2023年12月21日发(作者：)
防雷技术专题讲座第一讲雷电的成因及各种参数特性
蔡振新
【摘 要】From the aspect of basic knowledge of lightning protection
technology, the causes of lightning generation and its harm were
discussed, and the parameter characteristics were analyzed, the caculation
method of lightning parameter was proposed. It has positive significance
for designers to understand and master building lightning protection
technology.%从雷电的基础知识入手，详细论述了雷电的成因机制及其产生的危害，分析了各种雷电参数的特性，并给出了一些有关雷电参数的精典计算，对于广大电气设计人员了解、掌握建筑物防雷技术具有积极的意义。
【期刊名称】《现代建筑电气》
【年(卷),期】2012(000)009
【总页数】6页(P54-59)
【关键词】雷电;成因;参数特性
【作 者】蔡振新
【作者单位】上海市防雷中心,上海201615
【正文语种】中 文
【中图分类】TU856
0 引言
雷电这种特殊的自然现象，伴随着地球的生成而来到了世间。据资料表明，在地质沉积物中所检测到的古代闪电熔岩已有250 000 000年的历史。许多科学家认为，在早期大气向现状的演变过程中以及在地球生命的起源中，闪电都起着重要作用。
根据气象观测资料、卫星观测资料及电学观测资料的估计表明，在任一时刻，全球表面上连续发展着大约1 000个雷暴。虽然雷暴活动主要出现在较低纬度地区，但有时在两极地区也能观察到。根据雷暴对流起源所预期的分布，与雷暴的全球分布相符合。全球雷暴分布如图1所示。
我国幅员辽阔，南北纬度跨度约40°，东西经度横跨60°，因此雷电分布很不均匀。据统计，我国雷暴最多的海南澄迈地区，年平均雷暴日为189 d;雷暴日最少地区为新疆吐鲁番地区，年平均雷暴日仅为几天;长江中下游地区约为40 d。虽然大多数雷暴在春季和夏季的中午前后发生，此时对流位势常为最大，并有足够的水汽，但作为锋面活动的结果，在中纬度一年四季都能观测到雷暴。更甚者，冬季时雷暴常在北大西洋上空发生，此时寒冷的北极空气流过墨西哥湾暖流上空。
1 雷电的成因机制
1．1 雷云的发生
即使有因沙暴、火山爆发、大火灾等种种原因而发生雷电现象，但最普通的雷云是在上层大气和下层大气构成不安定的、成层的积乱云时发生的。在气流上升的同时，伴随着绝热膨胀而使空气温度下降，引起水蒸气的凝结、结冰而放出大量的潜热。随着气流上升，温度的下降程度减少，最终到达对流圈的附近。
雷云按其发生的机理可分类如下:
(1)热雷。由于夏季的日照强烈，地面附近空气受热，气流上升而发雷。热雷如发生在山沟，即称为山雷。
(2)界雷。在寒暖两气团互相接近处形成上升气流而发雷。
(3)低气压性雷。由于台风或低气压的收缩性气流产生上升气流而发雷。
这些雷雨发生的原因，不是单独存在的，多数场合是组合条件下发生的。
图1 全球雷暴分布图
1．2 雷云中电荷分离的机理
由雷云的气象学和电学的观测结果可能作出的定性和定量说明来看，认为在过冷却水滴和冰晶共存的空间，在霰和冰雹生成过程中，产生的电荷分离起主要作用。
主要的电荷分离学说可列举如下:
(1)辛普森的水滴分裂学说。水滴在空气中分裂，由雷纳德效应使水滴带正电，而在空气中生成负离子，负离子随上升气流吹向上部，形成上部为负、下部为正的带电状态。
(2)莱石姆-玛松理论。过冷却水滴在结冰过程中形成霰、冰雹和冰晶，但因在结冰时放出潜热，温度较高的冰粒(霰或冰雹)带负电，温度较低的小冰片带正电，带有负电荷的较重的冰粒因重力落下，而带有正电荷的小冰片随上升气流而飘到云的上部，形成垂直双极子状态。
(3)修正的玛松理论。雷云中生成的冰雹在晴天由于电场极化作用，感应产生出上部为负、下部为正的极化电荷，冰晶从其下部翻滚。由于带走正电荷的一部分，因此冰雹带负电，而冰晶带正电。这些正、负电荷由于重力和上升气流的作用而分离，进一步加强了电场，而迅速地进行电荷分离。
1．3 雷电放电
由于雷云中的电荷在地面产生强大电场，使地面突起物发生电晕放电，而在大气中形成空间电荷，即在雷云下面的负电荷与地表面之间存在正的空间电荷。在雷云放电时，伴随地面电场的急剧变化，因雷放电和观测点的相对位置、放电电荷量、放电形式等的不同而异，而在距离1～2 km内放电时约为20 kV/m。
雷电发生的种类，按放电发生的对象不同可分类如下:
(1)云内放电。在同一雷云内正负电荷间发生放电。
(2)云间放电。在不同雷云间正、负电荷间发生放电。
(3)云对大地放电。在雷云的电荷与大地感应出的电荷间发生放电。
(4)云对大气放电。雷云的电荷和近傍大气之间发生放电。
在雷云对大地放电过程中，由于极性、先导放电的进展方向不同有以下四种方式。
(1)向下负雷击。从负的雷云电荷引向大地，有负的先导放电向下进展。这是最通常的大地放电形式。
(2)向下正雷击。从正的雷云电荷引向大地，有正的先导放电向下进展。
(3)向上负雷击。从大地引向负的雷云电荷，有正的先导放电向上进展。
(4)向上正雷击。从大地引向正的雷云电荷，有负的先导放电向上进展。
1．4 关于雷电的各种统计
(1)各月雷雨发生次数。在我国，如把雷雨发生次数按月来比较，则以6、7、8、9月最多，这是因为盛夏时强日照的作用，并以热雷居多。
除此以外，从季节的变化来看，伴随气流前沿的界雷易于发生，并多以春雷、黄梅季节较多。在我国北方，冬季的雷较多。
(2)按时刻区别的雷雨发生次数，由全年的发雷时刻统计来看，以14:00～16:00为最盛期，但在夏季以外，由于界雷是主要的，故与时刻的关系不大。
(3)雷电的其他电参量。雷电参量(向下闪电)如表1所示。
表1 雷电参量表大于表中数值所占百分比次数参量5%大于2 kA的电流幅值/kA
101 第一负闪击和负闪电 14 30 80 135 随后负闪击 4．6 12 30 26 正闪击 4．6
35 250电荷/C 93 第一负闪击 1．1 5．2 24 122 随后负闪击 0．2 1．4 11 94
负闪电 1．3 7．5 40 26 正闪电 20 80 350脉冲电荷/C 90 第一闪击 1．1 4．5
20 117 随后负闪击 0．22 0．95 4．0 25 正闪电 2．0 16 150
续表大于表中数值所占百分比次数参量5%到达峰值时间/μs 89 第一负闪击 1．8
5．5 18 118 随后负闪击 0．22 1．1 4．5 19 正闪电 3．5 22 200 d i/d t最大
值/(kA/μs)92 第一负闪击 30 75 200 122 随后负闪击 6．5 32 140 21 正闪电 25
230 2000作用积分/(A2·s)91 第一负闪击和负闪电 6．0 ×103 5．5×104 5．5
×104 88 随后负闪击 5．5 ×104 6．0×103 5．2 ×104 26 正闪电 2．5×104
6．5×104 1．5×107
表1中统计参数是由Berger等人，根据圣萨尔瓦托铁塔、意大利观测站及纽约帝国大厦实测统计资料得到的相关参数，具有一定的参考价值。
大量雷电流的测量是采用置于高压输电线的磁钢棒。这类测量的某些局限性或误差主要有下列几点:
①测量磁钢棒的剩磁时，操作应十分谨慎。
②磁钢棒与角铁磁心之间的最短距离应足以使几kA以下的电流无法检测出来，不过这一电流下限并非是不变的。此外，磁钢棒还会由于强雷电流而出现饱和。
③流过格状杆塔的放电电流，将在四根角柱和横架之间以复杂的方式引流，而且在格状结构中，还会因地线电流而形成感应电流。
④由于流过地线和塔体的电流之间存在相移，因此这些电流的代数和结果将会过高估计雷电流。
⑤流过地线和塔体的工频事故电流对磁钢棒有影响。
⑥运输过程中，周围磁化的钢棒和颠簸对磁钢棒的制磁有影响。
因此，近年来，大多采用高速阴极射线示波器记录雷电流大小，也有用罗夫科斯线圈来记录雷电流的幅值，但后者同样存在仪器标定的误差。
关于雷电流的大小与我国观测资料基本相符，如上海电力系统闪电定位仪2003～2006年统计资料表明，位于长江中下游地区的上海雷电电流幅值小于40 kA占90%、大于100 kA占5%，3年中只测到1次大于120 kA的正闪电。
因此，针对目前情况，我国一些防雷工作者在实施防雷工程中片面强调第一级SPD选用50 kA以上10/350μs是没有道理的。采用大量的财力、物力保护仅占
零点几的大电流概率得不偿失。况且即使50 kA以上10/350μs的雷电流侵入到设备，前端电缆及电器设备都难以承受，采用SPD是很难保护的。因此，建议从LPZOA、LPZOB进入LPZ(即架空线)的配电箱，选用I imp=15 kA的SPD就足够了。
当然，有些地方采用闪电定位仪测到300 kA甚至700 kA的雷电流幅值，即使为偶发事件，对测量仪器是否正确持一定看法。
关于雷电波形，这几年国内争论比较多。从圣萨尔瓦托山和意大利观测站获取的大量雷电流波形图表明，没有一幅雷电流波形图是雷同的，这是因为雷电流的波形与雷电流大小及雷击回路中的电感、电阻、电容有关，特别是受雷击回路中的电阻及电感影响最大。不过尽管波形不同，却发现始终具有相似的电流上升前沿。打在圣萨尔瓦托塔体上的闪击中，常见负电流波形的前沿到达电流峰值的中值时间为5．5μs，在意大利观察研究站，比值为7 s。
习惯上用电流波形起始时刻至幅值下降为半峰值的时间来表征雷电脉冲部分的波尾。从圣萨尔瓦托的90次记录求得半峰值时间中值为75μs，根据意大利19次记录求得的结果表明，半峰值时间特别短，仅为44μs。在正闪击中，从圣萨尔瓦托铁塔21次记录中求得电流中值前沿时间为22 μs，半峰值时间为230 μs。
由此可见，目前泛泛讨论雷电的波形毫无意义，况且以上波形仅仅是在铁塔回路中雷电流的波形，而在电源、信号线回路中的雷电流波形又是一回事。目前，IEC规范标准中推荐的Ⅰ级分类试验产品测试波形为10/350μs，Ⅱ级分类试验产品测试波形为8/20μs，Ⅲ级分类试验产品测试波形为1．2/50μs和8/20μs组合波，这是为了防雷产品测试的统一要求推荐的波形，并非是回路中的真实波形。
关于雷电能量的频率分布特性。整个闪电源扰动所形成的频谱分布很有实用价值。通常，频率范围可划分为三个频段，并设特性受源信号S及传播过程中畸变P的特性在各频段中基本不变，则三个频段的天电特性如表2所示。
表2 天电特性近似特性频 段传播低频及更低频率(f＜300 kHz)孤立的瞬变信号，其数量随频率的升高而增多在地和较低部位的电离层之间所构成的准波导通道中传播中频和高频(300 kHz～30 MHz)存在大量脉冲 取决于电离层的反射甚高频及以上频率(f＞30 MHz)开始时出现大量脉冲，然后随频率升高而急剧减少信号穿透电离层，以准视线方式传播
许多天电具有丰富的极低频(0．3～3 kHz)，甚至具有更低的频率，当天电远距离传播时，极低频信号就更为突出，甚至产生40 Hz以下的极低频。
近几年，许多学者对雷电频谱作了大量研究，得出一般雷电的频谱主要落在几Hz～30 MHz之间，且呈不连续分布，较多的集中在300 kHz～1 MHz之间。因此，雷击电磁脉冲对于50 Hz的交流信号属高频信号，但对于3 GHz左右的特高频通信，它还是属于低频信号。
1．5 雷电的参数计算
1．5．1 热效应
式中:Q——一次闪击雷电流发出的热量，J;
I——雷电流，A;
R——雷电流通道的电阻，Ω;
t——雷电流持续的时间，s。
1．5．2 温升
式中:ΔT——雷击点温升，K;
Q——一次闪击雷电流发出的热量，J;
m——通过雷电流的物体的质量;
C——通过雷电流的物体的比热容，J/(kg·K)。
最高通道的温度可达6 000～30 000℃。
1．5．3 电动力
式中:F——电动力;
L0——导线长度;
d——导线之间的距离;
i1、i2——流经导线的电流。
1．5．4 局部RC回路放电规律
式中:U c——雷电发生后，局部高电压地区与大地之间瞬间的电压;
U——发生闪击瞬间，即T=0瞬间局部高电压地区对大地间的电压，V;
R——高电压局部地区对大地的散流电阻;
C——局部高电压地区对雷云之间的电容，C;
Q——局部高电压地区积累的电荷量，C。
一般架空高压线雷击产生过电压为300～400 kV;一般架空低压线雷击产生过电压为100 kV;一般电信线路雷击产生过电压为40～60 kV。
1．5．5 开口金属环上最大雷电感应电压
式中:E m——感应电势，V;
M——互感系数，H;
d I/d t——闪击电流变化率，A/s。
又因
式中:H——磁场强度，A/m;
B——磁感应强度，T;
Φ——穿过金属环的磁通量，Wb;
μ0——空气磁介常数，μ0=4π ×10－7 H/m;
l——矩形金属环的长度、宽度，m;
L——闭环积分线路，m;
S——矩形金属环的面积，m2。
各符号含义如图2所示。
图2 避雷针附近的开口金属环
若避雷针与金属环之间的夹角为α，则
1．5．6 雷电反击电压
式中:i——雷电流，kA;
Ri——接地装置的冲击电阻，Ω;
L0——单位长度(电感约1．55 μH/m);
l——引下线长度;
d i/d t——雷电流陡度，kA/μs。
对电阻压降击穿强度为500～600 kV/m;对电感压降击穿强度为1 000～1 200
kV/m;木材、砖石等非金属压降击穿强度为250～500 kV/m。
1．5．7 雷电流电荷量Q和单位能量
式中:I——雷电流幅值，A;
T2——半峰值时间，s。
1．5．8 输电线路的雷击跳闸率
式中:h b——避雷线对地平均高度;
η——建弧率，η =4．5 ×E0．75－14(%);
E——绝缘子串的平均运行电压梯度有效值，kV/m。中性点接地系统 E=中性点非接地系统E=U e/(2L j)。
U e——线路额定电压有效值，kV;
L j——绝缘子串闪络距离，m;
g——击杆率;
P1——雷电流幅值描述耐压水平I1的概率;
P a——绕击率，100 m线路每年绕击次数λ'PA=0．6 h b P1;
P2——雷电流幅值超过耐压水平I2的概率。
［1］ GB 50054—2010 建筑物防雷设计规范［S］．
［2］ GB 50343—2012 建筑物电子信息系统防雷技术规范［S］．
