雷电的形成.docx

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雷电的形成

引言

雷击是夏季经常出现的强对流天气现象之一，是大气云层的自然放电现象。

雷击如同冰雹、洪水、龙卷风一样也是种自然灾害。

但由于其放电瞬间释放巨大

能量，居无定所，建筑物、电子设备一旦遭受雷击时，会产生超出设备所需的高

电压及强电流，造成设备、设施的毁坏，继而引发火灾，造成直接间接损失无法

估计。

常常击毁器物，伤害人畜，严重危及生命和财产的安全，给我们的生活、

生产带来极大的危害。

因此，了解雷击成因，既有助于认识雷击的危害性，又可

加强人类对雷电的防御。

1.雷击

1.1雷击的成因和形式

夏季,自然界由于高温，水分的蒸腾作用加强，空气对流运动旺盛。

温热的

空气被强大的上升气流推到空中遇冷形成浓积云。

雷雨云是所有类型云中最为活

跃的一种，在厚厚的云层中存在着大量的正负电荷，正电荷和负电荷分离形成巨

大的电偶极子，或多极子。

云层中大量的正电荷位于云层的顶部，大量的负电荷

位于云层的中下部，少量的正电荷在云层的底部。

天上的积云上升受到地面上升

的热气流不断的冲击，会发生电离而产生强大的电荷。

某些云团带正电荷，某些

云团带负电荷，它们使大地地面或建筑物表面产生异性电荷，当电荷积累到一定

程度时，不同云团之间、或云与大地之间的电场强度可以击穿空气

（E=25~30KV/cm）,开始游离放电，称之为“先导放电”，云对地的先导放电是云

向地面跳跃式逐渐发展的，当到达地面（或地面上的建筑物、架空输电线）时，

便会产生由地面向云团的逆导主放电，在主放电阶段里，由于异性电荷的剧烈中

和，会出现很大的电流，电流做功的结果，可使电流通过地方的气体瞬间温度升

高到30000℃左右，从而呈现强烈的火光，这就是闪电，同时迅速加热的闪电通

道各部分气体急剧膨胀，强烈压缩附近的大气层产生冲击波，冲击波退化时的声

发射，这些声冲击波相互叠加，形成轰轰雷声，这就是雷电。

打雷下雨时会和地

面之间发生放电现象，与地面上的比较高的建筑物、户外通讯设施等接触，就可

能产生电击，形成雷击。

一般情况下（80%—85%的情况），单次雷击不能将雷云电荷完全释放掉。

一

个雷闪通常包含多个（几个）雷击，而不是一个单一的雷单次雷击形成一个先导

放电，在持续平均约60ms（一般为几毫秒到几百毫秒）的暂停后，另一个先导，

即直窜先导，在同一通道连续（而不是逐级）传播，速度为1000—10000km/s。

这种直窜先导没有分支，沿着第一支回击形成的通道反向传播，产生第二次回击,

同样的过程一般会重复3—5次，在单个负极性雷闪中记录到26次回击。

雷击主要分成以下三种：

直雷击：

带电的云层与大地上某一点之间发生凶猛的放电现象；

感应雷：

由于静电感应作用，带电云层使地面某一范围带上异种电荷；

球形雷：

发生时只见一个大球在空中漂移，大球的尺寸大约从10㎝到100

㎝。

1.2雷击的危害

强雷暴是一种灾害性天气，雷电会引起雷击火险，由于雷电主要产生于积雨

云中，而积雨云是空气强对流的产物，所以电闪雷鸣常伴有大风，阵性降雨或冰

雹等恶劣天气，大风刮倒房屋，拔起大树（有时会被雷暴劈开），农作物遭冰雹

袭击，暴雨引起山洪爆发、泥石流等地质灾害。

雷电功率巨大，会造成重大的危

害。

雷电的发生会造成树木、房屋、人畜被击毁、烧焦，干扰、中断电讯系统正

常工作，甚至会引发石油火灾，造成停电事故，森林失火。

世界上每年总有成百

上千的人被雷电毙命，被雷电击毁的财产更是难以计数，雷电所造成的人员伤亡

和财产损失是触目惊醒的，雷电以其巨大的破坏力给人类社会带来了惨重的灾

害，对国民经济和生命安全危害日趋严重。

据不完全统计，每年将近有1000人

因雷击而死亡，而我国雷击灾害日趋上升。

1.2.1雷击灾害数据统计和分析

依据雷灾查询数据，结合实际情况对全国雷灾情况进行统计

[2]，做表1如下。

根据图表1可以看出，雷击威力很大，伤亡范围比较广，主要在人群比较集中地

域，周围有建筑物或易引雷事物。

例如：

旅游、建筑、交通、人群。

表1全国雷击伤亡具体详情统计表

排名

时间市名省名行业损害程度描述

序号

雷击引发爆炸，

1公里内门窗皆

12003-8-1杭州浙江省易燃易碎，数10间房

爆

子被损，20余位

村民受伤。

雷击11人死亡，

另有6人陆续死22004-6-26临海浙江人群

亡，损失惨重。

数十名在居庸

关长城8号遭到32004-7-23北京北京直辖市建筑雷击，其中4人

昏迷，至少15

人被击伤。

东江发电厂1

号重油罐因雷

42006-7-15惠州市广东省电力

击引发爆炸，直

接经济损失约

780万元人民

币。

小学遭受雷击，52007-5-23重庆市重庆直辖市学生共造成7人死

亡，39人受伤。

靠岸的船只被

雷电击中，造成

62008-6-23杭州市浙江省交通了3死4伤的重

大雷击伤人事

件。

一住宅工地，8

名工人突遭雷72009-6-4佛山市广东省建筑击当场致4人死

亡、1人重伤、1

人轻伤。

石林风景区发

82010-7-13昆明市云南省旅游

生雷击意外事

件，2死4伤。

铜仁梵净山风

景名胜区发生

92011-11-6铜仁市贵州省旅游

雷击事件，导致

34人受伤，其中

12人重伤。

在此筛选了近年来的全国范围内就单次雷灾导致经济损失最为严重的排名

前十个例进行分析。

表2分别列出了这些例子的具体详情。

表2全国雷击灾害经济损失统计表

排名

时间市名省名行业损害程度描述

序号

雷灾导致发生

大兴安岭火灾，

12002-7-28呼伦贝尔盟内蒙古林业

致财产损失至

少1亿元之上。

大范围遭雷击，

22003-7-26绍兴市浙江省未知

雷灾经济损失

高达2700万元

以上。

森林火灾被毁

32005-5-25呼伦贝尔盟内蒙古林业

森林面积

16000公顷，雷

灾经济损失

2905.29万元。

仪征化纤公司42005-6-15扬州市江苏省化工

遭雷击雷击经

济损失3000万

元以上。

恒台县博汇集

团电厂变电站

52006-5-4淄博市山东省电力

遭雷击，雷灾造

成经济损失

2070万元。

兴化市周庄镇

遭雷击，造成1

62006-6-21泰州市江苏省未知死5人重伤，5

人轻伤，3000

间房屋受损。

雷

灾经济损失

2192.14万元。

戈阳县电力部

门由灾害所致

72007-7-14上饶市江西省电力经济损失1300

万元，间接经济

损失2000万

元。

神福港镇烟花

爆竹厂遭雷击，

82008-7-13株洲市湖南省易燃易37人受伤。

直

爆接经济损失

1000万元，间

接损失2000万

元。

机场遭雷击致

使68架次航班

92009-3-5深圳市广东省航天延误，共19次

航班延误，经济损失达6600万

元。

华耀浆纸有限

公司某场突发

102010-8-22常德市湖南省工业

大火。

此次火灾

给企业造成了

近400万元的

经济损失。

纵观近年来由于雷灾所致的严重经济损失的最为严重的十起事件，不难发

现，此类雷灾主要集中在电力、林业、化工、易燃易爆、交通、金融等行业。

且

此类灾害的共性多为牵连的区域较广，经济损失大多在2000万元以上，部分省

份在发生严重经济损失的同时也包含有特殊的人生伤亡事故，且伤害较为严重。

1.2.2危害的几种方式

在户外，人和动物不仅易受直击雷伤害（尤其是站立时），而且也易受侧雷

击、感应放电、跨步电压和接触电压的伤害。

1.2.2.1侧击

侧雷击是雷击的一种，就是从侧面打来的，因为建筑物比较高，顶避雷并不

能完全保护住楼体，所以侧面雷击就需要加设保护。

1.2.2.2感应雷击

由于雷电而引起的静电感应和电磁场感应所产生的的雷击称为感应雷击，又

称为二次雷击。

一般来说，感应雷击没有直击雷击那么猛烈，但发生的几率比直

击雷高的多，危害也越来越大，越来越来突出。

必须避开所有不受保护的构筑物。

最好不适用小型孤立建筑作为雷电的避难所，也不要使用金属屋顶与地面绝缘的

建筑物来避雷，比如支撑柱不导电的房屋（电容耦合引起的放电）。

1.2.2.3跨步电压

雷击地面时，雷电流通过各层土壤扩散。

在雷击点会引起很大的电位上升。

靠近这一点可能会产生跨步电压。

尤其是四足动物将会触电死亡，因为前腿和后

腿之间存在电位梯度差。

人两脚并立可能会遭受雷击，通过身体电流会流过心脏。

当行走时，可能会因跨步电压而受电击，如果地面电阻率较高，距离雷击点较近，

两脚之间的距离较大，则情况更加危险。

1.2.2.4接触电压

不仅要避免侧击，而且要避免接触电压引起的触电风险。

事实上，当人的脚

与充分导电的地面接触，同时触摸到处于不同电位的导电建筑物时，会发生的触

电，这种电位差是由于雷击建筑物或其防雷系统造成的。

1.3雷击的防御

1.3.1建筑物及其他构筑物的雷电防护

建筑物或其附近的云地放电可能会对建筑物、建筑物内的物品和人产生损

害，必须采取雷电防护措施。

是否采取安装防雷措施，根据全面保护效率来确定。

N是每年建筑物受直接雷击次数（与地面雷击密度Ng和雷击建筑物的截收

d

面积有关），设备损坏的可接受最大平均年雷击次数Nc。

我们把全面保护效率E定义为：

E=1-（

N/Nd）

C

当

N

d

N>Nc时，应根据所需的防护级别选择安装防雷设置。

d

[16]

国际标准IEC62305

定义了四种类型的保护（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）。

每一种对

应一组建筑方面的规定，并且与防护水平（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）相对应。

第一步是

把全面保护效率定为98%（Ⅰ级）、95%（Ⅱ级）、90%（Ⅲ级、80%（Ⅳ级）。

要获

得98%（Ⅰ级）的防护水平，必须采用一些额外的防雷措施。

对某一防护水平，规定了一组雷电流的最小值和最大值。

雷电流峰值的最大

值设为Ⅰ级200kA（99%雷击电流低于此值）、Ⅱ级150kA（98%雷击电流低于此值）、

Ⅲ级和Ⅳ级的100kA（97%雷击电流低于此值）。

雷电流峰值的最小值与防雷保护

系统设计中滚球法（它的计算原理为以某一规定半径R的球体，在装有接闪

器的建筑物上滚过，滚球体由于受建筑物上所安装的接闪器的阻挡而无法

触及某些范围，把这些范围认为是接闪器的保护范围。

）的应用有关：

它们定

为Ⅰ级3kA（99%雷击的电流超过此值，R=20m），Ⅱ级5kA（97%的雷击电流超过此

值，R=30m），Ⅲ级10kA（91%的雷击电流超过此值，R=45m），Ⅳ级16kA（84%的

雷击电流超过此值，R=60m）.不难估算最小值和最大值之间的电流概率，并根据

所选的防护水平对应的值确定保护措施。

最主要的是外部防雷装置。

外部防雷装置应确保对人、建筑物和其他构筑物的有效保护。

雷电防护装置

的类型和部件安装应满足保护效率以及审美要求，并尽可能降低成本。

外部防雷装置包括：

接闪器（水平网状金属导体、垂直避雷针、悬挂在独立塔上的架空线）；

引下线（一般是垂直金属导体，将接闪器与接地极或测试断接卡相连接）；

高层建筑上用于等电位连接的环形导体（金属导体围绕建筑物形成水平环

路，保证引下线的电气等电位）；

测试断接卡（引下线上可拆除的、以便测量接地极电阻的部分）；

接地装置（埋在地下的金属导体，确保与地的电气接触），垂直接地极和环

形接地极（基础接地极或链接两个或多个接地极的环形导体，一般围绕被保护建

筑物）。

必须通过螺栓连接或焊接保证雷电防护系统不同部件之间的电气连续性。

当符合雷电防护系统部件要求（电气连续性、足够的厚度）时，自然部件可

以作为接闪器的部件。

根据所选的防护水平（滚球半径R=20m、30m、45m或60m分别用于防护水平

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或Ⅳ），用电气几何模型确定接闪器布置。

也可以再屋顶上安装方形

的金属网格，网格尺寸为：

5m（Ⅰ级）、10m（Ⅱ级）、15m（Ⅲ级）或25m（Ⅳ）。

外部防雷装置的布置必须在新建建筑物设计的早期阶段考虑，以便利用建筑

物本身金属部件，包括它的基础。

1.3.2基本安全防护措施

1.3.2.1户外基本措施

远离建筑物的避雷针及其接地引下线，远离各种天线、电线杆、高塔、烟囱、

旗杆、铁栏、铁丝网及其他金属物，山丘、海滨、河边、池塘边。

不要站在树林

边缘，最好选择林中空地，双脚合拢，与四周各树保持差不多的距离。

在山区，应快速离开山顶，远离墙、裂缝、边缘、凸出部分、大树。

不要接

触金属物。

最好蜷缩身体以减小人体表面积。

应远离水上运动：

不要玩冲浪、划艇或游艇。

除非这些设备有起避雷针作用

的外部金属构件，其下部没入水中，可以提供充分的保护。

雷暴发生时不要靠近

河流，更重要的是不要在雷暴时游泳。

在市区，应赶紧到商店等有良好防护的公共建筑物内躲避。

如果在雷暴发生时你必须行进，应小步前进或者跑起来（这种情况下只有一

只脚接触地面），避免展开凸出的金属物体（如雨伞）。

避免骑马、及自行车或摩托车、开敞篷车、开牵引拖拉机或收割机。

1.3.2.2居家防护措施

在家里，建议把门窗关好以防气流，应坐在远离火炉或其他烟囱的桌边。

应

该拔掉电器插头、电视天线或通信电缆（即使这些线缆是埋地敷设的！

）

不要使用有线电话通话。

远离电线、通信线、水或煤气金属管线以及家用电

器（榨汁机、洗碗机、电热器等）。

雷暴时不要洗碗。

1.3.2.3在交通工具中的措施

使用宿营帐篷或房车时，应注意将全部需包围保护空间的金属导体正确接

地。

当车窗摇起，没有外部天线时，金属汽车构成了良好的防护（法拉第笼）。

汽车是良好的电导体，可以为乘客提供对雷电的良好防护。

但仍建议在雷暴发生

时小心驾驶（速度适中）以避免因雷击受惊而引起不可控制的摆动。

在金属外壳的飞机或火箭中，飞行员和乘客因处于法拉第笼中而受到保护。

科学家已经证实飞机和火箭各端部会发生雷电放电。

飞机易受强烈下降气流控制

而撞向地面，特别是在积雨云边缘。

飞行员必须避开这类危险空域。

2.雷击的利用

在雷电发生时，它会在瞬间释放出拥有巨大能量的强电流。

雷云之间,雷云

与大地之间的电压可达几十亿伏特,放电电流可达几十万安培,巨大的放电功

率可使放电区域高达1.7×104—3×104℃,这个温度是太阳表面温度的3—5倍。

据科学家测算，一次强烈雷电的电能，足以牵引一列14节车厢的火车行进200千

米，或点亮300万盏电灯。

又有人指出，若闪电两端的电压为1000万伏，闪电中

的电流为2万安培，在闪电发生的那一瞬间，它的功率可达2亿千瓦。

而我国葛洲

坝水力发电站的功率仅为270万千瓦；也就是说，一次雷电瞬时的能量，相当于

74个葛洲坝发电站的发电能力。

据大量观测资料估计，全球平均每天有超过100

万次的雷电发生，据此估算，每天将会有巨大的能量被雷电释放出来。

因此，利

用高新科技进行人工监测和控制雷电，进而让雷电造福人类。

2.1人工引雷

人工引发雷电时在适宜的雷暴条件下将雷电引发到地面,可以有效的避免雷

击带来的危害。

雷电发生前，云层中的电场将会影响地面上的电场，所以根据地

面上的电场强度，可以大概推断云层中的电场强度，以确定“触”雷时间。

常用的引雷技术：

火箭—导线人工引雷技术。

用于人工引雷的火箭—导线技术指的是向雷暴云发射一尾部拖一细长导线

的小型火箭来触发闪电。

2.2制造氮肥

空气中有五分之四是氮气，每一立方公里的空气中就有75吨氮气，而雷电产

生的高温高压正是制造氮肥的条件。

发生雷电时，大气中的闪电通道可达几千米

长，温度极高，有大量的氮和氧化合生成二氧化氮。

生成的二氧化氮溶解于雨水

中，变成氮肥，利于生产。

2.3以雷防雹

为了防止冰雹造成的危害，在有可能产生冰雹的云层中，诱发雷电，让巨大

的能量和极高的温度来摧毁冰雹，使其转变成雨滴，这样就可以避免雹灾带来的

巨大危害。

2.4勘探矿物

雷电容易击易带电的物体，所含有金属或石油的地方，其导电性就会比一般

岩层好，所以，根据雷电发生的次数统计，经常遭到雷电打击的地区，就可能埋

葬着丰富的矿物或石油。

3.新的前沿

在雷雨云之上，对流层顶和中间层顶之间的发光现象有待全面科学的解释，

其中多数现象与极强的雷电放电有关，这些发光现象包括浅红色淘气精灵、红色

精灵和蓝色喷流。

这些发光现象有时也被称为中间层和平流层的巨雷电。

传统雷电是如何产生

这些高层空间发光现象的？

测试新型低可见光成像系统时发现了红色精灵，它们的持续时间为10～

300ms，直径1～50km。

有研究提出假设，认为它们与能量高于1MeV的逃逸电子雪

崩有关，这种电子雪崩可能由中间层和平流层的宇宙射线触发。

它们与周围空气

分子相互作用，产生X射线和二次伽玛射线。

海拔50km的圆锥形蓝色喷流，以及半径达100km的蝶形淘气精灵。

淘气精灵

径向高速扩展，持续几毫秒。

法国原子能委员会（CEA）和法国国家空间研究中心（CNES）曾通过国际空间

站作过几年大量观察，以确定这些现象释放的能量，并记录发生频度和全球分布

的统计数据。

近期将发射名为“塔拉利斯”（分析雷电和精灵的工具）的微型卫

星来尽可能接近地观察这些现象。

瞬态发光现象是否改变了地球大气中的化学组成成分？

它们是否对气候产

生重大影响？

它们是否影响臭氧层？

人类在不久的将来会找到这些重大问题的

答案。

4.总结

本文通过雷电的特点对防御雷电进行了系统的介绍，通过全国每年严重的雷

电灾害数据以及每次雷击所放出的巨大能量所造成的严重伤亡事故来说明雷电

的危害。

同时雷电的巨大能量又能供我们利用。

一方面详细的介绍了不同环境下

我们采取的防御雷击的措施和建筑物的防御的防护措施，另一方面又阐述了雷电

给我们带来的利益。

因此我们应该更深入的研究雷电，才能更好的防御雷电进而

利用雷电。

然而还有很多问题仍然有待科学研究人员去解决。

例如：

我们还没有

充分的自然雷电实验数据。

雷电的不同物理过程是什么？

回击是如何形成的？

雷

电和环境现象之间的关系是什么？

如何收集雷电？

收集雷电的容器需要的材

料？

等等。

相信解决了这些问题，我们会更好的防御和利用雷电。