雷電基本知識

1、雷電基本知識人們在研究磨擦起電現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)帶正電的物體和帶負(fù)電的物體靠近時，常有火花產(chǎn)生，同時發(fā)出劈啪的聲響，這種現(xiàn)象叫做放電。雷電是大自然中雷云之間或雷云對地之間的 大規(guī)模放電現(xiàn)象，這種迅猛的放電過程產(chǎn)生強(qiáng)烈的閃光并伴隨巨大的聲音。從電學(xué)的角度來講，雷云放電就會產(chǎn)生雷電流，雷電流除具有電流的一般的特性外，還有發(fā)生時間短（微秒級）幅值高（幾百KA）的特點(diǎn)，所以雷電流的瞬間功率是巨大的。正因?yàn)槔纂娏鞯奶厥庑?，?得雷電有其特殊的破壞力，常常給人類帶來巨大損失。 雷擊可以把建筑物劈裂， 使架空的電線短路、引起森林大火，還會造成人員的直接傷亡。自18世紀(jì)富蘭克林著名的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)以來，人們致力于雷電及

2、其防護(hù)的研究實(shí)踐已有刪年的歷史，對雷電的防護(hù)已經(jīng)取得了很大成績，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。了解雷電基本知識，有利于搞好倉庫防雷安全工作。一、雷電的形成與分類（一）雷雨云和雷電的形成人們通常把發(fā)生閃電的云稱為雷雨云（或稱積雨云），雷雨云是熱氣流在強(qiáng)烈垂直對流過程中形成的。由于地面吸收太陽的輻射熱量遠(yuǎn)大于空氣層，近地面的大氣的溫度由于熱傳導(dǎo)和熱輻射作用，溫度也跟著升高，氣體溫度升高必然膨脹，密度減小，壓強(qiáng)也隨著降低，根 據(jù)力學(xué)原理，氣體就要上升，上方的空氣層密度相對說來就較大，就要下沉。熱氣流在上升過程中膨脹降壓，同時與高空低溫空氣進(jìn)行熱交換，于是上升氣團(tuán)中的水汽凝結(jié)而出現(xiàn)霧滴，就形成了云。在強(qiáng)對流過程中

3、，云中的霧滴進(jìn)一步降溫，變成過冷水滴、冰晶或雪花，并隨 高度逐漸增多。由于過冷水大量凍結(jié)而釋放潛熱，使云頂突然向上發(fā)展， 達(dá)到對流層頂附近后向水平方向鋪展， 使云中水滴分裂成較小的水滴或較大的水滴，分別帶負(fù)電和帶正電。 較小的水滴被氣帶走，形成帶負(fù)電的雷云，較大的水滴留下來形成帶正電的雷云。隨著電荷的積累，雷云的電位逐漸升高。 當(dāng)帶不同電荷的雷云在空氣中互相接近到一定 的距離時，便發(fā)生激烈的放電，出現(xiàn)強(qiáng)烈的閃光。由于放電時溫度高達(dá)20000C，空氣受熱急劇膨脹，發(fā)出爆炸的轟鳴聲，這就是空中閃電和雷鳴，見圖5 1（a）。當(dāng)帶電雷云離地面較近時，還會對地面突出物直接放電，這就是直擊雷。見圖5 1（

4、b）。（町雷云間放電e）雷云對地放電圖5 1雷云放電現(xiàn)象（二）雷電的分類1 雷電按照放電形式不同分為：線形雷、片形雷和球形雷（1）線形雷。線形雷是一種蜿蜒曲折，枝叉縱橫的巨型電氣火花，長2 3公里，也有的長達(dá)10公里，線形雷是閃電中最強(qiáng)烈的一種，對電力、電訊系統(tǒng)及人畜和建筑物等威脅最大。線形雷大多是雷云與大地間的放電，但也有的是雷云之間的放電。這種閃電可以同時擊在不同的地方，一般分為前導(dǎo)放電和主放電等階段。在大多數(shù)情況下（約5070%以上），雷云與大地間的放電過程不是單一的，而是多重的，也就是說由若干個先后在同一通道上發(fā)展的單一的，放電所組成。重復(fù)放電的數(shù)目一般為127次，單次放電的延續(xù)時間一

5、般為0. 0010. 02秒，各次放電的間隔時間為 0. 010 05秒。（2）片形雷。片形雷是出現(xiàn)在云的表面上的閃光，它有時可能是被云塊遮沒的火花閃電 的延光， 也可能是在云的上部發(fā)出來的叢集的、 若隱若現(xiàn)的一種特殊的放電作用的光。 這種 閃電， 表示云中電場的能量雖然已經(jīng)足夠產(chǎn)生放電作用， 但是新加入的電量卻太少， 以致在 閃爍放電尚未轉(zhuǎn)變到火花 (線狀 )放電以前，原有的儲電量已經(jīng)用完了，片形雷對電力系統(tǒng)一 般只會引進(jìn)感應(yīng)過電壓。(3) 球形雷。球形雷是一種特殊的雷電現(xiàn)象，簡稱球雷。是橙或紅色，或似紅色火焰的發(fā)光球體，(也有帶黃色、綠色、藍(lán)色或紫色的 )，直徑一般約為 1020厘米，最大

6、的直徑 可達(dá)1m,存在的時間大約為百分之幾秒至幾分鐘，一般是35秒，其下降時有的無聲，有的發(fā)出嘶嘶聲， 一旦遇到物體或電氣設(shè)備時會產(chǎn)生燃燒或爆炸， 其主要是沿建筑物的孔洞或 開著的門窗進(jìn)入室內(nèi)，有的由煙囪或通氣管道滾進(jìn)房內(nèi)，多數(shù)沿帶電體消失。球形雷形成的原因： 一是等粒子體； 二是小范圍的急促氣旋造成， 三是核反應(yīng)。到目前 試驗(yàn)室未圓滿重復(fù)這一現(xiàn)象。2雷電按傳播方式不同分為：直擊雷、感應(yīng)雷和雷電侵入波(1) 直擊雷。直擊雷是帶電的云層與大地上某一點(diǎn)之間發(fā)生猛烈的放電現(xiàn)象，稱直擊雷。直擊雷的放電過程為： 當(dāng)雷云接近地面時， 在地面感應(yīng)出異性電荷， 兩者組成一個巨大的電 容器。 雷云中的電荷分布是

7、不均勻的，地面也是高低不平的。 因此，其間電場強(qiáng)度也是不均 勻的。當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到2530kV/cm時，即發(fā)生雷云向大地發(fā)展的跳躍式先驅(qū)放電，延續(xù)時間為0. 0050. 01s,平均速度為1001 000km/s,每次跳躍前進(jìn)約 50m，并停頓30 50卩s。當(dāng)先驅(qū)放電達(dá)到大地時，即發(fā)生大地雷云發(fā)展的極明亮的主放電，其放電電流可達(dá)數(shù)十至數(shù)百千安，放電時間僅50100ps，放電速度約為光速的1 / 51 / 3，即約為6104km/s。主放電向上發(fā)展，到云端即告結(jié)束。主放電結(jié)束后繼續(xù)有微弱的余光，余光延續(xù) 時間約0. 030. 15s。約50%的直擊雷有重復(fù)放電性質(zhì)。平均每次雷擊有三、四個沖擊，

8、最多能出現(xiàn)幾十個沖擊。 第一個沖擊的先驅(qū)放電是箭形先驅(qū)放電, 其放電時間僅約 0001s。 全部放電時間一般不超過 500ms。(2) 感應(yīng)雷。感應(yīng)雷也稱間接雷電感應(yīng)或感應(yīng)過電壓,亦可以叫做雷電的二次作用。感 應(yīng)雷分為靜電感應(yīng)雷和電磁感應(yīng)雷兩種。靜電感應(yīng)雷是雷云接近地面時,使鄰近雷云的金屬設(shè)施上,特別是較長的金屬設(shè)施(如架空線路 )上,能感應(yīng)產(chǎn)生與雷云相反的大量電荷。當(dāng)雷云放電時,如金屬設(shè)施上的感應(yīng)電 壓較高,也就會向鄰近的設(shè)施放電(金屬設(shè)施未接地時 ),或以雷電波的形式沿線路極快地傳播。電磁感應(yīng)雷是由于雷擊時, 巨大的雷電流在周圍空間產(chǎn)生迅速變化的強(qiáng)磁場,使處于這個磁場中對地絕緣的金屬構(gòu)件、

9、 建筑設(shè)施,感應(yīng)出很高的電位。當(dāng)這個電壓足夠大時, 就可 能對地或向鄰近的設(shè)施放電。(3) 雷電侵入波。由于雷電電流有極大峰值和陡度,在它周圍出現(xiàn)瞬變電磁場,處在這瞬變電磁場中的導(dǎo)體會感應(yīng)出較大的電動勢, 而此瞬變電磁場, 都會在空間一定的范圍內(nèi)產(chǎn) 生電磁作用,也可以是脈沖電磁波輻射,而這種空間雷電電磁脈沖波(LEMP) 是在三維空間范圍里對一切電子設(shè)備發(fā)生作用。 因瞬變時間及短或感應(yīng)的電壓很高, 以致引起電氣設(shè)備的 過電壓。二、雷電的危害(一)直擊雷的危害 直接雷的破壞作用主要是：電效應(yīng)破壞、熱效應(yīng)破壞和機(jī)械效應(yīng)破壞。1 電效應(yīng)破壞電性質(zhì)的破壞作用, 表現(xiàn)在雷擊形成的數(shù)十萬乃至數(shù)百萬伏的沖擊

10、電壓, 產(chǎn)生過電壓作 用,可擊穿電氣設(shè)備的絕緣,燒斷電線而發(fā)生短路放電,其放電火花、 電弧可能造成火災(zāi)或爆炸； 絕緣的損壞, 還會造成高壓竄入壓和設(shè)備漏電的隱患, 可能引起嚴(yán)重的觸電事故；巨 大的雷電流流入下， 會在雷擊點(diǎn)接地周圍的 510m范圍內(nèi)形成極高的電壓，可直接導(dǎo)致接 地電壓和跨步電壓的觸電事故。2 熱效應(yīng)破壞熱性質(zhì)的破壞作用, 表現(xiàn)在巨大的雷電流通過導(dǎo)體時, 在極短的時間內(nèi)轉(zhuǎn)換出大量的熱 量,高溫作用造成易燃品燃燒或金屬熔化、 飛濺而引起火災(zāi)或爆炸； 如果直接雷擊在易燃物 上，更容易引起大面積的火災(zāi)。3機(jī)械效應(yīng)破壞機(jī)械性質(zhì)的破壞作用， 表現(xiàn)為被擊物直接遭到破壞， 甚至爆裂成碎片， 這

11、是由于巨大的 雷電流通過被擊物時， 使被擊物縫隙中的氣體劇烈膨脹， 縫隙中的水分也急劇蒸發(fā)為大量氣 體，致使被擊物破壞或爆炸。此外，同性電荷之間的斥力、電流拐彎處的電磁推力、發(fā)生雷 擊時的氣浪都有較強(qiáng)的破壞作用。（二）感應(yīng)雷的危害感應(yīng)雷是在直擊雷基礎(chǔ)上發(fā)生的， 在建筑物上設(shè)置的避雷針、 避雷網(wǎng)、 避雷帶只能對付 直擊雷，對感應(yīng)雷不起作用。感應(yīng)雷雖然沒有直擊雷猛烈， 但其發(fā)生的機(jī)率比直擊雷高得多。 直擊雷只發(fā)生在雷云對 地閃擊時才會對地面造成災(zāi)害， 而感應(yīng)雷則不論雷云對地閃擊或者雷云對雷云之間閃擊， 都 可能發(fā)生并造成災(zāi)害。 此外直擊雷一次只能襲擊一個小范圍的目標(biāo)， 而一次雷閃擊都可以在 較大的

12、范圍內(nèi)， 多個小局部同時產(chǎn)生感應(yīng)雷過電壓現(xiàn)象， 并且這種感應(yīng)高壓可以通過電力線、 電話線等傳輸?shù)胶苓h(yuǎn)，至使雷害范圍擴(kuò)大。三、雷電的分布特點(diǎn)我國地域遼闊，從南到北越 30 多個緯度，大部分地區(qū)位于北溫帶和亞熱帶，都處于雷 雨區(qū)，只是受高度等不同因素的影響雷暴日不同（雷暴日指一年聽到雷聲的天數(shù) ）。我國西北地區(qū)的雷暴日在 20 天以下，屬少雷區(qū)，雷害較輕；東北 30 天左右，華北和中部地區(qū)多在 4050天，長江以南至北緯 23度大部分地區(qū)在 4080天，屬中等雷區(qū)；23度線以南，包 括廣東、廣西、福建的大部分多在 80 天以上，屬雷害嚴(yán)重地區(qū)。從雷害發(fā)生的地區(qū)看，我 國人口居住密集、經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的大

13、中城市處在中等以上雷雨地區(qū)。我國各地區(qū)雷雨季節(jié)相差較大， 南方約從二月開始， 長江流域一般從三月開始， 華北和 東北地區(qū)遲至四月開始，西北可延至五月開始?？傮w上，雷電活動呈現(xiàn)以下基本規(guī)律：1熱而潮濕的地區(qū)比冷而干燥的地區(qū)雷暴多。2從緯度看，雷暴的頻數(shù)總是由北向南增加，到赤道最高，以后又向南遞減。在我國 遞減的順序大致是：華南、西南、長江流域、華北、東北、西北。3從地域看，雷暴的頻數(shù)是山區(qū)大于平原，平原大于沙漠；陸地大于湖海。 4從時間看，雷暴高峰月都在七、八月份，活動時間大都在14 22 時，各地區(qū)雷暴的極大值和極小值多數(shù)出現(xiàn)在相同的年份。四、雷災(zāi)新特點(diǎn)當(dāng)人類社會進(jìn)入電子信息時代后，雷災(zāi)出現(xiàn)的

14、特點(diǎn)與以往有極大的不同，可以概括為：1受災(zāi)面大大擴(kuò)大。從電力、建筑這兩個傳統(tǒng)領(lǐng)域擴(kuò)展到幾乎所有行業(yè)，特點(diǎn)是與高 新技術(shù)關(guān)系最密切的領(lǐng)域，如航天航空、國防、郵電通信、計(jì)算機(jī)、電子工業(yè)、石油化工、 金融證券等，雷電的受災(zāi)行業(yè)面擴(kuò)大了。2從二維空間入侵變?yōu)槿S空間入侵。從閃電直擊和過電壓波沿線傳輸變?yōu)榭臻g閃電 的脈沖電磁場從三維空間入侵到任何角落， 無孔不入地造成災(zāi)害， 因而防雷工程已從防直擊 雷、感應(yīng)雷進(jìn)入雷電電磁脈沖 （LEMP） ，雷電災(zāi)害的空間范圍擴(kuò)大了。例如 20m 年 7 月 25 日，一次閃電造成漕寶路桂菁路附近二家單位同時受到雷災(zāi)，而不是以往的一次閃電只是一個建筑物受損。3雷災(zāi)的經(jīng)濟(jì)損失和危害程度大大增加了，它襲擊的對象本身的直接經(jīng)濟(jì)損失有時并 不太大，而由此產(chǎn)生的間接經(jīng)濟(jì)損失和影響就難以估計(jì)。4產(chǎn)生上述特點(diǎn)的根本原因，也就是