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极性效应极性效应在极不均匀电场中，放电一定从曲率半径较小的那个电极表面开始，与该电极极性无关。但后来的发展过程、气隙的电气强度、击穿电压等都与该电极的极性有密切的关系。极不均匀电场中的放电存在着明显的极性效应。极性决定于表面电场较强的电极所具有的电位符号：极性效应（续1）（1）自持放电前阶段正空间电荷削弱棒极附近场强而加强外部电场，阻止棒极附近流注形成使电晕起始电压提高；（2）自持放电阶段空间电荷加强放电区外部空间的电场，因此当电压进一步提高时，强场区将逐渐向极板推进至击穿。正极性极性效应（续2）（1）自持放电前阶段：正空间电荷加强棒极附近场强而削弱外部电场，促进棒极附近流注形成使电晕起始电压降低。（2）自持放电阶段：空间电荷削弱放电区外部空间的电场，因此当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，气隙击穿将不顺利，因此负极性击穿电压比正极性高很多，完成击穿所需时间也长得多。负极性极性效应（续3）工程实际中，输电线路外绝缘和高压电器的外绝缘都属于极不均匀电场分布，在交流电压下的击穿都发生在正半波。因此，考核绝缘冲击特性时应施加正极性的冲击电压。)()(bbUU因此：)()(ccUU雷电概述雷电，是伴随有闪电和雷鸣的一种可怖而雄伟壮观的自然现象。人们通常所说的雷雨，但有时出现了雷电现象而未必有雨，因此雷电这个名词要比雷雨来得确切一些。过去，人们既不能解释这种现象，更谈不上和它斗争，雷电被人们当神来崇拜。自18世纪弗兰克林著名的风筝实验以来，人们致力于雷电及其防护的研究实践已有200年的历史，对雷电的防护已经取得了很大成绩，积累了丰富的经验。人类对雷电的认识早在公元前776年左右，古希腊盛行每四年为祭祀雷电大神宙斯而举办奥林匹克竞技大会的风俗。历经2800多年断断续续的发展演变，这一古代庙会民俗竞技已经成为全球性的现代化奥林匹克运动会。汉语中神的本源字是申。甲骨文中没有神字，只有申字。申的本义是闪电（申、电古音相通，都是闪电的象形字）。现代人认为雷电是物理放电现象。而古代人认为雷电是神奇现象。神就是这种神奇现象的原动者。古籍记载，雷神的形象是人头龙身。《山海经·海内东经》称：“雷泽中有雷神，龙身而人头，鼓其腹，在吴西。”《易·说卦》也说：“震为雷，为龙。一些民族的传说中也认为龙就是雷电。纳西族认为龙是雷神“木古”。赫哲族认为龙是闪电，天上出现龙，闪电就要劈树。鄂温克族认为龙是雷神，下雨是龙鳞片洒下的水滴。在十八世纪中期，人们对闪电有两种观念：一种观念认为，雷电是上帝发怒；另一种观念认为，雷电是气体爆炸。这时，勇敢的富兰克林向自然界、向人们的传统观念做出了挑战。1749年，在富兰克林进行的一次电学试验中，在旁观看的妻子不小心遭到了电击。因为当时人和建筑物遭到雷击的事件经常发生，这使他联想到了那两种观念。“莱顿瓶”现象也引导人们考虑到闪电与人工产生的电可能是同一种东西，在1749年11月的一封信中，富兰克林指出了七点根据：闪电和电火花产生相似的光和声，而且都是瞬时发生的；两者都能燃烧物体；它们都能杀伤生物；两者都有燃烧硫磺的臭味；都能流过导体，并且都集中在物体的尖端；它们都能破坏磁性或使磁体的极性倒过来；电火花和雷电都能熔化金属。并且在1749年底他写了一篇题为《论天空雷电与我们电气相同》的论文。他的论文在学术界引起了争论，受到了很多冷酷的批评。富兰克林并没有灰心，他决心用事实来证明一切。1752年6月的一天，狂风漫卷，阴云密布。一场暴风雨就要来临了。富兰克林和他的儿子威廉一道，带着上面装有一个金属杆的风筝来到一个空旷地带。富兰克林高举起风筝，他的儿子则拉着风筝线飞跑。由于风大，风筝很快就被放上高空。刹那，雷电交加，大雨倾盆。富兰克林和他的儿子一道拉着风筝线躲入一个建筑物内。此时，刚好一道闪电从风筝上掠过，富兰克林的手上立即掠过一种恐怖的麻木感。他抑制不住内心的激动，大声呼喊：“我被电击了！我被电击了！”随即他用一串铜钥匙与风筝线接触，钥匙上立即放射出一串电火花；随后，他又将风筝线上的电引入“莱顿瓶”中。回到家里以后，富兰克林用从天上捕捉下来的雷电进行了各种电学实验，证明天上的雷电与人工摩擦产生的电具有完全相同的性质。富兰克林关于天上和人间的电是同一种东西的假说，在他自己的这次实验中得到了光辉的证实。雷电是大气中集声、光、电、热极为壮观的自然现象。它对人类的生活、生产都有着重大影响。雷闪放电促使无机物合成为氨基酸等有机物质导致孕育地球生命，在生命起源占有相当的地位；大气层中的电离层也起着防止太阳和宇宙各种射线进入地面，保护地球上的生命，而雷电就起着补充电离层电荷，平衡电荷总量的作用；也正是雷电放电引起森林大火可能启发了远古人类对火的发现和利用，从而结束了茹毛饮血的生活，加快了人类的进化。但是现代生活中，雷电也给人类各行各业带来了巨大的灾害。据统计，现今全球平均每年因雷电灾害造成的直接经济损失就超过10亿美元，死亡人数在一万人以上。我国根据气象部门和劳动部门的估算，每年雷击伤亡人数均超过1万，其中死亡3000多人。雷电灾害被国际电工委员会（IEC）称为“电子化时代的一大公害”。据我国一些省市统计，因雷害作用，电子设备的直接损失约占雷电灾害总损失的60％，造成了巨大的直接经济损失和无法估量的间接经济损失与社会影响。广东地区1997年雷害事故共计1465起，其中电子电器设备雷害事故705起，共计直接经济损失1亿6770万元，间接经济损失5亿1730万元。1989年８月1２日，我国青岛市黄岛油库遭雷击失火，燃烧104小时才勉强扑灭。伤亡人员近百名，烧毁原油3.6万吨，整个油库变成一片废墟。我们电力系统的发电厂、变电站，特别是高压输电线路纵横交错地分布在旷野上，极易遭受雷击，引起停电事故。雷击引起线路跳闸一直是供电部门十分头疼的事情。有些供电局雷雨季节有时每天因雷击跳十几条线路，严重时不得不停电避雷，损失巨大。93年4月杨家坪双山变电站就因雷击造成停电十几天，直接经济损失250万元，间接损失无法估计。可见雷害事故涉及邮电通信、广播通讯、计算机行业、电子工业、石油化工、航天航空、建筑、包括电力工业几乎的所有行业。雷电放电所产生的雷电流会引起巨大的电磁效应、机械效应和热效应。从电力工程的角度来看，我们得注意两个方面：1)雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压，它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一；2)雷电放电所产生的巨大电流，有可能使被击物体炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损坏。雷电的危害雷电放电起源于雷云的形成，为了更好的理解雷电放电的某些特性，我们来大致地了解一下雷云的形成机理。关于雷云的形成机理有很多的理论，它们或从微观的物理过程出发、或从宏观的大气现象出发，对雷云形成过程中的电荷分离、电荷的积聚分布、雷云电场的形成等进行分析、研究，其中比较有代表性的有感应起电、对流起电、温差起电、水滴分裂起电、融化起电、冻结起电等，但至今尚无定论。气流摩擦使得水滴带电，一般而言云层上部带正电荷；云层下部带负电荷。雷云的形成雷电放电过程就其本质而言，雷电放电是一种超长气隙的火花放电，与金属电极间的长气隙放电是相似的。所不同的是由于雷云的物理性质毕竟与金属板不同，因而具有多次重复雷击等现象和特点。雷云下部大部分带负电荷，所以大多数的雷击是负极性的，雷云中的负电荷会在地面感应出大量正电荷。这样地面与大地之间或两块带异号电荷的雷云之间，会形成强大的电场，其电位差可达数兆伏甚至数十兆伏。通常“云—地”之间的线状雷电在开始时往往是一微弱发光的通道从雷云向地面伸展，它以逐级推进的方式向下发展，这种预放电称为逐级引路或先导放电。当先导放电接近地面时，地面上一些高耸的物体因周围电场强度达到了能使空气电离程度，会发出向上的迎面先导，当它与下行先导相遇时，就出现了强烈的电荷中和过程，出现极大的电流，这就是雷电的主放电阶段，伴随着雷鸣和闪光。雷云20,000μs1000μs1000μs箭状先导箭状先导分级先导第一次主放电第三次主放电大地t100μs100μs100μs0.03s0.03s入地电流时间t雷电放电的发展过程及雷电流波形1.先导放电阶段雷云中负电荷逐渐积聚时，地面感应出正电荷。云中电场强度达到空气的击穿场强（25－30)kV/cm，空气开始游离，出现电子崩→流注→形成向地面运行的不太明亮的先导。先导通道压降小，通道头部的电位接近雷云电位（数万千伏－数亿伏）。当先导发展到离地面大约100m时，由于局部空间场强增大，常常出现从地面向上发展的正电荷的迎面先导。先导放电特点：①发展速度慢，约107m/s，持续约1μs，平均（1－8）×105m/s，逐级发展，每级长约10－200m，平均25m，每级约停顿10－100μs，呈跳越式②放电电流小，约100A③整个先导放电持续时间长，约0.005－0.01s④放电伴有不太明亮的闪光，头部最亮2.主放电阶段当先导通道到达地面或与迎面先导相遇时，通道端部因空气游离而产生高密度的等离子区，此等离子区自地面向雷云迅速传播，形成一条高导电率的等离子通道，使先导和雷云中的电荷与大地的电荷相中和。主放电特点：①发展速度快，约（1/20-1/2）c（强烈的中和过程）②放电电流大，一般100－200kA③整个放电持续时间短，约50－100μs④放电伴随极明亮的闪光和震耳的雷鸣（电磁效应、机械效应，通道温度15000－200000C）3.余辉放电阶段云中残余电荷（主放电剩余的电荷）沿等离子通道继续中和，特点是：①放电电流小，一般100－1000A（云中电阻大）②持续时间长，0.03－0.15s（热效应）由于云中往往有几个电荷中心，可能引起沿第一次产生的放电通道的多次主放电，最多测量到42次，但第一次冲击放电电流幅值为最高，一般以后的放电先导连续发展（无停顿），主放电电流不超过30kA长间隙放电（续1）先导放电特点：电子通过通道根部时由于剧烈的摩擦产生的热电离过程先导加强了前方电场，引起新的流注，使其进一步伸展并逐级推进主放电当先导贯穿两极，导致沿先导通道向反方向扩展到棒极的主放电和最终击穿长间隙放电（续2）流注通道电子被阳极吸引→电子浓度↑→电流↑→流注中热电离↑→电导↑，电流↑→流注变成高电导的等离子体（先导）→电场↑→新流注→先导不断推进。