前言

符号说明

第1 章 绪论 1

第2 章 大气中的电现象 5

2.1 大气电学及其发展 5

2.2 晴天大气电场 8

2.3 大气中的空间电荷 10

2.4 大气中的离子及离子迁移率 12

2.5 晴天大气电导率 19

2.6 大气中的电流 22

2.7 大气中的雷电 24

2.8 全球电路 29

第3 章 非静电力形成的电动势 31

3.1 稳恒电路中的电荷与静电场 31

3.2 非静电力与电源电动势 32

3.3 非静电外力作用下电荷运动形成的电动势 35

3.4 含空间电荷气流运动形成的气流电动势 37

3.5 随气流运动电荷形成的电动势 38

第4 章 大气电场的形成与维持 41

4.1 大气电场形成的环境条件 41

4.2 不同极性电荷的分离过程 45

4.3 大气电场的形成与维持过程 50

4.4 大气电场中气流电动势及电流的测量 52

4.5 全球大气电场分布特征 53

第5 章 雷暴电场的形成与发展 55

5.1 雷云起电机制 55

5.2 雷暴区的大气状态特征 57

5.3 云雾介质的电特性 58

5.4 云雾介质中空间电荷分布规律 73

5.5 极化介质在电场中的受力及运动 77

5.6 雷暴电场的形成与发展过程 82

5.7 雷暴云体下方电场的形成与发展 85

5.8 雷暴中电场强度的估算 87

5.9 雷暴电场的分布特征 88

5.10 雷暴过程中的尖端放电 90

5.11 尖端放电测量 91

5.12 地面条件对雷暴发展的影响 93

5.13 海洋和沙漠上空的雷电 94

第6 章 闪电的形成与特征 96

6.1 大气中的闪电 96

6.2 地闪的特征 96

6.3 闪电先导理论 102

6.4 雷暴电场中介质特性对闪电的影响 103

6.5 引路先导的形成 106

6.6 地闪通道及其结构 108

6.7 运动电荷的电场 108

6.8 运动电荷在电场中所受电场力 111

6.9 地闪梯级特征的形成与发展 112

6.10 地闪的闪击距离 115

6.11 影响闪击点的其他因素 116

6.12 闪电和长间隙放电实验之间的差异 117

第7 章 大气及雷暴电场能量 119

7.1 电荷的电场能量 119

7.2 电容器的电场能量 121

7.3 静电场中的电场能量 122

7.4 晴天大气电场中能量的维持 124

7.5 雷暴电场中能量的形成 124

7.6 雷暴电场中的能量消损 125

第8 章 雷暴与降水 127

8.1 雷电与雷雨云 127

8.2 闪电与降水 128

第9 章 雷电危害及雷电危害防护 131

9.1 雷电危害 131

9.2 雷电危害的分类 133

9.3 雷电危害防护 137

9.4 雷电危害防护技术措施 138

9.5 防雷设备及器件 144

9.6 电力设备雷电危害防护 147

9.7 电子设备雷电危害防护 149

9.8 防雷接地技术 150

9.9 屏蔽与等电位连接 152

9.10 千年木塔未遭雷电危害的原因分析 153

9.11 消雷的可能性 154

参考文献 158

《大气电与雷电形成和变化》基于多年来作者关于大量已有雷电观测资料的全面分析，结合介质在电场中的特性，从雷暴电场的形成和发展过程深入阐述了雷暴电场形成的机理；利用雷暴电场形成机理，对以往雷电危害防护措施及标准的合理性进行了分析，对雷电危害防护具有指导意义。本专著共8章，包括绪论、雷云介质在雷暴电场中的特性、大气电场的形成与维持、雷暴电场的形成过程、运动电荷的电场、闪电的梯级发展特征、雷电危害、雷电防护等内容。

（1）雷云的形成

雷电的生成始于雷云的生成，其实有几种云都与雷电有关，如层积云、雨层云、积云、积雨云，最重要的则是积雨云，即雷云。雷云是由大气上空的水滴、冰晶和气体尘埃等组成的巨大的、不透光且带电荷的乌黑色云块，其形成的根本原因就是含水蒸气的气流运动。随着雷云的不断发展聚积，将会引起闪电、雷鸣现象，这就是雷暴。

1）雷暴的分类

雷暴的形成主要是两种：锋面雷暴和热雷暴。

锋面雷暴是由于在地表流动的两个气团相遇时，冷气团因密度大而流动在热气团下方，在两者交界面上形成相对运动并把热气团猛抬上升，热气流形成强大的上升气柱和涡流，这样就会形成积云。这时如果热气团的温度足够高和水分足够多，就可以形成巨大的雷暴乌云。

热雷暴发生在山区。由于阳光照射，山丘及其地面温度升高，热气流因密度小而向天空流动，附近树木、湖泊和河流等的气温较低，周围相对较冷的气流向山丘温度较高、密度较小的地带集中，同时这些气流又被山丘地表的高温加热而向天空流动，这样就形成热雷暴。

2）积雨云的起电机制

积雨云起电机制的主要理论有以下三种：

①吸水电荷效应。大气中存在方向向下的电场，使空气正负离子分别向下和向上运动。中性水滴在电场中也要受到极化，上端出现负电荷，下端出现正电荷。大水滴在下落时，它的下端吸收负离子，排斥正离子，由于大水滴下降速度快，故其上端的负电荷来不及吸收它上方的正离子，所以整个水滴带负电。小水滴被气流带着向上走，它上端的极化负电荷将吸收正离子，所以小水滴带正电。

②水滴冻冰效应。实验发现，水在结冰时冰会带正电荷，而未结冰的水带有负电荷，所以当云中冰晶区中的上升气流把冰粒上面的水带走，就会导致电荷的分离而使不同云区带电。

③水滴破裂效应。用强烈气流吹散空气中的水滴，较大的残滴带有正电，细微的水滴带有负电，这是因为水滴表面有很多电子的缘故。

3）雷云放电机理

由于云中电荷分布不均，形成许多电荷中心，所以云团之间、云团内部和云对大地之间的电场强度都是不一样的。只有当云对大地场强最高并且达到一定值时才发生对地放电。同样，云团之间电场强度达到某一临界值时也会发生云间放电。实际上，绝大多数放电是发生在云间或云内。

雷云对地放电的机理：带有大量电荷的云团对大地产生静电感应，大地感应出大量异性电荷，使雷云和大地之间形成强大的场强，当某一处的电场强度达到25～30kV/cm时，就会由雷云向大地产生先导放电（少数情况下雷电先导是由地表向上发出的）。当先导到达地面或与地面先导相遇时，通过电荷中和形成强烈放电产生雷击。放电通常不止发生一次，第一次的电流很大，后续雷击电流小得多。

（2）雷电波形及主要参数

1）模拟雷电冲击电压波

模拟雷电冲击电压波形。

主要参数：

①视在原点O1指通过波前上A点（电压峰值的30%处）和B点（电压峰值的90%处）作一直线与横轴相交之点。

②时间T：指电压波上A、B两点间的时间间隔。

③波前时间T1：指由视在原点O1到D点（=1.67T处）的时间间隔。

④半峰值时间T2：指由视在原点O1到电压峰值，然后再下降到峰值一半处的时间间隔。

2）模拟雷电冲击电流波

模拟雷电冲击电流波形。

主要参数：

①视在原点O1：指通过波前上C点（电流峰值的10%处）和B点（电流峰值的90%处）作一直线与横轴相交之点。

③时间T：指电流波上C、B两点间的时间间隔。

④波前时间T1：指由视在原点O1到E点（=1.25T处）的时间间隔。

④半峰值时间（波尾时间）T2：指由视在原点O1到电流峰值，然后再下降到峰值一半处的时间间隔，波尾越长，能量越大。

3）描述雷电的主要参数

除了波形图中提到的参数外，用以描述雷电的参数还有防雷区、雷暴日、雷电活动区和地面落雷密度。

①防雷区：将一个易遭雷击的区域，按照通信局（站）建筑物内外、通信机房及被保护设备所处环境的不同，进行被保护区域划分，这些被保护区域称为防雷区（LightningProtectionZones，LPZ）。

②雷暴日：用以表征雷电活动的频率，一天内只要听到雷声，就将其记为一个雷暴日。

③雷电活动区：根据年平均雷暴日的多少，雷电活动区分为少雷区、中雷区、多雷区和强雷区：

少雷区为年平均雷暴日数不超过25天的地区；

中雷区为年平均雷暴日数在25～40天以内的地区；

多雷区为年平均雷暴日数在40～90天以内的地区；

强雷区为年平均雷暴日数超过90天的地区。

④地面落雷密度：每平方公里每年对地落雷次数。

（3）防雷区的划分

将一个易遭雷击的区域，按照局站建筑物内外，通信机房及被保护设备所处环境的不同，由外到内把被保护区域划分为不同的防雷区（LPZ）。

防雷区宜按以下规定分区：

1）LPZOA区

暴露区，建筑物外部，本区内的各物体都可能遭受直接雷击和导走全部雷电流，本区的雷电电磁场没有衰减。

2）LPZOB区

本区内的各物体不可能遭受直接雷击，但本区内的雷电电磁场的量级与LPZOA区一样。

3）LPZ1区

本区内的各物体不可能遭受直接雷击，流经各导体的电流比LPZOB区更小，本区内的雷电电磁场可能衰减，这取决于屏蔽措施。

4）后续防雷区（LPZ2等）

当需要进一步减小雷电流和电磁场时，应引入后续防雷区，并按照需要保护的系统所要求的环境选择后续防雷区的要求条件。

在两个防雷区的界面上，应将所有通过界面的金属物做等电位连接，并宜采用屏蔽措施。防雷区划分的一般原则。

所有电力线和信号线从同一处进入被保护空间LPZ1区，并在设于LPZOA区与LPZ1区等电位连接带1上做等电位连接（一般在进线室接地），这些线路在LPZ1区与LPZ2区界面处等电位连接带2上再做等电位连接。将建筑物外的屏蔽1连接到等电位连接带1上，内屏蔽2连接到等电位连接带2上。这样构成的LPZ2，使雷电流不能导入此空间，也不能穿过此空间。

大气雷电不仅能危害地面设施和人、畜生命，还能引入煤矿井下，引起瓦斯爆炸、雷管误爆、人身伤亡等事故。近几十年来，有不少 雷电引入井下事故报导，如：四川省的天府矿务局一矿雷电沿轨道入井，引起掘进头瓦斯爆炸事故;70年代 松藻矿务局石矿北风井，在暂时停产封闭期间发生 过雷电引起瓦斯爆炸，封闭被摧毁并造成伤亡事故;80 年代逢春矿平硐在穿透煤层施工中，雷击地面电网停 电时雷电入井，引起瓦斯爆炸事故;80年代湖南省塘 冲煤矿一风井停电改6kV线路时，雷电侵入井下，引 起瓦斯爆炸。英国曼斯弗什(Mainsforth)煤矿亦有雷 电引起井下瓦斯爆炸记载。70～80年代南非浅部煤矿 在12年里，雷电引起过6次瓦斯爆炸，7次雷管误爆 和5次雷击事故。

大气雷电能以行波方式(直击雷)或电磁感应方式(感应雷)沿井硐金属轨、 管和电缆铠装外皮等导体传入井下，或经地闪通道、雷 击避雷针，雷击地面设施，通过大地传入井下，在井下 形成杂散电流，引起雷管误爆;在井下无法免除的导电 体间的间隙上形成杂散电位差，产生火花，引起瓦斯爆 炸或电火灾。如图1所示，当带电雷云团1飘近避雷针 2产生中和放电时，强大的放电电流I_d沿接地线至接地极3入地，流散到井下巷道金属轨、管4。若金属轨、 管只一端触地(比如图1中4的左端)，在另一端对地的间隙δ上就可能形成杂散电位差，产生电火花。如果雷 云团5对孤立高树6放电，或直接对地放电(地闪)时， 也会产生同样事故。