状、声音 和危害分类,根据闪电性质分类,根据先导和回击方向，可把闪电归纳为以下八种常见的闪电类型：,I： 先导 R：回击 v：发展 方向,云地间放电形成的先导若是从云层内的电荷中心伸向地面，又称之为向下先导。若是从地面伸向云层的，又称之为向上先导；只沿着先导

27、方向发生中和的闪电，称之为无回击闪电。当发生先导放电之后，还出现逆先导方向放电的现象，称为有回击闪电。,第一类地闪（图1-10） 具有向下先导和向上回击，云中负荷电中心与大地和地物间的放电过程，具有负闪电电流，称为向下负先导负地闪； 如果负先导不着地，则就无回击，此时只有图1-10a所示的过程，称之为云空放电。如果负先导着地，则就产生回击，将云中的部分电荷泄放到大地，若该过程只一次为单闪击闪电（图1-10b），若重复多次为多闪击闪电。,向下负先导负地闪 （l 先导，r -回击，v 发展方向）,第二类地闪（图1-11） 具有向上正先导的云中负荷电中心与大地和地物间的放电过程，具有负闪电电流。称为

28、向上正先导负地闪； 先导带正电向上，放电一般始于高耸的接地体（塔尖或山顶），具有向上正先导而无回击，简称为向上正先导连续负放电，图1-11a 。 先导带正电向上，和向下回击，称之为向上正先导负地闪，如果其后有随后闪击，称之向上正先导多闪击负地闪，图1-11b 。,2a,2b,向上正先导负地闪 （l 先导，r -回击，v 发展方向）,第三类地闪（图1-12） 云中荷正电，具有向下正先导和向上回击，云中正电荷中心与大地和地物间放电过程具有正闪电电流，称为向下正先导正地闪。 图1-12a ，向下正先导不着地，于是产生云空放电过程。 图1-12b ，向下正先导着地，引起向上正回击，泄放云中的正电荷到大

29、地，这一类在山地区少见，在湖边可见到。,向下正先导正地闪 （l 先导，r -回击，v 发展方向）,第四类地闪（图1-13） 云中荷正电，具有向上负先导的云中正电荷中心与大地和地物间的放电过程，具有正闪电电流称为向上正先导正地闪；。 图1-13 ，向上先导始于高耸的高层建筑的尖顶，这类地闪也有以有无回击而细分为A型和B型。 A型地闪具有向上先导而无回击的放电过程，只是在先导后出现持续时间约几百毫秒，持续电流为几百安的放电过程，简称为向上负先导正地闪。 B型地闪具有向上先导和向下回击的放电过程，简称向上负先导连续正电流闪电。向上正地闪多为单闪击地闪。,向上负先导正地闪 （l 先导，r -回击，v

30、发展方向）,云际放电： 当带有正负不同电荷的两块云之间的电场达到可击穿强度时，在两块云之间发生的放电现象。,云内放电： 在同一块云中，不同云区带有正负不同的电荷，在正负荷电区之间的电场达到可击穿强度时，在同一块云中同样可发生放电现象，此现象称之为云内放电。,云地放电： 发生在匀层和大地之间的放电现象。,无声放电： 最常出现的一种无声放电是被称为“爱尔马圣火”。由于暴风雨等原因，大气中的电场强度大大地增长起来，在地球面的突出物体附近，电场强度很容易达到30kV/cm的强度，导致在突出部分发生静寂放电。这是一种非雷云与大地间放电和没有雷声的闪电现象，实际上就是尖端电晕放电。放电时，突出物周围会呈现

31、出冒烟状或光膜状。当电场强度很强时，就会形成单独束状放电，由物体周围放射出来。这种放电现象对电讯系统有干扰。,片状闪电: 是出现在云的表面上的闪光，它有时可能是被云块遮没的火花闪电的延光，也可能是在云的上部发出来的丛集的、若隐若现的一种特殊的放电作用的光。这种闪电，表示云中电场的能量虽然已经足够产生放电，但是新加入的电量却太少，以致在闪烁放电尚未转变到火花（线状）放电以前，原有的储电量已经用完了，仅仅伴随有片状闪电的雷暴，是一种较弱放电现象，通常会对电力系统引入日较弱的感应过电压。,线状闪电: 一般是一种蜿蜒曲折枝杈纵横的巨型电气火花，长23公里，也有长达10公里的，是闪电中较强烈的一种。 当

32、雷云与大地间或雷云相互间的电场强度由于游离电荷的逐渐累积而增长到足以使空气绝缘破坏的强度（最高时可达100KV/m）时，就会产生这种强烈的放电现象，在放电的瞬间具有极大的能量，电压可以积累到1100kV以上，放电电流可高达数十万安培，而放电时间只不过千分之几秒。 线状闪电大多是雷云与大地间的放电（约5070%以上），也有雷云之间的放电。这种闪电可以同时击在不同的地方，一般分为前导放电和主放电等阶段。 雷云与大地间的放电过程不是单一的而是多重的，也就是说由若干个先后在同一通道上发展的单一的放电所组成。一次放电过程重复放电的数目可多达127次，单次放电的延续时间一般为0.0010.02秒，各次放电

33、的间隔时间为0.010.05秒。 线状闪电对电力、电讯系统及人畜和建筑物等威胁最大。,链形闪电： 比较罕见，是一条发光的虚线 ，一条链子一样，在云与大地间放 电或云与云间放电时均可能出现。 似乎是介于线状闪电与球形闪电之 间的一种过渡形式。,球形闪电： 是最奇妙、最罕见和最神秘莫测的一种闪电，由拳头般大小到足球那样大的球形发光体所组成，活动速度不大，可以看到移动，它走的路径极不规则，往往与风向一致，它出现时，常有尖哨声或嗡嗡声，有时会安然地消失，但有时也会发生恐怖的爆炸。它消失时，往往留下具有刺激性的轻烟雾。 球形闪电存在的时间可由几秒到几分钟，它能在一个地方停留一些时候，一面冒烟，一面发出火

34、花，目前，国际上对于球形闪电也还没有很完善的解释，科学家们仍在研究中。,第二章 雷电流的特征,雷击产生的雷电流的大小（强度）与地理位置、地质条件、季节和气象等许多因素有关。一般平原地区比山地雷电流大，正闪击比负闪击大，第一闪击比随后闪击大。 研究资料表明：各次雷击闪电电流大小和波形差别很大，尤其是不同种类放电差别更大。这说明雷电流的大小和雷电流的波形是描述雷电流特征的重要参数。,云地间放电形成的先导是从云层内的电荷中心伸向地面，这叫做向下先导，也可能是从接地体向云层推进的向上先导，只沿着先导方向发生中和的闪电，称为无回击闪电。当发生先导放电之后还出现逆先导方向放电的现象，称为有回击闪电。 带负

35、电荷的雷雨云向大地放电为负闪击，带正电荷的雷雨云向大地放电为正闪击，雷雨云对大地放电多为负闪击，其电流峰值以2050kA居多。 通常一次雷电包括34次放电，一般是第一次放电的电流最大，正闪击的电流比负闪击的电流大，其电流峰值往往在100kA以上。,第一节 雷击产生雷电流,第二节 雷电流的波形,一、雷电流的波形 如图，先由纵轴上的0.1、0.9、和 1.0 三个刻度作三条横轴的平行线， 前两条平行线分别与波形曲线的头部分别相交于A、B两点，过A、B两点 作一条直线,该直线与第三条平行线和横轴分别相交于C、D 两点，由C点 引横轴的垂线, 其垂足E点与 D点之间的时间即定义为 波头时间,用 t1

36、表示。 为了定义波头时间, 再由纵轴上0.5刻度作横轴的平行线,该平行线与 波形 曲线的波尾部分相交于F点, 从 F点引 横轴的垂线, 垂足G点与 D点之间的时间即定义为波尾 时间，用t2表示.由于波长时间 也是波形曲线衰减到半幅值所 需要的时间, 它习惯上也被称 为半幅值时间。在定义了波头 和波长时间后, 单极性雷电流 脉冲波形可计为t1/t2, 这里t1和 t2一般采用s作单位。 图2-1 雷电波形的画法,浪涌电压现 象描述方法,电流（kA）/电压（kV）,时 间,图2-1 波头和波长时间的定义方法,雷电流提供的总电荷可按以下积分来计算： （2.1） 对于建筑防雷设计来说，一般是将雷击分为

37、首次和后续雷击两种情况，并规定相应的波形参数，详见表2-1。,表2-1（a）首次雷击的雷电流波形参数,表2-1（b）后续雷击的雷电流波形参数,关于雷电流波形参数幅值、波头和波长时间，已经累积了各种实测数据，虽然基本规律大致接近，但具体数值却有差别，存在一定的分散性。其原因主要来自两个方面：一是雷电放电本身的随机性受到各地气象、地形和地质等自然条件的诸多因素影响；二是测量手段和测量技术水平不同。,（1）雷电流的等值波形 为了便与定量分析，在防雷设计中，需要将雷电流波形等值为几种可用解析式表达的波形，以进行工程计算。这些等值波形分别由下列形式给出。 通常采用双指数波形 雷电流波形的双指数等值波形的

38、表达式为： （2.2） 上式中常数A、和 由雷电流波形数据拟合确定。双指数等值波形。,如图2-2所示，它是由两个衰减速度不同的指数函数合成，对于常用的雷电流波形，一般有。表2-2给出了几种常用的雷电流波形的双指数表达式中的拟合常数。,图2-2 双指数等值波形,表2-2 几种常用雷电流波形的双指数表达式拟合常数, 等值斜角波 在防雷设计中，有时为了简化分析和计算，将雷电流用等值斜角波形加以表示，如图2-3所示，其波头上升陡度di/dt由实际雷电流的波头时间和幅值来确定： 等值斜角波形的波尾部分可以是无限长，如图2-3 （a）所示，也可以是固定斜率（由波长时间确定）衰减，如图2-3（b）所示。,图

39、2-3（a）等值斜角波形 图2-3（b）等值斜角波形,等值余弦波形如图2-4所示。,图2-4 等值余弦波形, 幂指数波形 对于有些雷电流波形，采用双指数等值波形往往难以进行表示，遇到这些情况时，可采用幂指数等值波形来加以表示，其表达式为： 上式中常数n由拟合精度选定，其余各常数mk、Bk和k均由雷电流波形的数据来拟合确定。与式（2.2）相比，式（2-3）虽然复杂了一些，但其拟合精度和实用性却得到了很大的改善。,(2-3),作为一个应用实例，考虑图2-5 8/20s电流脉冲波形，其波头和波长时间的定义也示于该图中。由于该波形持续时间较短，难以用式（2.2）进行拟合，而采用式（2.3）加以拟合，就

40、显得颇为合适，其拟合表达式为：,上式中拟合常数 A=0.01243（s）-3 =3.911s。 8/20s电流脉冲波形是防雷设计和保护装置试验规范中十分常用的标准波形。,图2-5 8/20s电流脉冲波形,（2.4）,（2）几种常用的雷电过电压波形及其近似表达式 实际上，出现在电气和电子系统中雷电暂态过电压波形将随具体系统结构和雷电环境的不同而存在着差异，对于防雷设计和保护装置的试验来说，通常是规定一些标准的雷电过电压波形，以便供设计和试验使用。这里将介绍几种较为常用的雷电过电压波形。, 1.2/50 s波形 1.2/50s波形是电气电子设备绝缘耐受性能试验中常用的标准雷电过电压脉冲波形，如图2

41、-6所示，其波头和波长时间的定义也示于该图中。对于这种波形，可采用以下双指数公式来表示：,在上式中的各常数为： A=1.037 1=0.4074s 2=68.224s 式（2.5）和（2.2）在函数形式上无本质区别，如果将1.2/50s波形仍用式（2.4）示，则相应的常数为： A=1.037 1=0.0147s 2=2.47s。,图2-6 1.2/50s过电压脉冲波形,（2-5）, 0.5s100kHz衰减振荡波形 实测统计表明，由雷电在低压交流线路上引起的暂态过电压常具有衰减振荡波形，且第一个波的波头时间很短。图2-7给出了一个标准衰减振荡电压波形，该波形第一个波的波头时间为0.5s ，其振

42、荡主频为100kHz，在半个周期内幅值约以0.6倍的因子衰减，各波形参数的定义也示于图2-7中。对于这种衰减振荡电压波形，可采用以下公式加以近似表示：,图2-7 0.5s-100KHZ S衰减振荡电压波形,上式中的函数 表达式为：,在式（ 2.6 ）和（ 2.7 ）中，各常数为： B=0.6025 K=0.525A A=1.59 1=0.4791 2=9.7788s 0=2105rad/s,(2.6),(2.7), 101000us波形 根据对通信线路上雷电暂态过电压实测数据统计，在这类线路上的雷电暂态过电压波形可简化等值为10/1000us，如图2-8所示，其波头和波长时间定义也示于该图中，

43、这种脉冲波形也可用式（2.5）来表示，式中的各常数为： A=1.019 1=3.827s 2=1404s,图2-8 10/1000s 过电压波形,这种脉冲波形一般用 于对通信线路网络中的设 备进行试验，也用于对放 电管和雪崩二极管等保护 元件进行试验。,二、雷电流的波形表示浪涌电压现象,根据IEC61312-1： 雷电流可分为三种典型的波形,三、冲击电流测试脉冲,四、雷击放电的模拟波形,一个雷击放电的能量效应可以通过10/350s脉冲电流波形来模拟。,五、雷电流的 实测波形,六、首次及雷击的雷电流参量,七、后续雷击的雷电流参量,八、长时间雷击的雷电流参量,九、雷击概率分析（符合IEC61024

44、-1）,正闪击和负闪击的概率分布,雷击特性小结, 雷击是强大的脉冲放电现象，它具有电的一切特性 雷电之所以破坏性很强，主要是因为它把雷雨云蕴藏的能量在短短的几十微秒放出来，从瞬间功率来讲，它是巨大的。 雷电流总是集中在电阻最小的地方流通（重要）。 雷击电磁脉冲属于高频（10KHZ几百KHZ）范围， 所以工频（50HZ）下的参数及定律已经不用了。 许多雷击过电压导致的物理现象和物理量都是电 流I的函数。,第三章 雷电的危害,雷电是指：云际（云层云层）、云地（云层大地）、云空（云层晴空）之间迅猛的脉冲放电，产生强烈的闪光，并半随巨大的响声，一种既可怖又壮观的大气物理现象。自然界这种强大的放电现象能

45、够通过各种途径危害地面的物体。,第一节 直击雷的危害 一、雷电流的热效应 在雷云对地放电时，强大的雷电流从雷击点注 入被击物体，由于雷电流幅值高达数十至数百千安，其热效应可以在雷击点局部范围内产生高达600010000C，甚至更高的温度，能够使金属熔化，树木、草堆引燃；当雷电波侵入建筑物内低压供配电线路时，可以将线路熔断。这些由雷电流的巨大能量使被击物体燃烧或金属材料熔化的现象都属于典型的雷电流的热效应破坏作用，如果防护不当，就会造成灾害。,雷击烧毁树木,1、雷击点处热量 现代建筑、高层、金属结构，兼作防雷装置，引导雷电 流。雷电流作用，对金属物体的破坏作用必须考虑，雷击金 属物时，雷电放电通

46、道直接与金属物接触，在雷击点产生的 热量可通过在雷电流持续时间内的积分来计算，即,式中 W 热量，J； UAR金属物体上雷击点处电弧压降，其经验值取为 2030V； i从雷击点注入金属物体的雷电流，A。 上式中，考虑到近似取为常数，并代入电荷表达式,式中Q电荷量，C。则有,由上式可知：在雷击点处产生的热量与雷电放电通道注入的电荷量成正比。雷云对地放电具有随机性，雷击时放电通道注入地面被击物体的电荷量也是个随机量，其概率分布如图 3-1所示。,图3-1 注入电荷的概率分布量 全部雷击过程；-仅首次雷击 1正雷；2负雷,2、雷电流的热效应 由于雷电流的作用时间很短，在计算雷击点处的温 升以及雷电流

47、通过金属物体所产生的温升时，均可忽略 散热的影响，于是温度可表示为 式中 T温升，； m金属物体质量，； 比热，J /（）。 当温升值过高时，就会造成金属的熔化。由试验和 理论计算，可估计出注入单位电荷作用下几种常用金属 的 熔化体积当量为 铝： 12mm3/c； 铜：5.4mm3/c； 钢：4.4mm3/c。,在通常情况下，雷电流幅值虽然很高，但其作用时间却很短，只能产生局部瞬时的高温，使雷击点处局部小面积的金属发生熔化，对于大面积的金属物体，雷电流热效应的熔化能力是相当有限的。如果金属屋面和金属罐等大型物体的钢板壁厚超过4mm时，则可直接承受雷击，即可用于接受直击雷电流。 在建筑物遭受雷击

48、后，雷电流会沿建筑体内各种金属导体通路流入大地，由于金属体自身存在着电阻，雷电流流过它们时也会产生热量，这种热量可表示为,式中 R金属导体电阻，； i雷电流，A。,在防雷分析中，常用单位欧姆热量这一参数，其表达式为,由于雷电流具有随机性，W/R也是个随机量，图3-2给出了它的概率分布。,式中W/R单位欧姆热量，J/。,图3-2 W/R的概率分布 1正雷；2负雷,（3-1）,实际上，当雷电流流过建筑体内的金属物体（如各种结构钢筋或铝合金导条等）时，所产生的热效应温升常不足以使这些导体熔化，这是因为从雷击点经过分流后，流过各导体通路的雷电流将减小，而导体通路的尺寸又较大。但如果雷电流侵入建筑物内电

49、气或电子线路时，往往会使它们熔断，因为这些线路的导体截面较小，难以耐受雷电流的热效应。 另外，从式（3-1）还可以看出，严重的热效应还会出现在雷电流通路上有较高电阻的地方，特别是那些引流导体之间的接触不良处，在这些地方常可能出现金属熔化，有时甚至出现熔体飞溅。这种飞溅熔体产生的火花对存储易燃易爆物品的建筑物来说，是极具危害性的。,雷击电流热效应使设备烧损的事例,二、雷电流的机械效应与冲击波效应,雷电的直接破坏作用除了热效应外，还有机械效应和冲击波。在雷云对地放电时，这两种效应与热效应一样，均能对地面被击物体造成严重损害。但从危害的方式来看，两者有所不同，前者是产生电动力和内压力，后者则是产生冲

50、击波。下面将讨论机械效应与冲击波效应的产生机理及其破坏作用。,在发生雷击时，雷电的机械效应所产生的破坏作用主要表现为两种形式： 一、是雷电流流过金属物体时产生 的电动力； 二、是雷电流注入树木或建筑构件 时在它们内部产生的内压力。,1、机械效应,由电磁学可知，在载流导体周围的空间存在着磁场，而在磁场中的载流导体又会受到电磁力的作用。图3-3绘出两根载有相同方向雷电流的长直导体，导体A上的电流 在其周围空间产生磁场，而导体B在这一磁场中将受到一个电磁力的作用，其方向垂直指向导体A。同样，导体B上的电流 也会在其周围空间产生磁场，得处在该磁场中的载流导体A也受到一个电磁力的作用， 其方向垂直指向导

51、体B。于是，在这两根平行载流导体之间就存在着电磁力的相互作用，这种作用力称为电动力。按安培定律，不难推导出图3-3所示两根长直平行载流导体之间的电动力计算公式：,图3-3 两根平行导体之 间的电动力作用,式中 i1、 i1两根平行导体上的电流。kA； d导体之间的距离，m； F单位长度导体的电动力，kg/m。,由图3-3可见，在电动力作用下，两根导体之间将相互吸引，有靠拢的趋势。同理，如果i1与i2 反向，则两根导体在电动力的作用下就会相互排斥，有分离的趋势。因此，在雷电流的作用下，载流导体就有可能会变形，甚至会被折断。,另外，对于同一根载有雷电流的弯曲导体或金属个构件，如图3-4所示，其中A

52、P段的电流i所产生的磁场可使PB段受到电动力的作用，同样PB段电流i所产生的磁场也会使AP段受到电动力的作用，当这种电动力足够大时，就可能会使导体或构件受到破坏。由安培定律可知，凡含有拐弯部分的载流导体或金属构件，其拐弯部分都将受到电动力的作用，拐弯处的夹角越小，受到的电动力就越大。所以当拐弯夹角为锐角时，所受到的电动力相对较大；而当拐弯处的夹角为钝角时，所受到的电动力相对较小。,图3-4 载有雷电流的弯曲导 体受力示意 图3-5 引下线的走线方式 （a）正确（b）不正确,由安培定律可知，凡含有拐弯部分的载流导体或金属构件，其拐弯部分都将受到电动力的作用，拐弯处的夹角越小，受到的电动力就越大。

53、所以当拐弯夹角为锐角时，所受到的电动力相对较大；而当拐弯处的夹角为钝角时，所受到的电动力相对较小。因此，在防雷设计与施工中，避雷引下线的走线方式应尽可能走直线路径，在必须拐弯的情况下，应采取钝角并带圆弧向下走线，而应避免采用锐角或绕直角向下走线，如图3-5所示。当避雷引下线非要走锐角路径不可时，应在线路的锐角拐弯处采取牢固的机械固定措施，以防被电动力拉动。,飞机被雷击坏,在被击物体内部产生内压力是雷电流机械效应破坏作用的另一种表现形式。由于雷电流幅值很高，且作用时间又很短，当雷击于树木或建筑构件时，在它们的内部将瞬时地产生大量热量。在短时间内热量来不及散发出去，以致使这些内部的水分被大量蒸发成

54、水蒸气，并迅速膨胀，产生巨大的内压力。这种内压力是一种爆炸力，能够使被击树木劈裂和使建筑构件崩塌。有关这类现象，国内外均时有报道，图3-6为两个典型的实例。, 树 木 被 雷 击 而 折 断,在雷云对地放电过程中的回击阶段，放电通道中既有强烈的空气游离又有强烈的异性电荷中和，通道中瞬时温度非常高，这使得通道周围的空气急剧膨胀，以超声波速度向四周扩散，从而形成冲击波。同时，通道外围附近的冷空气被严重压缩，在冲击波波前到达的地方，空气的密度、气压和温度都会突然增大，产生剧烈振动，这种冲击波与爆炸时产生的冲击波是类似的，可以使其附近的建筑物、人、畜受到破坏或伤害。冲击波向外传播的速度远大于声速，但很

55、快就会衰减，转化为声波，于是人们就能够听到雷鸣声。冲击波的强度与回击时雷电流的大小有关，其破坏作用与波阵面气压和环境大气压有关。,2、冲击波效应,图3-6 树木劈裂和建筑物的崩塌,第二节 雷击电磁脉冲的危害,一、雷电的静电感应,雷电的静电感应与电磁感应作用属于雷电的间接破坏作用。由雷电的静电感应与电磁感应所产生的暂态过电压比以上所述的直接破坏作用具有更大的危害范围，它能够损坏建筑物内的信息系统和电气设备，甚至造成人员伤亡，因此，在防雷设计中，一直受到关注。,1、在建筑物顶部金属体上的静电感应,城镇的建筑物区域，常可以见到一些顶部大面积金属体的建筑物，例如半球形铜壳装饰成的圆顶楼，用铜材或铁皮包

56、装屋顶的建筑物。当这种建筑物上空有雷云生成并向下发展下行先导时，由于雷云和先导通道中电荷的感应作用，在建筑物顶部的金属体上将出现反极性的感应电荷，如图3-7所示。,图3-7金属屋顶上的静电感应,在该图中示出的是常见的负雷云对地放电，雷云及下行先导通道中的电荷为负，而在建筑物金属屋顶上感应出的电荷为正。,这些感应正电荷在屋顶上的聚集速度取决于先导发展的速度，因为先导发展的速度约比回击速度小100倍，所以在先导发展阶段，金属屋顶上有足够的时间来聚集大量正电荷。这些正电荷受到先导通道中负电荷的束缚，不能自由运动。当先导发展到附近地面时，回击过程便开始，先导通道中携带的负电荷将被地面上的正电荷自上而下

57、地迅速中和，伴随着负电荷的消失，金属屋顶上的正电荷将失去束缚，变为自由电荷，但由于屋顶金属体与地之间的电荷流散路径上存在着数值可观的电阻，这些被释放的正电荷不能以与回击发展同样的速度来消散。在回击后的短时间内，可以近似认为金属体上仍有大量正电荷存在，于是金属体与地之间将构成一个电容器，金属体对地将具有一个高电位，它可用下式来表示：,式中金属体电位；Q金属体上的电荷；C金属体对地电容。,上式中的实际是金属体上感应电压的最大值。随后，金属体上正电荷将通过建筑结构中的路径向地流散，设该流散路径的电阻为R，这种电荷流散过程本质上是一个一阶RC电路的零输入响应过程，因此建筑物金属屋顶的对地电压u将按以下

58、规律变化：,如果建筑物金属屋顶或顶部金属对地绝缘，则在静电感应所引起的高电压作用下，金属体对其下方的某些接地物体将会造成火花放电，导致设备和人员的损坏和伤亡，还可能会引发火灾。如果顶部金属体的接地引下线在某个部位断开或电阻过大，则在这些部位也将出现高电压，造成局部火花放电，危及建筑物内设备与人员的安全。 很明显，要减小雷电静电感应的危害程度，就必须设法减少在建筑物顶部金属体上的感应电荷，这就需要将金属体良好地接地，以尽可能快地将感应电荷泄放入地。,在各种架空线路上，同样会因雷云对地放电而产生静电感应电荷。现仍以常见的负雷云对地放电为例，来说明架空线路上感应电荷和高电压的产生机理。,2、在架空线路上的静电感应,如图3-8（a）所示，当雷云下行负先导向地面发展时，先导通道携带的负电荷将