雷电与防护技术概论.

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1、 雷电与防护技术 肖 稳 安 南京信息工程大学电子工程系 2005年8月18日 雷电与防护技术概论 夏季，在大气中常常发生伴有巨大隆隆爆夏季，在大气中常常发生伴有巨大隆隆爆 炸声的强烈闪光现象、即雷电现象。它是炸声的强烈闪光现象、即雷电现象。它是“ “国国 际十年减灾际十年减灾” ”统计的最严重的十大灾害之一。统计的最严重的十大灾害之一。 雷电现象有那些表现形式？雷电现象有那些表现形式？ 大气中的雷电是如何产生的？大气中的雷电是如何产生的？ 雷电流的特征是什么？雷电流的特征是什么？ 它是怎样危害人的生命和财产的？它是怎样危害人的生命和财产的？ 能否阻止雷电对能否阻止雷电对人的生命和财产的损害？

2、人的生命和财产的损害？ 雷电防护的方法有哪些？雷电防护的方法有哪些？ 如何检查雷电防护的有效性？如何检查雷电防护的有效性？ 能否阻止雷电对能否阻止雷电对人的生命和财产的损害？人的生命和财产的损害？ 雷电是雷雨云之间或云地之间产生 的放电现象，具有大电流、高电压、 强电磁辐射等特征。雷电作为影响人 类活动的十大自然灾害之一，不仅会 造成人员伤亡，也会给国防、航空、 通讯、电子、化工、石油等行业造成 严重经济损失。 一 雷电的形成和分类 雷电的形成 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，日常生活中常常可以观察到日常生活中常常可以观察

3、到 ：在教堂的尖顶上、渔船的桅杆上、或高：在教堂的尖顶上、渔船的桅杆上、或高 压电线上有淡紫色光笼罩，可以听到磁磁压电线上有淡紫色光笼罩，可以听到磁磁 声，嗅到臭氧及氧化氮味道，它是一种尖声，嗅到臭氧及氧化氮味道，它是一种尖 端放电，发生在带电场曲率半径最小的表端放电，发生在带电场曲率半径最小的表 面位置附近，面位置附近，实际上产生这种情况的原因 是大气中存在着电场,并且很不均匀。很不均匀。 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，导致雷电的产生。 实际测量表明：

4、 各地地面大气电场强度是因时、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：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 对的雷电发生 有着重要作用 。 -53C 积雨云 高纬度地区的对流层顶 高山 低纬度地区的对流层顶 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 臭氧层贝母云 无线电探空气球 17C-3C 无线电波 夜光云 -113C -83C D层 F

5、层 E层 人造地球卫星 宇宙火箭 极光 流星 17C 外 大 气 层 热 层 中 层 平 流 层 对 流 层 大气中放射性物质辐射的射线 宇宙射线 波长小于1000A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 大气带电粒子形成的电离源： 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

6、电离子。大气 电离子随时间的移动而变化，使大气电离子的空 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。 3、云雾和雷雨云的起电学说： 云内起电机制（云如何带电）是弄清础 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。 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。 一是云雾粒子起电机制 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

7、量大气正、负离子，其中 大气正、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。 （2）荷电机制 如图，单个云雾粒子 ，其表面处大气正、负 轻离子浓度为零，而离云雾粒子稍 远处有大气正 、负轻离子浓度的平均值，于是在离云雾粒子很 近的大气中大气正、负轻离子浓度具有径向分布 ，从而形成大气正、 负轻离子向云雾粒子 扩散的物理过程，并 使云雾粒子荷电。称 为大气正、负离子扩 散起电机制。 大气粒子扩散起电大气粒子扩散起电 云滴云滴 粒子浓度小粒子浓度小 粒子浓度大粒子浓度大 积雨云的起电机制 雷击是指一部分带电雷击是指一部分带电 的云层与另一部分带异

8、种的云层与另一部分带异种 电荷的云层或者带电的云电荷的云层或者带电的云 层与大地之间迅猛的放电层与大地之间迅猛的放电 。这种迅猛的放电过程产。这种迅猛的放电过程产 生强烈的闪光并伴随巨大生强烈的闪光并伴随巨大 的声音。的声音。 雷电与带电的云层存雷电与带电的云层存 在分不开，人们通常把发在分不开，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，但最重种，例如层积云、雨层云、积云、积雨云等，但最重 要的是要的是积雨云积雨云，人们通常提到的总是指积雨云。，人们通常提到的总是指积雨云。 （3）目前比较

9、流行的几种积雨云起电学说 假定：降水粒子（大粒子）和云粒子（小粒子 ）在受到外电场的作用而极化，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。 机制：当它们相遇发生碰撞时可以交换电量。 如果电场垂直向下，则粒子上半部极化为负电 ，下半部极化为正电。当它们接触时，降水粒 子正电荷与云粒负电荷相交换，最后导致降水 粒子带负电，云粒子带正电，通过重力分离机 制，荷正电荷的云粒子向云的上部运动，荷负 电荷的降水粒子向云的下部运动，从而形成云 中上部为正，下部为负的电荷中心。 碰撞感应起电机制 云内的放电原理 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

10、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。 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3103v/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荷，这时从云层下 部到云底部全部为负电荷区。 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

11、 光柱，即先导注流。也叫注流 先导，如右图。 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）的主 通道，称为电离通道 或闪电通道，简称为 通道。 雷击：分枝状的放电主通道到达地 面，或与大地 放电迎面会合 以后，就形成 云层到地面的 全程（雷击放 电通道）放电 ，这就是雷击。 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

12、，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。 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105-06m/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。 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：

13、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向 云中，这称为回击。 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50 m的暗淡光柱，沿着第一闪击的路径由云中直冲地面，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，地面又产生 向上发展的流光与其会合，即产

14、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。 地闪常以多分 叉的形式慢速 向地面行进， 并在地面形成 两个或两个以 上的接地点 高速摄像拍摄到的多接地点回击 二二 雷电的分类雷电的分类 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。 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。 根据闪电出现位置、形状、声音 和危害分

15、类 空间位置 晴天放电 雷云闪电 云内闪电 云际闪电 云地闪电 线状闪电（链状） 形状 带状闪电（球状） 片状闪电（球状） 声音 有声闪电 无声闪电 相对建筑物 直击雷 侧击雷 雷击电磁脉冲(LEMP） 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八种常 见的闪电类型： I： 先导 R：回击 v：发展 方向 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。 v l r l l r r r vv v 1 b l 1a 2a 3a 4a 2b 3b 4b 第一类地闪(图1a,1b)： 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（图2a，2b） ： 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