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1、-雷电基本知识-第 14 页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？ 一、雷雨云的形成（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：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、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。2. 成熟阶段：从浓积云发展成积雨云
2、，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(见图1)。3. 消散阶段：一阵电闪雷鸣、狂风暴雨之后，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。图1 一块雷雨云的气流结构示意图（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
3、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。在成熟阶段的雷雨云中，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
4、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。 图2 一块雷雨云的微物理结构示意图（三）雷雨云起电机理雷雨云起电的机理目前主要有四种理论：i. 水滴破裂效应：云中水滴在高速气流中作激烈运动，分裂成一些带负电的较大颗粒和带正电的较小颗粒，后者同时被上升气流携带到高空，前者落在低空，这样正负两种电荷便在云层中被分离
5、，这也就是造成90的云层下部带负电的原因。ii. 吸电荷效应：由于宇宙射线或其它电离作用，大气中存在正负离子，又因为空间存在电场，在电场力的作用下正负离子在云的上下层分别积累，从而使雷雨云带电，又称感应起电。iii. 水滴冻冰效应：水滴在结冰过程中会产生电荷，冰晶带正电荷，水带负电荷，当上升气流把冰晶上的水分带走时，就会导致电荷的分离，而使雷雨云带电。iv. 温差起电效应：实验证明在冰块中存在着正离子（H+）和负离子（OH-），在温度发生变化时，离子发生扩散运动并相互分离。积雨云中的冰晶和雹粒在对流的碰撞和摩擦运动中会造成温度差异，并因温差起电，带电的离子又因重力和气候作用而分离扩散，最后达到
6、一定的动态平衡。综上所述，雷雨云起电可能是某一机理也可能是多种机理的效应而产生的。二、闪电由于雷雨云中不同部位聚集着不同极性的电荷，当电荷积累到一定程度时，在云团之中，云团与云团之间，云团与地面之间会产生很强的电场，当电场强度达到空气击穿强度时，便会发生正负电荷之间的放电现象，这种瞬间的强火花放电就是闪电。闪电的雷击过程中产生了强大的雷电流（目前观测到的最大雷电电流幅值为430KA）和高电压（雷电通道两端电位差可达上万伏），因此按功率为电压与电流之积计算，雷电具有极强大的功率，从而构成一次爆炸过程。雷电直击到地面的建筑物和各种生物上，因其电效应，热效应和机械力会造成严重的破坏和灾害。雷电的强大
7、的破坏力，主要是由于它把雷云蕴藏的能量在极短促的几十微秒中释放出来，它的功率巨大，但是由于放电时间太短，以功率乘以时间得出功的数值却很小，只有几十千瓦小时。这里主要讲的是直击雷，对雷击电磁脉冲将在后边章节着重介绍。 （一）闪电的分类闪电可以按其形状分为：线状闪电、带状闪电、片状闪电，联球状闪电和球型闪电。 线状闪电：最常见的一种闪电，我们常常看到这种闪电呈倒置的树枝状，其实是若干次线状闪电的组合，由于几次发生闪电之间的时间极短，用肉眼很难分辨出。 带状闪电：仍是线状闪电的一种，只不过是在闪电过程中恰巧有水平大风吹经闪电通道的空间，将几次线状闪电放电的通道吹的分开，用肉眼看去闪电通道变宽了。 片
8、状闪电：线状闪电被云体遮住了，闪电的光照亮了上部的云或反射的光映入人眼中，闪电呈片状的亮光。 球状闪电：又称球型雷、滚地雷，不但出现在雷雨天气中，在晴天时也偶有出现。其形状大多是球形，直径可达几十厘米，多呈橙色和红色，有些还带有硫磺或臭氧的味道。球型雷多顺风或沿着物体移动，但也发现过垂直运动或逆风而动的情况。对它的起因有许多不同的假设，至今未探明其奥秘。 联珠状闪电：很少见的一种闪电，有人认为它是一串球型雷组成的。闪电也可按其发生的空间位置而分成：云内闪电、云际闪电（云闪）、云地闪电（地闪）等。其中地闪又称直击雷、落地雷，是防雷研究的主要对象。（二）地闪的结构在雷云对地的放电中，90%左右的地
9、闪是在负极性的雷云和正极性的大地（含地面建筑物等）之间发生的，一般称为负极性雷击。相反，约有10%的雷击呈正极性。因此，且以负极性雷击为例说明地闪的结构和过程。在负极性雷云的感应下，地面呈现正极性电荷，并且随电场分布的变化可以迅速集中到某个地点。然而，雷云与大地电场之间的空气仍然是绝缘的，必须形成导电通道，地闪才能发生。于是，在大气电场强度达到一定程度时，大气中的电子有足够大的动能撞击空气分子，使其电离并加入撞击，这种现象如同雪崩，为形成雷电通道起开路先锋的作用。雷电随着雷电通道的开辟而向地面探索着前进。这种梯级先导称为流柱，流柱在寻找一条电阻最小的通道，有时遇到阻力，便另辟通道，于是空中便出
10、现了不同形状的枝叉。在经过多次放电，消失，再放电，再消失之后，梯级先导的通道前端已到达离地面很近的距离（10m100m），这时它的趋向开始受到地面物体的影响。可以这样理解，从通道前端伸出一支长10m100m的长臂向四周探索着，这个臂长叫做“击距”在标准中叫做“滚球半径”其长短与雷电流幅值大小成正比。一旦接触到地面物体或与地面提前先导相会便发生了闪击，从地面物上冲出一股明亮的光柱，沿放电主通道达到雷云，完成一次回击放电或主放电。几十毫秒之后，由雷云中伸出一条较暗的光柱，沿已开辟的主放电通道冲向地面，这就是第二次回击放电，以及第三、四次，最多达26次放电。这种多次放电只见于负极性雷击，正极性雷击只
11、有一次放电。另有一种叫长时间放电雷击。雷击的三种形式见图6、图7和图12。常见地闪的结构见图3，地闪全过程见图4。 （三）地闪的类型地闪类型分类办法： 1. 负极性雷击与正极性雷击之分。（图1a、1b、2a、2b与3、4之分）2. 有回击和无回击之分（图b与a之分）3. 提前先导的上行和下行之分（图2、4与1、3之分）具体可参见图5。需要说明的是：2a和2b型：多发生在高层建筑上，因雷云感应的尖端物体上聚集了大量的异性电荷，可能会主动迎合雷云的流柱面发生闪击，常被称为“上行雷”。 在8种地闪中，1a和3a实质上是云闪，真正地闪只有6种，以负极性下行雷（1b）为最常见，但特高层建筑物的逐步增加，
12、使负极性上行雷（2b）也有增加的趋势。 在建筑物防雷设计规范GB50057-94局部修订条文（征求意见稿）中对平原和低建筑物典型的向下闪击，确定为图6（a、b、c、d）四种组合；对高度约为100m的高层建筑物典型的向上闪击，确定为图7（a、b、c、d、e）五种组合。三、雷电活动的气候特征（一）我国年平均雷暴日数的地理分布我国年平均雷暴日数的地理分布示于图6，根据此图，可将我国的雷暴活动划分为四个区域。第一区域大致位于长江以北，东经105以东地区；第二区域大致位于长江以南，东经105以东地区；第三区域大致位于北纬36以北，东经105以西地区，但其东南角划归第四区域；第四区域大致位于北纬36以南，
13、东经105以西地区。 第一区域主要包括黑龙江省、吉林省、湖北省大部、陕西省、四川省东半部、宁夏回族自治区和甘肃省东南角等地区。这一地区年平均雷暴日数为2050天左右，年平均雷暴日数随纬度的变化不大显著。 第二区域主要包括浙江省、福建省、广东省、广西壮族自治区、安徽省东南角、江西省、湖南省、贵州省，以及四川、湖北和江苏三省位于长江两岸的地区。这一地区的年平均雷暴日数随纬度的减低而明显递增。如长江两岸的年平均雷暴日数为4050天左右，到了两广南部地区的年平均雷暴日数已递增到90120天以上。 图8 平均年雷暴日的地理分布第三区域主要包括内蒙古自治西南角、甘肃省中部和西北部、青海省西北部、新疆维吾尔
14、自治区等地区。这一地区除新疆西北角外，主要由沙漠、戈壁滩和盆地等干旱地区组成，因此，年平均雷暴日数较少，一般只有20天。其中甘肃和内蒙古的巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠地区，年平均雷暴日数不到10天。如内蒙古老东庙为8天，甘肃民勤为12天。新疆准葛尔盆地的古尔班通古物沙漠，塔里木盆地的塔克拉玛干沙漠，以及青海省柴达木盆地的塔完拉玛干沙漠，以及青海省柴达木盆地等广大地区。新疆西北部山区的年平均雷暴日数明显增大，一般可达20一50天。其中，巴音布鲁克一带年平均雷暴日数约大于50天，而昭苏一带则可达8090天。 第四区域主要包括甘肃省东南部、青海省大部、西藏自治区、四川省西半部和云南省中部和本部等地区，该
15、地区由于多为高原和山丘，地势较高，地形起伏较大，因此，年平均雷暴日数偏高于同纬度其他地区，一般为5080天。 综上所述，我国年平均雷暴日数约地理分布特征大致可归纳为以下规律。 1. 东经105以东地区的年平均雷暴日数随纬度的减低而递增。但长江以北地区这一变化规律趋势不明显。而长江以南地区这一变化规律较为明显。例如，我国东北地区的年平均雷暴日数约为3040天，长江两岸地区的年平均雷暴日数略有增如，约为4050天，而两广地区的年平均雷暴日数则递增至70一100天以上。其中，海南省中部地区的年平均雷暴日数超过120天，近期资料达130多天，这是我国年平均雷暴日数最多的地区。 2. 东南沿海地区的年平
16、均雷暴日数，低于同纬度离海岸稍远地区的数值；而小岛屿的年平均雷暴日数，又低于同纬度沿海地区的数值。此外，江湖流域、河谷平原和河谷盆地的年平均雷暴日数，往往也低于同纬度其他地区的数值。这是由于上述地区受水面影响，使下半年近地层气温偏低，不利于形成可产生强烈对流运动的不稳定层结，从而使年平均雷暴日数偏少。 3. 新疆维吾尔自治区、甘肃和内蒙古自治区的广大沙漠和戈壁滩地区，以及青海省柴达木盆地等地区，因气候干旱，年平均雷暴日数较少，一般不超过10天，为我国平均雷暴日数最少的地区。 4. 地势较高、地形较复杂的山丘地区，其年平均雷暴日数往往高于同纬度其他地区的数值。例如，青藏高原和云贵高原西部等山区，
17、其年平均雷暴日数比同纬度内陆地区的数值约多20-40天。 由此可见，我国年平均雷暴日数具有南方多于北方，山地多于平原，内陆多于沿海地区和江湖流域，以及潮湿地区多于干旱地区的地理分布特征。 （二）我国雷暴活动的年变化和日变化1我国雷暴活动的年变化我国雷暴活动主要集中在68月，其中以7月份的雷暴活动最为频繁。纬度较高的东北三省和新疆等地区，雷暴活动偏早，因此，平均月雷暴日数年变化的峰值位于67月，并以7月分为主。而青海、宁夏、内蒙古、山西、河北、北京、山东、江苏、河南等地区，平均月雷暴日数年变化的峰值几乎都集中在7月份。纬度较低的陕西、安徽、浙江、江西、湖北、广西、四川、贵州等地区，雷暴活动偏晚，
18、因此，平均月雷暴日数年变化的峰值位于78月，并以7月为主。但江西例外，平均月雷暴日数年变化的峰值位于8月。福建、湖南和广东等地区，平均月雷暴日数年变化的峰值几乎都集中在8月份。此外，甘肃和西藏地区，平均月雷暴日数年变化的峰值位于68月，并以7月份为主。我国部分城市平均月雷暴日数的年变化见图9。 图9 各城市平均月雷暴日的年变化2我国雷暴活动的日变化逐时年雷暴时是指一天中某一小时内在全年中的雷暴时数；平均逐时年雷暴时是指逐时年雷暴时数的多年平均值，单位(时)。它比雷暴日数更为可靠地反映了全天雷暴活动的强弱程度。根据一天24小时逐时年雷暴时数的统计资料，可表征多年平均雷暴活动的日变化。图10为我国
19、部分城市平均逐时年雷暴时的日变化曲线。由图10分析结果表明，这些城市的平均逐时年雷暴时的日变化曲线，均呈现为一峰一谷的简单变化形型式，它可进一步细分为两类。第一类平均逐时年雷暴日变化的峰值和谷值相差较大，而且谷值较小，其峰、谷值之差与谷值之比一般大于5。这类雷暴活动日变化具有雷暴在一天中、某时段内较为集中，而在另一时段内却较为稀少的特征。例如，长春、乌鲁木齐、西宁、福州、广州、昆明和拉萨等城市，其雷暴活动日变化即属于这一日变化类型。第二类平均逐时年雷暴时日变化的峰值和谷值相差较小，而且谷值相对较大，其峰、谷值之差与谷值之比一般小于5。这类雷暴活动日变化，在一天中某时段内较为集中的程度，以及在另
20、一时段内较稀疏的程度均不如第一类。例如，北京、南京、长沙、成都和广西东兴等地，其雷暴活动日变化即属于这一类型。 各城市平均逐时年雷暴时的日变化曲线还表明，除东兴处，雷暴活动主要集中在午后至半夜，从后半夜至上午，雷暴活动则较为稀少。例如，许多城市的平均逐时年雷暴时日变化的峰值主要出现在15一19时左右，但成都和贵阳的平均逐时年雷暴时日变化的峰值则出现在午夜，而各地平均逐时年雷暴时日变化的谷值，主要出现在811时左右。东兴的雷暴活动日变化则较为特殊，其平均逐时年雷暴时日变化的峰值出现在清晨67时，而谷值出现在2122时。北京地区一天中雷暴活动主要集中在1519时，4一12时雷暴活动较少。 图10
21、各地平均逐时年雷暴时的日变化曲线雷电活动的一般规律已经综述，有些特例并不在内，如在某些少雷区域内某地的雷暴活动会特别的激烈，反之亦然。对某一地区而言，雷暴如同冰雹活动一样会有比较明显的若干条主要入侵途径，这是需要长期观测并认真总结的。 目前，世界各国对雷电活动的统计方法不尽相同，为了更准确的反映雷电实际情况，常用某地年平均闪电放电密度（闪电次数/年km2）这样一个测量单位。国内电力、气象部门近年采用单站（或多站）闪电定位系统可以在200Km探测范围内自动连续的对地闪的发生时间，地点（方位和距离），强度、极性和云闪计数进行观测和记录，这种装备如能在全国气象台（站）配备会将雷电观测水平提到定性、定
22、量、定位的水平。四、雷电流参数和波形知已知彼，百战不殆。在防雷工程设计中要达到技术先进，安全可靠和经济合理首先依赖于对雷电流的科学认识。国际电工委员会（IEC）于1992年在IEC61024-1-1和1995年的IEC61312-1中相继公布了雷电波参数（表1-3）和典型雷电流波形（图11）。图12 一次闪击中可能出现的三种雷击图简要介绍如下： 雷电流幅值（I）：根据国外观测统计，目前世界上观测到的最大的雷电流可达到430KA（瑞士），国内观测到的最大雷电流为300kA（黑龙江）。在自然界中超过200kA的雷电仅占全部雷电数的1%左右。出于经济的考虑，IEC标准和国家标准GB50057-94按
23、需要防护的建筑物的重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，将建筑物进行了防雷分类。火灾危险爆炸环境定为第一类防雷建筑物，规定其防范的雷电流幅值为200kA。重要的文物保护建筑物、国家级会堂、办公楼、大型火车站、大宾馆和计算中心，通讯枢纽等对国民经济有重要意义和内置大量电子设备的建筑物定为第二类防雷建筑物，规范其防范的雷电流幅值为150kA。在标准中划为第三类防雷建筑物，其防范的雷电流幅值为100kA。 由此可以说明建筑物防雷设计规范GB50057-94中指出的“有人认为，建筑物在安装防雷装置后就万无一失了，从经济观点出发，要达到这点是太浪费了。” 雷电流波形：图11（a）是典型雷电流波形
24、图。假定该雷电流的幅值为100KA（第三类防雷建筑物设计防范标准）。从图上可以看出幅值从0到100KA的上升时间是很短促的，在达到峰值后，雷电流以较长时间逐步降低。为用文字描述雷电波波形，IEC使用了波头时间（T1），半值时间（T2）和平均陡度（I/T1）这样一些概念。 波头时间（T1）：雷电流由幅值的10%（即100kA的10%为10kA），上升到90%（即100kA的90%为90kA）所需要的时间。这个时间IEC规定了首次雷击的参数值为10s，后继雷击为0.25s。 半值时间（T2）雷电流由幅值10%上升到峰值，并逐淅下降到幅值50%（即100KA的50%为50kA）所需要的时间。这个时间
25、IEC规定了首次雷击的参数值为350s，后继雷击为100s。 可以用T1/T2来表示波形，如10/350s代表首次雷击波形，0.25/100s代表后继雷击波形。在过电压保护试验时还常用8/20s，1.2/50s等波形。 雷电波随时间的变化率di/dt是一个非常关健的物理量，一般取幅值10%-90%所需时间（即T1）与雷电流变化比为平均陡度即：I/T1。 通过计算公式： Qs=（1/0.7）IT2 W/R= 1 or 2 （1/0.7）I2T2 将首次雷击的I值和T2值代入上式,可以得出表1所列出的不同保护级别的电荷量（Qs）和单位能量（W/R）。了解雷电流参数和波形的意义在于： 1只要正确的遵
26、循防雷技术标准的各个环节，就可以大大减少雷电灾害。在IEC标准中称：如果按第一类防雷设计（防200kA以下的雷电），防雷系统的效率可达98%。第二类防雷设计（防150kA以下的雷电）防雷系统的效率可达95%。第三类则为90%。 2如果建筑物遭受的雷击超过了设计的等级，雷电灾害有可能发生，但只要设计人员是按标准设计的，因此不承担设计责任。 3当前我国经济转轨时期，防雷产品的管理很不规范。在缺乏标准和严格的检验制度时，有些产品通过组织专家鉴定会，行政部门推荐，甚至挤进国家或行业标准的办法进行商业竞争。如哄动一时的“消雷器”近期在接受电力部科教局组织的模拟雷击冲击试验后发现针表面出现局部裂口或小块脱落现象和专家们早已指出的其材质无法承受雷电流单位能量（10MJ/，5.6MJ/或2.5MJ/）是一致的。反之一些生产厂商主动与国际标准接轨，按雷电流参数进行设计便能生产出优质的防雷产品。因此，了解雷电流参数和波形有利于鉴别防雷产品的优劣。 4雷电波参数和波形是现代防雷设计中经常要使用的数据。