1、实际测量表明：实际测量表明：n 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，还与空间电荷分布空间电荷分布有关。n 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，导致大气中雷电的产生。n大气带电离子形成的电离源：大气带电离子形成的电离源：大气中放射性物质辐射的射线大气中放射性物质辐射的射线 宇宙射线宇宙射线波长小于波长小于1000的紫外线的紫外线 闪电、火山爆发、森林火灾、尘暴和雪暴闪电、火山爆发、森林火灾、尘暴和雪暴 火箭、飞机、工厂产生的离子火箭、飞机、工厂产生的离子积
2、雨云积雨云电荷的分离电荷的分离上图：上图： 典型雷雨云中的电荷分布典型雷雨云中的电荷分布 雷电放电具有雷电放电具有重复性重复性，第一闪击后的各闪第一闪击后的各闪击称为随后闪击。击称为随后闪击。一次雷电平均包括一次雷电平均包括3 3次至次至4 4次次放电，通常放电，通常第一次放电的电流幅值最高第一次放电的电流幅值最高，因此，因此第一次放电它对防雷设计至关重要。第一次放电它对防雷设计至关重要。 大量的观测事实表明：大地被雷击时，多数是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，称之为负电荷从雷雨云向大地放电，称之为负地闪负地闪；少数；少数是正电荷从雷雨云向大地放电，称之是正电
3、荷从雷雨云向大地放电，称之正地闪正地闪。 云层是否发生闪电，取决于云体的电荷量及对云层是否发生闪电，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。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。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、声音和危害分类空间位置（性质）空间位置（性质）晴天放电晴天放电雷云闪电雷云闪电云内闪电云内闪电云际闪电云际闪电云地闪电云地闪电正地闪正地闪负地闪负地闪线状闪电线状闪电带状闪电带状闪电片状闪电片状闪电链珠状闪电链珠状闪电球状闪电球状闪电形
4、状形状相对建筑物直击雷直击雷侧击雷侧击雷雷电感应雷电感应 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，又称之为为向下先导向下先导。若是从地面伸向云层的，又称之为向上先导；只沿着先导。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。现逆先导方向放电的现象，称为有回击闪电。lrllrrrvvv1bl1a 2a 3a 4a 2b 3b 4b 根据先导和回击方向，可把闪电归
5、纳为以下八种常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：见的闪电类型：I： 先导先导 R：回击：回击 v：发展：发展 方向方向 云内放电 在同一块云中，不同云区带有正负不同的电荷，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。块云中同样可发生放电现象，此现象称之为云内放电。 云际放电： 当带有正负不同电荷的两块云之间的电场达到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。可击穿强度时，在两块云之间发生的放电现
6、象。 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最常出现的一种无声放电是被称为“爱尔马圣爱尔马圣火火”。由于暴风雨等原因，大气中的电场强度大大。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，电场强度地增长起来，在地球面的突出物体附近，电场强度很容易达到很容易达到300kV/m的强度，导致在突出部分发生的强度，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，实际上就是声的闪电现象，实际上就是尖端电晕放电尖端电晕放电。放电时，。放电时，突出物周围会呈现出冒烟状
7、或光膜状。当电场强度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。出来。这种放电现象对电讯系统有干扰。线状闪电线状闪电线状闪电的特征线状闪电的特征 一般是一种蜿蜒曲折枝杈纵横的巨型电气火花，长23公里，也有长达10公里的，是闪电中较强烈的一种。 当雷云与大地间或雷云相互间的电场强度由于游离电荷的逐渐累积而增长到足以使空气绝缘破坏的强度（最高时可达100KV/m）时，就会产生这种强烈的放电现象，在放电的瞬间具有极大的能量，电压可以积累到1.000100.000kV以上，放电电
8、流可高达数十万安培，而放电时间只不过千分之几秒。 线状闪电大多是雷云与大地间的放电（约5070%以上），也有雷云之间的放电。这种闪电可以同时击在不同的地方，一般分为前导放电和主放电等阶段。 雷云与大地间的放电过程不是单一的而是多重的，也就是说由若干个先后在同一通道上发展的单一的放电所组成。一次放电过程重复放电的数目可多达127次，单次放电的延续时间一般为0.0010.02秒，各次放电的间隔时间为0.010.05秒。 线状闪电对电力、电讯系统及人畜和建筑物等威胁最大。 片状闪电片状闪电 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
9、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，仅仅伴随有片状闪电（线状）放电以前，原有的储电量已经用完了，仅仅伴随有片状闪电的雷暴，是一种较弱放电现象，通常会对电力系统引入较弱的感应过的雷暴，是一种较弱放电现象，通常会对电力系统引入较弱的感应
10、过电压。电压。 带状闪电带状闪电 是宽度达十几米的一类闪电，它比线状闪电要宽是宽度达十几米的一类闪电，它比线状闪电要宽几百倍，看上去象一条亮带，所以称为带状闪电。几百倍，看上去象一条亮带，所以称为带状闪电。带状闪电带状闪电 链珠状闪电链珠状闪电 比较罕见，是一条发光的虚线，一条链子一样，在比较罕见，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。介于线状闪电与球形闪电之间的一种过渡形式。 球形闪电球形闪电 球形闪电是最奇妙、最罕见和最神秘莫测的一种球形闪电是最奇妙、最罕见
11、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。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，一面发出火花
12、，一个地方停留一些时候，一面冒烟，一面发出火花，目前，国际上对于球形闪电也还没有很完善的解释，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。科学家们仍在研究中。球状闪电入室球状闪电入室 Kapitsa的射频理论的射频理论 ：由射频放电产生的等离子粒团，在射频由射频放电产生的等离子粒团，在射频电源切断后，等离子粒团在电源切断后，等离子粒团在0.51秒时间间隔内仍能存在下去；秒时间间隔内仍能存在下去； Jennison (1973) 电磁辐射驻波能产生球状闪电；电磁辐射驻波能产生球状闪电； DawsonDawson和和JonesJones（19691969）球状闪电的结构是充满
13、微波的辐射能量）球状闪电的结构是充满微波的辐射能量贮存在共振腔中。贮存在共振腔中。 等离子体理论等离子体理论：球形闪电看成是一团等离子体粒子流。：球形闪电看成是一团等离子体粒子流。 核反应理论：在热核反应中核反应理论：在热核反应中10104 4伏伏/ /厘米电压能束缚住半径厘米电压能束缚住半径200200厘米厘米1 1兆电子伏特的质子。兆电子伏特的质子。 相干辐射理论：将球闪当作大气激光器。相干辐射理论：将球闪当作大气激光器。球形闪电：球形闪电： 表表4-1 4-1 我国一些重要城市的年平均雷暴日我国一些重要城市的年平均雷暴日图4.1：福州一分钟打雷几十次。平均年雷暴日53.0天4.2 4.2
14、 地面落雷密度地面落雷密度 对于雷电放电来说，云与云之间的放电次对于雷电放电来说，云与云之间的放电次数多于云对地放电次数，而上述雷暴日或雷暴数多于云对地放电次数，而上述雷暴日或雷暴小时对于这一事实没有加以区分。从防雷角度小时对于这一事实没有加以区分。从防雷角度分析，地闪发生的频数是确定地闪对人类和建分析，地闪发生的频数是确定地闪对人类和建筑物的最重要的参数。筑物的最重要的参数。 雷云对地放电的频繁程度，用地面落雷密雷云对地放电的频繁程度，用地面落雷密度度【NgNg】来表示。其定义是来表示。其定义是每个雷电日每平方每个雷电日每平方公里上的平均落雷次数，又称闪电频数。公里上的平均落雷次数，又称闪电
15、频数。 它的气候值包括平均总闪电密度和平均地它的气候值包括平均总闪电密度和平均地闪密度，它们分别定义为一年中单位地表面积闪密度，它们分别定义为一年中单位地表面积上空所出现的各类闪电数多年平均值和地闪数上空所出现的各类闪电数多年平均值和地闪数的多年平均值。的多年平均值。 总的闪电密度为地闪、云闪密度之和。单位为次总的闪电密度为地闪、云闪密度之和。单位为次/km/km2 2 秒，或次秒，或次/km/km2 2 年。对一个区域研究，所取面积年。对一个区域研究，所取面积1000 km1000 km2 2。 在雷暴活动期间，各地的闪电密度相差很大。因此需在雷暴活动期间，各地的闪电密度相差很大。因此需要对
16、一定面积范围内的平均总闪电密度和平均地闪密度进要对一定面积范围内的平均总闪电密度和平均地闪密度进行足够长期观测，得到足够的资料进得分析统计。行足够长期观测，得到足够的资料进得分析统计。 观测表明，观测表明，当雷暴发展到后期，云闪要比地闪出现的当雷暴发展到后期，云闪要比地闪出现的闪电密度高闪电密度高； 总闪电密度增加时，地闪对总的闪电数的比就减小。总闪电密度增加时，地闪对总的闪电数的比就减小。地闪对总闪电数的比例数由地闪对总闪电数的比例数由0 0 1010次次/ /分地闪发生率的分地闪发生率的90%90%减减小到小到7070次次/ /分以上地闪发生率的分以上地闪发生率的9%9%。我国过电压保护规
17、程取地面落雷密度为：我国过电压保护规程取地面落雷密度为： Ng=0.015/kNg=0.015/k d d 近年来，我国一些单位采用雷电定位系统测量表明，近年来，我国一些单位采用雷电定位系统测量表明，在大多数情况下，在大多数情况下，NgNg的数值为的数值为0.09/k0.09/k d d 0.1/k0.1/k d d。 实际上实际上NgNg值与年平均雷电日数值与年平均雷电日数T Td d有关有关。通常，当。通常，当T Td d增大增大时，时，NgNg也随之增大，由于我国幅员辽阔，也随之增大，由于我国幅员辽阔，T Td d的变化很大，很的变化很大，很难取统一的一个值。因此，一些学者认为采用国际大
18、电网难取统一的一个值。因此，一些学者认为采用国际大电网会议会议3333委员会委员会19801980年推荐的计算公式较为合理，该公式为：年推荐的计算公式较为合理，该公式为： Ng=0.0237TNg=0.0237Td d1.31.3 我国建筑物防雷规范我国建筑物防雷规范GB50057-94GB50057-94使用的使用的NgNg接近这一数接近这一数值，式中系数取值，式中系数取0.0240.024。在IEC标准、国标中规定的雷击测试波形主要有：8/20us、10/350us（电流波）、10/700us以及1.2/50us（电压波）等。 英英R.H.GoldeR.H.Golde雷电雷电一书的记载和近
19、年来大量的一书的记载和近年来大量的观测表明：观测表明： 雷电流具有雷电流具有单极性单极性的脉冲波形，的脉冲波形， 大约有大约有80-90%80-90%的雷电流是的雷电流是负极性负极性的，的， 常见的负电流波形前沿常见的负电流波形前沿呈拱形呈拱形。 国外在圣萨尔瓦托山、纽约州府大厦、意大利和其它国外在圣萨尔瓦托山、纽约州府大厦、意大利和其它高建筑物等观测点观测获得的电流波记录都显示出有相似高建筑物等观测点观测获得的电流波记录都显示出有相似的拱形前沿，到达峰值雷电流的中值时间有的是的拱形前沿，到达峰值雷电流的中值时间有的是5.5s5.5s，有的是有的是7s7s。 图图4.3为典型的正极性电流波形。
20、最大电流上升率出现在紧靠峰值电为典型的正极性电流波形。最大电流上升率出现在紧靠峰值电流之前。正极性闪电通常由一个单闪击构成。可求得电流中值前沿为流之前。正极性闪电通常由一个单闪击构成。可求得电流中值前沿为22s，电流上升率中值为，电流上升率中值为2.4KA/s，半峰值的时间为，半峰值的时间为230s。 图图4.3 典型的正极性电流波形典型的正极性电流波形 无论是正还是负极性闪电，雷电流上升速率都是很快无论是正还是负极性闪电，雷电流上升速率都是很快的，这对避雷保护问题极其重要。的，这对避雷保护问题极其重要。-10010203040506001002003004005006007008009001
21、000时间时间 s电流电流 kA8/20s current impulse10/350s current impulse直击雷电流脉冲波形：直击雷电流脉冲波形： 10/350 s 感应浪涌电流波形：感应浪涌电流波形： 8/20 s接收天线电源线路数据线路通讯线路SPD浪涌保护器综合接地网浪涌电压路路路路路路路路路路场场路路“对人类生活影对人类生活影响最严重十种自然灾害之一响最严重十种自然灾害之一”；“电子时代的一大公害电子时代的一大公害”。n 我国每年因雷电灾害造成人员伤亡为我国每年因雷电灾害造成人员伤亡为1000-2000人，财产损失为人，财产损失为70-100亿元。亿元。第六节第六节 雷电
22、灾害雷电灾害 据统计，我国有据统计，我国有2121个省、区、市雷暴日在个省、区、市雷暴日在5050天以上，最多的可达天以上，最多的可达134134天。仅天。仅20072007年，中国总年，中国总发生雷击发生雷击55395539起，造成伤亡起，造成伤亡10181018人，因雷击造成人，因雷击造成的经济损失达的经济损失达2535725357万元。我国的雷电灾害损失万元。我国的雷电灾害损失80%80%以上涉及电子、通讯和配电系统。如，证卷以上涉及电子、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。量的间接损失，对社会影响很大。基站经常遭雷击损坏设备：基站经常遭雷击损坏设备： 据信息产业部邮电设计院对某省的防雷事故统计得出：（包括变压器、高低压避雷器、防雷箱、电缆、 配电箱、稳压器、整流模块、空调主板、照明系统），（GSM或CDMA设备的核心CPU、用户板、监控、传感器、消防控制板、小微波），其他类占10%。 高压避雷器被雷击损坏光纤终端盒被雷击打掉稳压器电路板被雷击损坏感应雷电压造成信号线对机壳放电
