简述雷云放电过程
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发布时间：2022-04-19 09:45
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时间：2023-07-25 20:36
1.1.1 雷电发生机理
雷电是由雷云放电引起的，关于雷云的聚集和带电至今还没有令人满意的解释，目前比较普遍的看法是：热气流上升时冷凝产生冰晶，气流中的冰晶碰撞后*导致较轻的部分带负电荷并被风吹走形成大块的雷云；较重的部分带正电荷并可能凝聚成水滴下降，它们在重力作用下下落的速度大，并在下落过程中与其他水份粒子发生碰撞，结果一部分被另一水生成物捕获，增大水成物的体积，另一部分云粒子被反弹回去，这些反弹回去的云粒子通常带正电荷，悬浮在空中形成一些局部带正电的云区，而水生成物带上负电荷。由于水成物下降的速度快，而云粒子的下降速度慢，因而正、负电荷的微粒逐惭分离，最后形成带正电的云粒在云的上部，而带负电的水成物在云的下部。整块雷云里边可以有若干个电荷中心。负电荷中心，离地大约500~10000m。它在地面上感应出大量的正电荷。
随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度（大气中约为30kV/cm，有水滴存在时约为10kV/cm）时，就会发生云间或对大地的火花放电。雷电放电包括雷云对大地，雷云对雷云和雷云内部的放电现象。大多数雷云放电都是在雷点与雷云之间进行的，只有少数是对地进行的。在防雷工程中，主要关心的是雷云对大地的放电，如图1-1所示。
图1-1云对地放电（用彩色）
雷云对大地放电通常分为先导放电、主放电和辉光放电三个阶段。云一地之
间的线状雷电在开始时往往从雷云边缘向地面发展，以逐级推进方式向下发展。每级长度约10~200m，每级的伸展速度约107m/s，各级之间有10~100μs的停歇，所以平均发展速度只有（1~8）×105m/s，这种放电称为先导放电，如图1-3所示。当先导接近地面时，地面上一些高耸的物体（如塔尖或山顶）因周围电场强度达到了能使空气电离的程度，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（数十到数百千安），伴随着雷鸣和闪光，这就是雷电的主放电阶段。主放电的过程极短，只有50~100μs，它是沿着负的下行先导通道，由下而上逆向发展，故又称“回击”，其速度高达2×107~1.5×108m/s。以上是负电荷雷云对地放电的基本过程，可称为下行负雷闪；对应于正电荷雷云对地放电的下行正雷闪所占的比例很小，其发展过程亦基本相似。主放电完成后，云中剩余的电荷沿着原来的主放电通道继续流入大地，看到的是一片模糊的发光，这就是辉光放电。
从旋转相机拍下的光学照片显示，大多数云对地雷击是重复的，即在第一次雷击形成的放电通道中，会有多次放电尾随，放电之间的间隔大约为0.5~500ms。主要原因是：在雷云带电的过程中，在云中可形成若干个密度较高的电荷中心，第一次先导一主放电冲击泄放的主要是第一个电荷中心的电荷。在第一次冲击完成之后，主放电通道暂时还保持高于周围大气的电导率，别的电荷中心将沿已有的主放电通道对地放电，从而形成多重雷击。第二次及以后的放电，先导都是自上而下连续发展的，没有停顿现象。放电的数目平均为2~3次，最多观测到42次。通常第一次冲击放电的电流最大，以后的电流幅值都比较小。图1-2所示为用旋转相机和高压示波器拍摄和记录的负雷云对地放电的典型过程和电流波形。
时间
图1-2 雷电放电的发展过程和雷电流的波形
若地面上存在特别高的导电性能良好的接地物体时，也可能首先从该物体顶端出发，发展向上的先导，称上行雷。但上行雷先导到达雷云时，一般不会发生主放电进程，这是因为雷云的导电性能比大地差得多，难以在极短的时间内提供为中和先导通道中电荷所需要的主放电电流，而只能向雷云深处发展多分支的云中先导。通过宽广区域的电晕流洼，从分散的水性质点上卸下电荷，汇集起来，以中和上行先导中的部分电荷。这样电流放电过程显然只能是较缓和的，而不可能有大冲击电流的特性。其放电电流一般不足千安，而延续时间则较长，可能长达10-1s。此外，上行先导从一开始就出现分支的概率较大。
1.1.2雷击时的等值电路
雷击地面发生主放电的开始，可以用图1-3中开关S的闭合来表示。图中Z是被击物与大地（零电位）之间的阻抗，σ是先导放电通道中电荷的线密度，S闭合之前相当于先导放电阶段。S突然闭合，相当于主放电开始，如图1-3（b）所示。发生主放电时，将有大量的正、负电荷沿先导通道逆向运动，并中和雷云中的负电荷。由于电荷的运动形成电流i，因此雷击点A的电位也突然发生变化（u=iZ）。雷电流i的大小与先导通道的电荷密度以及主放电的发展速度有关（i=σv）。
在防雷研究中，最关心的是雷击点A的电位升高，而可以不考虑主放电速度、先导电荷密度及具体的雷击物理过程，因此可以从A点的电位出发来把雷电放电过程简化为一个数学模型，如图1-3（c）所示；进而得到其彼得逊等值电路，如图1-3中（d）、（e）所示。图中，Z0表示雷电通道的波阻抗（我国规程建议取300~400Ω）。需要说明的是：尽管雷云有很高的初始电位才可能导致主放电，但地面被击物体的电位并不取决于这一初始电位，而是取决于雷电流与被击物体阻抗的乘积。所以，从电源的性质看，雷电具有电流源的性质。
Z0------
-s------0S
AZo(a)(b)(c)
(a)先导放电；（b）主放电；（c）计算模型；（d）电压源等值电路；（e）电流源等值电路
图1-3雷电放电模型和等值电路
在雷击点A与地中零电位面之间串接着一个阻抗，它可以代表被击中物体的接地电阻R，也可以代表被击物体的波阻抗Z。从图1-3（e）中可以看出，当Z=0时，i=2i0；若Z<<Z0（如Z≤30Ω），仍然可得i≈2i0。所以国际上习惯于把流经波阻抗为零（或接近于零）的被击物体的电流称为“雷电流”。从其定义可以看出，雷电流i的幅值恰好等于沿通道Z0传来的流动电流波i0的幅值的两倍。
雷电放电有单通道放电，如图1-4所示，和多通道，如图1-5所示，先导放电是不规则的树枝状（如图1-4所示），但它还是具有分布参数的特征，作为粗略估计一般假设它是一个具有均匀电感、电容等分布参数的导电通道，即可以假设其波阻抗是均匀的。
图1-4单通道雷电放电过程（用彩色）
图1-5多通道雷电放电
雷电放电涉及气象、地貌等自然条件，随机性很大，关于雷电特性的诸参数因此具有统计的性质，需要通过大量实测才能确定，防雷保护设计的依据即来源于这些实测数据。在防雷设计中，最关心的是雷电流波形、幅值分布及落雷密度等参数。
