雷电及其放电过程

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1、雷电及其放电过程雷电是一种恐怖而又壮观的自然现象，这不仅在于它那划破长空的耀目闪电和令人震耳欲聋的雷鸣，重要的是它给人类生活带来巨大的影响。且不说雷电促成有机物质的合成可能在地球生命起源中占有一定的地位，以及雷电引起的森林火灾可能启发了远古人类对火的发现和利用；仅在现代生活中，雷电威胁人类的生命安全，常使航空、通讯、电力、建筑等许多部门遭受破坏，就一直引起人们对于雷电活动及其防护问题的关注。雷电放电是一种气体放电现象，由其引起的过电压，叫做大气过电压。它可以分为直击雷过电压和感应雷过电压两种基本形式。雷电放电是

2、由于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的认识。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，形成一些局部带正电的区域。雷云的底部大多数是带负电，它在地面上会感应出大量的正电荷。这样，在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间，或者雷云和大地之间形成了强大的电场，其电位差可达数兆伏甚至数十兆伏。随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过了大气游离放电的临

3、界电场强度（大气中约30kV/cm，有水滴存在时约10kV/cm）时，就会发生云间或对大地的火花放电；放出几十乃至几百安的电流；产生强烈的光和热（放电通道温度高达15000oC至20000oC），使空气急剧膨胀振动，发生霹雳轰鸣。这就是闪电伴随雷鸣，叫做雷电之故。大多数雷电发生在雷云之间，它对地面没有什么直接影响。雷云对大地的放电虽然只占少数，但是一旦发生就有可能带来严重的危险。这正是我们主要关心的问题。实测表明，对地放电的雷云绝大多数带负电荷，根据放电雷云的极性来定义，此时雷电流的极性也为负电荷。雷云中的负电

4、荷逐渐积聚，同时在附近地面上感应出正电荷。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。这一放电阶段称为先导放电。先导放电通道具有导电性，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，先导通道发展临近地面时，由于局部空间电场强度的增加，常在地面突起处出现正电荷的先导放电向天空发展，称为迎面先导。当先导通道到达地面或者与迎面先导相遇以后，就在通道端部因大气强烈游离而产生高密度的等离子区，此区域自下而上迅速传播，形成一条高导电率的等离子

5、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，这就是主放电过程。与先导放电和主放电对应的电流变化同时表示时，先导放电发展的平均速度较低，约1.5×105m/s，表现出的电流不大，约为数百安。由于主放电的发展速度很高，约为2×107～1.5×108m/s，所以出现甚强的脉冲电流，可达几十乃至二、三百千安。以上描述的是雷云负电荷向下对地放电的基本过程，可称为下行负闪电。在地面高耸的突起处（如尖塔或山顶），也可能出现从地面开始的上行正先导向云中的负电荷区域发展的放电，称为上行负闪电。与上面的情况类似，带正

6、电荷的雷云对地放电，也可能是下行正闪电，或上行正闪电。雷电观测表明，先导放电不是一次贯通全部空间，而是间歇性的脉冲发展过程，称为分级先导。每次间隙时间大约几十微秒。而且，人们眼睛观察到的一次闪电，实际上往往包含多次先导-主放电的重复过程，一般为2—3次，最多可达40多次。发生多重雷电放电的原因可作如下解释。雷云是一块大介质，电荷在其内部不容易运动。因此如前所述，在雷云积聚电荷的过程中，就可能形成若干个密度较高的电荷中心。第一次先导-主放电冲击，主要是泄放第一个电荷中心及其已传播到先导通道中的负电荷。这时第一次冲

7、击放电过程虽已结束，但是雷云内两个电荷中心之间的流注放电已开始，由于主放电通道仍然保持着高于周围大气的导电率，由第二个及多个电荷中心发展起来的先导-主放电以更快的速度沿着先前的放电通道发展，这就出现了多次重复的冲击放电。实际观测表明，第二次及以后的冲击放电的先导阶段发展时间较短，没有分叉。观测还表明，第一次冲击放电的电流幅值最高，第二次及以后的电流幅值都比较低，但对GIS变电站的运行可能造成一定程度的危险；而且它们增加了雷云放电的总持续时间，对电力系统的运行同样会带来不利的影响。带有大量电荷的雷云（实测表明多为

8、负极性），在其周围的电场强度达到使空气绝缘破坏的程度（约25~30kV/cm），空气开始游离，形成导电性的通道，通道从云中带电中心向地面发展。在先导通道发展的初级阶段，其方向受偶然的因素影响而不定。但当距离地面达某一高度时，先导通道的头部至地面某一感应电荷的电场强度超过了其它方向，先导通道大致沿其头部至感应电荷的集中点的方向连续发展，至此放电发展才有方向。如果配电网中的线路或设备遭受雷