雷电基础及雷电活动特性1

雷电基础及雷电活动特性 王学良(高级工程师) (湖北省有突出贡献中青年专家) 湖北省(武汉市)防雷中心 2012年5月 雷电基础及雷电活动特性 1、我国雷电灾害基本特征 2、雷电形成 3、雷电的分类及其危害 4、我国及湖北雷电活动基本特征 5、雷电活动的几个问题探讨 6、国内外雷电防护现状及相关技术标准 前言  雷电是天空中一部份带电的云层内部、云层与云 层之间或者云层与大地之间一种长距离放电现象，具 有大电流、高电压、强电磁辐射等特征。据估计，就 整个地球表面而言，每秒钟的云地闪电就有30~100次， 平均每天发生闪电800万次。闪电特别是云对地间的闪 电对国民经济建设有较大的危害，常对地面建筑物或 其他设施造成雷电灾害，甚至人员伤亡。随着信息网 络技术和现代高科技在各个领域的广泛应用，闪电所 造成的损失日趋严重。雷电灾害是最严重的十种自然 灾害之一，被称为“电子时代的一大公害”。 前言  据不完全统计，我国每年因雷击造成人员伤亡 达3000～4000人，财产损失在50到100亿元人民币 。 财产损失在50到100亿元人民币 。2004年～2009年， 我国每年发生雷电灾害都在5000起以上,其中2007年 全国发生雷击灾害12967起，2009年13481起。因雷 击造成黄岛油库特大火灾爆炸事故，致使19人死亡、 浙江临海市杜桥镇因雷击造成30人伤亡，其中17人 死亡，重庆开县一小学遭雷击，致该校学生7死39伤。 前言  2000～2009年湖北省境内发生雷击事故1000多起， 造成直接经济损失数亿元，因雷击伤亡人数414人，其 中死亡人数247人、受伤人员167人。2009年8月26日～ 28日3天时间，湖北省境内发生9起雷击灾害，造成19 人伤亡，其中死亡11人，重伤3人，轻伤5人。因雷击 造成我省南漳炸药库爆炸、黄陂横店石油储库爆炸、 晨鸣纸业军山苇场火灾、新洲阳逻棉花仓库火灾、十 堰火车站小商品市场火灾等重大雷击灾害。 1、我国雷电灾害 基本特征 1.1 雷电灾害发生次数呈上升趋势  随着科技的发 展，办公自动化、 信息网络等弱电 子设备的大量普 及应用，电子设 备很容易因雷击 受到成片的损坏。  由于我国雷 电灾害调查 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 还不够健全 。 1.2 全国雷电灾害次数分布情况  雷灾事故集中多发的 最大三大地区位于中 国东南五省(湘、赣、 浙、闽、粤)、环渤海 圈的山东、河北和云 南省，雷灾事故相对 发生较少的地区为中 国西部地区。雷灾事 故发生频次还与中国 不同地区的经济发展 现况和人口密度有关。 1.3 全国雷击伤亡人员分布状况  图中给出我国大陆31个省、直 辖市、自治区的雷灾死伤人员 数排名的等级情况，根据四分 法，以1～8名为第一等级，9～ 16名为第二等级，17～24名为 第三等级，25～31为第四等级， 其中广东省最严重，雷灾造成 伤亡1434人，排名第一，云南 省次之，雷灾人员伤亡严重的 还有贵州、江西、广西、湖北、 湖南、山东等地区，而上海、 山西、北京、甘肃、新疆、宁 夏、天津则处于第四等级。 1.3 雷击伤亡人员年际变化  从1997年至2006年， 据不完全统计全国因雷击 造成人员伤亡达：8527人， 平均每年达865人，其中 死亡4354人。 2004年最 为严重，总伤亡人数1527 人。 其中雷击死亡人数 高达：710人， 2004年7 月死亡人数最多，多达 225人。 1.4 雷击伤亡人员月变化  6-8月是 我国雷 电灾害 事故高 发时期 1.5 雷击伤亡人员日变化 从统计资料 来看：闪电日 变化最大值在 下午14时至18 时之间，雷击 事故及人员伤 亡此时段最多。 1.6 雷击造成人员伤亡特征 雷电灾害造成的学生和儿童伤亡事故不容忽视 1.6 雷击造成人员伤亡特征 1.7 城市雷电灾害的特征  （1）建筑物遭雷击的几率是随着高大建 筑物的日益增多而增加。  （2）因雷击电磁脉冲影响，大量微电子 设备损失日趋严重。  （3）各种线路架空敷设使得雷电造成火 灾、损坏电器设备的现象十分严重。  （4）新建建筑物土建的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、施工与后 续进入建筑物设备安装未进行等电位连接。 1.7 城市雷电灾害的特征  （5）防雷产品民用化程度不够，民用设备、电 器的防雷设施欠缺，全国民用防雷产品的技术 规范、 设计规范 民用建筑抗震设计规范配电网设计规范10kv变电所设计规范220kv变电站通用竖流式沉淀池设计 、安装使用规范不健全。  （6）由于防雷法律法规不健全、防雷减灾组织 管理体系不完善，人为造成雷击隐患的现象普 遍存在。 1.7 城市雷电灾害的特征 微电子设 备、办公 和家用电 器雷击事 故占雷击 事故总数 的57.86% 1.8 农村雷电灾害的特征  （1）下垫面的空旷、潮湿和常规农业生产 现状致使农村雷击造成人员伤亡事故频发。  （2）农民对雷电科学认识不够，科学防雷 意识淡薄，防雷知识匮乏。  （3）新农村建设防雷设施严重不足，新的 雷击隐患层出不穷。（电话、网络、太阳 能热水器等） 1.8 农村雷电灾害的特征 在农村建 筑物和农 田、开阔 地中伤亡 人数占总 人数的67% 以上。 2、雷电的形成 早在1752美国的实 业家、科学家本杰明· 富兰克林他把一个金 属钥匙绑住风筝线端 ，在雷雨天把风筝放 到天上去，发现闪电 带电，并发明了避雷 针防雷法，亦称富兰 克林法。这是一种最 古老、最传统的防雷 方法。 2、雷 电 形 成 1.1 大气中的电现象  大量测试结果表明，地球带负电，其电荷量约为50万 C，而在地球的上空存在着一个带正电荷的电离层，于是 在电离层与地面之间就形成了一个电力线指向地面的大气 电场。由于大地看成是导体，是一个等势面，将大气中电 位相同的各点连接成面，大 气的等电位与大地表面相平 行，所以地面有起伏，空中 有导体物时，平行于地面的 等势面就发生弯曲如图 。 图1.1 晴天大气电场等势 2.1 大气中的电现象  陆地和海洋晴天大气电场强度的平均值分别 115V/m和130V/m，全球平均为130V/m。在不同高 度测量电场强度，就可绘制出如图1.2所示的曲线。 通常晴天大气电场随高  度呈指数衰减的分布特  征。大气的电场强度数  值由地面向上逐渐减少，  到10km以上，已减小  到地面处的数值的3%。 图1.2 大气电场强度随高度的变化 2.2 雷雨云的电结构  雷电与雷云的存在 是分不开的，人们通常 把发生闪电的云，称为 雷雨云。其实有几种云， 都与闪电有关，如层积 云（Sc）、雨层云(Ns)、 积云(Cu)、积雨云(Cb), 其中最重要的则是积雨 云(图1.3)。 图1.3 积雨云 2.2 雷雨云的电结构  一般情况下，雷雨云 上部有一个正电荷中心， 下部有一个负电荷中心， 即云层底部一般是带负电 荷，因此，云对地的闪电 绝大多数是负闪电。根据 科学工作者大量直接观测 的结果，积雨云中电荷的 典型分布大体如图1.4所示。 图1.4 积雨云中电荷分布 2.2雷雨云的电结构  一般认为主要负电荷 区中心位于3km高度，温 度-8℃，是半径为1km的 球体，其电荷量为-20C； 主要正电荷区中心位于 6km高度，温度-30℃，是 半径为2km的球体，其电 荷量为+24C；最下方的正 电荷区中心位于1.5km高 度，温度-1.5℃，是半径 为0.5km的球体，其电 图1.5 积雨云中电荷分布一般特性 2.2 雷雨云的电结构  荷量为+4C。这是按理论归纳的理想模式，不同地 区的实际情况可能与这种典型分布有较大的别。  积雨云是最强的对流云，浓密而深厚，外形 象山峰或巨塔，在他发展旺盛时期，云顶高度可 达10～15km，云底高度在平原地区大约1km左右。 随着雷雨云的发展和运动，在有发生降水后，当 大气电场强度对于3kV/cm以上时（晴天大气中约 为30kV/cm），云间就会对地火花放电，也称云地 闪电。 2.3 雷电形成的几种学说 国内外的科学家关于雷电的形成，做 过多年的大量科学试验研究，并先后提出 了很多雷电形成的理论和假说，下面简单 介绍目前比较流行的几种理论。  （1）感应起电学说  （2）温差起电学说  （3）破碎起电学说 2.3 雷电形成的几种学说 (1) 感应起电学说  大量测试结果表明，地球带负电，其电荷 量约为50万库仑（C），而在地球的上空，存在 着一个带正电荷的电离层，于是在电离层与地 面之间就形成了一个电力线指向地面的大气电 场。在大气电场的作用下，云中的水滴将被激 化，其上部出现负电荷，下部出现正电荷。同 时在大气宇宙射线的作用下，空气发生电离， 产生正、负离子。 2.3 雷电形成的几种学说 (1) 感应起电学说  激化的水滴在下 落过程中与空气中电 离产生的离子相遇， 水滴下部将俘获负离 子，而正离子则被排 斥而上升，这样整个 水滴就带上了负电荷 (如图1.5)。 图5 水滴感应起电机制 2.3 雷电形成的几种学说 (2)温差起电学说  科学实验已 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 ，在冰中有一小部分的分子处 于电离状态，形成较轻的H＋和较重的羟基（OH－） 离子，并且其浓度随温度的升高而很快增加，温度 较高的部位离子浓度较大，温度较低的部位离子浓 度较低； H＋ 离子的扩散系数和迁移率比 OH－离 子要大10倍以上。因此当冰中有温度梯度时就会出 现离子浓度梯度，如图1.6（a）所示。 2.3 雷电形成的几种学说 (2)温差起电学说 图1 .6 温 差 起 电 机 制 2.3 雷电形成的几种学说 (2)温差起电学说  由于温度热端起初具有较高的正、负离子，而后 沿此浓度梯度，H＋离子扩散的快，导致正、负离 子分离，是冷端获得净正电荷电量，而热的一端 获得净的负电荷，冰体中电荷生成的电场阻止电 荷分离的继续，最后达到动态平衡状态，图1.6 （b）所示。积雨云中的雷电形成有两种方式。一 种是积雨云中的冰粒、雹粒相互碰撞接触时，由 于温度的差异而发生离子的迁移， 2.3 雷电形成的几种学说 (2)温差起电学说  在重力和气流的双重作用下，使雷雨云中的正、 负电荷分布发生差异；另一种是积雨云中的过冷 却水滴，遇凝结核时快速凝结形成冰壳，同时放 出潜热，当冰壳内的水逐渐凝结，导致冰壳体积 增大而使外层冰壳破裂而产生冰屑。这种冰屑是 带正电的，他们较轻而小，易被上升气流携至云 的上部。所以，积雨云的上部聚集大量的正电荷。 2.3 雷电形成的几种学说 (3) 破碎起电学说  观测表明，雷雨云底部有相当数量的大水滴，其 半径超过毫米，在大气电场的作用下，大水滴的上部 为负电荷，下部为正电荷。大水滴在强烈的上升气流 作用而破碎。如图1.7所示，最初水滴被变为扁平状， 然后其下表面被气流吹成凹进去，形成以液体圆环为 外边界的、环状大口袋，时产生许多小水滴。较大的 水滴带正电荷，较小的水滴带负电荷，由于较小的水 滴质量轻，会被上升气流携带到云的上部，而带正电 荷的较大水滴因重力沉降聚集的云底附近。因此，雷 雨云的底部往往出现一定数量的正电荷。 2.3 雷电形成的几种学说 (3) 破碎起电学说 图1.7 雨滴破碎起电机制的剖面图