[从业资格考试]雷电基础理论52.ppt

《[从业资格考试]雷电基础理论52.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[从业资格考试]雷电基础理论52.ppt（180页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、,雷电基础理论,杨世刚,山西省雷电防护监测中心2012年5月3日,山西省气象学会2012年防雷从业资格培训,自古以来，雷电就成为人们研究的对象，东周时期庄子中记述“阴阳分争为电，阴阳交争为雷，阴阳错行、天地大骇，于是有雷、有霆”。后至宋、元、明、清的历代建筑物都采用“雷公柱”（长杆）等措施避雷。2000多年前对雷电作上述解释，并出现了防雷方法，这就是我国民族灿烂文化光辉的一页。18世纪中叶，富兰克林、罗蒙诺索夫和黎赫曼通过大量的试验建立了雷电学说。认为雷电是云层中大量阴电荷和阳电荷迅速中和而产生的现象。,大气中的雷电是如何产生的？雷电现象有那些表现形式？雷电流的特征是什么？它是怎样危害人的生命

2、和财产的？能否阻止雷电对人的生命和财产的损害？雷电防护的方法有哪些？,在大气中发生的伴有巨大隆隆爆炸声的强烈闪光现象，即雷电现象。它是“国际十年减灾”统计的最严重的十大灾害之一。,第一章 雷电的形成和分类,第一节 雷电的形成 一、大气中存在着电场 人们都知道地球有磁场，人们生活在无处不在的地球磁场中，人的睡眠、电子设备受其影响，如彩电的“跑彩现象”等。但是，大家很少知道人还生活在无处不在的大气电场中，甚至连有些大学教课书都没有清楚地提到过，因此，在某些精密测量中会出现找不出的“怪现象”，使人百思不得其解，实际上产生这种情况的原因是大气中存在着电场。,在直角坐标系中，也可表示为：,另外，可用几何

3、图形形象化地描述大气电场。即用电力线表示静电场。,等位面：测出电场中电位相同的点，把这些点用一个面连接起来，这样的一个几何曲面就称为等位面。,晴天大气电场的电力线,电场强度E等于电势梯度，所以用等势（位）面的间距就可以表征电场强度E的数值变化。导体表面恒为等势面，所以地面有起伏，空中有导体物时，平行的平面等势面就发生弯曲。,晴天大气电场的等势面,大气电场强度E值与高度的关系,二、雷电的形成,通过长期考察：大气中总是含有大量气体正、负离子，大气具有微弱导电性。这些带电粒子的生成、运 动和不同带电离子的分离、聚集使大气显电性、产生大气电场、电流，导致大中雷电的产生。,实际测量表明：各地地面大气电场

4、强度是因时因地而异。由此可知，大气电场不唯一决定于地球带电，还与空间电荷分布有关。,1、大气带电粒子的形成,大气带电粒子形成的电离源：大气中放射性物质辐射的射线 宇宙射线 波长小于 1000A（100nm）的紫外线 闪电、火山爆发、森林火灾、尘暴和雪暴 火箭、飞机、工厂产生的离子,大气：由物理性能不同的暖层（电离层）、中间层、平流层、对流层组成。雷电发生在10Km 以下 的对流层。低层大气带电离子的形成对雷电 发生有着重要作用。,大气电离率：单位体积和单位时间内大气分子 被电离为正、负离子对的数目，单位：离子对/cm3s。描述电离源使大气电离的能力。,各种电离源产生 的大气电离率随 高度的分布

5、,高度,2、大气电流的产生,实际上，除电离源产生的正负离子对外，有云、雾、降水，树枝、花草、尖端放电产生的电荷，火山爆发、沙暴、雪暴、输电线路电晕放电、工厂排烟释放的带电离子等等。受电场、重力、对流等因素的非对称作用，大气中各处，正、负电荷分布不均匀，使任何局部空间都不是中性，显示有净的体电荷分布。,大气分子被射线电离大气电离子。大气电离子随时间、地点、大气离子移动而变化，使大气离子的空间分布不均匀。若同一浓度分布区：正、负离子均匀分布，混合在一起，宏观大气不显电性。,大气电荷密度的表示：若体积为V的大气中携带总的正电荷为Q+，负电荷为Q-，则大气体电荷密度为,晴天，大气正、负离子 电场力作用

6、、随气流流动、大气湍流扩散影响 运动 形成晴天大气电流。若用J表示晴天大气电流密度，则：,当大气电场强度发生变化时，还考虑大气位移电流。,3、云雾和雷雨云的起电学说,云内起电机制（云如何带电）是弄清楚雷电如何产生的重要科学课题，得到了众多大气物理学家的关注，先后提出几十种云内起电机制的理论，但任何一种理论都不能完善地解释所有云荷电的实际观测结果。但是把这些理论概括起来可以分成两类：一是云雾粒子起电，二是雷雨云起电。,云雾粒子起电机制,对于云雾粒子，云内的上升气流很弱，云内起电主要是云雾大气内的离子扩散引起和云滴选择性吸附大气离子引起的。,（1）基本假定 云雾大气中存有大量大气正、负离子，其中大

7、气正、负轻离子的尺度小、重量轻，具有较高的离子迁移率，成为大气离子由高浓度区向低浓度区扩散的主体。,积雨云的起电机制 雷击是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层或者带电的云层与大地之间迅猛的放电。这种迅猛的放电过程产生强烈的闪光并伴随巨大的声音。雷电与带电的云层存在分不开，人们通常把发生闪电的云称为雷雨云。实际上与闪电有关的云有多种，例如层积云、雨层云、积云、积雨云等，但最重要的是积雨云，人们通常提到的总是指积雨云。,（1）评判标准 起电过程发生在积雨云初生和成熟阶段。雷暴单体中出现的闪电和降水过程平均寿命约为半小时。一次闪电的电荷平均为2040C。闪电电矩为100CKm。闪电发生频率

8、可达几次/分，两次之间有几十秒的间隔。第一次闪电一般出现于雷达测到积雨云中出现降水粒 子之后约10-20分钟内，云中大范围内大气电场强度大 于3103V cm-1。云中主要负电荷区一般位于5-20 C层处，正电荷 区位于其上方几公里，但并非绝对如此。有时在云底附 近发现有一个次级正电荷区。,（2）理论考虑,起电机制：从微观开始宏观机制（符合力学、电学基本原理）：大气电荷受重力、电场力作用分离、积累导致闪电。云中聚集的体电荷总量Q与云中大气电场E之间有：E=4Q/s 这里E是垂直方向的大气电场，Q近似地分布在一个水面的平面上，平面的面积为s。电场E与垂直的大气电流密度j之间有：dE/dt=4j

9、j=j1+j2,这里j包括：j1是受电场力作用而形成尖端放电电流密度和传导电流密度之总和，导致大气电场衰减，反对积雨云中体电荷聚集。j2 是重力作用下带电粒子（主要是云中水滴、冰粒）下沉（较重）、上升(较轻）运动（积雨云较其它云含水丰富，垂直运动强烈）的对流电流密度，导致云中宏观体电荷的分离和积聚。,设两种电荷分离的相对速度为V，电荷体密度为，则有对流电流密度:j2=V由此可知积雨云中垂直大气电场的增长率为：dE/dt=4j1 4V,在大气电场中有积雨云形成时，云中含降水粒子在初始大气电场作用下感生电荷。由于降水粒子远大于云粒子，降水粒子向下运动，云粒子向上运动。这种极化的水滴在下沉过程中与大

10、气离子相遇，将俘获与下部电荷异号的离子，显然这些下沉的水滴将带负电荷，大气正离子则受其斥力而上升，于是在云中下部形成负电荷区,其上部为正荷区。,（3）目前比较流行的几种积雨云起电学说,降水粒子选择捕获云雾离子的起电机制,碰撞感应起电学说,云粒子,这一学说的定性解释另人满意，但估算出电场强度的时间变化dE/dt的数值，作定量解说时，遇到了困难。例如推算出电场增大500Vcm-1需要时间超过12分钟,还未达到产生闪电的程度。所以这一学说只可以说明积雨云的起始阶段。,修改后的感应起电学说：下沉的降水粒子不一定是液态,可以是冰晶、雹粒等大粒子,下沉时极化带电，上升气流携带的中性粒子与它相碰撞，当接触时

11、间大于电荷传递所需驰豫时间（约10-1-10-2s)时，弹离的粒子将带走极化粒子下部的部分正电荷。,云粒子与降水粒子碰撞弹离的起电机制,修改后的感应起电学说讨论,若把这些颗粒简化而看成球，大小粒子的半径各为R及r，下沉极化粒子相对云粒子的速度为V(VR-Vr),a为弹离系数，n为云粒子的数密度，则可推得电荷产生率为 dq/dt=3R2v2nar2（E/2cos+q/6R2）式中q代表下沉的降水粒子携带的电荷。把各种粒子碰撞都计及之后，可推算出大气电场的增长率dE/dt的理论公式，把各种估计参数代入，可估算出当大气电场达3103v cm-1时，云中荷电区水平范围为2Km时，电荷总电量应为33C。

12、修改后的感应起电学说被认为是积雨云起电机制之一。,积雨云的温差起电学说,冰的热电效应 在冰块中总是存在H+和OH两种离子，离子的浓度随温度的升高而增大，当冰的不同部分温度有差异时，温度高的部分离子浓度大，这就必然出现扩散作用。,夏季经常可观测到在积雨云顶部的卷云处有电晕现象这与该处的冰晶和温度有关联。在强对流天气系统中，一方面冰晶、雹粒和过冷水滴在对流气流的携带下相互碰撞、相互摩擦增温，另一方面水滴冻结时有潜热释放，在云中产生温差，因此可推想它们肯定与云内起电有 关。经验与理论研究，确知冰有热电效应。,电场 方向,如下图，左端的冰温度高，则正氢离子H+和负氢氧根离子OH均向右方扩散，扩散速度与

13、离子的大小有关，正 H+氢离子扩散速度大，所以先期到达右端，这就导致冰块右端带正电。随着也就出现内部的静电场，它的方向指向左，这一电场的作用阻止氢离子的继续扩散，最后达到动平衡。在宏观上显示出冰块为一电偶极化带电，它与两边的温度差成正比，这种现象就是冰的热电效应。,积雨云的起电与冰的热电效应相关,、过冷液滴与雹接触，过冷液体一旦有了固态的凝结核，就会发生相变，由液态变为固态，即冰，它将包在作为凝结核的雹粒上，同时放出潜热，过冷液滴内部因潜热而膨胀，造成已凝结的外层冰壳的破裂而产生冰屑，由于热电效应，这些冰屑是带正电的，它们较小而轻，易被上升气流携至云的上部，所以积雨云的上部积聚起大量的正电荷，

14、温度也低，当然这里并不排除同时还会有感应起电的物理机制。,积雨云与冰的热电效应相关联，通过两种方式使积雨云带电：,、冰粒、雹粒相互间碰撞摩擦时接触，由于温度差别而产生热电效应，有离子迁移，当分离时，各带上异号电荷，在重力和气流的双重作用下，互相分离，使积雨云中出现正、负电的复杂分布。,理论推算,根据温差起电理论，推算大气电场从初始的晴天大气电场值增长到3103vcm-1值所需时间t0=500s，即在降水出现后10分钟。这与实际观测的平均值相近，被公认为是可信的起电机制之一。,破碎起电学说,水滴破碎起电过程 大雨滴 大雨滴 上升气流 上升气流（a）（c）大雨滴 小雨滴 上升气流 上升气流（b）（

15、d）雨滴破碎起电机制的剖面图,观测表明，雷暴云底处集中相当数量大雨滴，当大雨滴出现在上升气流很强的地方，且当水滴的半径超过毫米时，一个下落的大水滴在下落中受到上升气流的作用变得扁平，下表面被气流吹得凹进去，成为一个不断扩大的以液体圆环为外边界的环状大口袋或水泡，当口袋破裂时产生许多小水滴，如果外电场E指向是自上而下，则大雨滴上部破碎成荷负电的小水滴，下半部破碎成荷正电的较大水滴。于是在云中正、负电荷的重力分离过程中，带负电的小水滴随上升气流到达云的上部，而带正电的较大水滴因重力沉降而聚集于0c层以下的云底附近，使云底荷正电。,破碎起电情况比较复杂，它与水滴的化学成分、气流、水滴温度、电场强度及

16、水滴破裂形式有关，其起电量很不稳定。实验表明，雨滴破碎强烈时，所形成的电量较多，反之形成的电量较少。,若考虑到云中雨滴下沉时已存在晴天大气电场，水滴在大气电场中极化，水滴内沿电场方向的上半部带正电，下半部带负电，在破碎后大小水滴所获得的电量就大多了，而且积雨云中的大气电场又会随着体电荷的生成而逐渐增大，使雨滴感应带电的电量也同步增大。根据这一理论补充而推算出来的积雨云的总带电量与实际测值的平均比较接近。,例如，一个半径为4mm的纯水滴在强烈破裂时，生成的电荷为1.810-12C/g，这说明这样的过程，雨滴能达到的带电量并不多，大约比实际观测量至少小2个数量级。,对流起电学说,在热带地区的暖性雷

17、雨中，没有冰晶化过程，以上几种起电过程无法解释雷雨云中的强电场结构。Grenet和Vonnegut分别于1947、1955年提出暖云对流起电机制。,电离层,地面,对流云起电机制,在这种机制中，云的对流运动反抗着电场施加的力，输送把云底以下低层大气净正离子电荷带到云内直至云的上部，并在那里集聚形成正电荷中心。在正的中心电场的作用下，形成向上的传导电流，云顶以上还有电离层的负离子向下移动到云顶，因此云顶以上荷负电离子，它们随着对流云体周围下沉气流沿着云体侧面下降到云体下部，在云的下部形成负电荷中心，使地面产生尖端放电，形成大量正离子，这些又随对流上升气流到达云体上部，进一步加强了云上部的正电荷中心

18、，同时又吸引上方电离层的负离子。,对此过程所需的正、负电荷，都取自云外。约为1安培的传导电流（已知其由云上的洁净高层大气流入）将小的负离子携带到云的上表面，在那里它们附着到云粒子上。于是，对流环流造成了云表面上浅薄的负空间电荷密集层，它好象一个盛放云中电荷的口袋。在云下方的地面上，通过尖端放电约以1安培速率释放的正离子被上升气流带入云中，在那里它们附着在云粒子上,集聚而成为云中上部的带电区。这个具有正反馈的过程是自加强的。因而，在云发展的初期，使这种过程能够开始，则需要有以电场或空间电荷的形式存在起电。这种初始起电有几种可能来源，诸如晴天电、起电的海水溅沫、吹尘、带电的降水以及附近已经起电的云

19、等。,4、积雨云的电结构 根据科学工作者的大量观测结果统计，典型雷雨云中的电荷分布。,典型雷雨云中的电荷分布,5、雷击过程 当天空中有雷雨云的时候，因雷雨云带有大量的电荷，由于静电感应的作用，雷雨云下方的地面和地面上的物体都带上了与雷雨云相反的电荷，当雷雨云与地面之间的电压高到一定的时候，雷雨云与地面上突出的物体之间就会出现放电。,梯式先导，箭式先导，回击示意图,闪电的初始击穿：在有积雨云存在的大气中，积雨云的下部有一负电荷中心与其底部的正电荷电荷中心附近局部地区的大气电场达到104v/cm左右时，则负、正电荷之间的云雾大气会被击穿，负电荷向下中和掉正电和，这时从云层下部到云底部全部为负电荷区

20、。,先导注流：随大气电场的进一步加强，进入起始击穿的后期，电子与空气的分子发生碰撞，形成天空中带电的雷雨云的云粒（或水成物）向地面延伸，在雷雨云下形成从云层向下的流光，表现为一条暗淡的光柱，即先导注流。也叫注流先导，如右图。,梯(级）式先导：先导注流开始产生时，是 不连续的，表现为一个一个的脉冲相继向前 发展，其平均速度也约 为105-106m/s，各脉冲间 隔约为3090s，先导 注流继续向地面发展，呈现为一条暗淡的光柱 像梯级一样逐级伸向地 面，称之为梯（级）式 先导。,梯（级）式先导的特征：在每梯级的顶端发出较亮的光。在梯式先导中，放电是沿着空气电离最强最容易导电的路径发展的，但由于电荷

21、是随机分布的，梯式先导在大气中常呈现出蜿蜒曲折地行进行通道，并产生许多向下发展的分枝。梯式先导的平均传播速度也约为3.0105 m/s，其变化范围1.0 105m/s2.6106m/s左右，梯式先导由若干个单级先导组成，而单个梯级的传播速度则快得多，一般为5107m/s左右，单个梯级的 长度平均为50m左右，其变化范围为30-120m 左右，梯式先导通道的直径较大，变化范围 为1-10m。,闪电通道：注流先导不断地向地面发展过程是一电离过程，在电离过程中生成成对的正、负离子，其正离子被云中向下输送的负电荷不断中和。从而形成多枝状的充满负电荷（对负地闪）的通道，其中有一枝是充满负电荷（对负地闪）

22、的主通道，称为电离通道或闪电通道，简称为通道。,闪电通道的特征：在雷击放电通道中，雷雨云与大地之间凝聚着大量的电荷，通过在放电先导所开辟的狭小电离通道（雷击放电通道）中发生猛烈的电荷中和，释放出大量的能量，以至在雷击放电通道中产生万度的高温并发出强烈的闪光和震耳欲聋的雷鸣，在雷击中，雷击点有巨大的雷电流流过。,连接先导：当具有负电位的梯式先导到达地面附近，离地约5-50m时，可形成很强的地面大气电场，使地面的正电荷向上运动，并产生从地面向上发展的正流光，这就是连接先导。连接先导大多发生与地面凸起物处。,回击：当梯级先导与连接先导会合，形成一股明亮的光柱，沿着梯式先导所形成的电离通道由地面高速冲

23、向云中，这称为回击。,回击通道的直径平均为几厘米，其变化范围为0.1-23 cm；,回击的特征,回击具有较强的的放电电流，峰值电流可达104A量级，因而发出耀眼的光芒，因而回击比先导亮得多；,回击的传播速度也比梯式先导的速度快得多，平均为 5 107 m/s 左右，变化范围为2.0 107 m/s到2.0 108 m/s左右；,负地闪中绝大部分负电荷已在先导放电时储存在先导 主通道及其分枝中，当回击传播过程中便不断中和掉 储存在先导主通道和分枝中的负电荷。,连接点：从地面向上发展起来的反向放电，不仅具 有电晕放电，还具有强的正流光，它与向下先导 会合，其会合点称连接点，有时称之连接先导的 向上

24、流光，若向上流光是在向下先导到达放电距 离的同一瞬间开始发展，则连接先导高度约为放 电距离一半。,第一闪电：由梯式先导到回击这一完整的放电过程 称为第一闪电。,箭式先导：紧接着第一闪击之后，约经过几十毫秒的时 间间隔，形成第二闪击，这时又有一条平均长度为50m的 暗淡光柱，沿着第一闪击的路径由云中直冲地面设备，这 种流光称为箭式先导。,箭式先导是沿着预先电离了的路径通过的，它没有梯式先导的梯级结构，箭式先导的传播速度大于梯式先导的平均传播速度，平均值为2.0 106m/s，变化范围为1.0 106m/s-2.107m/s左右，箭式先导通道直径变化范围亦为1-10m左右。当箭式先导到达地面附近时

25、，地面又产生向上发展的流光与其会合，即产生向上的回击以一股明亮的光柱沿着箭式先导的路径由地面高速驰向云中。由箭式先导道回击这一完整的放电过程称为第二闪击，第二闪击的基本特征与第一闪击是相同的，而以后各次闪击的情况与第二闪击的情况基本相同。,单次闪击和多次闪击：由一次闪击构成的地闪称为单闪击地闪，由多次闪击构成的地闪称为多闪击地闪。下图给出照相摄取的多闪击照片，一次闪电过程由12次闪击构成。第一闪击后的各闪击称为随后闪击。通常一次地闪过程多由2-4次闪击构成，个别地闪过程的闪击数可达26次之多。多闪击地闪各闪击间隙时间，在无连续电流的情况下平均为50 ms左右，变化范围为3-380ms。一次地闪

26、的持续时间平均为0.2s左右，变化范围为0.01-2s左右。,第二节 雷电的分类,大量的观测事实表明：大地被雷击时，多数是负电荷从雷雨云向大地放电，称之为负地闪；少数是正电荷从雷雨云向大地放电，称之正地闪。,云层是否发生闪电，取决于云体的电荷量及对地高度或者说是云地间的电场强度。,在一块雷雨云发生的多次雷击中，最后一次雷击往往是雷雨云上的正电荷向大地放电。,根据闪电性质分类,根据先导和回击方向，可把闪电归纳为以下四种常见的闪电类型：,云地间放电形成的先导若是从云层内的电荷中心伸向地面，又称之为向下先导。若是从地面伸向云层的，又称之为向上先导；只沿着先导方向发生中和的闪电，称之为无回击闪电。当发

27、生先导放电之后，还出现逆先导方向放电的现象，称为有回击闪电。,第一类地闪：具有向下先导和向上回击，云中负荷电中心与大地和地物间的放电过程，具有负闪电电流，因此，简称为向下负先导负地闪；如果负先导不着地，则就无回击，此时只有图1a所示的过程，云空放电。如果负先导着地，则就产生回击，将云中的部分电荷泄放到大地，若该过程只一次为单闪击闪电（图1b），若重复多次为多闪击闪电。,向下负先导负地闪（l 先导，r-回击，v 发展方向）,第二类地闪：具有向上正先导的云中负荷电中心与大地和地物间的放电过程，具有负闪电电流。它又分下面两种情况：图2a，先导带正电向上，放电一般始于高耸的接地体（塔尖或山顶），具有向

28、上正先导而无回击，简称为向上正先导连续负放电。若对于图2b，先导带正电向上，和向下回击，称之为向上正先导负地闪，如果其后有随后闪击，称之向上正先导多闪击负地闪。,2a,2b,向上正先导负地闪（l 先导，r-回击，v 发展方向）,2a,2b,第三类地闪：云中荷正电，具有向下正先导和向上回击，云中正电荷中心与大地和地物间放电过程具有正闪电电流，简称为向下正先导正地闪。图3a，向下正先导不着地，于是产生云空放电过程。图3b，向下正先导着地，引起向上正回击，泄放云中的正电荷到大地，这一类在山地区少见，在湖边可见到。,向下正先导正地闪（l 先导，r-回击，v 发展方向）,第四类地闪：云中荷正电，具有向上

29、负先导的云中正电荷中心与大地和地物间的放电过程，具有正闪电电流。图4a，向上先导始于高耸的高层建筑的尖顶，这类地闪也有以有无回击而细分为A型和B型。A型地闪具有向上先导而无回击的放电过程，只是在先导后出现持续时间约几百毫秒，持续电流为几百安的放电过程，简称为向上负先导正地闪。B型地闪具有向上先导和向下回击的放电过程，简称向上负先导连续正电流闪电。向上正地闪多为单闪击地闪。,向上负先导正地闪（l 先导，r-回击，v 发展方向）,云际放电：当带有正负不同电荷的两块云之间的电场达到可击穿强度时，在两块云之间发生的放电现象。,根据空间位置分类,云内放电：在同一块云中，不同云区带有正负不同的电荷，在正负

30、荷电区之间的电场达到可击穿强度时，在同一块云中同样可发生放电现象，此现象称之为云内放电。,云地放电：发生在匀层和大地之间的放电现象。,无声放电：最常出现的一种无声放电是被称为“爱尔马圣火”。由于暴风雨等原因，大气中的电场强度大大地增长起来，在地球面的突出物体附近，电场强度很容易达到30kV/cm的强度，导致在突出部分发生静寂放电。这是一种非雷云与大地间放电和没有雷声的闪电现象，实际上就是尖端电晕放电。放电时，突出物周围会呈现出冒烟状或光膜状。当电场强度很强时，就会形成单独束状放电，由物体周围放射出来。这种放电现象对电讯系统有干扰。,根据声音分类,有声闪电：除了是一种明亮的电气火花以外，同时还伴

31、有强大的响声，这就是雷声。雷声的大小与闪电的强弱相关，由于空气在温度高达10000左右的闪电通道中突然强烈的受热和随之而起的急速冷却，致使空气因急速膨胀和压缩的振动而发生响声；同时，也是水和空气在高电压（火花）的作用下分解所产生的瓦斯爆炸时发出的声音。由于爆炸波的特性、多次放电和声音来回反射等关系，雷声隆隆不绝，云间放电时，雷声延续的时间比云与大地间放电的时间短。一般一次闪电的雷声平均延续时间约3040秒，在个别场合下可达到1分钟。,片状闪电:是出现在云的表面上的闪光，它有时可能是被云块遮没的火花闪电的延光，也可能是在云的上部发出来的丛集的、若隐若现的一种特殊的放电作用的光。这种闪电，表示云中

32、电场的能量虽然已经足够产生放电，但是新加入的电量却太少，以致在闪烁放电尚未转变到火花（线状）放电以前，原有的储电量已经用完了，仅仅伴随有片状闪电的雷暴，是一种较弱放电现象，通常会对电力系统引入日较弱的感应过电压。,根据闪电形状分类,线状闪电:一般是一种蜿蜒曲折枝杈纵横的巨型电气火花，长23公里，也有长达10公里的，是闪电中较强烈的一种。当雷云与大地间或雷云相互间的电场强度由于游离电荷的逐渐累积而增长到足以使空气绝缘破坏的强度（最高时可达100KV/m）时，就会产生这种强烈的放电现象，在放电的瞬间具有极大的能量，电压可以积累到1.000100.000kV以上，放电电流可高达数十万安培，而放电时间

33、只不过千分之几秒。线状闪电大多是雷云与大地间的放电（约5070%以上），也有雷云之间的放电。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。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。一次放电过程重复放电的数目可多达127次，单次放电的延续时间一般为0.0010.02秒，各次放电的间隔时间为0.010.05秒。线状闪电对电力、电讯系统及人畜和建筑物等威胁最大。,链形闪电（或称联珠状闪电）：比较罕见，是一条发光的虚线，一条链子一样，在云与大地间放电或云与云间放电时均可能出现。似乎是介于线状闪电与球形闪电之间的一种过渡形式。,

34、球形闪电：是最奇妙、最罕见和最神秘莫测的一种闪电，由拳头般大小到足球那样大的球形发光体所组成，活动速度不大，可以看到移动，它走的路径极不规则，往往与风向一致，它出现时，常有尖哨声或嗡嗡声，有时会安然地消失，但有时也会发生恐怖的爆炸。它消失时，往往留下具有刺激性的轻烟雾。球形闪电存在的时间可由几秒到几分钟，它能在一个地方停留一些时候，一面冒烟，一面发出火花，目前，国际上对于球形闪电也还没有很完善的解释，科学家们仍在研究中。,王时熙老前辈对球雷有一段非常精彩的描述：球雷（即球状闪电）是一种橙色或红色的类似火焰的发光球体，偶尔也有黄色、蓝色或绿色的。大多数火球的直径在10100cm左右。球雷多在强雷

35、暴时空中普通闪电最频繁的时候出现。球雷通常沿水平方向以12m/s的速度上下滚动，有时距地面0.51m，有时升起23m。它在空中漂游的时间可由几秒到几分钟。球雷常由建筑物的孔洞、烟囱或开着的门窗进入室内，有时也通过不接地的门窗铁丝网进入室内。最常见的是沿大树滚下进入建筑物并伴有嘶嘶声。球雷有时自然爆炸，有时遇到金属管线而爆炸。球雷遇到易燃物质（如木材、纸张、衣物、被褥等）则造成燃烧，遇到可爆炸的气体或液体则造成更大的爆炸。有的球雷会不留痕迹地无声消失，但大多数均伴有爆炸声且响声震耳。爆炸后偶尔有硫磺、臭氧或二氧化氮气味。球雷火球可辐射出大量的热能，因此它的烧伤力比破坏力要大。,关于球形雷的成因理

36、论主要为：Kapitsa的射频理论：他认为由射频放电产生的等离子粒团，在射频电源切断后，这种等离子粒团在0.51s秒时间间隔内仍能存在下去；Jennison(1973)则提出电磁辐射驻波能产生球状闪电；Dawson和Jones（1969）认为球状闪电的结构是充满微波的辐射共振腔，能量贮存在共振腔中。等离子体理论：由射电望远镜观测到等离子体，将球形闪电看成是一团等离子体粒子流。核反应理论：根据热核反应中磁场的约束作用来说明球状闪电。静电力有助于磁约束。104Vcm-1电压能束缚住半径200cm圆形轨道上运动的1兆电子伏特的质子。相干辐射理论：将球闪当作大气激光器。,第二章 雷电流的特征,研究资料

37、表明：各次雷击闪电电流大小和波形差别很大，尤其是不同种类放电差别更大。这说明雷电流的大小和雷电流的波形是描述雷电流特征的重要参数。,第一节 雷电流的波形一、雷电流参数特征 在防雷设计中，需要提出一些参数来描述雷电放电的特性。由于雷电放电与海拔、气象和地质等许多自然因素有关，在很大程度上具有随机性，因此，描述放电特性的这些参数也具有明显的统计特征。世界上许多国家都在其典型地区对雷电进行了长期的观测，积累了丰富的测量资料，并对此进行统计处理，得出了雷电参数的统计数据，这些数据主要包括雷电日和雷电小时、地面落雷密度和雷电波形等。现分别加以介绍。,1、雷电日与雷电小时 为了表示不同地区雷电活动的频繁程

38、度，通常利用每年平均雷电日为计算单位。雷电日的定义是：在一天内，只要听到雷声（一次或一次以上）就算一个雷电日。我国各地年平均雷电日的大小与当地所处的纬度以及距海洋的远近有关。我国把年平均雷电日不超过15天的地区叫做少雷区，超过40天的叫多雷区，超过90天的叫强雷区。为了区分不同地区每个雷电日内雷电活动的持续时间差别，也有的用雷电小时作为计算单位，既在一个小时内只要听到雷声（一次或一次以上）就算一个雷电小时，我国大部分地区一个雷电日大约为3个雷电小时。,2、地面落雷密度 对于雷电放电来说，云与云之间的放电次数多于云对地放电次数，而上述雷电日或雷电小时对于这一事实没有加以区分。在防雷设计中，人们更

39、为关注的是云对地放电。雷云对地放电的频繁程度，用地面落雷密度来表示。其定义是每个雷电日每平方公里上的平均落雷次数，我国过电压保护规程取地面落雷密度为=0.015/kd。近年来，我国一些单位采用雷电定位系统测量表明，在大多数情况下，的数值为0.09/kd0.1/kd。实际上值与年平均雷电日数Td有关。通常，当Td增大时，也随之增大，由于我国幅员辽阔，Td的变化很大，很难取统一的一个值。因此，一些学者认为采用国际大电网会议33委员会1980年推荐的计算公式较为合理，该公式为：,Ng=0.0237Td1.3,3、雷电流波形 大量的观测表明，雷电流具有单极性的脉冲波形。大约有80-90%的雷电流是负极

40、性的。常见的负电流波形前沿呈拱形。例如，在圣萨尔瓦托山，纽约州府大厦，意大利观测点，匹兹勒宁大教堂和其他高建筑物获得的电流示波记录都显示出相似的拱形前沿。其中在圣萨尔瓦托山测得到达电流峰值的中值时间为5.5s。而在意大利观测点测到的时间为7s。雷电放电具有重复性，一次雷电平均包括3次至4次放电。图a是一个含三次重复放电的记录。由于第一次放电的电流幅值最高，因此它对防雷设计至关重要。图b是一组负极性雷电第一次放电雷电流实测波形，其纵坐标是以电流最大值作为基值的比值。这里波形B（虚线）是对10次实测取平均而得到的，其时间范围取得较小，以侧重展示雷电流的波前部分；波形A则是对88次实测雷电波形取平均

41、而求得的，其时间范围取得较大，以反映雷电流波形的全貌。,上式中的Ng为每平方公里地面落雷次数。在上式两边同除以Td,得与Td的关系：,雷电流的实测波形,典型的正极性电流波形,雷电流上升率数据对避雷保护问题极其重要。图为典型的正极性电流波形。最大电流上升率出现在紧靠峰值电流之前。正极性闪电通常由一个单闪击构成。可求得电流中值前沿为22s，电流上升率中值为6.4KA/s，半峰值的时间为230s。,4、雷电流与雷电过电压的近似表示 对于单极性的雷电流和雷电暂态过电压脉冲波形，通常采用幅值、波头时间和波长时间等三个参数加以描述，对于振荡型波形，还要附加上主振频率这个参数。以下将分别介绍几种常用的雷电流

42、和雷电过电压的波形及相应的波形参数。（1）雷电流幅值的累计概率 雷电流幅值大小的变化范围很大，需要对大量的观测数据进行统计，才能得到其概率分布特性。对于年平均雷电日大于20天的地区，我国传统采用以下经验公式来表示雷电流幅值累计频率：,上式中的Im为雷电流幅值（kA），P表示雷电流幅值超过Im的概率，上式对应于下图中的曲线1。例如取Im 100kA，按曲线1可得P=12%，即每100次雷电放电大约有12次雷电流幅值超过100kA。近些年来，一些研究者根据新的观测统计结果，提出应修改为：,上式对应于下图曲线2。对于年平均雷电日在20天及以下地区（除陝南以外的西北地区和内蒙古自治区的部分地区），其雷

43、电流幅值累计概率可按给定的P值查出值后，将减半求得，如果按曲线1则有：如果按曲线2则有：,雷电流幅值的累积概率曲线,雷电流累计概率可表示为雷电流最大上升率的累计概率,雷电流半峰值时间的累计概率,雷电流峰值的累计概率。,图中的曲线表示第一负闪击di/dt最大的累计概率分布,中值为12kA/s。,雷电流最大上升率（kA/s）,图表示圣萨尔瓦山的90次记录，“半峰值时间”的中值为75s。,半峰值时间（s）,雷电流的大小与许多因素有关，各地区有很大差别，一般平原地区比山地雷电流大，正闪击比负闪击大，第一闪击比随后闪击大。圣萨尔瓦托山的101次负闪击，26次正闪击得到的电流峰值累计概率分布图。101次负

44、闪击的中值电流为30kA，而26次正闪击的中值电流为35kA。事实上从1936年至1971年间电流超过100kA的都是正极性。在北美州等地区得到了正极放电极其强烈的结论。,雷电流峰值的累计概率分布,二、雷电流的波形 1、雷电波形作图 如下图，先由纵轴上的0.1、0.9、和 1.0 三个刻度作三条横轴的平行，前两条平行线分别与波形曲线的头部分别相交于A、B两点，过A、B两点作一条直线,该直线与第三条平行线和横轴分别相交于C、D两点，由C点引横轴的垂线,其垂足E点与D点之间的时间即定义为波头时间，用t1表示。为了定义波长时间，再由纵轴上0.5刻度作横轴的平行线，该平行线与波形曲线的波尾部分相交于F

45、点，从F点引横轴的垂线，垂足G点与D点之间的时间即定义为波长时间，用t2表示。由于波长时间也是波形曲线衰减到半幅值所需要的时间，它习惯上也被称为半幅值时间。在定义了波头和波长时间后，单极性雷电流脉冲波形可计为t1/t2,这里t1和t2一般采用s作单位。,浪涌现象描述方法,波头和波长时间的定义方法,雷电流提供的总电荷可按以下积分来计算对于建筑防雷设计来说，一般是将雷击分为首次和后续雷击两种情况，并规定相应的波形参数，详见表12。,首次雷击的雷电流波形参数,后续雷击的雷电流波形参数,关于雷电流波形参数幅值、波头和波长时间，已经累积了各种实测数据，虽然基本规律大致接近，但具体数值却有差别，存在一定的

46、分散性。其原因主要来自两个方面：一是雷电放电本身的随机性受到各地气象、地形和地质等自然条件的诸多因素影响；二是测量手段和测量技术水平不同。,（1）雷电流的等值波形 为了便于定量分析，在防雷设计中，需要将雷电流波形等值为几种可用解析式表达的波形，以进行工程计算。这些等值波形分别由下列形式给出。双指数波形 雷电流波形的双指数等值波形的表达式为：(2.8)上式中常数A、和 由雷电流波形数据拟合确定。,2、雷电波的数学、图形表示,双指数等值波形如下图所示，它是由两个衰减速度不同的指数函数合成，对于常用的雷电流波形，一般有。下表给出了几种常用的雷电流波形的双指数表达式中的拟合常数。,双指数等值波形,几种

47、常用雷电流波形的双指数表达式拟合常数,等值斜角波形 在防雷设计中，有时为了简化分析和计算，将雷电流用等值斜角波形加以表示，如下图所示，其波头上升陡度di/dt由实际雷电流的波头时间和幅值来确定：(2.9)等值斜角波形的波尾部分可以是无限长，如图（a）所示，也可以是固定斜率（由波长时间确定）衰减，如图（b）所示。,（a）等值斜角波形（b）等值斜角波形,(2.11),等值余弦波形,幂指数波形 对于有些雷电流波形，采用双指数等值波形往往难以进行表示，遇到这些情况时，可采用幂指数等值波形来加以表示，其表达式为：(2.12)上式中常数n由拟合精度选定，其余各常数mk、Bk和k均由雷电流波形的数据来拟合确

48、定。与式(2.10)相比，虽然式(2.12)复杂了一些，但其拟合精度和实用性却得到了很大的改善。,作为一个应用实例，考虑下图8/20s电流脉冲波形，其波头和波长时间的定义也示于该图中。由于该波形持续时间较短，难以用式（2.10）进行拟合，而采用式（2.12）加以拟合，就显得颇为合适，其拟合表达式为：,上式中拟合常数 A=0.01243（s）-3=3.911s。8/20s电流脉冲波形是防雷设计和保护装置试验规范中十分常用的标准波形。,8/20s电流脉冲波形,（2）几种常用的雷电过电压波形及其近似表达式 实际上，出现在电气和电子系统中雷电暂态过电压波形将随具体系统结构和雷电环境的不同而存在着差异，

49、对于防雷设计和保护装置的试验来说，通常是规定一些标准的雷电过电压波形，以便供设计和试验使用。这里将介绍几种较为常用的雷电过电压波形。,1.2/50 s波形 1.2/50s波形是电气电子设备绝缘耐受性能试验中常用的标准雷电过电压脉冲波形，如下图所示，其波头和波长时间的定义也示于该图中。对于这种波形，可采用以下双指数公式来表示：,在上式中的各常数为：A=1.037 1=0.4074s 2=68.224s式（2.13）和（2.8）在函数形式上无本质区别，如果将1.2/50s波形仍用式（2.8）表示，则相应的常数为：A=1.037 1=0.01474s 2=2.47s。,1.2/50s过电压脉冲波形,

50、（2.13）,0.5s100kHz衰减振荡波形 实测统计表明，由雷电在低压交流线路上引起的暂态过电压常具有衰减振荡波形，且第一个波的波头时间很短。下图给出了一个标准衰减振荡电压波形，该波形第一个波的波头时间为0.5s，其振荡主频为100kHz，在半个周期内幅值约以0.6倍的因子衰减，各波形参数的定义也示于该图中。对于这种衰减振荡电压波形，可采用以下公式加以近似表示：,0.5s-100KHZ S衰减振荡电压波形,上式中的函数 表达式为：,各常数为：B=0.6025 K=0.525A A=1.59 1=0.4791 2=9.7788s 0=2105rad/s,(2.14),101000us波形 根