雷电与防护技术基础

雷电与防护技术基础湖南省气象局2014年5月1.为什么要研究雷电与防护技术？雷暴活动频繁+雷电灾害严重2.雷电：什么是雷电？雷电如何产生？形成+分类+危害3.雷电防护：有哪些技术？如何进行防护？风评+技术评价+预警+检测内容参考书《雷电学原理》——陈渭民《雷电与防护技术基础》——肖稳安、张小青GB50057-2010《建筑防雷与接地技术》——张小青《雷电与人工引雷》——汪道洪《现代防雷技术基础》——虞昊关象石等雷暴活动频繁雷电灾害严重雷电灾害分布雷电灾害防御难度很大在一定程度上避免或者减少雷电带来的损失PS：气象防雷20年发展历程回顾1.为什么要研究雷电与防护技术？1.为什么要研究雷电与防护技术？雷电是一种大气自然现象，在科学技术不发达的古代，雷电被蒙上了神秘的色彩，除了灾难，它留给人类更多的是迷信和恐惧。直到17世纪中叶，美国科学家富兰克林通过实验证实了天电（雷电）与地电的同一性，并发明和使用了“避雷针”，人们才逐步对雷电有了理性和科学的认识。地球上，任何时刻都会有约2000个地点出现雷暴，平均每天要发生800万次闪电，每次闪电在微秒级瞬间可释放出55KW·h以上能量。（1）、雷暴活动频繁我国地处温带和亚热带地区，雷暴活动十分频繁，雷电灾害发生频次多、范围广、危害严重、社会影响大，严重威胁着人民生命财产安全。1、为什么要研究雷电与防护技术？22个省（区、市）年最多雷暴日在50天以上，最多的达150天；10个省（区、市）年平均雷暴日超过40天，最多的超100天。1、为什么要研究雷电与防护技术？（2）、雷电灾害严重根据近30年的雷电统计资料分析，我国雷暴日天数变化不大，但是雷电灾害造成的经济损失日益严重。据不完全统计，1999-2008年的10年间，全国因雷击造成直接经济损失在百万元以上的雷电灾害事故就有390多起，每年因雷电灾害造成人员伤亡数千人。2011年湖南省共发生雷电灾害72起，其中发生在农村的雷灾43起。雷灾共造成5人死亡、12人受伤，经济损失严重。雷电灾害涉及电力、通信、石化、交通、金融等各行各业以及千家万户1.为什么要研究雷电与防护技术？村民在瓜地遭雷击身亡村民遭雷击村民遭雷击身亡麻阳舒家村乡舒某家雷击致3人死亡雷灾造成人员伤亡1.为什么要研究雷电与防护技术？雷灾造成大量的经济损失大鲸港镇玉银纸业公司因雷击导致火灾永兴花炮厂因雷击导致爆炸军工硝制造有限公司遭雷击电力设备因雷击受损德国法兰克福ELELTRAWUBA保险公司Statisticsofdamage1994AnalysisoftheWubattembergischeAssuranceCompany05101520253035Surgevoltage/indir.strike过电压/雷击Drop/摔损Burglary/破门盗窃Negligence/过失，失职Shortcircuit/短路Water/水害Fire/火灾Theftoutofcar’s偷窃机动车Other/其它11.1%9.3%8.7%4.3%3.6%3.4%2.2%23.6%33.8%1、为什么要研究雷电与防护技术？（3）、雷电灾害时空分布特点（3个90%）——90%以上的雷灾经济损失发生在城市的各行业部门，主要分布在华东和华南等经济发达地区；——90%以上雷击伤亡事故发生在农村地区；——汛期是雷电灾害事故的高发期，4～9月间发生的雷灾起数和雷击伤亡人数均占全年总数的90%以上（重大人员伤亡和重大直接经济损失）。全国雷电灾害事故在各地区的分布图图4：1997年~2006年全国雷击伤亡事故年变化图1997年~2006年全国雷击伤亡事故年变化图4~9月闪电多，雷灾事故多！电力31%广电10%化工7%计算机系统10%通信17%家用电器5%仓储4%机械7%建筑5%其他4%雷电灾害行业分布图（电力、通信、计算机系统、广电等行业受损严重！）雷击伤亡事故发生地分布图（伤亡发生在农田最多）雷击伤亡事故人群分布图（农民伤亡最多）（4）、雷电灾害防御难度很大——受灾面的改变：从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业，特点是与高新技术关系最密切的领域，如航天、航空、国防邮电通信、计算机、电子工业、石油化工、金融证券等；——入侵方式的改变：从一、二维空间入侵变为三维空间入侵。由于微电子技术的应用渗透到各种生产和生活领域，微电子器件极端灵敏，LEMP造成微电子设备的失控或者损坏。——造成损失和危害程度的改变：它袭击的对象本身的直接经济损失有时可能并不太大，但由此产生的间接经济损失和影响却难以估计。1.为什么要研究雷电与防护技术？因此，电子时代防雷减灾工作更重要、更迫切、也更复杂！如何适应雷电防御已从直击雷防护到系统防护的转变，要求我们站到历史时代的新高度来认识和研究现代防雷技术，提高人类对雷灾防御的综合能力。防雷减灾工作事关经济社会发展事关人民安全福祉事关社会和谐稳定各级气象部门必须以很强的使命感、责任感，组织做好雷电灾害防御1.为什么要研究雷电与防护技术？防护技术：能在一定程度上避免或者减少雷电带来的损失（思考：结合工作实际和身边个例）1.为什么要研究雷电与防护技术？雷暴活动频繁+雷电灾害严重2.雷电：什么是雷电？雷电如何产生？形成+分类+危害3.雷电防护：有哪些技术？如何进行防护？风评+技术评价+预警+检测内容第一章雷电的形成和分类第一节雷电的形成1、雷电形成的三个基本条件：空气中必须有足够的水汽；有使潮湿水气强烈上升的气流；有使潮湿空气上升凝结成水珠或冰晶的气象条件。2、雷电形成的基本理论雨滴分裂论当潮湿水气上升到高空，由于高空气温较低，在上升气流运动过程中逐渐凝结增大，形成小水滴。由于上升气流的不稳定，水滴在运动过程中相互摩擦、碰撞分裂形成大小不等的水珠，使得大水珠带正电荷，小水珠带负电荷。小水珠质量轻被上升气流带到上层云层，大水珠质量重则留在下层或降落到地面，这样便形成了带电荷云层的分离过程。当带电荷云层逐步积累到足够的电荷量时，便产生闪电现象，形成雷电。（实验证明：水滴分裂时，确实大水珠带正电荷，小水珠带负电荷这一理论；分裂水滴所需气流的速度为3-8m/s这正是雷云中上升气流的速度）距地面80公里左右的电离层具有一定的导电能力，而且是带正电荷的，而大地是带负电荷，故形成比较稳定的大气电场。在电离层和地这两个带电导体中间被不导电的大气所绝缘，形成一个电容器。使处于其中的云层上端带负电荷，下端带正电荷，即发生极化，从而为闪电提供有力条件。电场极化论由于宇宙射线和太阳黑子爆炸，近地大气中形成带有一定量的游离子，其中正离子较重（约为电子的2000倍）不大活动，而负离子则活动性较大，在大气电场和上升气流的作用下，负离子向上运动，正离子向下运动，形成上负下正离子层，有利于闪电的发生。离子积累3、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。闪电的初始击穿：下部负电荷中心与其底部的正电荷中心附近局部地区的大气电场达到104v/cm左右时，则负、正电荷之间的云雾大气会被击穿，负电荷向下中和掉正电荷，这时从云层下部到云底部全部为负电荷区。先导注流：随大气电场的进一步加强，进入起始击穿的后期，电子与空气的分子发生碰撞，形成天空中带电的雷雨云的云粒（或水成物）向地面延伸，在雷雨云下形成从云层向下的流光，表现为一条暗淡的光柱，即先导注流。也叫注流先导，如右图。闪电通道：注流先导不断地向地面发展过程是一电离过程，在电离过程中生成成对的正、负离子，其正离子被云中向下输送的负电荷不断中和。从而形成多枝状的充满负电荷（对负地闪）的通道，其中有一枝是充满负电荷（对负地闪）的主通道，称为电离通道或闪电通道，简称为通道。雷击分枝状的放电主通道到达地面，或与大地放电迎面会合以后，就形成云层到地面的全程（雷击放电通道）放电，这就是雷击。空间位置晴天放电雷云闪电[云内闪电云际闪电云地闪电形状[线状闪电带状闪电片状闪电链状/联珠状闪电球状闪电[声音有声闪电无声闪电根据闪电空间位置、形状、声音分类第二节雷电的分类①②③还有多种分类方式，在此只详细介绍下这三类，并重点说明云地闪/地闪云内闪电在同一块云中，不同云区带有正负不同的电荷，在正负荷电区之间的电场达到可击穿强度时，在同一块云中同样可发生放电现象，此现象称之为云内闪电。第一种分类——根据空间位置分类云际闪电当带有正负不同电荷的两块云之间的电场达到可击穿强度时，在两块云之间发生的放电现象。云地放电/地闪发生在云层和大地之间的放电现象。地闪根据先导和回击方向，可把闪电归纳为以下八种常见的闪电类型：l：先导r：回击v：发展方向vlrllrrrvvv1bl1a2a3a4a2b3b4b云地间放电形成的先导若是从云层内的电荷中心伸向地面，又称之为向下先导。若是从地面伸向云层的，又称之为向上先导；只沿着先导方向发生中和的闪电，称之为无回击闪电。当发生先导放电之后，还出现逆先导方向放电的现象，称为有回击闪电。第一类地闪：具有向下先导和向上回击，云中负荷电中心与大地和地物间的放电过程，具有负闪电电流，因此，简称为向下负先导负地闪；如果负先导不着地，则就无回击，此时只有图1a所示的过程，云空放电。如果负先导着地，则就产生回击，将云中的部分电荷泄放到大地，若该过程只一次为单闪击闪电（图1b），若重复多次为多闪击闪电。向下负先导负地闪（l–先导，r-回击，v–发展方向）第二类地闪：具有向上正先导的云中负荷电中心与大地和地物间的放电过程，具有负闪电电流。它又分下面两种情况：图2a，先导带正电向上，放电一般始于高耸的接地体（塔尖或山顶），具有向上正先导而无回击，简称为向上正先导连续负放电。若对于图2b，先导带正电向上，和向下回击，称之为向上正先导负地闪，如果其后有随后闪击，称之向上正先导多闪击负地闪。向上正先导负地闪（l–先导，r-回击，v–发展方向）第三类地闪：云中荷正电，具有向下正先导和向上回击，云中正电荷中心与大地和地物间放电过程具有正闪电电流，简称为向下正先导正地闪。图3a，向下正先导不着地，于是产生云空放电过程。图3b，向下正先导着地，引起向上正回击，泄放云中的正电荷到大地，这一类在山地区少见，在湖边可见到。向下正先导正地闪（l–先导，r-回击，v–发展方向）第四类地闪：云中荷正电，具有向上负先导的云中正电荷中心与大地和地物间的放电过程，具有正闪电电流。图4a，向上先导始于高耸的高层建筑的尖顶，这类地闪也有以有无回击而细分为A型和B型。A型地闪具有向上先导而无回击的放电过程，只是在先导后出现持续时间约几百毫秒，持续电流为几百安的放电过程，简称为向上负先导正地闪。B型地闪具有向上先导和向下回击的放电过程，简称向上负先导连续正电流闪电。向上正地闪多为单闪击地闪。向上负先导正地闪（l–先导，r-回击，v–发展方向）小结地闪根据闪电流方向，分为：（1）正地闪：闪电电流为正（向下）的称正地闪；（2）负地闪：闪电电流为负（向上）的为负地闪；地闪根据先导方向，分为：（1）向下先导：由云向下地面发展的先导；（2）向上先导：由地面向云中发展的先导。线状闪电我们常见的通常是线状闪电，一般是一种蜿蜒曲折枝杈纵横的巨型电气火花，长2～3公里，也有长达10公里的，是闪电中较强烈的一种。线状闪电大多是雷云与大地间的放电（约50～70%以上），也有雷云之间的放电。这种闪电可以同时击在不同的地方，一般分为前导放电和主放电等阶段。线状闪电对电力、电讯系统及人畜和建筑物等威胁最大。带状闪电与线状闪电相似，只是亮的通道比较宽，看上去好像一条较亮的亮带。第二种分类——根据形状分类片状闪电是出现在云的表面上的闪光，它有时可能是被云块遮没的火花闪电的延光，也可能是在云的上部发出来的丛集的、若隐若现的一种特殊的放电作用的光。这种闪电，表示云中电场的能量虽然已经足够产生放电，但是新加入的电量却太少，以致在闪烁放