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1、防雷技术与科学课程知识要点第一章 闪电知识1. 闪电尺度、类型（PPT第一章P3、P10）（教材P1、P3）闪电尺度：闪电是长度大于1 km的超长电火花，是一种自然现象，大多数闪电发生在夏季雷暴中，典型的长度为510 km，最长的可达100 km。沙尘电弧放电：呈涡旋运动的沙漠沙尘暴中，会产生几米长的火花，通常，不把这种短距离电火花称为闪电。闪电类型闪电可以分为两类，一类是云内电荷区和地面之间的放电，称为云地闪电(以下简称地闪)；另一类是闪电通道不到达地面的放电，后者称作“云闪”，云闪占闪电总数的绝大部分。完全发生在单个云(或单体)中的云内的闪电被称为云内闪电(最常见闪电)；发生在云和云之间的
2、云闪被称为云际闪电(也很常见，但是比云内闪电少)；云和周围空气之间的放电被称为云空闪电。2. 孤立、成熟的雷暴云中电荷分布特点（PPT第一章P8）（教材P2）孤立、成熟的雷暴云的主电荷结构是由其顶部数十库伦的正电荷和底部电荷量与正电荷区相当的负电荷组成。在典型的雷暴云中，发现在主负电荷下方有时也存在一个小的正电荷区，位于大约0的高度以下。3. 云和地之间的闪电类型（PPT第一章P11、P12）（教材P3）发生在云和地之间的闪电有四种类型，它们之间的区别主要在于起始区域的电荷极性以及起始过程传播方向。大约90的地闪由起始于负电荷区并向下传播的先导引起（下行负先导 ），这种闪电将雷暴云中部的主负电
3、荷区中的负电荷向地面输送。大约10的地闪由起始于正电荷区并向下传播的先导引起（下行正先导 ），这种闪电将雷暴云上部或下部的正电荷区中的正电荷向地面输送。 其余两种地闪(实际上是地对云的放电)类型很少见，它们通常起始于山顶、高塔或者其它高的目标物并向上传输，通常进入雷暴云中的某一个电荷区。4. 陆地上空闪电发生原因（PPT第一章P14）（教材）在地球上，大多数的闪电发生在陆地上空，这是因为雷暴电荷产生和分离过程需要的初始条件是潮湿的热空气，而太阳辐射导致的陆地加热是产生热空气的最主要的原因。通常，局地大气越热越潮湿，雷暴和闪电就越多。此外，空气温度随高度降低也有助于暖湿空气的有效抬升。5. 全球
4、平均闪电密度（PPT第一章P14）（教材P4、P5）全球每秒钟共发生100次云闪和地闪(各种估算的一个合理的上限值)，平均闪电密度(一个给定区域每年的云闪和地闪数总和)大约是每年每平方千米6次或每年每平方英里16次。陆地上空的闪电密度远远大于6次km-2a-1。 6. 下行负极性梯级先导过程（PPT第一章P20、P21、P22）（教材P6）负电荷移向大地的物理机制是一种被称为“梯级先导”的放电现象。 地闪中梯级先导的移动并不是连续的，而是以大约50 m长的不连续的发光段的形式向下移动，然后停下来，继而再向下移动大约50 m。先导每次增加的长度称为一个梯级。在由云内向下延伸的亮度较暗的先导通道中
5、，发光的梯级顶部是暗淡的。每个发光的梯级先导持续时间为1s。当梯级先导离地面很远时，两个发光的梯级之间的时间间隔为50s，而当梯级接近地面时，时间间隔会缩短到差不多10s左右。 一个典型的梯级先导接近地面时，在其整个长度中约分布有5 C的负电荷，为了使先导通道内的这些电荷变得稳定，整个先导过程必须持续存在平均强度为100200A的电流。先导内流动的脉冲电流峰值可达1000A。每个梯级先导会产生一个由可见光、射频能量和X射线组成的脉冲。7. 单闪击闪电（PPT第一章P29）（教材） 闪电信道中的亮度和电流沿通道持续向上传播并且以光速的13到12沿先导信道的分支向外(向下)传播，这一过程称为首次回
6、击。 在首次回击电流停止流动之后，闪电也许会停止，这种放电叫做单闪击闪电。8. 后续闪击（PPT第一章P29）（教材）当前一次闪击电流停止后100 ms内，之前闪电通道的上部仍有额外的负电荷存在时，第一次闪击之后的闪击(称为“后续闪击”)才会被激发。当有额外的电荷存在时，一个称为“箭式先导”的连续传播的先导(与梯级先导相对)，会沿着之前的回击通道向下移动，然后又一次沿着闪电通道将负电荷从负电荷区泄放。 9. 正极性梯级先导和负极性梯级先导回击的峰值电流（PPT第一章P34）（教材）正极性梯级先导的梯级没有负极性梯级先导的梯级那么明显。在地面测量到的最大的正极性回击电流峰值比最大的负极性回击电流
7、峰值大得多。最大正极性的回击电流峰值可以超过300 kA，而最大负极性的回击电流峰值却很少超过100 kA。然而，典型的正极性峰值电流与典型的负极性电流峰值差不多，约30 kA。10. 电子系统的防护方式（PPT第一章P39）（教材P12）电子系统的防护通过三种方式实现，第一种是屏蔽电磁场，第二种是滤除由闪电产生的有害的高频电流和电压，第三种是使用浪涌抑制设备(通常称为电涌保护器或SPD)，例如火花放电隙和金属氧化物变阻器(MOV) 。架空和埋地的输电线及通信线缆也可以通过安装SPD(通常称为避雷器，一般以MOV类型居多)来防止由过电压侵害造成的雷击闪络和失灵。 11. 小型建筑物截收面积（P
8、PT第一章P41）（教材P13）N = Ng(s+4h)212. 影响住宅是否需要雷电防护因素（PPT第一章P42）（教材）(1) 建筑物或其电力和电信设施遭到雷击的可能性； (2) 当雷电击中建筑物时，对于其内部的电子设备和居住者所造成的潜在危害。第二章 雷电损害1. 雷电击中架电力线路危害？（PPT第二章P3、P4、P5、P6）（教材）架空高压电力线路暴露在大自然环境中，每逢天气骤变、风云突起，遭受雷击危害既属必然又有偶然的现象。以当前电力线路可能具备的防御条件，对应雷电活动的随机性，要想完全免遭其害是不现实的。雷击造成供电系统大范围停电；雷击是发电机组运行过程中遇到的自然灾害,是造成停机
9、的原因之一。雷电可使架空电力电缆连接变压器烧损，户内外氧化锌避雷器、户外式高压隔离开关、户内外式高压瓷套管、配电箱及箱内的电度表和漏电断路器短路烧损。雷击造成用户用电设施遭雷击损坏。2. 雷电袭击对人体造成的伤害特点？（PPT第二章P9、P10）（教材）直接雷击：雷闪直接击中受害者，爱害者身体上通过全部雷电电流，而且最大可能是雷电流从头部输入，经躯干，由脚底进入大地。这种情况是受害者受害最严重的情况。直接雷击后爱害者有短暂昏迷，呼吸和心脏跳动未发生停止，所以不应放弃或停止抢救。接触雷击：往往使受害者短时麻痹，有时也会昏迷甚至死亡，但总的来讲，它比直接雷击受害要轻。接触雷击发生的几率比直接雷击高
10、得多。旁侧闪络：由于被雷击物带高电位，而向它附近的人闪击放电。有时由于较远的地方的物体受雷击，能过金属线直接把高电位输送，或感应产生高电位以致发生旁侧闪络造成人员伤亡。跨步电压：当雷电流流入大地的时候，由于土壤散流电阻的存在，使地表面电位分布，习惯称这为喇叭形电位分布曲线。在这喇叭形曲线上任两点间存在电位差，显然这电位差与电流强度、土壤电阻率分布、跨步长短有关，同样的土壤情况下，电流强度越大，步长越大，跨步电压越高。当人或动物站在喇叭形电位分布的地面时，两脚间的电位差大到一定时，便足以使人受到电击甚至死亡。如果在原野上遇到雷暴，又实在无法躲避时，蹲下来两脚缩在一点，比跨大步走会安全些。 3.
11、雷击建筑物起火原因（PPT第二章P18、P11、P12）（教材） 雷电击中物体所造成的损害主要决定于两个因素：闪击的特征、更重要的是物体的特征，尤其取决于该物体是否导电以及散热能力。四种雷电流的波形特征与大多数雷害相关。 (1) 峰值电流；(2) 雷电流随时间变化的最大比率；(3) 雷电流随时间转移的电荷量 (4) 电流平方的时间积分。当雷电流打在了一个绝缘体上，绝缘体就会通过发热来减小雷电流对其造成的影响。房顶部房间遭受雷击引发房屋木椽子着火，局部房顶被烧塌，雷击造成电线短路也会引发重大火灾。4. 雷击造成森林火灾原因？（PPT第二章P13、P14）（教材）雷击引起森林火灾的原因主要是雷暴，
12、特别是干雷暴，降水少、地面增温、相对湿度减少、可燃物干燥，一旦发生雷击，就很容易着火并蔓延成灾。干雷暴是一种的特殊天气情况，是由于天气炎热干燥，上层空气的云层遇到冷空气，降雨。但是雨还没落到地面，由于下层地表高温，雨马上被蒸发变为潮湿的热空气再次上升到空中。由于下雨时会有雷电产生，并伴有大风！极易引起森林大火。在暖而干燥的天气条件下，降水却不能到达地面，或者只有少部分雨水到达地面，而雨量太小不能熄灭火源，这时由于雷击引发的火源就会蔓延成灾。在降水量较少的夏季，森林更容易因雷击起火而使火灾蔓延更加迅速。 5. 雷击导体与雷击绝缘体有何不同？（PPT第二章P18）（教材P19）一个足够大的导体可以
13、通过一次完整的雷电流，而导体本身温度不会明显升高。当雷电流打在了一个绝缘体上，绝缘体就会通过发热来减小雷电流对其造成的影响。6. 四种雷电流的波形特征：（PPT第二章P18）（教材P20）(1) 峰值电流；峰值电压Vp的值等于R和峰值电流Ip的乘积。(2) 雷电流随时间变化的最大比率；(3) 由完整的计算过程得出雷电流随时间转移的电荷量(等于雷电流和时间曲线下的面积或平均电流与雷电流流经的时间的乘积)；(4) 电流平方的时间积分，即所谓的“作用量积分”或“特征能量”(也等于平均电流的平方乘以电流通过的时间)。现在我们简略地研究这四种波形的特征参量以及与它们相关的损害类型。 7. 雷电流的作用积
14、分 （PPT第二章P33（教材P26）雷电流流经阻抗性材料时的加热和融化以及流经导电能力差的绝缘材料时的爆炸，作为一级近似，它们与作用积分值(也称为比能量)有关。 即，焦耳功率耗散的时间积分。第三章 雷电防护一般方法 1. 法拉第笼作用？（PPT第三章P3、P6）（教材P30）一个有孔或有缝隙的金属封闭结构内，我们可以对雷电引起的电磁场进行比较完善的防护。我们称这个封闭的导体结构为法拉第笼。法拉第防护体也可由两层铜壁组成，在铜壁外采用木质材料进行隔离保护，在这个屏蔽空间内不会受到外部电磁噪声的影响。2. 建筑物上雷电流的分流？（PPT第三章P10）（教材P32）建筑物上的雷电流的分流，其作用主
15、要是为了保护建筑本身，当然也可能是为了减少建筑内雷电引起的电流和磁场的大小。分流的作用应该和法拉第防护体的作用差不多。建筑物上的雷电流到达地面主要通过以下三部分组成：(A) 接闪装置，包括一些与屋顶相连的竖直向下的树枝、屋顶的水平线缆、一些超过屋顶的悬线缆，或一些金属屋顶，所有这些的目的在一定程度上都是一样的：拦截向下发展的梯级先导； (B)引下线：主要是将雷电流引流至接地极；(C)接地极：将雷电流最终流向大地。3. 避免屋顶避雷设施之间产生电势差，采取措施 ？（PPT第三章P12）（教材P33）为了避免屋顶避雷设施之间产生电势差，一般将屋顶各避雷带、网、针等进行等电位连接，一般是用导电材料焊接来连接各器件。当然用于连接的导体从某种意义上也成了接闪器。4. 目前雷电防护中常用的四种电压电流限制技术？（PPT第三章P15、P16、P17、P18、P19）（教材P33）四种电压电流限制技术有：(A)电压断路器；(B)电压控制；(C)交流过滤器和直流过滤器；(D)隔离器。(A)电压断路器用来限制保护线路上的有害电压，使其保持在正常工作电压下，并且使短路电流泄放到大地。(B)电压控制电压控制器的工作能量通常比断路器要低。电压控制和电压断路器都是电涌保护器，即SPD。(C)交流过滤器和直流过滤器断路
