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雷电的形成

来源:网络    发布时间:2016-10-26

(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。

⑤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。

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