第1章 雷电基础

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1、防雷防雷 接地及电气安全技术接地及电气安全技术主讲：吴传生主讲：吴传生 重庆大学重庆大学 1302839599413028395994 第一章 雷电基础第一节 雷击的形式与特点 第二节 雷击电磁脉冲的波形与参数 第三节 雷击电磁脉冲的频谱（略） 第四节 雷击电流电压的计算与能量分析(自学) 第五节 现代防雷体系概述1.0 概述概述1.0.1 中国古代对雷电的认识1东汉哲学家王充（2797年）2北宋科学家沈括（10311095）3明代科学家方以智（16111671）我国最早见诸文字记载，对雷电作科学观察的学 者是东汉哲学家王充，其描述雷电的著作是论衡。对 雷电现象作了忠实客观记述，反对以鬼神来说

2、明雷电 及其灾害。在这一千多年历史中，对雷电的认识没有 什么大的变化。早于欧美逾千年以上，而研究并明了 其本质却又晚于欧美百余年。这一现象在其他自然科 学领域也存在。中国本是文明古国，而近百年来累遭 列强侵略，科学技术落后甚多，思索其原因是非常必 要的。 116世纪近代科学先驱英国弗兰西斯.培根（15611626） 法国勒内.笛卡儿（15961650） 意大利伽利略（15641642）1)把科学实验提到了很重要的地位。2)正确的科学思想和科学方法，对当时及后人产生重大 作用。 218世纪英国伦敦皇家学会馆长的豪克斯比，1706年用玻璃棒摩 擦起电，发现静电放电产生的闪光与闪电很相似。英国华尔1

3、907年用琥珀摩擦起电，发现放电不仅产生闪 光，而且产生类似雷鸣的响应。把实验室中的电和自然界 的闪电联系起来，即科学猜想。1.0.2 欧美雷电科学建立欧美雷电科学建立3、美国科学家富兰克林（17061790），以科 学的理性思维探索了雷电的本质。将云中的闪电 引到地面来作实验鉴定。是雷电科学发展史上关 键的一步。解决了雷的定性认识。在1751年富兰克林著作电的实验与观察， 指出：“关于尖端的功能的知识，可以为人们利用 来保护房屋、教堂、船等避免闪电袭击，其方法是 在这些物体的最高顶上固定一支更高的镀金的磨尖 铁棒，在其下端接一导线挂在建筑物外通到地下， 对于船则是通到水中。” 这张图形象地表

4、明本 杰明富兰克林著名的闪 电实验，他于1752年发现 闪电带电。富兰克林把一个金属 钥匙绑住风筝线端，在雷 雨天把风筝放到天上去。 很幸运他没有被电击。 避雷针防雷法，亦称 富兰克林法。这是一种最 古老、最传统的防雷方法 。4、英国科学家开尔文（18241907）设想，用气 球带仪器到高空去测量不同高度的电场，开创了定量 研究闪电的工作。GB50057-2010 建筑物防雷设计规范第一节 雷雨云的形成雷电是雷雨云之间或在云地之间产生的放电现 象，雷雨云是产生雷电的先决条件。那么雷雨云是 怎样形成的？分别从宏观结构、微物理结构谈起。 （也成为积雨云，简称为雷云）常见云的分类：卷云、卷层云、卷积

5、云、高层 云、高积云、层积云、雨层云、积云、积雨云共9种 。雷雨云：指产生闪电的云，即积雨云。形成雷雨云的三个条件： （1）空气中必须含有充分的水蒸气； （2）太阳照射，水蒸气上升凝结成小水滴； （3）大气对流。一、雷雨云的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： 1形成阶段 2成熟阶段 3、消散阶段1形成阶段：这一阶段主要是从淡积云 向浓积云发展。云的垂直尺度 有较大的增长，云顶轮廓逐渐 清楚，呈圆孤状或菜花形，云 体耸立成塔状。这样的云我们 在盛夏常常看到。在形成阶段 中，云中全部为比较规则的上 升气流，在云的中、

6、上部为最 大上升气流区。上升气流的垂 直廓线呈抛物线型。在形成阶 段，一般不会产生雷电。（a）积云阶段：由积云阶段：由 一个或多个云塔表征一个或多个云塔表征2成熟阶段：从浓积云发展成积雨云，就 伴随雷电活动和降水，这是成熟 阶段的征象。在成熟阶段，云除 了有规则的上升气流外，同时也 有系统性的下沉气流。上升气流 通常在云的移动方向的前部。往 往在云的右前侧观测到最强的上 升气流。上升气流一般在云的中 、上部达到最大值，可以超过 2530米秒。（b）成熟阶段：由成熟阶段：由 同时存在的上升气流同时存在的上升气流 和下沉气流以及降雨和下沉气流以及降雨 共同表征共同表征3、消散阶段：一阵电闪雷鸣、狂

7、风暴雨之后，雷雨云就进入 了消散阶段。这时，云中已为有规则的下沉气流所 控制。云体逐渐崩溃，云上部很快演变成中、高云 系，云底有时还有一些碎积云或碎层云。二、雷雨云的微物理结构：一块成熟的雷雨云，其顶部可以伸展到40的 高度(约l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(见图2)。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

8、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。在成熟的雷雨云中，发生着非常复杂的微物理 过程，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此 微物理过程，都可以导致云

9、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。三、雷雨云的电结构三、雷雨云的电结构1、雷（雨）云的分成三个电荷集中区（公认的、雷（雨）云的分成三个电荷集中区（公认的 典型电结构模型）。典型电结构模型）。高度（高度（km）108642+4C-20C+24C最高集中区为正电荷最高集中区为正电荷中间集中区为负电荷中间集中区为负电荷最低集中区为正电荷最低集中区为正电荷由于负电荷中心离地面近，正电荷中心离地面远由于负电荷中心离地面近，正电荷中心离地面远 ，地面观测的云多数带负电。，地面观测的云多数带负电。积雨云的上部积雨云的上部 集中了大量的集中了大量的 正电荷正电荷中部聚集了大中部聚

10、集了大 量的负电荷量的负电荷2、雷（雨）云中电荷分布结构受地理位置影响、雷（雨）云中电荷分布结构受地理位置影响（1）电荷分布状况不相同；）电荷分布状况不相同；（2）集中区高度不相同；）集中区高度不相同；（3）温度分布不相同；）温度分布不相同；（4）云体尺寸大小不相同。）云体尺寸大小不相同。3、对流云中大气电学量的常见值（见教材表、对流云中大气电学量的常见值（见教材表1.1）4、气团雷暴、气团雷暴由若干个云胞（雷暴单位）组成，整个雷暴由若干个云胞（雷暴单位）组成，整个雷暴 生命期可长达几小时。生命期可长达几小时。雷暴单位就是有明显边界的大云团，且生命雷暴单位就是有明显边界的大云团，且生命 期约一

11、小时（积云阶段小于期约一小时（积云阶段小于15分钟，成熟阶段分钟，成熟阶段 小于小于30分钟，消散阶段约分钟，消散阶段约30分钟）。分钟）。5、锋面雷暴、锋面雷暴 锋：指冷气团和热（暖）气团的过渡区域。锋：指冷气团和热（暖）气团的过渡区域。 暖锋雷暴：指由暖气团冲击冷气团形成。暖锋雷暴：指由暖气团冲击冷气团形成。冷锋雷暴：指由冷气团冲击暖气团形成。冷锋雷暴：指由冷气团冲击暖气团形成。 6、地形雷暴、地形雷暴暖空气经过山坡或山地的迎面风被迫抬升而暖空气经过山坡或山地的迎面风被迫抬升而 造成的雷暴。造成的雷暴。四、雷雨云起电机理雷雨云起电的机理主要有以下几种理论： （1）感应起电（2）温差起电 （

12、3）破裂起电（4）冻冰起电1、感应起电学说：水滴（也可能是冰晶、雹粒）在垂直大气电场中 感应电荷，下端为正、上端为负 ，与大气中上升的负 离子的电荷中和，使水滴带负电，形成雷（雨）云起 电后的电荷分布。3、破碎起电学说： 由于大气电场的感应极化， 大水滴下降时，受 到气流作用发生破碎形成许多小水滴和几个较大水 滴。小水滴带负电，较大水滴带正电。由于云中的 电荷增多，大气电场又增大，如此循环，形成雷雨 云起电后的电荷分布。2、按闪电方式分类、按闪电方式分类3、按闪电形状分类、按闪电形状分类（2）带状闪电：线状闪电的特殊情形。）带状闪电：线状闪电的特殊情形。（4）联珠闪电：强线状闪电中偶尔出现的一

13、种特殊）联珠闪电：强线状闪电中偶尔出现的一种特殊 现象。现象。（5）球状闪电：具有强烈的电磁效应和穿透金）球状闪电：具有强烈的电磁效应和穿透金 属能力，形如火球，也称球闪或滚地雷。属能力，形如火球，也称球闪或滚地雷。闪电的声音 闪电通路中的空气突然剧烈增热，使它的温度高 达1500020000，因而造成空气急剧膨胀，通 道附近的气压可增至一百个大气压以上。紧接着， 又发生迅速冷却，空气很快收缩，压力减低。这 一骤胀骤缩都发生在千分之几秒的短暂时间内， 所以在闪电爆发的一刹那间，会产生冲击波。冲 击波以5000米/秒的速度向四面八方传播，在传播 过程中，它的能量很快衰减，而波长则逐渐增长。 在闪

14、电发生后0.10.3秒，冲击波就演变成声波， 这就是我们听见的雷声。六、地闪（也称云地闪）的结构六、地闪（也称云地闪）的结构1、地闪应具备的特殊条件、地闪应具备的特殊条件（1）大地作为导体，感应的正电）大地作为导体，感应的正电 荷可以自由流动。荷可以自由流动。（2）积雨云中带电粒子之间仍是）积雨云中带电粒子之间仍是 绝缘的空气。绝缘的空气。（3）足够大的电场使绝缘的空）足够大的电场使绝缘的空 气击穿，形成导电通道。气击穿，形成导电通道。流光放电流光放电梯级下行先导梯级下行先导上行先导上行先导回击回击后续闪击后续闪击（2）扩展的结果使积雨云下端与大）扩展的结果使积雨云下端与大 地之间的电场强度增

15、大，致使云下端地之间的电场强度增大，致使云下端 某些特殊地点的空气先击穿，形成向某些特殊地点的空气先击穿，形成向 下发展的流光，即形成一段（级）导下发展的流光，即形成一段（级）导 电通道，在导电通道前端会累集大量电通道，在导电通道前端会累集大量 负电荷。负电荷。2、地闪的全过程、地闪的全过程（1）积雨云中层的负电荷区与下层）积雨云中层的负电荷区与下层 正电荷区之间的的强电场产生局部区正电荷区之间的的强电场产生局部区 域击穿，负电荷区扩展到积雨云下部域击穿，负电荷区扩展到积雨云下部 ，形成，形成流光流光。（3）累积的结果，又使）累积的结果，又使 下面空气被击穿，这样下面空气被击穿，这样 不断重复

16、上述过程，导不断重复上述过程，导 电通道逐步向下发展，电通道逐步向下发展， 即形成即形成梯级先导梯级先导。此过。此过 程时间约程时间约20 ms 。几个参数：几个参数：回击电流可达回击电流可达 10 kA。回击通道直径约回击通道直径约 0.1 0.23 cm（4）经过多次击穿，当梯级先导的通道前端达到离地）经过多次击穿，当梯级先导的通道前端达到离地 面很近（约面很近（约1020m）的距离时，向下扩展的趋势直接的距离时，向下扩展的趋势直接 受地面物的影响，此时发生电击穿，会形成由地面物冲受地面物的影响，此时发生电击穿，会形成由地面物冲 出一段明亮无比的光柱（闪电），沿着导电通道冲向积出一段明亮无比的光柱（闪电），沿着导电通道冲向积 雨云完成一次回击放电（称主放电）。同时温度陡升，雨云完成一次回击放电（称主放电）。同时温度陡升，