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电气安全技术 第四章 雷电与电磁防护 王玉洁 4.1 雷电危害及防范 4.2 电磁危害及防护 4.1 雷电危害及防范 4.1.1 雷电现象 闪电 Storm，雨 Rain 雷电基本知识 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。 雷电是一种神秘而壮观的自然现象，从古到今为人们所关注。对雷电的科学认识是从富兰克林开始的。1774-1750年，他针对雷电做了一系列的实验，揭示了雷电是一种大气火花放电现象的秘密。然而，关于雷电的大部分知识还是在20世纪以后，不断丰富积累起来的。 雷电是云与云之间或云与地之间产生的放电现象。雷雨云是产生雷电的先决条件。 所谓雷击，就是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层，或者是带电的云层对大地之间迅猛的放电。这种迅猛的放电过程中产生的强光就是闪电，伴随的巨大的轰鸣声就是打雷。 云层之间的放电主要对飞行器有危害，对地面上的建筑物和人畜没有很大影响。云层对大地的放电，则对建筑物、电子设备和人畜危害很大，这就是我们主要防护的对象。 雷电流也是电流，它具有电流的一切效应，不同的是它能量大、时间短。峰值电流有几十～几百KA，持续时间仅为几十毫秒至几百毫秒。每个闪电的强度可以高达10亿伏，一个中等强度的雷暴的功率有10万千瓦，相当于一个小型核电站的输出功率。 雷云是产生雷电的基本因素，而雷云的形成必须具备下列三个条件： 　(1)空气中有足够的水蒸汽； 　(2)有使潮湿的空气能够上升并凝结为水珠的气象或地形条件； (3)具有气流强烈持久地上升的条件。 一般认为，雷云是在某些适当的气象和地理条件下，由强大的潮湿热气流不断上升进入稀薄大气层后冷凝的结果。 在夏季，由于太阳的照射，使得地面上的水分部分地转化为蒸汽，同时地面本身也因吸收太阳的辐射热量而温度升高，这种晒热的地面又将进一步加热地面附近的暖湿空气。空气受热后发生膨胀，其密度减小，压强也减小，因此热空气就会上升，从而形成上升的热气流。 太阳辐射几乎不能直接使空气变热，热气流每上升1km，其温度约下降6°。当热气流上升到高空稀薄大气层遇到这里的冷空气时，气流团中的水蒸气就会冷凝并结成小水滴，形成热雷云。在一定的地形条件下，往往会促成热雷云的形成，如图所示。 在夏季日照期间，山脚处与山顶处的空气之间，当冷气团或暖气团水平移动时，在其前锋交界面两侧，温度相差很大，锋面下侧的冷气团将锋面上侧的暖气团抬高，形成锋面雷云，如图所示。与热雷云相比，锋面雷云的覆盖范围是相当大的。 在电磁感应的作用下，会在地面产生大量的异极电荷。这样带有大量不同极性电荷的雷云之间或雷云与大地之间就形成了强大的电场，当雷云与大地之间在某一方位的电场强度达到25～30kV／cm时，雷云就会开始向这一方位放电，形成一个导电的空气通道，称为“雷电先导”。 雷电参数 为了对雷电的一些特征进行数学描述，引进了一些概念或者叫参数。 1、雷电流波形 雷电的实质是电现象，实测结果表明，雷电流是单极性的脉冲波，并且对地放电的雷云绝大多数带负电荷。对脉冲波形的雷电流，需要三个主要参数来表征。 这三个参数为：幅值、波头和波长。 2、平均雷电日 （1）平均雷电日 一天中只要听到一次以上的雷声就算一个雷电日。不同年份的雷电日变化较大，所以采用多年平均值。下图为我国雷电日分配示意图。 （2）雷电小时 一小时内听到一次以上的雷声就算一个雷电小时。 （3）地面落雷密度 每个雷电日每平方公里地面上的平均雷击次数。 ?? 在炎热潮湿的国家里，雷电是非常频繁的，所以人们叫它做永久雷电带。在阿比西尼亚的刚大隆平均雷电日为230个，爪哇雷电日为220个，雅加达为138个，在南美洲的赤道地带，全年都可以听到隆隆的雷声。 平均雷电日数在赤道是100-150天，热带是75-100天，中纬度是30-50天，而在极圈附近只有几天。 我国东北、华南、福建、四川雷电日多，雷州半岛133个；西北雷电日较少，如新疆、青海最少的为0.1-0.3天。 哈尔滨：120， 沈阳：50， 北京：35， 上海：30， 新疆：15， 福建：130， 广东：100， 四川：80， 兰州：15， 内蒙：20 雷电最易攻击之处 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。 在地面电阻率发生突然变化的地方，局部特别潮湿