下载文档原格式
人类对电的的认识（四）--雷电知识一．雷电的原理雷电是一种自然现象，它的形成，主要是水蒸气上升而形成的。
雷云的主要成分是水的各种状态（如水蒸气、水滴、冰和雪），原来都是中和状态，即不带电的，但在气流急速上升过程中，小水珠就会分裂和碰撞，而形成带电体，使带正电荷的水滴下降，带负电荷的水珠继续上升，等到一定数量的电荷聚集在一个区域时，其电势就可能达到使其附近空气绝缘遭到击穿的程度。
雷云所带的电荷越多，它的电压也就越高，当它和另一块异性带电的雷云接近时，就会使两块雷云间的空气绝缘被击穿，发生剧烈的放电，使正负电荷互相中和，从而出现耀眼的闪电。
由于雷电流很大，放电时产生高温，使周围空气猛烈膨胀振动。
那轰隆隆的雷声也就随闪而至了。
二．雷云的形成闪电，俗称雷电，是自然大气中的超强（能量）、超长（距离）放电现象。
一般产自雷雨云（即雷暴、雷暴云或积雨云），其中最重要的就是积雨云。
首先我们先来了解一下积雨云是如何生成发展的，这里有三个基本条件：空气中必须有足够的水汽；有使潮湿水气强烈上升的气流；有使潮湿空气上升凝结成水珠或冰晶的气象条件。
（撒哈拉、塔克拉玛干温度高湿度小所以极少有积雨云。
沿海地区温度高湿度大积雨云就很常见了。
）由于地面吸收太阳辐射的能力要远大于空气，地面温升高，近地层空气温度升高，体积膨胀，密度减小，压强降低，向上运动，上面的空气团密度相对较大，就要下沉。
热气团上升过程中伴随发生两种物理过程：一是膨胀、二是降温（两方面引起的：气体膨胀压力减小，温度降低（气态方程）。
高空气温低，由于热交换）。
于是上升热气团中的水汽凝结出现雾滴形成了云。
其次我们来了解一下典型雷雨云的微物理结构：一块成熟的雷雨云，其顶部可以伸展到－40℃的高度(约l万米以上)，而云底部的温度却在10℃以上。
由于云体在垂直方向上跨过了这么宽的温度范围，因而云中水汽凝结物的相态就很不一样。
在云中有水滴、过冷却水滴、雪晶、冰晶等。
我们把雷雨云按温度高低来分层，便可以看出：在温度高于0℃的“暖层”的云中，全部是水滴(包括云滴)，在温度0至－8℃的云层中，即有较多的过冷却水滴(温度低于0℃的水滴)，也有一些雪晶、冰晶；在温度低于－20℃的云层中，由于过冷却水滴自然冻结的概率大为增加，云中冰晶的天然成冰核作用更为显著，故云中基本上都是雪晶和冰晶了。
雷电的基础知识在带有不同电荷雷云之间，或在雷云及由其感应而生的不同电荷之间发生击穿放电，即为雷电。
雷电是自然界中一种特殊的、极为壮观的声、光、电现象—伴随有闪电和雷鸣的一种恐怖而雄伟壮观的自然现象。
一、雷电的成因及其特性参数⑴、雷云和雷电①雷云：能发生闪电的云为雷云。
层积云、雨层云、积云、积雨云均与闪电有关，其中积雨云则最为重要。
②闪电：积雨云形成过程中，在大气电场以及温差起电效应、破碎起电效应的同时作用下，正负电荷分别在云的不同部位积聚。
当电荷积聚到一定程度，就会在云与云之间或云与地之间发生放电，即“闪电”。
闪电的形状：枝状、球状、片状、带状。
闪电的形式有云天闪电、云间闪电、云地闪电。
⑵、雷电的成因①雷电：带有电荷的云层向下靠近地面时，地面上的凸出物、金属等，会被感应出异性电荷，随着电场强度的逐步增强，雷云向下形成下行先导，地面的物体形成向上闪流，两者相遇即形成对地放电。
②闪电：带负电荷的雷云在大地表面会感应出正电荷，这样雷云与大地间形成一个大的电容器，当电场强度超过大气被击穿的强度时，就发生了雷云与大地之间的放电，即常说的闪电，或者说是雷击。
③雷云放电过程：雷云——雷电先导——迎雷先导——主放电阶段——余辉放电⑶、雷电的特性参数①雷电日（T）：一年中发生雷电放电的天数，(衡量雷电活动频繁的程度)。
②雷电流：雷击电流大致呈单极性的脉冲波。
主要可采用三个参数来表示，即雷电流的幅值、波头时间和半幅值时间。
③雷电过电压：主要决定于雷电流陡度和雷电流通道的阻抗，它的大小可按下式来计算：U=IR+L（式中：I—雷电流幅值kA；i—随时间变化的雷电流kA；R—接地电阻Ω；L—雷电流通道的电感H）。
二、雷电的种类主要分为直击雷、感应雷、雷电波入侵、雷球、雷击电磁脉冲。
⑴、直击雷指雷电直接击在建筑物构架、动植物上，因电效应、热效应和机械效应等造成建筑物等损坏以及人员的伤亡。
⑵、感应雷也称为雷电感应或感应过电压。
第一节雷电的形成机理雷电是自然界中一种极为壮观的声、光、电现象，对人类的生产和生活有着巨大的影响。
那么，我们先从认识雷电谈起。
我国古籍中，有关雷电理论的记载十分丰富。
例如东周时《庄子》上记述：“阴阳分争故为电，阳阴交争故为雷，阴阳错行，天地大骇，于是有雷、有霆。
”这些学说与现代的雷电学说是如此相似，不过它比现代雷电学说要早2000 多年。
在古籍中关于建筑工程中避雷的记载也十分丰富。
南北朝的孟奥《北征记》中有如下记述：“凌云台南角一百步，有白石室，名避雷室。
”又有盛弦之《荆州记》中记述：“湖阳县春秋蓼国，樊重之邑了，重母畏雷，为立石室，以避之，悉之文石为阶砌，至今犹存。
”书中谈及的白石、文石，据分析应该属于绝缘性能较好的石块。
至于宋、元、明、清代的建筑物多用“雷公柱”（宋代称枨杆）等措施以避雷。
在古籍中关于雷击事故的记述就更多了，例如在《续晋阳春秋》上记述：“太元五年，霹雳含殿四柱，杀内侍二人。
”《晋安帝记》上记述：“义熙三年六月，震太庙鸱尾，彻壁柱，若有文字。
”《晋中兴书征祥说》上记述：“元兴三年，永安王皇后至住巴防，将设威仪入宫，天大雷震，人马多死。
”《沈括?梦溪笔谈》上记述：“内侍李舜举家为暴所震，其堂之西屋雷火自窗间出，赫然出檐。
人以为堂屋已焚，皆出避之。
及雷止，其舍宛然，墙壁窗纸皆默。
有一木格，其中杂贮诸器，其漆器银铝者，银悉容流在地，漆器不燃灼。
有一宝刀，极坚刚，就刀室中容为汁。
而室亦俨然。
人必谓：当先焚草木，然后流金石，今乃金石皆烁而草木无一毁者，非人情所测。
《齐书?五行志》：“永元三年正月，豫章郡，天火烧三千余家。
”以上只是我国古籍关于雷电灾害中的点滴摘录，当然它与现代雷电理论和防雷技术相比还有差距，但是从历史观点来看，我们的祖先能够在那么早的年代里就创造出那样完整的雷电理论，并且在技术上得到应用，这是我们民族光辉灿烂文化历史的一页。
1.1 雷电的特征雷电现象是自然界中一种瞬间放电现象，同时伴随有雷声，具有高电流、高电压、变化快、放电时间短、辐射强等特征。
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。
雷电知识简介1.1 雷电的产生雷电是一种自然现象。
它是由雷云产生的。
形成雷云必须具备以下三个条件：1、空气中含有足够的水蒸气；2、大气中的空气形成温度差，以使潮湿的空气形成强大的上升气流；3、没有破坏或防碍强烈而持久的上升气流形成的因素。
大多数雷电放电发生在云间或云内，只有小部分是对地发生的。
在对地的雷电放电中，雷电的极性是指雷云下行到地的电荷的极性。
根据放电电荷量进行的多次统计，90％左右的雷是负极性的。
1.2 防雷区的划分1.2.1 防雷区的划分将需要保护的空间划分为不同的防雷区，以规定各部分空间不同的电磁环境（雷电电磁厂的危害程度），同时指明各区交界处的等电位联结点的位置。
图1-1 雷电分区保护示意图以在其交界处的电磁环境有明显改变作为划分不同防雷区的特征。
LPZ0A：本区内各物体可能遭受直接雷击，电磁场没有衰减；LPZ0B：本区内各物体不可能遭受直接雷击，电磁场没有衰减；LPZ1：本区内各物体不可能遭受直接雷击，电磁场有可能衰减；LPZ2：本区内各物体不可能遭受直接雷击，电磁场有进一步的衰减一个被保护的区域，从电磁兼容的观点来看，由外到内可分为几级保护，最外层是0级，是直接雷击区域，危险性最高，越往里，则危险程度越低。
过电压主要是沿线窜入的，保护区的交界面通过外部防雷系统、钢筋混凝土及金属罩等构成的屏蔽层而形成，电气通道以及金属管道等则经过这些交界面。
图3-1是雷电保护区域划分的示意图。
SPD（Surge Protect Device）：浪涌保护器的英文简称，公司内也叫做防雷器，用于保护设备接口免受雷击过电压和过电流的损坏。
在本文中，统一将SPD称为防雷器。
1.3 雷电参数简介雷电放电涉及到气象、地形、地质等许多自然因素，有一定的随机性，因而表征雷电特性的参数也带有一定的统计性质。
在防雷设计中，我们对雷暴日、雷电流波形、幅值等参数比较关心。
1.3.1 雷暴日为了表征雷电活动的频率，采用年平均雷暴日作为计算单位。
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。
