8 雷电和静电(2)

雷电学原理知识1雷电:是雷雨云之间或云地之间产生的放电现象.雷雨云是产生雷电的先决条件2雷雨云的三个阶段: 形成阶段成熟阶段消散阶段3雷雨云起电的原理: 1 水滴破裂效应2 吸电荷效应3 水滴冰冻效应 4 温差起电效应4 大多数雷电放电发生在雷云之间(或雷云内部),当两块雷云的异性电荷集中区之间的电场强度超过这里的空气绝缘强度时,雷云之间就会发生放电.雷云对地放电过程,可分三阶段,即先导放电阶段,回击阶段和余晖阶段.1 先导放电阶段带电雷云在地面上空形成后,由于静电感应的作用,雷云电荷在地面上感应出反极性的电荷.雷云下部的电荷大多数是负极性的,因此在地面上感应出的电荷多为正极性的电荷.2回击阶段下行先导通道发展到临近地面时,由于其头部与地面物体之间的距离很短,场强可达到非常高的数值,使得这里的空气急剧游离,从而把先导通道中的负电荷与地面或地面物体上的正电荷接通,正负电荷分别向上和向下运动,去中和各自异性电荷,于是就开始了回击阶段.回击也称为主放电.4云间放电:由于电荷的不断积累,不同极性的云块之间的电场强度不断增大,当某处的电场强度超过空气可能承受的击穿强度时,就会形成云间放电5闪:不同极性的电荷通过一定的电离通道,互相中和,产生强烈的光和热的现象.既:放电通道中所产生的强光.雷: 在放电通道中所发生的热,迫使附近的空气突然膨胀,发出的巨大轰鸣声.6 雷电放电的重复性:一次雷电平均包括三、四次放电,第一次在雷云的最底层放电,重复的放电都是沿着第一次放电的通路发展的,随后的放电都是从较高的云层或相邻区发生.7 雷电放电的强度: 200—300KA 最高430KA8雷电产生的效应: 热效应电效应机械效应9闪电的种类: 1 片状雷电,云间放电多为片状雷. 2 线状雷电,雷云与大地之间的放电,多以线状的形式,通常雷云下部带负电,上部带正电.由于雷云的负电效应,使附近的地面感应出大量正电荷,所以地面带正电荷. 带状雷电线状雷的一种,是在闪电的过程中恰巧有水平大风吹过闪电通道,将几次线状闪电的放电通道吹分开来,肉眼看闪电通道变宽.3 球状雷电彩色的火焰状球体,表现为100-300mm直径,橙色或红色球体,最大直径也可能1m 存在时间为百分之几秒到几分钟,通常为3-5秒,辐射功率小于200W,有臭氧,NO2,或硫磺气味.4 联珠状雷电很少见的一种闪电,有人人为他是由一群球雷组成10雷电的空间分类: 云内闪电, 云际闪电, 云地闪电(落地雷,直击、雷)11地闪:雷云与大地的放电即:云地放电.多以线状形式出现,雷云与大地的放电中,90%为负极性雷击;放电过程为,向下移动的负极性先导激发,向地面输送负电荷;10%为正极性雷击; 放电过程为,下行先导激发,先导携正电荷,向地面输送正电荷12 先导放电: 放电开始时,其微弱的发光通道以100-1000km/s的平均速度,以脉冲的形式向地面延伸,形成阶梯先导,每段长度为25m;时间为50us;表现为树枝分叉状.分枝状的先导放电通道往往只有一条放电分枝能到达地面.13 枝状闪电的产生: 流柱沿着一条电阻最小的通道前进,遇到阻力时便随时改变前进的路线,于是空间出现不同枝状的闪电14滚球半径:从梯级先导通道前端向四周探索的10-100m长臂,这个长臂的臂长叫击距或闪击距离,标准叫滚球半径. 或者说:击距，定义为先导头与被击中物在最后一个间隙产生击穿电场瞬间的距离，或者说是，当被击物产生上行连接先导时，下行先导与被击物间的距离。

雷电的形成与分类(一)雷雨云和雷电的形成人们通常把发生闪电的云称为雷雨云(或称积雨云)，雷雨云是热气流在强烈垂直对流过程中形成的。

由于地面吸收太阳的辐射热量远大于空气层，近地面的大气的温度由于热传导和热辐射作用，温度也跟着升高，气体温度升高必然膨胀，密度减小，压强也随着降低，根据力学原理，气体就要上升，上方的空气层密度相对说来就较大，就要下沉。

热气流在上升过程中膨胀降压，同时与高空低温空气进行热交换，于是上升气团中的水汽凝结而出现雾滴，就形成了云。

在强对流过程中，云中的雾滴进一步降温，变成过冷水滴、冰晶或雪花，并随高度逐渐增多。

由于过冷水大量冻结而释放潜热，使云顶突然向上发展，达到对流层顶附近后向水平方向铺展，使云中水滴分裂成较小的水滴或较大的水滴，分别带负电和带正电。

较小的水滴被气带走，形成带负电的雷云，较大的水滴留下来形成带正电的雷云。

随着电荷的积累，雷云的电位逐渐升高。

当带不同电荷的雷云在空气中互相接近到一定的距离时，便发生激烈的放电，出现强烈的闪光。

由于放电时温度高达20000℃，空气受热急剧膨胀，发出爆炸的轰鸣声，这就是空中闪电和雷鸣，见图5—1(a)。

当带电雷云离地面较近时，还会对地面突出物直接放电，这就是直击雷。

见图5—1(b)。

图5—1 雷云放电现象(二)雷电的分类1．雷电按照放电形式不同分为：线形雷、片形雷和球形雷(1)线形雷。

线形雷是一种蜿蜒曲折，枝叉纵横的巨型电气火花，长2—3公里，也有的长达10公里，线形雷是闪电中最强烈的一种，对电力、电讯系统及人畜和建筑物等威胁最大。

线形雷大多是雷云与大地间的放电，但也有的是雷云之间的放电。

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。

在大多数情况下(约50～70％以上)，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。

重复放电的数目一般为1～27次，单次放电的延续时间一般为0．001～0．02秒，各次放电的间隔时间为0．01～0．05秒。

雷电学原理知识 The manuscript was revised on the evening of 2021雷电学原理知识1雷电:是雷雨云之间或云地之间产生的放电现象.雷雨云是产生雷电的先决条件2雷雨云的三个阶段: 形成阶段成熟阶段消散阶段3雷雨云起电的原理: 1 水滴破裂效应2 吸电荷效应3 水滴冰冻效应 4 温差起电效应4 大多数雷电放电发生在雷云之间(或雷云内部),当两块雷云的异性电荷集中区之间的电场强度超过这里的空气绝缘强度时,雷云之间就会发生放电.雷云对地放电过程,可分三阶段,即先导放电阶段,回击阶段和余晖阶段.1 先导放电阶段带电雷云在地面上空形成后,由于静电感应的作用,雷云电荷在地面上感应出反极性的电荷.雷云下部的电荷大多数是负极性的,因此在地面上感应出的电荷多为正极性的电荷.2回击阶段下行先导通道发展到临近地面时,由于其头部与地面物体之间的距离很短,场强可达到非常高的数值,使得这里的空气急剧游离,从而把先导通道中的负电荷与地面或地面物体上的正电荷接通,正负电荷分别向上和向下运动,去中和各自异性电荷,于是就开始了回击阶段.回击也称为主放电.4云间放电:由于电荷的不断积累,不同极性的云块之间的电场强度不断增大,当某处的电场强度超过空气可能承受的击穿强度时,就会形成云间放电5闪:不同极性的电荷通过一定的电离通道,互相中和,产生强烈的光和热的现象.既:放电通道中所产生的强光.雷: 在放电通道中所发生的热,迫使附近的空气突然膨胀,发出的巨大轰鸣声.6 雷电放电的重复性:一次雷电平均包括三、四次放电,第一次在雷云的最底层放电,重复的放电都是沿着第一次放电的通路发展的,随后的放电都是从较高的云层或相邻区发生.7 雷电放电的强度: 200—300KA 最高430KA8雷电产生的效应: 热效应电效应机械效应9闪电的种类: 1 片状雷电,云间放电多为片状雷. 2 线状雷电,雷云与大地之间的放电,多以线状的形式,通常雷云下部带负电,上部带正电.由于雷云的负电效应,使附近的地面感应出大量正电荷,所以地面带正电荷. 带状雷电线状雷的一种,是在闪电的过程中恰巧有水平大风吹过闪电通道,将几次线状闪电的放电通道吹分开来,肉眼看闪电通道变宽.3 球状雷电彩色的火焰状球体,表现为100-300mm直径,橙色或红色球体,最大直径也可能1m 存在时间为百分之几秒到几分钟,通常为3-5秒,辐射功率小于200W,有臭氧,NO2,或硫磺气味.4 联珠状雷电很少见的一种闪电,有人人为他是由一群球雷组成10雷电的空间分类: 云内闪电, 云际闪电, 云地闪电(落地雷,直击、雷)11地闪:雷云与大地的放电即:云地放电.多以线状形式出现,雷云与大地的放电中,90%为负极性雷击;放电过程为,向下移动的负极性先导激发,向地面输送负电荷;10%为正极性雷击; 放电过程为,下行先导激发,先导携正电荷,向地面输送正电荷12 先导放电: 放电开始时,其微弱的发光通道以100-1000km/s的平均速度,以脉冲的形式向地面延伸,形成阶梯先导,每段长度为25m;时间为50us;表现为树枝分叉状.分枝状的先导放电通道往往只有一条放电分枝能到达地面.13 枝状闪电的产生: 流柱沿着一条电阻最小的通道前进,遇到阻力时便随时改变前进的路线,于是空间出现不同枝状的闪电14滚球半径:从梯级先导通道前端向四周探索的10-100m长臂,这个长臂的臂长叫击距或闪击距离,标准叫滚球半径. 或者说:击距，定义为先导头与被击中物在最后一个间隙产生击穿电场瞬间的距离，或者说是，当被击物产生上行连接先导时，下行先导与被击物间的距离。

雷电的种类和危害雷电是一部分带电云层与另一部分带异种电荷的云层，或者带电云层与大地之间产生的猛烈闪电并伴随巨大响声的放电现象。

一、雷电的种类1、按雷电的危害方式分类1）直击雷（1）直击雷是带电云层（雷云）与地面突出物之间的电场强度达到空气击穿强度时，发生激烈放电并显现闪电和雷鸣的现象。

（2）直击雷的放电过程每一次放电过程分为先导放电、主放电和余光三个阶段。

先导放电是雷云向大地进展的不太光亮的一种放电，当先导放电接近大地时，立刻发生从大地向雷云进展的极光亮的主放电。

主放电有微弱余光。

大约50%的直击雷有重复放电的性质。

平均每次雷击有三四个冲击，最多能显现几十个冲击。

第一个冲击的先导放电是阶段形先导放电，第二个冲击以后的先导放电是箭形先导放电。

阶段形先导放电的时间为5～20ms，箭形先导放电的时间约为1ms，主放电时间不超过0.5～0.1ms，余光延续时间为30～50ms。

2）感应雷感应雷也称雷电感应或感应过电压。

感应雷分为静电感应雷和电磁感应雷两种。

（1）静电感应雷静电感应雷是雷云接近地面时，使邻近的金属设施特别是较长的金属设施（如架空线路）上，感应产生与雷云相反的大量束缚电荷。

在雷云对其他部位或其他雷云放电后，这些金属设施上的电荷失去束缚，以雷电波的形式高速传播，形成静电感应。

静电感应电压的幅值可达到几万到几十万伏，往往造成建筑物内的导线、接地不良的金属导体和大型的金属设备放电而引起电火花，从而引起电击、火灾、爆炸，危及人身安全或对供电系统造成危害。

（2）电磁感应雷电磁感应雷是由于雷电放电时，巨大的冲击雷电流在四周空间产生快速变化的磁场引起的。

这种强磁场能使四周的金属导体产生很高的感应电压。

电磁感应雷会对建筑物内的电子设备造成干扰、破坏，或者使四周的金属构件感应出电流，产生大量的热而引起火灾。

3）雷电侵入波雷电侵入波是指雷击在架空线或空中金属管道上产生的冲击电压沿线路或管道的两个方向快速传播的雷电波。

雷电的危害方式1、直击雷危害：雷电直接击在地面某一物体上，造成的危害。

它能产生电效应、热效应、电动力效应，其能量大，具有巨大的破坏性。

其发生约占整个雷击事故的10-15% 。

2 、感应雷危害：雷击放电时，在附近物体上会产生静电感应和电磁感应，它可能使金属部件之间产生火花放电。

（1）雷电的静电感应：当有雷雨云出现时，雷雨云下的地面及建筑物等，受雷雨云的电场作用而带上与雷雨云下端等量的异性电荷。

当雷云放电时，雷雨云上的电荷与地面上的异性电荷迅速中和，雷云电场消失，而地面局部地区一些物体,如架空线路、金属管道、建筑物、构筑物等由于与大地间的电阻较大，静电感应产生的异性电荷来不及泄放，对地面就可产生很高的静电感应高压并可能产生放电。

（2）雷电电磁感应：由于雷电流为脉冲电流，在其冲击下,周围空间产生瞬变的强大电磁场,使附近导体上感应出很高电压,雷电的电磁感应对弱电设备危害极大（当B>0.03GS 时可造成微电子设备误动作，B>0.75GS 时可造成假性损坏，B>2.4GS 时可造成永久性损坏）。

3、雷电波侵入危害：由于雷电对架空线路或金属管道发生的作用，使雷电波沿着这些管线侵入到室内，危及人身安全或损坏设备。

4 、雷电高电压反击的危害：在遭受直击雷击的物体（金属体、树木、建筑物等），或防雷装置（接闪器、引下线、接地体、电涌保护器）等，在接闪雷电瞬间与大地间存在很高的电位差（电压），这电压对与大地相连接的金属物体发生闪击的现象为反击（微电子设备遭雷击损坏,60%是来至地电位反击），必须防止SPG地对DOG地电位的反击。

5 、球形雷：雷击放电火球或静电高压火球。

6、雷击引发电气火灾和设备损坏主要原因有：①、雷击各高压供电线路的而引入信息系统电源的雷电流和过电压。

②、雷电感应使供电和信息系统线路产生的感应过电压损坏系统③、雷击建筑物或临近地区雷击放电，沿各种金属管线引入的过电压或过电流；同时雷击放电所产生的雷电电磁脉冲导致建筑物内信息系统由于空间电磁感应产生瞬态过电压或强磁场辐射而损坏。

雷击的分类及危害
一．雷击的分类
根据雷电产生的特点及危害性质不同，雷击可分为直击雷，感应雷和雷电侵入波等几类。

（一）直击雷
直击雷是雷云与大地之间发生的雷电放电现象，当雷云接近地面时，由于静电感应作用使地面感应出异性电荷，两者之间存在着巨大电场，由于雷云中的电荷分布不均匀且大地亦不平坦。

使雷云与大地间的电场分布不均匀，一般地面凸起处电场较强。

当电场强度达到（25—30kv/cm）时，就会发生雷云与大地凸起物间的放电。

即发生直击雷
（二）感应雷
由于雷电的感应而使系统出现过电压，根据感应情况不同又可分为两类
1．静电感应过电压
当雷云接近地面或高压导`线时，将在地面或导线上感应出大量的异性电荷，当雷云存
在时，这些异性电荷受雷云电场的束缚，形成静止电荷，当雷云对其它目标放电后，其电场消失，导线上原来受到束缚的异性电荷因失去电场束缚而变成自由电子。

自由电子沿导线向两侧移动，形成很高（可达500—600kv）的电压，从而使系统遭受过电压。

2．电磁感应过电压
当雷电活动进行时，将产生巨大的雷电电流，这一雷电电流是迅速变化的，而变化的
雷电电流在其周围产生强大的变化磁场。

这种磁场将在附近的金属导体上（如电气设备，输电线路等）产生很高的感应电压。

（二）雷电侵入波
雷电侵入波是由于雷击发生在架空线路或架设于空中的管道上。

在架空线路或金属管道上产生冲击电压。

并沿线路或管道向两侧迅速传播。

称行进波。

当这种行进波沿着导线或管道进入变电所（站）时，将使电气设备绝缘击穿，危及人身安全。