雷电的形成与危害

1、雷电的形成与危害第1页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四内容幻灯片标题1第二章 电流及电磁场对人体的影响23456第七章：用电设备安全7891011第八章 电工测量第一章 电工基础第三章 变配电装置第四章 配电线路第五章 触电防护第六章 漏电防护装置第九章 电气防火与防爆第十章 防雷防静电第十一章 触电急救第2页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四第十章 防雷防静电 第3页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四课程设计教学对象特种作业人员时间2012年9月30日课时4教学课题第十章 防雷防静电教学目的及要求清楚雷电及危害，熟悉防雷措施

2、（重点，尤其是计算），掌握静电危害及防护教学重点 雷电及危害、防雷措施（重点，尤其是计算）静电危害及防护教学难点相同教学方法讲授、启发教具投影仪教学步骤第4页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四雷电与危害一、雷电的形成二、雷电的危害第5页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四前 言 雷电是一种强对流天气灾害。被联合国十年减灾委员会列为“对人类生活影响最严重十种自然灾害之一”；被中国电工委员会称为“电子时代的一大公害”。 我国每年因雷电灾害造成人员伤亡为3000-5000人，财产损失为70-100亿元。 雷电研究和雷灾防护对安全生产和国防安全都十分重要。 第

3、6页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四一.雷电的形成 雷暴：雷电是积雨云强烈发展阶段产生的闪电雷鸣现象，气象上称之为雷暴。 雷暴发展的三个主要条件： 1、非常湿润的空气；(空气的运动产生电荷) 2、潜在的大气不稳定性； 3、靠近地面的空气产生上升运动的激发作用。第7页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 积雨云的电结构 单体雷暴形成阶段（15-20m/s)成熟阶段（20-30m/s)消散阶段淡积云浓积云积雨云第8页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四雷暴范围： 雷暴半径为1020公里、移动平均速度为2030公里、雷声可闻（人听）距离

4、为15公里（更为准确的可用雷电定位系统）、持续时间，温带弱雷暴约1小时，夏天强雷暴约3小时以上。 第9页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四雷暴特点： 时间短促、发生范围广、发生频率高、立体性强、富于神秘性、在任一时刻，全球表面上连续发展着大约1000个雷暴。雷暴主要出现在较低纬度，但两极也能观测到。形成原因，雷暴形成其实就是闪电的形成。闪电可在云内、云间、云地之间产生。 第10页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 雷击过程 当天空中有雷雨云的时候，因雷雨云带有大量的电荷，由于静电感应的作用，雷雨云下方的地面和地面上的物体都带上了与雷雨云相反的电荷，当

5、雷雨云与地面之间的电压高到一定的时候，雷雨云与地面上突出的物体之间就会出现放电。第11页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四单次闪击和多次闪击 由一次闪击构成的地闪称为单次地闪，由一次以上的闪击构成的闪击称为多次闪击。通常一次地闪过程多由24次闪击构成，个别地闪过程的闪击数可达26次之多。多次地闪的各闪击间隙时间在无连续电流的情况下平均为50ms左右，变化范围为338 ms。一次地闪的持续时间平均为0.2S左右，变化范围为0.012S左右。第12页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 雷电放电具有重复性，第一闪击后的各闪击称为随后闪击。一次雷电平均包括3

6、次至4次放电，通常第一次放电的电流幅值最高，因此第一次放电它对防雷设计至关重要。第13页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 二、雷电的分类 大量的观测事实表明：大地被雷击时，多数是负电荷从雷雨云向大地放电，称之为负地闪；少数是正电荷从雷雨云向大地放电，称之正地闪。 在一块雷雨云发生的多次雷击中，最后一次雷击往往是雷雨云上的正电荷向大地放电。 云层是否发生闪电，取决于云体的电荷量及对地高度或者说是云地间的电场强度。 第14页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四根据闪电出现位置、形状、声音和危害分类闪电空间位置晴天放电雷云闪电云内闪电云际闪电云地闪电正地闪

7、负地闪闪电的性质线状闪电带状闪电片状闪电链珠状闪电球状闪电闪电形状相对建筑物受雷击危害直击雷侧击雷闪电感应闪电的声音有声闪电无声闪电云地闪仅占六分之一第15页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四云内放电第16页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四云际放电第17页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四云地放电 第18页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四线状闪电第19页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四球形闪电第20页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四三. 描述雷电活动和雷电

8、流特征参数 雷电产生与地理位置、地质条件、季节和气象因素有关。 夏季是雷电的多发季节，低纬度多于高纬度地区，山区多于平原。 在同一地区不同时间发生的雷电强度也不同，各地闪电电流大小和波形差别很大。 一般平原地区比山地雷电流大，正闪击比负闪击大，第一闪击比随后闪击大。 因此, 雷电活动的时、空分布规律和雷电流的大小，雷电流的波形是描述雷电流特征的重要参数。 第21页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四参数主要包括： 雷电小时、雷电日、季、年等时间分布规律； 地面落雷密度等空间分布规律； 雷电波形、雷电流强度等特征参数。第22页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，

9、星期四雷暴日： 指该天发生雷暴的日子，即在一天内，只要听到雷声一次或一次以上的就算一个雷暴日，而不论该天雷暴发生的次数和持续时间。 表征不同地区雷暴活动的频繁程度。 雷暴日的统计通常分月雷暴日、季雷暴日和年雷暴日等。 第23页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 月雷暴日：是指一个月是雷暴的天数，单位天。它反映的是一月内雷暴活动日的多少； 季雷暴日：是一个季度内雷暴天数； 年雷暴日：是一年中的雷暴天数。能可靠地反映全年雷暴的活动。 但所有雷暴日都不能反映一天中雷暴发生多少次或雷暴持续时间。第24页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 我国各地年平均雷暴日

10、的大小与当地所处的纬度以及距海洋的远近有关。 “建筑物电子信息系统防雷技术规范“(GB50343-2012)”中雷暴日划分的标准为： 1少雷区：年平均雷暴日在25d及以下的地区；2中雷区：年平均雷暴日大于25d，不超过40d的地区；3多雷区：年平均雷暴日大于40d，不超过90d的地区；4强雷区：年平均雷暴日超过90d的地区。第25页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四我国一些重要城市的年平均雷暴日 地 名雷暴日数（d/a）地 名雷暴日数（d/a）地 名雷暴日数（d/a）地 名雷暴日数（d/a）北京市36.3苏州市28.1郑州市21.4自贡市37.6天津市29.3南通市35.

11、6洛阳市24.8贵阳市49.4上海市28.4徐州市29.4三门峡市24.3遵义市53.3重庆市36.0杭州市37.6武汉市34.2昆明市63.4石家庄市31.2宁波市40.0宜昌市44.6拉萨市68.9太原市34.5温州市51.0长沙市46.6西安市15.6呼和浩特市36.1合肥市30.1衡阳市55.1兰州市23.6包头市34.7蚌阜市31.4广州市76.1汉中市31.4沈阳市26.9安庆市44.3深圳市73.9西宁市31.7大连市19.2福州市53.0湛江市94.6银川市18.3长春市35.2厦门市47.4南宁市84.6乌鲁木齐市9.3吉林市40.5南昌市56.4柳州市67.3海口市104.

12、3哈尔滨市27.7济南市25.4桂林市78.2琼中115.5南京市32.6青岛市20.8北海市83.1香港34.0常州市35.7烟台市23.2成都市34.0台北市27.9第26页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四四、雷电的空间分布参数 地面落雷密度：对于雷电放电来说，云与云之间的放电次数多于云对地放电次数，而上述雷暴日或雷暴小时对于这一事实没有加以区分。从防雷角度分析，地闪发生的频数是确定地闪对人类和建筑物的最重要的参数。 第27页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 雷云对地放电的频繁程度，用地面落雷密度Ng来表示。 定义：每个雷电日每平方公里上的平

13、均落雷次数，又称闪电频数。设计规范P59第28页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 GB20057-2010附录 A 雷击大地的年平均密度公式简化 Ng = 0 . 1 T d (次/km2 a ) 式中： T d 年平均雷暴日， 根据当地气象台、站资料确定( d / a )设计规范P59第29页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 雷电流具有单极性的脉冲波形， 大约有80-90%的雷电流是负极性的， 常见的负电流波形前沿呈拱形。 雷电流的波形特点：第30页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四GB20057-2010附录F 雷电流闪

14、电中可能出现的三种雷击短时首次雷击后续雷击长时间雷击第31页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四GB20057-2010附录F 雷电流表 首次正极性雷击的雷电流参量雷电流参数防雷建筑物类别 一类二类三类I幅值（kA） 200150100T1波头时间（s） 101010T2半值时间（s） 350350350Qs电荷量（C） 1007550W/R单位能量（MJ/） 105.62.5第32页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四GB20057-2010附录F 雷电流表 首次负极性雷击的雷电流参量雷电流参数防雷建筑物类别 一类二类三类I幅值（kA） 1007550

15、T1波头时间（s） 111T2半值时间（s） 200200200平均陡度I/T1 ( kA/s) 1007550第33页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四GB20057-2010附录F 雷电流表 首次负极性以后雷击的雷电流参量雷电流参数防雷建筑物类别 一类二类三类I幅值（kA） 5037.525T1波头时间（s） 0.250.250.25T2半值时间（s） 100100100平均陡度I/T1 ( kA/s)200150100第34页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四本节复习思考题 一、填空题 1、国内的科学家关于雷电的形成，并先后提出很多雷电形成的理

16、论和假说，目前比较流行的几种理论。(1)感应起电学说；(2)破碎起电学；(3)温差起电学说。 （热对流云、雷雨云降水、云雾粒子扩散） 2、云闪指不与大地和地物接触的闪电，它包括云内闪电；云际闪电；云空闪电三种。 3、根据闪电电流极性，地闪可分为正地闪和负地闪两类。 第35页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四本节复习思考题 二、判断题 1、从雷电监测资料来看，云地间闪电中，负闪电占闪电总数的95以上；正闪电占闪电总数的5以上。 () 2、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。 () 3、通

17、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。 () 第36页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四本节复习思考题 三、选择题 1、福建省近45年雷电日数统计资料表明：福建省平均初雷日和平均终雷日分别在(c)。 A、 2月下旬和9月下旬 B、 2月中旬和10月中旬 C、2月上旬和11月上旬 2、雷电过电压波是持续时间极短的(C)。 A、方波 B、正弦波 C、脉冲波 D、谐波 3、(B)是根本的损害源。 A、雷电 B、雷电流 C、雷电过电压 D、雷电高电压 第37页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四雷电有什么特点？ （1）

18、电压高、电流大、能量释放时间短，因此被坏力相当大。 （2）电流幅值大，冲击性强。放电时雷电流的幅值一般为几十千安，最大可达300500kA，甚至更大。 （3）电流上升的速度即陡度大，一般为3050kA/s。 （4）雷电的冲击电压高，一般为几十到几千kV。 （5）放电时间短，一般为十几微秒，最大为500ms。第38页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四第二节 雷电的危害第39页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四闪电感应雷电危害直 击 雷静电感应雷电反击雷电脉冲电磁感应冲击波效应热效应机械效应雷电的危害第40页，共69页，2022年，5月20日，14点40

19、分，星期四一.直击雷的危害与防护 1、雷电流热效应的危害 雷云对地放电时，强大的雷电流从雷击点注入被击物体，雷电流幅值高达数十至数百千安，可在雷击点局部范围内产生高达600010000C，甚至更高的温度，能够使金属熔化，树木、草堆引燃； 当雷电波侵入建筑物内低压供配电线路时，可以将线路熔断。 雷电流的巨大能量使被击物体燃烧或金属材料熔化的现象都属于典型的雷电流热效应的破坏作用，如果防护不当，就会造成灾害。第41页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四雷击建筑物起火第42页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 在发生雷击时，雷电的机械效应所产生的破坏作用表现

20、为两种形式： 是雷电流流过金属物体时产生的电动力； 是雷电流注入树木或建筑构件时在它们内部产生的内压力。2、雷电流机械效应的危害第43页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 电动力危害 图 两根平行导体 之间的电动力作用 式中 i1 i1两根平行导体上的电流，kA； d导体之间的距离，m； F单位长度导体的电动力，kg/m。 第44页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四图 引下线的走线方式 （a）正确（b）不正确 图 载有雷电流的弯曲导体受力示意第45页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 在被击物体内部产生内压力是雷电流机械效应破坏

21、作用的另一种表现形式。当雷击于树木或建筑构件时，在它们的内部将瞬时地产生大量热量。在短时间内热量来不及散发出去，以致使这些内部的水分被大量蒸发成水蒸气，并迅速膨胀，产生巨大的内压力。 这种内压力是一种爆炸力，能够使被击树木劈裂和使建筑构件崩塌。有关这类现象，国内外均有报道。 内压力危害第46页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 2005年7月在江苏扬州市文昌中路拍摄的历史上被雷击劈裂的百年古银树照片第47页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 在雷云对地放电过程中的回击阶段，放电通道中既有强烈的空气游离又有强烈的异性电荷中和，通道中瞬时温度非常高，这使

22、得通道周围的空气急剧膨胀，以超声波速度向四周扩散，从而形成冲击波。同时，通道外围附近的冷空气被严重压缩，在冲击波波前到达的地方，空气的密度、气压和温度都会突然增大，产生剧烈振动，这种冲击波与爆炸时产生的冲击波是类似的，可以使其附近的建筑物、人、畜受到破坏或伤害。 冲击波向外传播的速度远大于声速，但很快就会衰减，转化为声波，于是人们就能够听到雷鸣声。冲击波的强度与回击时雷电流的大小有关，其破坏作用与波阵面气压和环境大气压有关。3、雷电流冲击波效应的危害第48页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四1、闪电静电感应的危害 闪电的静电感应与电磁感应作用属于闪电的间接破坏作用。由闪电

23、的静电感应与电磁感应所产生的暂态过电压比以上所述的直接破坏作用具有更大的危害范围，它能够损坏建筑物内的信息系统和电气设备，甚至造成人员伤亡，因此，在防雷设计中，倍受到关注。第49页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 在建筑物顶部金属体上静电感应的危害 金属屋顶上的静电感应 第50页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 当先导发展到附近地面时，回击过程便开始，先导通道中携带的负电荷将被地面上的正电荷自上而下地迅速中和，伴随着负电荷的消失，金属屋顶上的正电荷将失去束缚，变为自由电荷，但由于屋顶金属体与地之间的电荷流散路径上存在着数值可观的电阻，这些被释放的

24、正电荷不能以与回击发展同样的速度来消散。第51页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 架空线上感应过电压的形成（a）回击前（b）回击后 在架空线路上静电感应的危害-+-+-shsh-+-+-+-+-雷云雷云第52页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四2、闪电电磁感应的危害 雷电流具有很大的幅值和波头上升陡度，能在所流过的路径周围产生很强的暂态脉冲磁场。根据电磁感应定律，这种快速变化的脉冲磁场交链导体回路时，能在回路中感应出电动势，产生过电压和过电流。 在现代建筑物内，通常布置和铺设着各种电源线、信号线和金属管道（如供水管、供热管和供气管等），这些线路和管

25、道常常会在建筑物内的不同空间构成导体回路或回环，如图中阴影部分所示。 感应回路所端接的电子设备损坏示意图 （a）金属管形成的回路 （b）天馈线形成的回路第53页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四注： 当环路不是矩形时，应转换为相同环路面积的矩形环路。 图中的电力线路或信息线路也可以是邻近的两端做了等电位连接的金属物。 格栅形屏蔽建筑物附近遭雷击时在LPZ1区内环路的感应电压和电流 第54页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 UOc/max =0blH1/max/ T1 （V） 式中：0真空的磁导系数，其值等于4107Vs/（Am）； b环路的宽（m）

26、； l环路的长（m）； H1/maxLPZ1区内最大的磁场强度（A/m）； T1雷电流的波头时间（s）。 若略去导线的电阻（最坏情况），最大短路电流isc/ max可按下式确定： isc/ max =0bLH1/ max/ L （A） 式中 L环路的自电感（H）。 在LPZ1区Vs空间内的磁场强度看成是均匀的情况下，上图所示为无屏蔽线路构成的环路，其开路最大感应电压Uoc/max 宜按下式确定：第55页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四阻性耦合： 雷击建筑物1，在接地电阻R1上产生100kV的电位差。该幅值的电压足以闪络设备1和设备2的绝缘距离，这样阻性交叉耦合电涌电流从

27、PE1（等电位连接排）通过设备1，沿着信号线流到设备2、PE2和R2。该浪涌流的幅值（其峰值可达kA）取决于欧姆电阻R1和R2的相对值。R1设备2楼2信号线楼1防雷系统雨积云设备1楼2防雷系统R2 PE2PE1楼1设备1第56页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 在图中，一对信号线连接着两座建筑物内的电子设备，实现这两座建筑物之间的信号通信。这对信号线通过其两端所端接的电子设备输入或输出电路构成一个窄长的回路。当建筑物1（或建筑物2）遭受雷击时，在其防雷装置中流过的雷电流所产生的暂态脉冲磁场将会交链这一窄长回路，在回路中感应出过电压，使电子设备1和2的输入或输出电路受损坏

28、。 （a）信号线之间的回路 通信线路的感应回路感应回路楼1防雷系统楼2防雷系统楼1楼2信号线设备1设备2积雨云感性耦合：第57页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四设备2楼2信号线楼2防雷系统 PE2楼1雨积云设备1PE1感应回路 （b）信号线与地之间的回路 通信线路的感应回路楼1防雷系统第58页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 雷击大地或接闪器，由于接地极电阻Rg上的电位差，雷电通道或接闪器将升至很高电压（约100kV，与其周围相比）。 设备1与设备2之间的信号线与这种雷电通道或接闪器产生容性耦合，耦合电容被充电，引起注入电流（约10A），通过设备

29、1与设备2的绝缘流入大地。设备1设备2楼2Rg容性耦合：第59页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四3、雷击电磁脉冲的危害 （闪电电涌）： 闪电击于防雷装置或线路上以及由闪电静电感应或雷击电磁脉冲引发，表现为过电压、过电流的瞬态波。 第60页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 雷直接击在建筑物防雷装置中各个部位上产生的暂态电位升高现象，对于建筑物内的设备与人员颇具危害性。暂态高电位能够产生很大的暂态电位差，造成对设备的间接雷击；它也能够产生过大的跨步电压和接触电压，对人身安全构成威胁。 在防雷设计中，暂态电位升高也一直是一个倍受重视的问题。由于对暂态电

30、位升高现象的详细分析计算要涉及到许多较为复杂的内容。4、暂态电位抬高的危害第61页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四(1)、电位升高与雷电反击 由电路原理可知，电流流过有电阻与电感串联支路时，将会在该支路上产生压降，支路的总压降中含电阻上压降分量和电感压降分量。 在建筑物遭受雷击时，雷电流沿防雷装置中各分支导体流动，经接地体汇入大地。从工程近似的角度，可以把分支导体看成是具有分布电感和电阻的电路，把接地体等值地看做是集中电阻，即接地电阻。于是雷电流流过防雷装置中各分支导体和接地体时，会在分支导体的电感、电阻和接地电阻上产生压降，使防雷装置中各个部位的对地电位都有不同程度的

31、升高。 由于雷电流持续时间很短，这种电位升高现象所持续的时间也很短，所以称为暂态电位升高。 第62页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 下图给出了一座建筑物的简单防雷装置，当接闪器受雷接闪时 ，雷电流将沿接闪器注入防雷装置，并经引下线和接地体汇入大地。在此雷电流的传输过程中，防雷装置中任意一点可产生很高的暂态电位，它与屋内处于低电位的金属导体有很大的电位差，当着一电位差达到空气击穿强度时，二者之间发生击穿放电，把高电压传到金属导体损坏相连接的设备和危害与金属导体接触人。 防雷装置中的暂态电位抬高第63页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四 由暂态电位升高使防雷装置中的某些部位与周围金属体之间发生空气间隙击穿的现象称为雷电反击。 在发生反击后，被反击的金属体带上高电位，它又有可能继续对其周围的其他金属体反击，从而可能引发多个金属体之间的一系列反击，导致严重的设备损坏和人员伤亡。第64页，共69页，2022年，5月20日，14点40分，星期四(2)、跨步电压与接触电压 在发生雷击时，雷电流流经接地体散入大地，将在周围土壤中产生压降，使附近地面上不同点之间出现电位差。如果人站在这块具