雷电基本知识

雷电基本知识

人们在研究磨擦起电现象时发现，当带正电的物体和带负电的物体靠近时，常有火花产生，同时发出劈啪的声响，这种现象叫做放电。雷电是大自然中雷云之间或雷云对地之间的大规模放电现象，这种迅猛的放电过程产生强烈的闪光并伴随巨大的声音。从电学的角度来讲，雷云放电就会产生雷电流，雷电流除具有电流的一般的特性外，还有发生时间短(微秒级)幅值高(几百KA)的特点，所以雷电流的瞬间功率是巨大的。正因为雷电流的特殊性，使得雷电有其特殊的破坏力，常常给人类带来巨大损失。雷击可以把建筑物劈裂，使架空的电线短路、引起森林大火，还会造成人员的直接伤亡。自18世纪富兰克林著名的风筝实验以来，人们致力于雷电及其防护的研究实践已有删年的历史，对雷电的防护已经取得了很大成绩，积累了丰富的经验。了解雷电基本知识，有利于搞好仓库防雷安全工作。

一、雷电的形成与分类

(一)雷雨云和雷电的形成

人们通常把发生闪电的云称为雷雨云(或称积雨云)，雷雨云是热气流在强烈垂直对流过程中形成的。由于地面吸收太阳的辐射热量远大于空气层，近地面的大气的温度由于热传导和热辐射作用，温度也跟着升高，气体温度升高必然膨胀，密度减小，压强也随着降低，根据力学原理，气体就要上升，上方的空气层密度相对说来就较大，就要下沉。热气流在上升过程中膨胀降压，同时与高空低温空气进行热交换，于是上升气团中的水汽凝结而出现雾滴，就形成了云。在强对流过程中，云中的雾滴进一步降温，变成过冷水滴、冰晶或雪花，并随高度逐渐增多。由于过冷水大量冻结而释放潜热，使云顶突然向上发展，达到对流层顶附近后向水平方向铺展，使云中水滴分裂成较小的水滴或较大的水滴，分别带负电和带正电。较小的水滴被气带走，形成带负电的雷云，较大的水滴留下来形成带正电的雷云。

随着电荷的积累，雷云的电位逐渐升高。当带不同电荷的雷云在空气中互相接近到一定的距离时，便发生激烈的放电，出现强烈的闪光。由于放电时温度高达20000℃，空气受热急剧膨胀，发出爆炸的轰鸣声，这就是空中闪电和雷鸣，见图5—1(a)。当带电雷云离地面较近时，还会对地面突出物直接放电，这就是直击雷。见图5—1(b)。

图5—1 雷云放电现象

(二)雷电的分类

1．雷电按照放电形式不同分为：线形雷、片形雷和球形雷

(1)线形雷。线形雷是一种蜿蜒曲折，枝叉纵横的巨型电气火花，长2—3公里，也有的长达10公里，线形雷是闪电中最强烈的一种，对电力、电讯系统及人畜和建筑物等威胁最大。线形雷大多是雷云与大地间的放电，但也有的是雷云之间的放电。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。在大多数情况下(约50～70％以上)，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。重复放电的数目一般为1～27次，单次放电的延续时间一般为0．001～0．02秒，各次放电的间隔时间为0．01～0．05秒。

(2)片形雷。片形雷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生放电作用，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，片形雷对电力系统一般只会引进感应过电压。

(3)球形雷。球形雷是一种特殊的雷电现象，简称球雷。是橙或红色，或似红色火焰的发光球体，(也有带黄色、绿色、蓝色或紫色的)，直径一般约为10～20厘米，最大的直径可达1m，存在的时间大约为百分之几秒至几分钟，一般是3～5秒，其下降时有的无声，有的发出嘶嘶声，一旦遇到物体或电气设备时会产生燃烧或爆炸，其主要是沿建筑物的孔洞或开着的门窗进入室内，有的由烟囱或通气管道滚进房内，多数沿带电体消失。

球形雷形成的原因：一是等粒子体；二是小范围的急促气旋造成，三是核反应。到目前试验室未圆满重复这一现象。

2．雷电按传播方式不同分为：直击雷、感应雷和雷电侵入波

(1)直击雷。直击雷是带电的云层与大地上某一点之间发生猛烈的放电现象，称直击雷。直击雷的放电过程为：当雷云接近地面时，在地面感应出异性电荷，两者组成一个巨大的电容器。雷云中的电荷分布是不均匀的，地面也是高低不平的。因此，其间电场强度也是不均匀的。当电场强度达到25～30kV／cm时，即发生雷云向大地发展的跳跃式先驱放电，延续时间为0．005～0．01s，平均速度为100～1 000km／s，每次跳跃前进约50m，并停顿30～50μs。当先驱放电达到大地时，即发生大地雷云发展的极明亮的主放电，其放电电流可达数十至数百千安，放电时间仅50～100ps，放电速度约为光速的1／5～1／3，即约为6～104km/s。主放电向上发展，到云端即告结束。主放电结束后继续有微弱的余光，余光延续时间约0．03～0．15s。约50％的直击雷有重复放电性质。平均每次雷击有三、四个冲击，最多能出现几十个冲击。第一个冲击的先驱放电是箭形先驱放电，其放电时间仅约0．001s。全部放电时间一般不超过500ms。

(2)感应雷。感应雷也称间接雷电感应或感应过电压，亦可以叫做雷电的二次作用。感应雷分为静电感应雷和电磁感应雷两种。

静电感应雷是雷云接近地面时，使邻近雷云的金属设施上，特别是较长的金属设施(如架空线路)上，能感应产生与雷云相反的大量电荷。当雷云放电时，如金属设施上的感应电压较高，也就会向邻近的设施放电(金属设施未接地时)，或以雷电波的形式沿线路极快地传播。

电磁感应雷是由于雷击时，巨大的雷电流在周围空间产生迅速变化的强磁场，使处于这个磁场中对地绝缘的金属构件、建筑设施，感应出很高的电位。当这个电压足够大时，就可能对地或向邻近的设施放电。

(3)雷电侵入波。由于雷电电流有极大峰值和陡度，在它周围出现瞬变电磁场，处在这瞬变电磁场中的导体会感应出较大的电动势，而此瞬变电磁场，都会在空间一定的范围内产生电磁作用，也可以是脉冲电磁波辐射，而这种空间雷电电磁脉冲波(LEMP)是在三维空间范围里对一切电子设备发生作用。因瞬变时间及短或感应的电压很高，以致引起电气设备的过电压。

二、雷电的危害

(一)直击雷的危害

直接雷的破坏作用主要是：电效应破坏、热效应破坏和机械效应破坏。

1．电效应破坏

电性质的破坏作用，表现在雷击形成的数十万乃至数百万伏的冲击电压，产生过电压作用，可击穿电气设备的绝缘，烧断电线而发生短路放电，其放电火花、电弧可能造成火灾或爆炸；绝缘的损坏，还会造成高压窜入压和设备漏电的隐患，可能引起严重的触电事故；巨大的雷电流流入下，会在雷击点接地周围的5～10m范围内形成极高的电压，可直接导致接地电压和跨步电压的触电事故。

2．热效应破坏

热性质的破坏作用，表现在巨大的雷电流通过导体时，在极短的时间内转换出大量的热量，高温作用造成易燃品燃烧或金属熔化、飞溅而引起火灾或爆炸；如果直接雷击在易燃物