雷电的产生与危害方式
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雷电的形成、分类与危害一、雷电的形成雷电是自然界中的一种放电现象。
雷电放电和一般电容器放电本质相同,所不同只是这个电容器两块极板,并不是人为制造的,而是自然形成的。
两块极板有时是两块云块,有时一块是云块、另一块则是大地或地面上凸出的建筑物。
并且这两块极板间的距离比电容器大得多,有时可达数公里。
因此,可以说雷电是一种特殊的电容器放电现象。
大气中的饱和水蒸汽,由于气候的变化,发生上升或下降的对流,在对流过程中由于强烈的摩擦和碰撞,水蒸汽凝结成的水滴就被压分解成带有正负电荷的小水滴,大量的水滴聚积成带有不同电荷的雷云。
随着电荷的积聚,雷云的电位逐渐升高。
当带有不同电荷的两块雷云接近到一定程度时,两块雷云间的电场强度达到25-30kV/cm时,其间的空气绝缘被击穿,引起两块雷云间的击穿放电;当带电荷的云块接近地面时,由于静电感应,使大地感应出与雷云极性相反的电荷,当带电云块对地电场强度达到25-30kV/cm时,周围空气绝缘被击穿,雷云对大地发生击穿放电。
放电时出现强烈耀眼的弧光,就是我们平时看到的闪电,闪电通道中大量的正负电荷瞬间中和,造成的雷电流高达数百千安,这一过程称为主放电,主放电时间仅30-50μs,放电波陡度高达50KA/μs,主放电温度高达20000℃,使周围空气急剧加热,骤然膨胀而发生巨响,这就是我们平时听到的雷声。
闪电和雷声的组合我们称为雷电。
由于声音传播的速度比光的传播速度要慢得多,所以我们总是先看到闪电,而后听到雷声。
雷电的特点是:电压高、电流大、频率高、时间短。
二、雷电的分类(一)直击雷雷云对地面或地面上凸出物的直接放电,称为直击雷。
也叫雷击。
直击雷放电过程的展开图见图8-22。
雷云放电过程的展开图可以这样解释:当雷云对地面放电时,开始出现先驱放电,放电电流比较小,一经到达地面,就开始主放电,主放电由地面开始沿着先驱放电的通道直到云端,放电电流迅速增大。
主放电时间很短,电流迅速衰减,以后是余光放电,电流变小。
雷电的危害性及防止方法雷电是我国常发的自然灾害之一,世界上每秒有100-300次雷电发生。
雷电可以造成人畜伤亡、引起火灾、破坏电器设备和建筑物等。
随着城乡多层及高层住宅的增多,居民安装热水器、架设室外天线比较普遍,如果不采取防雷措施,很容易受到雷击。
另外,雷电波还可经配电线路及闭路电视、电话线、电脑网络线等线路侵入住宅,若不加以防范,会造成人员伤亡、家用电器的毁坏,以及火灾的发生。
1、雷电的形成与种类雷电是由雷云产生的。
当云中电荷密集处的电场强度达到25KV/CM至30KV/CM时,就会发生放电,出现极大的电流,于是就看到闪光和隆隆的响声。
闪电的形状有枝状(破坏性最大,可达200万A的强大电流)、片状、球状(可以沿着窗户钻进屋内)、带状等。
2、雷电对家庭的危害当雷云对地放电时,会对地面上的人、畜、房屋、树木造成伤害。
传播形式一般有直接雷击、感应雷击、和通过配电线路以电磁波的形式形成过电压。
经验证明,当雷电击中配电线路、电话、电脑网络等线路时、沿电线传进屋内的电磁波可使1米长空气间隙放电,雷过电压值可达2000KV-3000KV。
因此,雷电波能引起屋内电气设备的损坏。
3、家庭主要防雷措施(1)、防止直击雷:安装避雷针或避雷网(一般在建房时设计安装)。
(2)、预防感应雷:避免采用铁屋顶及铁质储水器;太阳能热水器要做好防雷措施;(3)、雷电波的防护:雷电引起的雷电波会沿着低压架空线和电视天线、电话线、无线电等侵入室内。
这种灾害占雷害事故的绝大部分,能引起室内电气设备绝缘击穿,造成火灾或触电死亡的不幸事故。
这种情况农村比城市严重。
预防措施:安装防雷保护器或在雷电到来前切断室内与室外的电气连线。
雷电现象知识点总结图一、雷电的形成1. 大气充电雷电在大气中的形成是由于气象过程中的大规模的空气对流带来的。
当温暖潮湿的空气与冷空气相遇时,温暖的空气会被推上升,形成强大的对流环流。
在这个过程中,大气中的水汽会凝结成云,并且产生大量的静电荷。
2. 云层电荷分布在上升气流充分凝结的情况下,会形成一种叫做积雨云的云层。
积雨云内部的冰雹粒子和水滴在上升气流的作用下会发生碰撞,使得云内部生成正负电荷的分布。
通常情况下,上层云的顶部带有正电荷,而下层云的底部带有负电荷。
这种电荷分布形成了一个巨大的电场。
3. 闪电的产生在强大的电场的作用下,云层内的正负电荷会发生电子迁移,并且会导致云内部的电荷逐渐增大。
当电荷积累到一定程度时,会产生一种叫做雷电的自然现象。
当云内部的电压差达到一定数值时,正电荷和负电荷之间会发生放电,形成闪电。
4. 雷声的产生闪电产生的过程中,会使得周围空气急剧膨胀和收缩,产生一种叫做雷声的声音。
由于闪电的速度非常快,但是声音的速度相对较慢,所以就形成了闪电和雷声的现象。
二、雷电的分类1. 云内闪电指的是发生在云层内部的闪电产生的现象,通常出现在积雨云或者雷暴云内部。
云内闪电主要有两种类型,一种是云和地面之间的闪电,一种是云内部的闪电。
2. 云对地闪电指的是云内部的电荷和地面之间的电荷之间产生放电形成的闪电。
通常情况下,云对地闪电会对地面上的建筑物、树木和人类造成危害。
3. 云射电闪指的是云层内部的正电荷与地面之间的负电荷之间形成的放电。
这种闪电通常会伴随着强烈的雷声和大风。
4. 球状闪电指的是在大气中产生的一种球状闪电。
这种闪电通常会在雷暴云中产生,并且会沿着地面移动。
5. 长闪电指的是在雷暴云中产生的超过100公里的闪电。
这种闪电往往具有非常强大的能量和威力,对附近地区造成严重的危害。
三、雷电的危害1. 人身安全雷电是一种具有高压和高电流的自然现象,对人体的伤害非常大。
在雷电天气下,如果人们在户外活动,就会面临被雷击的风险。
雷电的危害
1雷电流高压效应会产生高达数万伏特甚至数十万伏特的冲击电压,如此巨大的电压瞬间冲击电气设备,足以击穿绝缘,使设备发生短路,导致燃烧,爆炸等直接灾害。
2雷电流高热效应会放出几十到上千安培的强大电流,并产生大量热能,在雷击点的热量会很高,可导致金属融化,引发火灾和爆炸。
3雷电流机械效应主要表现为被雷击物体发生爆炸,扭曲,崩溃,撕裂等现象,导致财产损失和人员伤亡。
4雷电流静电感应可使被击物导体感生出与雷电性质相反的大量电荷,当雷电消失来不及流散时,即会产生很高电压发生放电现象从而导致火灾。
5雷电流电磁感应会在雷击点周围产生强大的交变电磁场,其感生出的电流可以引起变压器局部过热而导致火灾。
6雷电波的侵入和防雷装置上的高电压对建筑物的反击作用也会引起配电装置或电气线路短路而燃烧,导致火灾。
雷电的形成原理
雷电是云内、云与云之间或云与大地之间的放电现象。
夏季的午后,由于太阳辐射的作用,近地层空气温度升高,密度降低,产生上升运动,在上升过程中水汽不断冷却凝结成小水滴或冰晶粒子,形成云团,而上层空气密度相对较大,产生下沉运动,这样的上下运动形成对流。
在对流过程中,云中的小水滴和冰晶粒子发生碰撞,吸附空气中游离的正离子或负离子,这样水滴和冰晶就分别带正电荷和负电荷,一般情况下,正电荷在云的上层,负电荷在云的底层,这些正负电荷聚集到一定的量就会产生电位差,当电位差达到一定程度,就会发生猛烈的放电现象,这就是雷电的形成过程。
雷电电荷在放电过程中,产生很强的雷电电流,雷电电流将空气击穿,形成一个放电通道,出现的火光就是闪电。
在放电通道中空气突然加热,体积膨胀形成爆炸的冲击波产生的声音就是雷声。
简述雷电是怎么形成的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。
今天店铺给大家分享关于雷电是怎么形成的,欢迎阅读。
一、雷电的产生原因1、简述原因:雷电是发生在大气层中大气或云块在气流作用下产生异性电荷的积累使某处空气被击穿,电荷中和产生强烈的声、光、电并发的一种物理现象,通常是指带电的云层对大地之间、云层与云层之间、云层内部的放电现象。
这个放电的过程会产生强烈的闪电和巨大的声响,即人们常说的“电闪雷鸣”。
2、简述原因的分析我们在初中曾经学过关于雷电产生原因的基础内容:雷电是由于天空与地面的强烈中和反应,但对于实质成因并不了解。
现在我们将结合高中所学的知识以及网站提供的资料,对雷电的产生原因进行更全面的分析与理解:雷电是一种常见的大气放电现象。
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。
在夏天的午后或傍晚,地面的热空气携带大量的水汽不断地上升到高空,形成大范围的积雨云。
积雨云顶部一般较高,积雨云的不同部位聚集着大量的正电荷或负电荷,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,下部以负电荷为主从而形成雷雨云。
而地面因受到近地面雷雨云的静电感应,也会带上与云底相反符号的电荷,两者相当于一个巨大的电容器。
一般情况下,我们把地面看成零电势面,积雨云与地面的高度差比较大,根据公式:U=Ed,积雨云与地面间的电场强度与距离都很大,所以它们间的电势差很大,即电压很大。
闪电的电压很高,约为1亿至10亿伏特。
闪电的平均电流是3万安培,最大电流可达30万安培。
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。
当云层里的电荷越积越多,使电场强度达到一定强度时,就会把空气击穿,打开一条狭窄的通道强行放电。
雷电现象及危害一、雷电现象及危害1.雷电产生的原因雷电现象比较复杂,它是由于地面湿气受热上升或空中不同冷、热气团相遇凝成水滴或冰晶形成积云,在运动时使电荷发生分离,当电荷积聚到足够数量时,就在带有不同电荷的云间或由于静电感应而产生不同电荷的云地间发生的放电现象。
雷云中可能同时存在着几个电荷聚集中心,所以经常出现多次重复性的放电现象,常见的为 2 ~3次,当第一个电荷聚集中心完成放电过程后,其电位迅速下降,第二个电荷聚集中心立即向着前一个放电位置移动,瞬间重复放电。
每次间隔时间从几百微秒到几百毫秒不等,但其放电电流将逐次递减。
2.雷电种类(1)直击雷带电积云接近地面与地面凸出物之间的电场强度达到空气的介电强度(25 ~30kV /mm)时发生的放电现象,称为直击雷。
(2)静电感应雷带电积云接近地面凸出物时,在其顶部感应出大量异性电荷,当带电积云与其他部位或其他积云放电后,凸出物顶部的电荷失去束缚高速传播形成高压冲击波。
此冲击波由静电感应产生,具有雷电特征,称为静电感应雷。
(3)电磁感应雷雷电流在周围空间产生迅速变化的强磁场,在邻近的导体上感应出很高的电动势,该电动势具有雷电特征,称为电磁感应雷。
(4)球雷雷电放电时产生的球状发光带电气体,称为球雷,球雷可能造成多种危害。
3.雷电参数(1)雷电流幅值雷电流幅值指主放电时冲击电流的最大值,该幅值可达数十至数百千安,雷电流幅值越大,出现的概率越小。
(2)雷电流陡度。
雷电流由零增长至最大幅值的这一部分,称为波头(τt),通常只有 1 ~4μs;电流值下降的部分,称为波尾,可长达数十微秒。
(3)雷电冲击过电压雷电冲击过电压指冲击电压的最大值。
4.雷电的危害(1)危害的形式①直接雷击的危害。
地面上的人、畜、建筑物、电气设备等直接被雷电击中,叫做直接雷击。
发生直接雷击时,特大的雷电流(几十至几百千安)通过被击物,在被击物内部产生高达几万度的温度,使被击物燃烧,使架空导线熔化。
雷电的基本知识雷电是一种天气现象,通常与雷暴天气紧密相连。
它产生的原因是大气中的水分在云层内部进行物理和化学反应,形成了电荷分离。
当电荷积聚达到一定程度时,就会发生放电现象,形成闪电。
本文将介绍雷电的起源、形成以及一些相关的安全知识。
一、雷电的起源雷电的起源主要与云内部的带电粒子有关。
云中含有水分和冰晶,当云中的水分分子与冰晶碰撞时,会引起内部的物理和化学反应。
云中部分水分分子会失去电子,形成正电荷;而另一些水分分子则会获得电子,形成负电荷。
这种电荷分离引起了云内部的静电积聚。
二、雷电的形成过程1. 云内电荷分离云内带电粒子的重排引发了电荷分离。
在云内部,正电荷与负电荷分布不均匀。
通常正电荷位于云的上层,而负电荷则聚集在云的底层。
2. 云与地面之间的电场形成由于电荷分离,云与地面之间形成了一个巨大的电场。
云底的负电荷会导致地面带上正电荷。
这种电场的形成使得云与地面之间出现了电势差。
3. 电荷释放当云与地面电势差达到一定程度时,电荷之间的吸引力无法继续抑制,电荷开始释放。
这种释放称为雷电。
4. 闪电的产生雷电释放时产生的流动电荷会沿着一定的路径移动,形成一个可见光的电流。
人们所看到的闪电即为这种电流产生强烈的光线。
三、雷电的危害和安全知识雷电是一种非常危险的自然现象,人们在雷电来临时需要采取一些安全防护措施。
1. 避开高危区域在雷电天气中,人们应尽量避免待在露天空旷的地方,如高山、大树下、开阔地、水边等,这些地方极易成为雷击点。
2. 在室内避难雷电来临时,最安全的方式是待在坚固的建筑物内,避免接触室外的金属设备和导电物体。
3. 远离金属和电器在雷电期间,人们应避免接触金属物体,如金属栏杆、铁门等。
此外,也需要远离电器设备,如电视、电脑、以及电话等。
4. 避免接触水雷电可经由地面传播,同时也会通过水体传导。
因此,雷电来临时,人们应尽量远离湖泊、河流、游泳池等大面积的水源。
总之,雷电是一种自然现象,了解其中的基本知识对于我们避免雷击事故至关重要。
雷电的危害与形成原理是什么雷电的危害与形成原理雷电是一种自然现象,由于大气中的电荷不平衡而产生的一种大规模电击现象。
它不仅具有强大的破坏力,还会给人类和动植物带来巨大的危害。
那么,雷电的危害和形成原理是什么呢?雷电的危害主要表现在以下几个方面:1. 火灾:雷电撞击导体时,会产生极高的温度,导致物体瞬间燃烧。
尤其是在乡村地区的谷仓、房屋和树木等容易燃烧的物体,常常成为火灾的主要源头。
2. 电气设备损坏:雷电主要通过导体进入地面,但也会通过电线、天线等设备进入建筑物。
雷电的高电压和大电流往往会引起电气设备的短路、烧毁,甚至彻底损坏。
3. 人员伤亡:人类是雷电的潜在受害者。
当雷电接近地面或人体时,会产生巨大的电流和电压,对人体造成严重伤害甚至死亡。
此外,雷电还会引发燃烧和坍塌等事故,对人员造成直接或间接的伤害。
雷电的形成主要有以下几个原理:1. 大气电荷分离:雷电的形成源于大气中的电荷分离过程。
在雷电形成前,大气中的正电荷和负电荷会分别集中在云层的顶端和底层。
这种电荷分离常常发生在大气中的背景电场作用下。
2. 云间电荷传输:当云间的电荷差异达到一定程度时,电荷会通过空气传输。
正电荷会从云层的顶端释放,向云层底部的负电荷区域移动。
这种电荷传输会形成一条称为“领先触发”的连接通道。
3. 雷电放电:一旦“领先触发”形成,电荷会沿着该通道进行放电。
放电的路径通常是从云层底部到地面或云降水区域。
放电时,电流会引发强烈的闪光和雷鸣。
总结起来,雷电的形成过程是由于大气中的电荷不平衡而导致的。
当云层的正电荷和负电荷之间的差异足够大时,电荷会通过空气传输,形成“领先触发”通道。
随后,电荷会沿着通道进行放电,形成雷电现象。
为了减少雷电带来的危害,我们可以采取以下预防措施:1. 安装避雷装置:在高山和高楼等高处安装避雷针,能够吸引雷电,减少雷击的概率。
2. 避免在雷雨天气活动:雷电发生时,尽量避免在户外活动。
如果在户外,要尽快寻找安全的避雷点,如乘坐地铁、进入建筑物等。
雷电科普宣传手册一、雷电的形成与原理雷电是大气中的一种自然放电现象,通常发生在雷雨天气。
当雷雨云中的电荷积累到一定程度时,就会形成电场,使云层中的水滴和冰晶发生电离,产生正负电荷。
当电场强度达到一定值时,就会发生雷电现象,释放出大量的能量。
二、雷电的危害与影响雷电具有极大的破坏性,可以造成人员伤亡和财产损失。
其危害形式主要包括直击雷、侧击雷和感应雷。
直击雷是指雷电直接击中地面上的建筑物、人或动物;侧击雷是指雷电击中建筑物的一侧;感应雷是指雷电产生的电磁场对周围的电子设备造成干扰和破坏。
三、防雷知识与措施1.建筑物防雷:建筑物应安装避雷装置,包括避雷针、避雷带、避雷网等。
同时,建筑物内部的电器设备和金属管线应接地。
2.室外防雷:在室外遇到雷雨天气,应尽量躲避在有避雷设施的建筑物或汽车内,不要在大树、旗杆等高耸物体下避雨,不要使用金属雨伞。
3.室内防雷:关闭门窗、电器设备,避免使用电话、电视、电脑等电器设备。
四、雷电预警与观测1.雷电预警:气象部门会发布雷电预警信息,提醒公众采取防范措施。
2.雷电观测:通过气象观测设备对雷电进行观测,了解雷电的分布和活动规律。
五、遭遇雷电时的应对方法1.尽量寻找避雷场所,如建筑物、汽车等。
2.不要接触任何金属物品,不要奔跑或快速行走。
3.若无法找到避雷场所,应蹲下身体,双手抱头,尽量降低身体高度。
4.若在野外遭遇雷电,不要站在高处或打手机等电子设备。
六、雷电对电子设备的影响与防护1.雷电产生的电磁脉冲会对电子设备造成干扰和破坏,使设备出现故障或损坏。
2.为保护电子设备,应将其接地或安装防雷保护器。
在室外使用电子设备时,应远离高耸物体,避免遭受直击雷或侧击雷。
在室内使用电子设备时,应注意关闭门窗,避免雷电产生的电磁脉冲对设备造成干扰和破坏。
若遭遇雷电天气,应避免使用电子设备,以免造成不必要的损失。
安全教育方案之雷电第一章:雷电的形成和危害1.1 雷电的形成雷电是一种自然现象,通常在云与地面或云与云之间产生放电现象。
当云中的水滴、冰粒等在上升运动中相互碰撞,云中的温度下降,水汽凝结成雨滴或冰粒时,云中正电荷和负电荷被分离开,形成静电效应,雷电就是由这种静电效应引起的。
当云内的负电荷和地面或其他云内的正电荷之间电位差达到一定值时,将产生放电现象,形成雷电。
1.2 雷电的危害雷电具有极强的能量,所以非常危险。
雷电对人体有直接灾害和间接伤害。
雷电灾害常表现为人员伤亡、财产损失、设施受损等。
在雷电过程中,雷电通过电击人体致使直接伤害;雷电击中房屋或其他建筑物,引发火灾等次生灾害;雷电击中高压输电线,会引发事故停电等。
第二章:雷电安全教育2.1 雷电安全教育的意义雷电是一种自然现象,无法控制和避免,但我们可以通过对雷电知识的学习和了解,提高自我防雷的意识和能力,以减少或避免雷电引发的危害。
2.2 雷电安全教育的对象雷电安全教育的对象主要包括学生、家长、教师、工人、老年人等各个年龄段和各行各业的群体。
2.3 雷电安全知识的普及为了有效提高大众防雷意识,需要对雷电的形成和危害进行普及教育,教会大家如何预防雷电灾害以及避免在雷电天气下产生危险。
第三章:雷电安全预防知识3.1 雷电天气的判断要想有效预防雷电灾害,首先要学会判断雷电天气。
通常,有以下几个方法判断:一、观察云的形态:当出现积云、盘状云或层积云,并伴有阵雨、雷雨和风等天气现象时,很可能发生雷电天气。
二、听力判断:大多数雷电天气前,都有电光同响的征兆,可依靠听觉来判断。
三、气象广播:根据气象部门发布的天气预报来判断是否有雷电天气的可能。
3.2 在雷电天气下的预防措施一、避免在露天场所避雷:应尽快找到安全场所躲避,远离高大树木、高楼大厦等场所。
二、避免在水域避雷:雷电容易以水面为接触,所以在雷电天气下要尽量远离河流、湖泊等水域。
三、室内避雷:室外避雷不宜成功时,应尽快进入室内,关闭窗户,避免雷电直接或间接伤害。
雷电气象知识点总结一、雷电的产生雷电是由于云层中水滴、冰晶或雹子之间的碰撞而产生的静电现象。
当云层中的水滴或冰晶碰撞时,它们会使云层带上电荷,当正负电荷积累达到一定程度时,就会产生放电现象,即雷电。
常见的雷电形式包括云对地的雷电、云对云的雷电以及云对空的雷电。
在这些形式中,云对地的雷电是最为常见的,当云层中的正负电荷积累到一定程度时,就会产生放电现象,形成一道强烈的闪电。
而在云对云的雷电中,云层内部的正负电荷互相碰撞,产生闪电并伴随着雷声。
而在云对空的雷电中,云层中的电荷通过空气中的电离质子层,与地面的正电荷相互作用而产生雷电现象。
无论哪种形式的雷电,都是由于云层中的电荷积累所引起的。
二、雷电的特点1. 雷声和闪电:雷电是由闪电产生的,通常伴随着响亮的雷声和强烈的闪电。
这是因为雷电时空间中的电荷相互作用所产生的结果。
当云层中的正负电荷积累到一定程度时,就会产生放电现象,形成一道强烈的闪电,而这时会产生巨大的声响,即雷声。
2. 危害性: 雷电是一种高温高压的自然现象,它有很高的能量,因此会对人类社会产生很大的危害。
在雷电的发展过程中,会伴随着强烈的雷声和闪电,如果被雷击,就会造成严重的人身伤害,甚至会导致生命危险。
此外,雷电还会对建筑物、通讯设备和电力设施造成损害,给人们的生产生活带来很大的困扰。
3. 季节性:雷电的发生受到气候季节的影响。
一般来说,雷电主要发生在气温较高的季节,如夏季。
这是因为在气温较高的季节,大气中水汽的含量较高,容易产生云层,从而为雷电的发生提供了条件。
4. 地域性: 在地域上,雷电的发生也受到地形和气候的影响。
一般来说,雷电主要分布在赤道附近的热带和亚热带地区,这是因为这些地区的气温较高,大气湿度较大,有利于云层的形成,三、雷电对人类社会的影响1. 农业生产:雷电会对农业生产产生不利影响。
夏季是雷电最为活跃的季节,而夏季正是农作物生长最为迅猛的季节,因此雷电对农业生产造成了很大的威胁。
雷电的形成及危害
一、雷电的形成积云在运动中受到强气流的作用,感应出正、负电荷(雷云)。
当雷云四周的电场强度达到肯定大时,与地面静电感应的电荷形成放电通道(空气绝缘被击穿)。
雷电流可达几十万安培;雷电压可达几百万伏;温度可达2万摄氏度;放电时间才几个微秒。
空气被烧,猛烈膨胀,产生发光(闪电)和巨响(雷声)。
二、雷电过电压雷电过电压有两种基本形式:
一种是雷电直接击中建筑物、电气设备、供电线路,其过电压引起强大的雷电流通过这些物体放电进人大地,从而产生破坏性极大的热效应和机械效应,相伴的还有电磁效应和闪络放电,这称为直击雷或直接雷击;
另一种雷电过电压称为雷电感应或感应雷,它是雷电对设备、线路或其他物体的静电感应或电磁感应所引起的过电压。
三、雷电的危害 1.雷电的热效应和机械效应
过强大的雷电流会产生很大的热量。
但在极短的时间内又不易散发出来,所以会使金属熔化,使树木烧焦。
同时由于物体的水分受高热而汽化膨胀,将产生强大的机械力而爆炸,使建筑物等患病严峻的破坏。
2.雷电的磁效应
在雷电流通过的四周,将有强大的电磁场产生,使四周的导体或金属结构以及电力装置中产生很高的感应电压,可达几十万伏,足以破
坏一般电气设备的绝缘;在金属结构回路中,接触不良或有空隙的地方,将产生火花放电,引起爆炸或火灾。
雷电产生与危害方式
1 背景
雷电是自然界中极为普遍而又蔚为壮观的声、光、电现象,这不仅是由于它那特有的划破长空的耀眼闪电和震耳欲聋的霹雳声,更重要的还在于它给人类生存和生产活动带来巨大影响。
雷电促成的有机物合成可能对地球的生命形成起到过一定的作用,雷电引起的森林火灾可能启发了远古人类对火的发现和利用。
在现代生活中,雷电仍然对人畜的生命安全有所威胁,对航空,通讯,电力,建筑等国防和国民经济的许多部门造成重大的危险影响。
上世纪80年代以来,雷电灾害出现新特点。
随着通讯信息技术和微电子技术高度发展和广泛应用于各个领域,使雷害对象发生了转移,从对建筑物本身的损害转移到对室内网络设备、电子设备等信息设备的损害,随之防雷对象和防雷重点也由强电向弱电转移。
2 雷电现象
能够产生雷电的云,称之为雷雨云,通常又称雷暴。
1752年,美国科学家富兰克林首先揭开了“雷暴”的本质,认为它实际上是一种大气电现象,此后人们对雷电活动进行了大量的观察研究。
为了说明雷电的形成和发展的规律和机理,提出过许多的起电机制,从微观的物理过程到宏观的大气物理对雷云的形成和发展过程中的电荷产生、电荷分离、电荷聚焦、雷云电场生成等现象进行分析和推测,力图对雷电的形成和发展机理进行解释。
其中最具代表性的起电机制有Elster和Geitel的感应起电机制、Brook的温差起电机制、Lenard的破碎起电机制、Workman和Reynolds的融化、冻结起电机制。
图1 感应起电机理
与起电一样,雷暴云的放电也是一十分复杂的物理过程。
当雷云中的电荷负值增加到一定数量时,使空气中的电场强度增加,达到使空气足以电离,产生游离态离子时,就产生了雷云的放电。
按照闪电的外观形状,可将其分为:线状闪电、带状闪电、片状闪电、连珠闪电和球状闪电等,其中以线状闪电最为常见。
按闪电发生的空间位置可将其分为:云内闪电、云际闪电、云地闪电等。
云地闪电简称地闪,俗称落地雷,其走向多垂直于地面,危害大,是防雷设计应该注意的重点。
云闪定义为所有没有到达地面的闪电放电,它的危害主要体现在雷击电磁脉冲。
通常,地闪放电可以划分为以下几个过程:预击穿过程(Preliminary breakdown process)、梯级先导(stepped leader)、回击(return stroke)等。
预击穿过程是在地闪通道伸延出云底之前发生于云内的弱电离过程和放电过程。
其持续时间从几毫秒到几百毫秒不等,典型值为几十毫秒。
梯级先导是地闪放电的初始阶段,它为回击过程开辟通道,是地闪中的主要物理过程之一,闪电放电电流的路径是电阻最小的路径。
在地闪的对地放电过程中,先导与回击之间的过程被称为连接过程(attachment process)。
回击过程是地闪中对地面输送大量电荷因而产生大电流和强电磁辐射的阶段。
回击常常形成很大的电流,发出很强的光,并形成光柱。
所以回击常被称为主放电或主闪击。
回击的推进速度比先导要快得多,平均约为,变化范围为s cm /1059×()s cm /102~102109××。
回击通道的直径为,平均为几厘米,峰值电流可达以上。
电流很大,通道的温度迅速升高,可达数量级,空气骤然膨胀因而产生了雷声。
()cm 23~1.0A 410K 410
云电荷分布
t = 0
预击穿过程
t = 1.00ms 梯级先
导t = 1.10ms t = 1.15ms
t = 1.20ms
t = 19.00ms
t = 20.00ms
t = 20.10ms
t = 20.15ms
t = 20.20ms
图2 一次负地闪所包含的各种物理过程随时间的发展示意图
3 雷电的主要危害途径
从浪涌的产生渠道出发,雷电的危害方式有:直击雷、感应雷,感应雷又可以分为静电感应脉冲、雷击电磁脉冲和冲击地电位反击三种。
当地闪由梯级先导向下发展,地面的尖凸物上聚集与云层极性相反的大量电荷,发展到一定程度,当两者之间的距离近到它们之间的空气被强电场电离,就会产生连接,发生首次回击,此种雷云放电过程被称之为直击雷,具有能量大、破坏性强等特点。
对于直击雷的防护主要是依靠建筑物本身的外部防雷系统,它将建筑物整体置于其保护范围内,并把巨大的雷电流很快泻放进入大地。
外部防雷系统的好坏将直接影响到室内敏感设备的安全,增加内部防雷的防护成本与防护难度。
当有积雨云形成时,积雨云下层的电荷将较为集中,电位较高,致使局部静电场强度远大于大气在稳态下的静电场。
在积雨云与大地之间形成的强电场中,在地面的物体表面将感应出大量的异性电荷,其电荷密度和电位随着附近的场强变化,电场强度以地面的尖凸物附近为甚。
例如地面上10m 处的架空线,可感应出的电位。
落雷的瞬间,大气静电场急剧减小,地面物体表面因感应生成的大量自由电荷失去束缚,将沿电阻最低的通路流向大地,形成瞬时的大电流、高电压就叫做静电感应脉冲。
kV 300~100
图3 静电感应脉冲的形成 地电流冲击是由落雷点附近区域的地面电荷中和过程形成的。
主放电通道建立以后,产生回击电流,即积雨云中的负电荷会流向大地,同时地面的感应正电荷也流向落雷点与负电荷中和,形成地电流脉冲。
地电流流过的地方,会出现瞬态高压电位,如果设备的接地点与之连接一起,就可能导致地电位抬高,此时如果供电系统的电位没有变化,就可能形成很大的电位差,从而使设备损坏。
埋于地下的金属管道、电缆或其它导体,构成电荷流动的低阻
通道,在雷击时其表面将有瞬变大电流流过,造成导体两端出现电压冲击;对屏蔽线而言,地电流只流经屏蔽层表面,根据互感原理,其内芯导线上会感应出暂态电压。
由于地电流上升沿很陡峭,故感应电压峰值可能极大,形成浪涌,不但会干扰信息传输,还可能造成电路硬件损伤。
主放电通道形成后,云层电荷迅速与大地或云层异性感应电荷中和,回击电流急剧上升,受电荷电量、电位和通道阻抗的影响,其上升的速率最大值可以达到s kA µ500。
此时,放电通道构成等效天线,产生强烈的电磁脉冲辐射。
无论闪电在空间的先导通道或回击通道中产生瞬变电磁场,还是闪电电流流入建筑物的避雷系统以后由引下线所产生的瞬变电磁场,都会在一定范围内对各种信息电子设备产生干扰和破坏作用。
由于LEMP 是脉冲大电流产生的,其磁场部分危害不容忽视。
它能在导体环路中感应生成浪涌电流,或者在环形导体的断开处感应出高电压,甚至击穿空气出现火花放电,引发火灾、爆炸等灾害。
1989年的黄油岛油库火灾事故,起因就是电磁脉冲引起混泥土内钢筋断头处的火花放电。
雷电形成的电磁脉冲包括从雷雨云形成到预击穿、梯级先导、回击、箭先导、后续回击以及云内和云间闪电中的所有放电过程所发出的地磁波,其传播受到大地电导率以及电离层多次反射的影响。
由于回击电流产生的LEMP 具有峰值高、影响范围广等特征。
通常认为干扰源把干扰噪声能量耦合到被干扰对象有两种方式:传导方式和辐射方式,可细分为如下图所示的几种方式。
图4 噪声干扰的耦合方式
因此从设备防护角度出发,雷电对通信设备可能的危害出现在以下端口:
图5 雷电对通信设备的危害渠道分析
解决EMC问题就是要像对待传染病一样,控制传染病可以通过消灭病原体、切断传播途径、保护易感染人群的办法来解决,同时,通过加强锻炼,增强身体免疫力或者尽量远离病原体也是不错的选择。
防雷亦是如此,它是一个复杂的问题,不可能依靠一、两种单一的方法,要采取综合治理,将各种雷电可能产生危害的渠道了解清楚,对症下药,才能将雷电损失降到最低。