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1、 雷电安全知识讲座 天津市滨海新区防雷中心 2011年4月15日 联系电话:13116136692 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。 一、雷电的形成 起电机制起电机制 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
2、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。 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
3、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。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，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。 带负电荷的雷雨云向大地放电为负闪击，带正电 荷的雷雨云向大地放电为正闪击，雷雨云对大地放 电多为
4、负闪击，其电流峰值以20-50kA居多。 通常一次雷电包括3-4次放电，一般是第一次放 电的电流最大，正闪击的电流比负闪击的电流大， 其电流峰值往往在100kA以上。 雷击产生雷电流 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向 云中，这称为回击。 单次闪击和多次闪击：由一次闪击构成的地 闪称为单次地闪，由多次闪击构成的地闪称为多闪 击
5、地闪。下图给出用照相法摄取的多闪击照片。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24次闪击 构成，个别地闪过程的闪击数可达26次之多。 二、雷电的分类二、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。 根据闪电出现位置、形状、声音和危害分类根据闪电出现位置、形状、声音和危害分类 空间位置 云际闪电 云内
6、闪电 云地闪电 形状 线状闪电（链状 ） 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 ） 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。 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
7、，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。 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
8、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。 链形闪电： 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。 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
9、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。 三、雷电的危害 雷电灾害，也是目前中国十大自然灾害之一。 据统计，我国有21个省、区、市雷暴日在50天以上 ，最多的可达134天。仅1998年和1999年两年，中国 因雷击造成的直接经济损失达百万元以上的有38起 。每年因雷电灾害伤亡的人员约为3000-5000人，造 成的财产损失在70100亿元左右。我国的雷电灾害 损失80%以上涉及电子、通讯和配电系统。如，证卷 交易所、卫星地面站机房、通信机站遭雷击，不仅 会造成巨大的经济损失，也给社会带来难以估量的 间接损失，对社会影响很大。 雷电的危害雷电的危害 直直
10、 击击 雷雷雷击电磁脉冲雷击电磁脉冲 电电 效效 应应 热热 效效 应应 机机 械械 力力 静静 电电 感感 应应 电电 磁磁 感感 应应 电电 磁磁 脉脉 冲冲 雷雷 电电 反反 击击 直击雷的危害 （一）雷电流的热效应 在雷云对地放电时，强大的雷电流从雷击 点注 入被击物体，由于雷电流幅值高达数十 至数百千安，其热效应可以在雷击点局部范围 内产生高达600010000C，甚至更高的温度， 能够使金属熔化，树木、草堆引燃；当雷电波 侵入建筑物内低压供配电线路时，可以将线路 熔断。这些由雷电流的巨大能量使被击物体燃 烧或金属材料熔化的现象都属于典型的雷电流 的热效应破坏作用，如果防护不当，就会
11、造成 灾害。 l雷击烧毁树木 雷击 电流 热效 应使 设备 烧损 的事 例 （二）（二）雷电流的机械效应与冲击波效应雷电流的机械效应与冲击波效应 雷电的直接破坏作用除了热效应外， 还有机械效应和冲击波。在雷云对地放电 时，这两种效应与热效应一样，均能对地 面被击物体造成严重损害。但从危害的方 式来看，两者有所不同，前者是产生电动 力和内压力，后者则是产生冲击波。下面 将讨论机械效应与冲击波效应的产生机理 及其破坏作用。 在发生雷击时，雷电的机械效应所产生的 破坏作用主要表现为两种形式： 一、是雷电流流过金属物体时产生 的电动力； 二、是雷电流注入树木或建筑构件 时在它们内部产生的内压力。 电动
12、 力造 成飞 机被 雷击 坏 在被击物体内部产生内压力是雷电流 机械效应破坏作用的另一种表现形式。由 于雷电流幅值很高，且作用时间又很短， 当雷击于树木或建筑构件时，在它们的内 部将瞬时地产生大量热量。在短时间内热 量来不及散发出去，以致使这些内部的水 分被大量蒸发成水蒸气，并迅速膨胀，产 生巨大的内压力。这种内压力是一种爆炸 力，能够使被击树木劈裂和使建筑构件崩 塌。有关这类现象，国内外均时有报道。 。 内 压 力 造 成 树 木 被 雷 击 而 折 断 。 树木劈裂和建筑物的崩塌 近些年来，随着信息处理技术的广泛应用，大量电子设备近些年来，随着信息处理技术的广泛应用，大量电子设备 正普遍地
13、进入各种建筑物内，建筑物之间的信息交换与传递也正普遍地进入各种建筑物内，建筑物之间的信息交换与传递也 日趋增强，这就使得雷电脉冲磁场的危害性变得越来越严重。日趋增强，这就使得雷电脉冲磁场的危害性变得越来越严重。 雷电流不仅能产生脉冲磁场，而且也能产生脉冲电场，并雷电流不仅能产生脉冲磁场，而且也能产生脉冲电场，并 能以电磁波的形式直接辐射到电子设备中去，使电子设备受到能以电磁波的形式直接辐射到电子设备中去，使电子设备受到 干扰或被损坏。干扰或被损坏。 雷击电磁脉冲的危害 （一）雷电的静电感应 雷电的静电感应与电磁感应作用属于雷电的间接 破坏作用。由雷电的静电感应与电磁感应所产生的暂 态过电压比以
14、上所述的直接破坏作用具有更大的危害 范围，它能够损坏建筑物内的信息系统和电气设备， 甚至造成人员伤亡，因此，在防雷设计中，一直受到 关注。 1、在建筑物顶部金属体上的静电感应 城镇的建筑物区域，常可以见到一些顶部大面积金属体 的建筑物，例如半球形铜壳装饰成的圆顶楼，用铜材或铁皮 包装屋顶的建筑物。当这种建筑物上空有雷云生成并向下发 展下行先导时，由于雷云和先导通道中电荷的感应作用，在 建筑物顶部的金属体上将出现反极性的感应电荷，如图所示 。 金属屋顶上的静电感应 在该图中示出的是常见 的负雷云对地放电，雷云及 下行先导通道中的电荷为负 ，而在建筑物金属屋顶上感 应出的电荷为正。 如果建筑物金属
15、屋顶或顶部金属对地绝缘，则在 静电感应所引起的高电压作用下，金属体对其下方的 某些接地物体将会造成火花放电，导致设备和人员的 损坏和伤亡，还可能会引发火灾。如果顶部金属体的 接地引下线在某个部位断开或电阻过大，则在这些部 位也将出现高电压，造成局部火花放电，危及建筑物 内设备与人员的安全。 很明显，要减小雷电静电感应的危害程度，就 必须设法减少在建筑物顶部金属体上的感应电荷，这 就需要将金属体良好地接地，以尽可能快地将感应电 荷泄放入地。 在各种架空线路上，同样会因雷云对地放电而 产生静电感应电荷。现仍以常见的负雷云对地放电 为例，来说明架空线路上感应电荷和高电压的产生 机理。 2 2、在架空
16、线路上的静电感应、在架空线路上的静电感应 图 架空线上感应过电压的形成（1）回击前（2）回击后 如图（1）所示，当雷云下行负先导向地面发展时，先导通道携带的负电荷将在 最靠近其前端的一段导线上感应出正电荷，在先导尚未到达地面，即回击尚未发 生时，这些正电荷将受到先导通道中负电荷的束缚，成为不能自由运动的束缚电 荷。而此时导线上与正束缚电荷相应的负电荷则被排斥向两侧运动，经线路的泄 漏电导和电网的中性点进入大地。 当先导到达地面时，回击就发生，如图（2）所示，原先导通道中的负电荷被迅 速中和，这就消除了对导线上正电荷的束缚，这些失去束缚的正电荷将向两侧运 动，形成过电压波，其波速接近于光速。由于回击的平均速度很快，导线上正电 荷被释放的时间也很短，所以过电压波的幅值是很高的。 - + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + - - - 雷云 s h s h - - - - + - - - - - - - - - - + - - +
