防雷知识

1.基础知识

雷电是一种常见的自然现象，在世界上每天约形成44000个雷暴中心，发生800万次雷闪放电，平均每秒放电100次左右，可见雷电活动是相当频繁的。通常，雷云形成之后，雷云对大地哪一点放电，虽然因素复杂多变，但客观上仍存在一定的规律。通常雷击点选择在地面电场强度最大的地方，也就是在地面电荷最集中的地方，从那里升起迎面先导。地面上导电良好和地形特别突出的地方，比附近其它地方密集了更多的电荷，那里的电场强度也就越大，成为遭受雷击的目标。在地面上特别突出的地方，离雷云最近，其尖端电场强度最大。例如旷野中孤立的大树、高塔或单独的房屋、小丘顶部、房屋群中最高的建筑物的尖顶、屋脊、烟囱、避雷针、避雷线等，都是最容易遭受雷击的地方。

雷击会严重损害建筑物、电气设备和电子设备。数十乃至一、二百千安的雷电冲击电流，具有巨大的电磁效应、热效应和机械效应，雷电冲击电流流过被击物体形成幅值很高的冲击电压波，使电气设备绝缘破坏；冲击电流的电动力作用，使被击物体炸裂；冲击电流使导线等金属物体温度突然升高，以致熔断毁坏。其中以第一种情况的破坏性最大，也是我们主要关注的问题。

由于雷击作为一种强大自然力的爆发，目前的人类是无法制止的。人们力所能及的主要是设法去预防和限制它的破坏性。这就要求装设防雷保护装置，采用防雷保护措施。

1.1雷电特性和危害

1.1.1雷云带电的原因

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。

1.1.2雷电的放电过程

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1.5310m/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

5

的先导放电向天空发展----迎面先导，如图1-1(b)所示。

图1-1雷电放电的基本过程

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2310m/s～1.5310m/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。

8

7

1.1.3雷云对地放电类型

①下行负闪电：以上描述的是雷云负电荷向下对地放电的过程。 ②上行负闪电：地面高耸的突起处（塔或山顶），可能出现从地面开始的上行正先导向云中负电荷区域发展的放电。

③下行正闪电：带正电荷的雷云对地放电，也可能是下行正闪电。 ④上行正闪电：与上行负电荷雷云的相同。

图1-2 云对地放电的类型

1.1.4雷电放电时空气变为导电通道——长气体间隙放电过程（选学）

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。

①图1-3(a)所示，由外界游离因素引起阴极（雷云）释放出的电子向阳极（地面）运动，形成电子崩。

②图1-3(b)所示，随着电子崩向前发展，其头部的游离过程越来越强烈。当电子崩走完整个间隙（雷云与大地之间）后，头部空间电荷密度已如此之大，以致大大加强了尾部的电场，并向周围放射出大量光子。

③图1-3(c)所示，这些光子引起了空间光游离，新形成的光电子被主电子崩头部的正空间电荷所吸引，在受到畸变而加强了电场中，又激烈地造成了新的电子崩，称为二次电子崩。

④图1-3(d)所示，二次电子崩向主电子崩汇合，其头部的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区（主电子崩的电子已大部分进入阳极了），由于这里电场强度较小，电子大多形成负离子。大量的正、负带电质点构成了等离子体（等离子体是气体中游离强烈的区域，其中正、负离子密度大致相等，电导良好，因而电场强度不大），这就是所谓正流注。

⑤图1-3(e)所示，流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，因此流注头部游离过程蓬勃发展，向周围放射出大量光子，继续引起空间光游离。于是在流注前方出现了新的二次电子崩，它们被吸引向流注头部，从而延长了流注通道。

⑥流注不断向阴极（雷云）推进，且随着流注接近阴极，其头部电场越来越强，因而其发展也越来越快。当流注发展到阴极后，整个间隙就被电导良好的等离子体通道所贯通，于是间隙的击穿完成。

图1-3 长间隙流注的产生和发展

先导放电阶段：间隙距离较长时，在流注还不足于贯通整个间隙的电压下，仍可能发

展起击穿过程。这时流注发展到足够的长度后，将有较多的电子循通道流向电极，通过通道根部的电子最多，于是流注根部温度升高，出现了热游离过程。这个具有热游离过程的通道称为先导。先导中由于出现了新的游离过程，游离加强，电导增大，从而加大了其头部前沿区域中的场强，引起新的流注，导致先导不断伸长。如外施电压足够高，先导贯通间隙，间隙击穿。

主放电阶段：先导头部的流注放电区达到阳极，将导致完全击穿，但这时击穿过程尚

未完成。先导中导电性很好，场强较小，因而好像将阴极延长似的，通道头部的电位接近阳极的电位，因此，当先导头部极为接近阳极时，这一很小的间隙中的场强可达极大数值，以致引起强烈的游离，使这一间隙中出现离子浓度远大于先导的等离子体。新出现的通道大致具有阳极电位，因此在它和先导通道交界出总保持着极高的电场强度，继续引起强烈的游离。于是高场强区、也即强游离区迅速向阳极传播，强游离通道也迅速向前推进。这就是所谓的主放电过程。由于其头部场强极大，所以主放电通道发展速度及电导都远大于先导通道。主放电通道贯穿间隙后，间隙类似被短路，失去绝缘性能，击穿过程完成。

实验表明：先导放电阶段包括电子崩和流注的形成及发展过程；主放电阶段也称为“最后跳跃”阶段。

1.1雷电参数

1.1.1雷电流的波形和极性

雷电流是单极性的脉冲波；75%～90%的雷电流是负极性的。雷电流具有冲击波形，雷电流由零迅速上升到幅值，然后较平缓地下降至零。 1.1.2雷电流的幅值、波头、波长和陡度

1.1.2.1雷电流幅值I：指脉冲电流所达到的最高值。

雷电流的参数（幅值、波头时间、波长时间）具有统计性。雷电流的幅值是指脉冲电流所达到的最高值；根据我国实测的1205个数据统计分析，I≥40kA的雷电流占45%；I≥80kA的占17%；I≥108kA的占10%；实测的最大雷电流I=330kA只占0.1%。图1-4是我国使用的雷电流幅值概率分布曲线，例如I≥100kA的雷电流有12%的概率。

经验公式：lgP = -

II或lgP = - (20雷暴日以下) 4488

图1-4 中国雷电流幅值的概率曲线

1.1.2.2雷电流的波头和波长：波头T1是指电流上升到幅值的时间；波长T2（波尾）是指脉冲电流的持续时间。