防雷技术

关于雷电的13个为什么



1. 雷雨云是如何形成的？
2. 云对云放电与云对地的放电比例如何？
4. 雷电暴发时的临界状态？
5. 雷电对地放电的基本过程是怎样的？中和电流产生的机理？
6. “有人企图收集雷电能量加以利用。”这种做法是否妥当？
7. 雷电流的波形和极性是怎样的？
8. 什么是雷电流的幅值、波头、波长和陡度？
9. 雷电流幅值的概率分布是怎样的？2007年广西南宁4月～8月分雷电监测报告分析http://www.tj-spd.cn/fanglei/74/303.html
10. 雷电流的波头和波长是怎样确定的？
11. 雷电流的陡度是怎样确定的？
12. 雷电放电的重复次数和总持续时间？
13. 什么是雷暴日和雷暴小时？
14. 球雷的机理？

1. 雷雨云是如何形成的？
答：雷电放电是由带电荷的雷云引起的。雷云带电原因的解释很多，但还没有获得比较满意的一致认识。一般认为雷云是在有利的大气和大地条件下，由强大的潮湿的热气流不断上升进入稀薄的大气层冷凝的结果。强烈的上升气流穿过云层，水滴被撞分裂带电。轻微的水沫带负电，被风吹得较高，形成大块得带负电的雷云；大滴水珠带正电，凝聚成雨下降，或悬浮在云中，形成一些局部带正电的区域。实测表明，在5～10km的高度主要是正电荷的云层，在1～5km的高度主要是负电荷的云层，但在云层的底部也有一块不大区域的正电荷聚集。雷云中的电荷分布很不均匀，往往形成多个电荷密集中心。每个电荷中心的电荷约为0.1库仑～10库仑，而一大块雷云同极性的总电荷则可达数百库仑。这样，在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间，或雷云和大地之间就形成了强大的电场。随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度（大气中的电场强度约为30kV/cm，有水滴存在时约为10kV/cm）时，就会发生云间或对地的火花放电；放出几十乃至几百千安的电流；产生强烈的光和热（放电通道温度高达15000℃至20000℃），使空气急剧膨胀震动，发生霹雳轰鸣。这就是闪电伴随雷鸣叫做雷电的原故。

2. 云对云放电与云对地的放电比例如何？
答：大多数雷电放电发生在雷云之间，它对地面没有什么直接影响。雷云对大地的放电虽然只占少数。雷暴日数越多，云间放电的比重越大。云间放电与云地放电之间比，在温带约为1.5～3.0，在热带约为3～6。

4. 雷电暴发时的临界状态？
答：雷云的底部大多数是带负电，它在地面上会感应出大量的正电荷。这样，在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间，或雷云和大地之间就形成了强大的电场，其电位差可达数兆伏甚至数十兆伏。随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度（大气中约30kV/cm，有水滴存在时约10kV/cm）时，就会发生云间或对大地的火花放电；放出几十乃至几百千安的电流；产生强烈的光和热（放电通道温度高达15000℃～20000℃），使空气急剧膨胀震动，发生霹雳轰鸣。

5. 雷电对地放电的基本过程是怎样的？中和电流产生的机理？
答：①雷云中的负电荷逐渐积累，同时在附近地面上感应出正电荷。
②当雷云与大地之间局部电场强度超过大气游离临界场强时，就开始有局部放电通道自雷云边缘向大地发展----先导放电（先导放电发展的平均速度较低约为1.5×105m/s，表现出的电流不大，约为数百安培），如图1-1(a)所示，先导通道具有导电性，因此雷云中的负电荷沿通道分布，并继续向地面延伸，地面上的感应正电荷也逐渐增多。
③先导通道发展临近地面时，由于局部空间电场强度的增加，常在地面突起出现正电荷的先导放电向天空发展----迎面先导，如图1-1(b)所示。
④先导通道到达地面或与迎面先导相遇后，在通道端部因大气强烈游离而产生高密度的等离子区，自下而上迅速传播，形成一条高导电率的等离子通道，使先导通道以及雷云中的负电荷与大地的正电荷迅速中和----主放电过程（主放电的发展速度很快，约为2×107m/s～1.5×108m/s，出现很强的脉冲电流，可达几十至二、三百千安培）；如图1-1(c)、(d)所示。
⑤主放电到达云端结束，云中的残余电荷经过主放电通道流下来----余光放电。

6. “有人企图收集雷电能量加以利用。”这种做法是否妥当？
答：实际上，雷电放电瞬间功率极大，但是雷电的能量却很小，即破坏力极大，实际利用的价值却很小。以中等雷为例：雷云电位以50000kV计，电荷Q=8C，则能量为W= UQ=2×108（W?s）=55（kW?h），即不过等于55 kW?h电能（约等值于4kg的汽油）。但雷电主放电的瞬时功率P极大，以I=50kA，弧道压降E=6kV/m，雷云为1000m高度计，主放电功率P=UI=50×6×1000=300000MW，它比目前全世界任一电站的功率还要大。

7. 雷电流的波形和极性是怎样的？
答：雷电流是单极性的脉冲波；75%～90%的雷电流是负极性的。

8. 什么是雷电流的幅值、波头、波长和陡度？
答：雷电流的幅值是指脉冲电流所达到的最高值；波头是指电流上升到幅值的时间；波长（波尾）是指脉冲电流的持续时间。幅值和波头又决定了雷电流随时间上升的变化率称为雷电流的陡度。雷电流陡度对过电压有直接影响。

9. 雷电流幅值的概率分布是怎样的？
答：根据我国大部分地区多年实测得到的1205个数据统计，雷电流幅值≥40kA的雷电流占45%，≥80kA的雷电流占17%，≥108kA的雷电流占10%；我国实测最大雷电流330kA只占0.1%。上述统计数据可用雷电流幅值的累积概率曲线来表示。

10. 雷电流的波头和波长是怎样确定的？
答：各国测得的雷电流波形基本一致，波头长度大多在1～5μs，平均约为2～2.5μs。我国在防雷保护设计中建议采用2.6μs。波长在20～100μs，平均约为50μs，大于50μs的仅占18～30%。在防雷保护计算中，雷电流的波形可采用2.6/50μs。

11. 雷电流的陡度是怎样确定的？
答：由于雷电流的波头长度变化范围不大，所以雷电流的陡度和幅值必然密切相关。我国采用2.6μs的固定波头长度，即认为雷电流的平均陡度 和幅值线性相关：a = = （kA/μs），即幅值较大的雷电流同时也具有较大的陡度。

12. 雷电放电的重复次数和总持续时间？
答：一次雷电放电常包含多次重复冲击放电。根据约6000个实测记录统计，55%的落雷包含两次以上的冲击，3～5次冲击占25%，10次冲击以上占4%；平均重复3次，最高记录可达42次。一次雷电放电的总持续时间（包含多次重复冲击放电时间），据统计，有50%小于0.2s，大于0.62s只占5%。

13. 什么是雷暴日和雷暴小时？
答：雷暴日表征不同地区雷电活动的频繁程度，是指某地区一年中有雷电放电的天数，一天中只要听到一次以上的雷声就算一个雷暴日T。根据雷电活动的频度和雷害的严重程度，我国把年平均雷暴日数T≥90的地区叫做强雷区，T≥40的地区为多雷区，15≤T≤40的地区为中雷区，T≤15的地区为少雷区。

14. 球雷的机理？
答：一般常见的都是线状雷电，有时在云层中能见到片状雷电，个别情况下会出现球状雷电。球雷是在闪电时由空气分子电离及形成各种活泼化合物而形成的火球，直径约20cm，个别可达10m，它随风滚动，存在时间约3～5s，个别可达几分钟，速度约2m/s，最后会自动或遇到障碍物时发生爆炸。防球雷的办法是关上门窗，或至少不形成穿堂风，以免球雷随风进入屋内。