防雷资格考试2-雷电基础知识

1第二部分雷电基础知识1雷电的形成1.1雷云形成的物理过程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。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，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，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25-30米/秒。（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。1.2雷云的电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。在云中有水滴，过冷却水滴、雪晶、冰晶等。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，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，云中基本上都是雪晶和冰晶。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。2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。1.3雷云起电机制雷雨云起电的机理目前主要有四种理论：（1）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，这也就是造成90％的云层下部带负电的原因。（2）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。（3）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。（4）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。2雷击（电）的分类2.1雷电的基本分类（一）闪电按其形状分为：线状闪电、带状闪电、片状闪电、联球状闪电和球型闪电。（1）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。（2）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3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。（3）片状闪电：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。（4）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。（5）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。（二）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。地闪可以分为正极和负极，先导上行和下行，有无回击等多个类型。2.2向下闪击的四种组合形式和向上闪击的五种组合形式图向下闪击的四种组合形式4图向上闪击的五种组合形式2.3云地闪（直击雷）的发生过程在雷云对地的放电中，90%左右的地闪是在负极性的雷云和正极性的大地之间发生的，一般称为负极性雷击。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。在大气电场强度达到一定程度时，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（10m~100m），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10m~100m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，最多达26次放电。正极性雷击只有一次放电。3雷电流参数3.1对雷电流特性的观测（推荐参考资料：苏邦礼《雷电与避雷工程》）闪电的平均电流是3万安培，最大电流可达30万安培。闪电的电压很高，约为1亿至10亿伏特。一个中等强度雷电的功率可达一万千瓦，相当于一座小5型核电站的输出功率。图雷击参数定义（1）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。（2）波头时间（T1）：雷电流由幅值的10%，上升到90%所需要的时间。这个时间IEC规定了首次雷击的参数值为10μs，后继雷击为0.25μs。（3）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%所需要的时间。这个时间IEC规定了首次雷击的参数值为350μs，后继雷击为100μs。可以用T1/T2来表示波形，如10/350μs代表首次雷击波形，0.25/100μs代表后继雷击波形。在过电压保护试验时还常用8/20μs，1.2/50μs等波形。（4）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。（5）电荷量Qs=（1/0.7）×I×T2（6）单位能量W/R=（1/2）×（1/0.7）×I2×T23.2雷电流特性（推荐参考资料：GB50057）6图雷击类型4雷电的季节分布和日变化规律雷电的大小和多少以及活动情况，与各个地区的地形、气象条件及所处的纬度有关。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。我国雷暴活动主要集中在6-8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6-7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，因此，平均月雷暴日数年变化的峰值位于7-8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7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6-8月，并以7月份为主。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。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。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某时段内较为集中，而在另一时段内却较为稀少的特征。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，以及在另一时段内较稀疏的程度均不如第一类。5雷电放电的危害形式和雷击选择性闪电可分为云闪、云间闪和云地闪。前者对飞行器危害大，后者对建（构）筑物、电子电气设备和人、畜危害甚大。地球上每天约发生800万次云地闪电，平均每秒100次。雷电流总是选择距离最近，最易导电的路径向大地泄放，凡是空气中导电微粒较多、地面上高耸物体、地面与地下的电阻率较小的地段容易落雷。雷电侵入地面的建（构）筑物、设备、人、畜等会造成灾害，其形式主要有：直接雷击（包括直击雷、侧击雷）——在雷电活动区内，雷电直接通过人体、建（构）筑物、设备等对地放电产生的电击现象为直接雷击。间接雷击——雷电流通过静电感应、电磁感应、电磁脉冲辐射、雷电过电压入侵、雷电反击等（统称感应雷）形式侵入建（构）筑物内，使建（构）筑物、设备部件损坏或人身伤亡。雷电灾害的严重性表现在它具有巨大的破坏性上，其特点是雷电放电电压高，闪电电流幅值大，变化快，放电时间短，闪电电流波形陡度大。雷电的破坏作用在于强大的电流、炽热的高温、猛烈的冲击波、剧变的电磁场以及强烈的电磁辐射等物理效应，给人类社会带来极大的危害，造成人员伤亡、巨大破坏、起火爆炸、严重损失。雷电灾害波及面广，人类社会活动、农业、林业、牧业、建筑、电力、通信、航空航天、交通运输、石油化工、金融证券等各行各业，几乎无所不及。随着高科技的发展，雷电灾害显得越来越严重。86电磁兼容（EMC）6.1EMC的定义和研究内容电磁兼容（EMC）是近年来发展很快并受到广泛重视的学科领域。IEC（国际电工委员会）对EMC的定义是：“设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物产生不允许的电磁骚扰的能力。”电磁骚扰（EMD）是指任何可能引起设备或系统性能降低或对有生命及无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。电磁噪声是指一种明显不传送信息的时变电磁现象，它可能与有用信号叠加或组合。电磁骚扰源分为自然骚扰源和人为骚扰源。典型的自然骚扰源有：（1）雷击电磁脉冲LEMP，又称大气噪声；（2）太阳噪声，太阳黑子活动时产生的磁暴；（3）宇宙噪声，来自银河系；（4）静电放电ESD。人为骚扰源较多，典型的有：（1）电力网络中操作过电压SEMP；（2）核致电磁脉冲NEMP；（3）高压配电系统对地短路造成过电压。其它家电、高频设备、电力设备、内燃机、无线电发射和接收设备、高速数字电路设备等，通过放电噪声、接触噪声、过渡现象、反射现象、非功能性噪声和无用信号等电磁骚扰的发生机理均会造成电磁干扰。6.2EM