第五章 雷電放電

1、1 第五章第五章 雷電放電雷電放電 2 1. 1. 雷電科學發(fā)展歷史雷電科學發(fā)展歷史 u中國古代對雷電的認識 n公元前1500年殷商甲骨文中就有“雷”字， 稍晚的西周青銅器上有“電”字，他指的是 閃電 n最早的文字記載時東漢哲學家王充（27約 97年）他在論衡中對雷電進行了描述“ 雷者火也。以人中雷而死，即詢其身，中火 則須發(fā)燒焦?！?n故宮：雷公柱 3 1. 1. 雷電科學發(fā)展歷史雷電科學發(fā)展歷史 u公元490年南齊書記載“雷震會稽山陰恒 山保林寺，剎上四破，電火燒塔下佛面，而窗 戶不弄也” u雷電是神靈，多懲罰暴君，百姓中的惡人。如 魯僖公15年（公元前645年）雷擊夷伯之廟， 這是展氏的

2、祖廟，史書未見說展氏有什么罪惡 事跡，但左傳就認為他們祖上有“陰過” 4 1. 1. 雷電科學發(fā)展歷史雷電科學發(fā)展歷史 u但王充、沈括、柳宗元、朱熹等反對神鬼論。 元代末劉基（劉伯溫）（13111375）在劉 文正公文集中講“雷何物也？曰雷者，大氣 之郁而激發(fā)也，陰氣團于陽，必迫，迫極而迸 ，迸而聲為雷，光為電?！?u中國古代的認識只停留在觀察自然界，作理性 思辨，而沒有動手制造儀器，變革所研究的對 象，進行試樣工作，尋找其規(guī)律，因而無法前 進 u我國古廟的防雷措施 5 1. 1. 雷電科學發(fā)展歷史雷電科學發(fā)展歷史 u沈括（10311095年）在夢溪筆談中有 詳細的描述“內侍李舜舉家曾為雷暴所

3、震， 其堂之西屋，雷火自窗間出，赫然出檐。人 以為堂屋已焚，皆出避之。及雷止，其舍宛 然，墻壁窗紙階黔。有一木格，其中雜儲諸 器，其漆器銀扣者，銀悉熔流在地，漆器皆 不焦灼。有一寶刀，極堅鋼，就刀室中熔為 汁，而室亦儼然。人必謂火當先焚草木，然 后流金石。今乃金石皆鑠而草木無一毀者， 非人情所測也。佛書云，龍火得水而熾，人 火得水而滅，此理亦然。” 6 1. 1. 雷電科學發(fā)展歷史雷電科學發(fā)展歷史 u歐美雷電科學的建立 n17世紀歐洲發(fā)現(xiàn)了正電和負電。 n第一個將實驗室人工產(chǎn)生的電（可稱為地電 ）與閃電聯(lián)系起來的是倫敦皇家學會館長 Francis Hauksbee l1706年他觀察摩擦起電的

4、放電不僅產(chǎn)生閃電，而 且產(chǎn)生類似雷鳴的聲音。認為其與雷電類似 n富蘭克林證明二者在12個方面是相似的 7 1. 1. 雷電科學發(fā)展歷史雷電科學發(fā)展歷史 u歐美雷電科學的建立 n著名的風箏試驗（17世紀，富蘭克林）： 240米長的纏繞鋼絲的麻繩上產(chǎn)生20cm的電 火花 n著名科學家G W Richman（17111753）（ 彼得堡科學院院士）觀察雷電而死亡 n高速攝影、記錄示波器、雷電定向定位儀等 現(xiàn)代化測量技術 8 2.2.雷電放電過程雷電放電過程 u基本過程：先導放電階段 ；主放電階段 1 先導放電通道；2 強游離區(qū)；3 主放電通道 30kV/cm 9 2.2.雷電放電過程雷電放電過程 u

5、分級先導：多次先導 主放電的重復過程， 每次間 歇時間為幾十毫秒，放電次數(shù)一般為23次，最多為 次 10 2.2.雷電放電過程雷電放電過程 11 2.2.雷電放電過程雷電放電過程 u雷電放電由帶電荷的雷云引起 u大多數(shù)的放電發(fā)生在雷云之間不危險 u少數(shù)的放電發(fā)生在雷云和大地之間危險 u對地放電的雷云大多數(shù)帶負電荷，實測7590 u 理解以下幾點： 雷云對地放電的實質是雷云電荷向大地的突然釋放 被擊物體的電位取決于雷電流和被擊物體阻抗的乘積 從電源性質看，相當于一個電流源的作用過程 人們能夠測知的電量，重要是流過被擊物體的電流 12 雷電放電基本參數(shù)雷電放電基本參數(shù) u先導放電平均速度：1.5x

6、105m/s，數(shù)百安 u主放電：2x1071.5x108m/s，幾十幾百安 13 雷電的能量和功率雷電的能量和功率 u雷電的瞬時功率很大，但能量卻很小。以中等雷 電為例：雷云電位50MV，電荷Q=8C，則其能量 為： u55kWh電能，約等于4kg汽油。每平方公里每年落 雷0.6次，獲得的雷電能量為33kWh，而每平方公 里長年的功率不足4W，不足以點亮一個燈泡 u瞬時功率：I=50kA,弧道壓降E=6kV/m，雷云 1000m高度計，則主放電功率P為： kWhQVW555 . 0 MWIEhP300000 14 雷電的能量和功率雷電的能量和功率 u雷電的熱效應：雷電通道溫度15000 200

7、00oC，森林大火，16mm鋼筋； u雷電的機械效應：氣體膨脹爆炸， 熱應力 ，電動力 u雷電造成的事故：黃島油庫 15 雷電放電的計算模型雷電放電的計算模型 u開關S閉合前后對應不同的 雷電放電階段（先導放電和 主放電），A點電位發(fā)生變 化，從零突升到u=iZ u先導放電通道具有分布參數(shù) 特征，稱為雷電通道，其波 阻抗為Z0(300 ) u主放電過程，自雷云通過雷 電通道向地面?zhèn)鞑サ碾姶挪?（u0、i0）到達A點 u由c圖得出其彼德遜等值電 路 16 雷電放電的計算模型雷電放電的計算模型 u能夠測知的電量，主要是流過被擊物的電流。跟 據(jù)計算模型（電流源模型）推出雷電波的參數(shù) u國際上定義雷擊

8、小接地阻抗物體時，流過該物體 的電流定義為雷電流 ZZ Z ii 0 0 0 2 2i0Z0 Z A 雷電流源 被擊電路 17 雷電參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)雷電參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù) u雷電流的波形和極性 n 75%90%為負極性 u波形參數(shù)： n波頭時間：1-5s n波長時間：20100s，平均50s，大于 50s 的為1830% n我國在防雷保護中采用的波形：2.6/50s n55%的落雷包含兩次以上沖擊，3-5次沖擊 占25%，10次以上占4%，平均重復3次， 最高紀錄可達42次 18 雷電參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)雷電參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù) 19 雷電參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)雷電參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù) u雷電流幅值的概率分布 n現(xiàn)行標準：

9、n陜南以外的西北地區(qū)及內蒙古 u雷電流的平均陡度和幅值線性相關 88/lgIP 44/lgIP skA I a/ 6 . 2 20 雷電參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)雷電參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù) u雷電日和雷電小時：不足15日為少雷區(qū)，超過40的 為多雷區(qū)，超過90的為強雷區(qū) u地面落雷密度： Td：雷電日數(shù) u我國取=0.07(40雷電日)，國外一般取0.1-0.2 3 . 1 023. 0 d T 21 雷電流的等值波形雷電流的等值波形 雙指數(shù)波 三角波 斜角波 余弦波 22 雷電流的測量和雷擊選擇性雷電流的測量和雷擊選擇性 u采用磁鋼棒，羅果夫斯基線圈，雷電定位 系統(tǒng) u易擊區(qū) n空曠地區(qū)：雷擊高的物體 n山區(qū)：有時山頂物體，有時迎風面 n與地質條件有關：地質有礦物質 23 廣東雷電定位系統(tǒng)廣東雷電定位系統(tǒng) 截止2000年底，廣東省電力系統(tǒng)110kV、220kV及 500kV線路的長度分別為12217km、7972km及1668km 24 接地物體對雷電先導的影響接地物體對雷電先導的影響 u定向高度 nh30m時