雷电的基础知识及雷电的防护(精讲).ppt.ppt
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1、雷电的危害及防护张 仲,国家月球与深空应用中心,北京市气象局万云公司,电话:68400507 邮箱:地址:海淀区紫竹院路44号,绕月探测工程(嫦娥工程)地面应用系统防雷专业主设计,防 雷 工 程 设 计 研 究 室 主 任,内容:,雷电的基础知识雷电危害及其实例分析雷电灾害的防止或减少与会人员交流探讨,一、雷电的基础知识,雷电的定义雷电的形成雷电的分类我国及北京地区雷电活动规律,1、雷电的定义,雷电是云与云之间、云内部、云与大气、云与大地之间产生的放电现象。前三种称为“云闪”,第四种称为“地闪”。,2 雷电的形成,雷云形成的物理过程雷云的电结构雷云的起电机制,(1)雷云形成的物理过程,形成过程
2、宏观结构微观结构,雷云或称雷雨云,是产生雷电的先决条件。,A 雷云形成过程,雷云带电原因的解释很多,但还没有获得比较满意的一致认识。一般认为雷云是在有利的大气和大地条件下,由强大的潮湿的热气流不断上升进入稀薄的大气层冷凝的结果。强烈的上升气流穿过云层,水滴被撞分裂带电。轻微的水沫带负电,被风吹得较高,形成大块得带负电的雷云;大滴水珠带正电,凝聚成雨下降,或悬浮在云中,形成一些局部带正电的区域。实测表明,在510km的高度主要是正电荷的云层,在15km的高度主要是负电荷的云层,但在云层的底部也有一块不大区域的正电荷聚集。雷云中的电荷分布很不均匀,往往形成多个电荷密集中心。每个电荷中心的电荷约为0
3、.1库仑10库仑,而一大块雷云同极性的总电荷则可达数百库仑。这样,在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间,或雷云和大地之间就形成了强大的电场。随着雷云的发展和运动,一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度(大气中的电场强度约为30kV/cm,有水滴存在时约为10kV/cm)时,就会发生云间或对地的火花放电;放出几十乃至几百千安的电流;产生强烈的光和热(放电通道温度高达15000至20000),使空气急剧膨胀震动,发生霹雳轰鸣。这就是闪电伴随雷鸣叫做雷电的原故。,B 宏观结构,雷雨云是对流云发展的成熟阶段,它往往是从积云发展起来的。发展完整的对流云,其生命史可以分为以下三个阶段:,形成
4、阶段,成熟阶段,消散阶段,C 微观结构,一块成熟的雷雨云,其顶部可以伸展到40的高度(约1万米以上),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: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。在成熟阶段的雷雨云中,发生着非常复杂的微物理过
5、程,在云的“暖层”,有水滴之间由于大小不同而发生的重力碰撞,也有湍流碰撞和电、声碰撞过程。同时,有大水滴在气流作用下发生变形,破碎而产生“连锁反应”;还有由云的“冷层”中掉到“暖层”中来的大雪花、霰等的融化等。在温度0至20的云层中,水汽由液态往固态转移十分活跃,冰、雪晶的粘连,大冰晶破碎等也很频繁。在低于20的云层中,也还有冰晶之间的粘连和大冰晶的破碎过程发生。在雷雨云中发生的所有这些微物理过程,都可以导致云中水汽凝结物电学状态的改变,对于雷雨云的起电有十分重要的贡献。,(2)雷云的电结构,雷云中电荷雷云电结构模式正、负极性闪击,A 雷云中电荷,雷雨云中的电荷,主要是云中水滴、冰晶和霰粒(俗
6、称雪子)在重力和强烈上升气流共同作用下,不断发生碰撞摩擦而产生的当冰晶和霰粒相碰时,短暂的摩擦作用使霰粒表面局部温度比冰晶高,结果使霰粒表面带上负电,冰晶带上正电,这就是所谓的温差效应。当冰晶与霰粒分开时,结果正负电荷也离开了。当水滴在霰粒表面冻结时,水滴里外温度也不一致,水滴外层温度低先冻结呈正电性,里面温度高呈负电性。一旦内部水冻结时,体积迅速膨胀,外层冰壳破裂,冰屑带着正电荷飞散出去,而留下的冻水滴上仍带着负电荷这样正负电荷也发生了分离,冰屑较轻,被上升气流带到云层顶部,所以雷雨云上面带正电荷。强烈上升的气流也会将云中大水滴冲破,形成许多带负电的小水珠和带正电的较大水珠。带正电的较大水珠
7、下沉直至被上升气流支持在云层底部的局部区域前面所述带负电的小水珠和霰粒等逐渐扩散到雷雨云下部广大区域。,B 雷云电结构模式,没有雷雨云便没有雷电,因此对雷雨云的探 测研究是十分重要的。在20世纪30年代以后,人类通过施放大量探测气球,获得了较丰富的资料,总结出最早的雷雨云电结构模式如图所示:存在两个主电荷中心,云底附近另有一个次电荷中心。它们分别是中心位于约6公里高度处,约含+24库仑电量的正电荷中心、中心位于约3公里的、约含20库仑的负电荷中心、中心位于1.5公里、含有约+4库仑电量的次电荷中心。后来虽然也提出过许多雷雨云电结构的种种模式,对荷电中心的高度,荷电量进行修正,甚至也有倾斜形式的
8、电结构模式,但至今并无一致公认的比前述原始模式更合理的模式,因而原始模式仍是当前常用的模式,它也称雷雨云电结构的电偶极子模式。,C 正、负极性闪击,(3)雷云的起电机制,水滴破裂效应吸电荷效应水滴冰冻效应温度起电假说感应起电对流起电假说摩擦起电,3 雷电的基本分类,雷电(空间位置),地闪,云闪,云内闪,云空闪,云际闪,雷电(形状),片状,线状,球状,蛛状,联珠状,(1)片状雷,云间放电多为片状雷,由于云间线状闪电被云体遮住,闪电的光照亮了上部的云,闪电呈现出片状的亮光。,(2)线状雷,雷云与大地之间的放电,多以线状形式出现而称为线状雷。,(3)球状雷,球状雷也简称“球雷、球闪”,民间俗称“滚地
9、雷”。球雷是一种彩色的火焰球体,通常表现为100300mm直径的橙色或红色球体,有时也可能是红色、蓝色、绿色或紫色,最大直径也有达到1000mm。,(4)联珠状闪电,联珠状闪电是很少见到的一种闪电,也学者认为它是由一串球雷组成。,(5)蛛状闪电,蛛状闪电特指在雷暴云的消散阶段或层状降雨阶段观测到的发生于云底附近具有大范围水平发展、多分叉放电通道的壮观放电现象。,4 我国及北京地区雷电活动规律,我国雷暴区的划分北京地区雷电季节和日活动规律,(1)我国雷暴区的划分,第一区:长江以北、105E以东地区第二区:长江以南、105E以东地区第三区:36N以北、105E以西地区第四区:36N以南、105E以
10、西地区,第一区:长江以北、105E以东地区,范围:主要包括黑龙江省、吉林省、辽宁省、内蒙古自治区(中部和东北部)、河北省、山东省、江苏省、安徽省西北大部、山西省、河南省、湖北省大部、陕西省、四川省东半部、宁夏回族自治区和甘肃省东南角等地区。雷暴日:年平均雷暴日为2050d,有些地区略偏高。,第二区:长江以南、105E以东地区,范围:主要包括浙江省、福建省、广东省、广西壮族自治区、安徽省东南角、江西省、湖南省、贵州省及四川省、湖北省和江苏省长江两岸地区。雷暴日:长江两岸年平均雷暴日为4050d,两广南北地区年平均雷暴日为90120d,其中海南岛中部的琼中和儋县,高达124d,是我国年雷暴日最高的
11、地区。,第三区:36N以北、105E以西地区,范围:主要包括内蒙古自治区西南角、甘肃省中部、西北部、青海省西北部、新疆维吾尔自治区等地区。雷暴日:长江两岸年平均雷暴日不到20d。,第四区:36N以南、105E以西地区,范围:主要包括甘肃省东南部、青海省大部、西藏自治区、四川省西半部、云南省中部和西部等地区。雷暴日:这一地区多为高原和山脉,地形起伏较大,年平均雷暴日高于同纬度地区,一般为5080d。,总结,(1)105E以东地区的年平均雷暴日随维度的减小而递增,但长江以北地区这一变化趋势并不显著,而长江以南地区这一变化趋势比较明显。(2)东南沿海地区年平均雷暴日偏低于同纬度离海岸稍远地区的数值。
12、此外江湖流域、河谷平原和河谷盆地的年平均雷暴日又偏低于同纬度沿海地区的数值。此外江湖流域、河谷平原和河谷盆地的年平均雷暴日又偏高于同纬度其它地区。(3)新疆维吾尔自治区、甘肃省和内蒙古自治区的广大沙漠和戈壁滩地区以及青海省柴达木盆地等地区,因气候干旱,平均年雷暴日较低,一般不超过10d,是我国年平均雷暴日最低的地区。(4)地势较高、地形复杂的山岳地区,平均年雷暴日往往高于同纬度其它地区。,(2)北京地区雷电季节和日活动规律,月活动规律日变化规律各区雷电及灾害对比分析,A 月活动规律,北京市雷电活动(虚线)与雷电灾害(实线)的月变化,B 日变化规律,北京市雷电活动(虚线)与雷电灾害(实线)的日变
13、化,C 北京市各区雷暴日,北京市1995 2005 年年平均雷暴日分布图(单位:d),D北京市各区雷电灾害,E北京市雷电灾害易损区划分,二、雷电的危害及实例分析,直击雷危害及实例分析雷电静电感应危害及实例分析雷电电磁感应危害及实例分析高电位反击危害,1 直击雷危害及实例分析,直击雷危害是指雷电直接击在建筑物上、人体上、动植物上等物体或生物上,因电效应、热效应和机械力效应造成建筑物等物体损坏以及人员、动植物等生物的伤亡和枯萎。,案例一,2008年5月3日12时30分左右,东城区禄米仓胡同69号院62023部队1号楼因雷击架空线,造成线路着火,后又引起楼顶排烟道起火,三层以上房屋不同程度受到火灾损
14、害。事故发生后,部队首长高度重视,立即邀请我局防雷专家进行事故调查。事故原因:架空线路没有采取防直击雷措施,建筑防直击雷措施也年久失修,引下线和避雷带多处断裂,接地阻值过高。,案例二,2008年8月14日14时30分左右,怀柔区慕田峪地区有雷雨天气过程,在慕田峪长城8号烽火台避雨的游客有9人遭雷击被送往医院。其中美国游客3人、香港游客2人、内地游客4人。事故原因:虽然慕田峪长城管理部门提前发出雷电预警,但是由于慕田峪长城没有采取防直击雷措施。,案例三,2008年5月某日北京市劳动文化宫院内一颗侧柏遭受雷击,该侧柏为“国家一级保护古树名木”,本次雷击造成侧柏所有树冠均被损坏。接下来几个月在西城、
15、昌平、密云等地区均有雷击古树报告。经我们近一步了解,北京地区古树名木几乎每年都有遭受雷击的报告。这些雷击事件引起了北京市政府的高度重视,并指示市园林绿化局和我局共同研究北京地区古树名木防雷试点工程,目前工程设计方案已经通过专家组论证。,2 雷电静电感应危害及实例分析,由于雷云的作用,使附近导体上感应出与雷云符号相反的电荷,雷云主放电时,先导通道中的电荷迅速中和,在导体上的感应电荷得到释放,如没有就近泄入地中就会产生很高的电位,近而给周围物体造成危害。,案例四,1989年8月12日9时55分,中国石油总公司管道局胜利输油公司黄岛油库遭受雷击,发生特大火灾爆炸事故,19人死亡,100多人受伤,直接
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