防雷工程师培训资料第一部分 雷电基础知识雷电是雷雨云之间或在云地之间产生的放电现象，雷雨云是产生雷电的先决条件。

那么雷雨云是怎样形成的？一、雷雨云的形成（一）雷雨云的宏观结构雷雨云是对流云发展的成熟阶段，它往往是从积云发展起来的。

发展完整的对流云，其生命史可以分为以下三个阶段：1．形成阶段：这一阶段主要是从淡积云向浓积云发展。

云的垂直尺度有较大的增长，云顶轮廓逐渐清楚，呈圆孤状或菜花形，云体耸立成塔状。

这样的云我们在盛夏常常看到。

在形成阶段中，云中全部为比较规则的上升气流，在云的中、上部为最大上升气流区。

上升气流的垂直廓线呈抛物线型。

在形成阶段，一般不会产生雷电。

2．成熟阶段：从浓积云发展成积雨云，就伴随雷电活动和降水，这是成熟阶段的征象。

在成熟阶段，云除了有规则的上升气流外，同时也有系统性的下沉气流。

上升气流通常在云的移动方向的前部。

往往在云的右前侧观测到最强的上升气流。

上升气流一般在云的中、上部达到最大值，可以超过25—30米／秒(见图1)。

3、消散阶段：一阵电闪雷鸣、狂风暴雨之后，雷雨云就进入了消散阶段。

这时，云中已为有规则的下沉气流所控制。

云体逐渐崩溃，云上部很快演变成中、高云系，云底有时还有一些碎积云或碎层云。

（二）雷雨云的微物理结构：一块成熟的雷雨云，其顶部可以伸展到－40℃的高度(约l万米以上)，而云底部的温度却在10℃以上。

由于云体在垂直方向上跨过了这么宽的温度范围，因而云中水汽凝结物的相态就很不一样。

在云中有水滴，过冷却水滴、雪晶、冰晶等(见图2)。

我们把雷雨云按温度高低来分层，便可以看：在温度高于0℃的“暖层”的云中，全部是水滴(包括云滴)，在温度0至－8℃的云层中，即有较多的过冷却水滴(温度低于0℃的水滴)，也有一些雪晶、冰晶；在温度低于－20℃的云层中，由于过冷却水滴自然冻结的概率大为增加，云中冰晶的天然成冰核作用更为显著，故云中基本上都是雪晶和冰晶了。

在成熟阶段的雷雨云中，发生着非常复杂的微物理过程，在云的“暖层”，有水滴之间由于大小不同而发生的重力碰撞，也有湍流碰撞和图1 一块雷雨云的气流结构示意图图2 一块雷雨云的微物理结构示意图电、声碰撞过程。

同时，有大水滴在气流作用下发生变形，破碎而产生“连锁反应”；还有由云的“冷层”中掉到“暖层”中来的大雪花、霰等的融化等。

在温度0℃至－20℃的云层中，水汽由液态往固态转移十分活跃，冰、雪晶的粘连，大冰晶破碎等也很频繁。

在低于－20℃的云层中，也还有冰晶之间的粘连和大冰晶的破碎过程发生。

在雷雨云中发生的所有这此微物理过程，都可以导致云中水汽凝结物电学状态的改变，对于雷雨云的起电有十分重要的贡献。

（三）雷雨云起电机理雷雨云起电的机理目前主要有四种理论：（1）水滴破裂效应：云中水滴在高速气流中作激烈运动，分裂成一些带负电的较大颗粒和带正电的较小颗粒，后者同时被上升气流携带到高空，前者落在低空，这样正负两种电荷便在云层中被分离，这也就是造成90％的云层下部带负电的原因。

（2）吸电荷效应：由于宇宙射线或其它电离作用，大气中存在正负离子，又因为空间存在电场，在电场力的作用下正负离子在云的上下层分别积累，从而使雷雨云带电，又称感应起电。

（3）水滴冻冰效应：水滴在结冰过程中会产生电荷，冰晶带正电荷，水带负电荷，当上升气流把冰晶上的水分带走时，就会导致电荷的分离，而使雷雨云带电。

（4）温差起电效应：实验证明在冰块中存在着正离子（H+）和负离子（OH-），在温度发生变化时，离子发生扩散运动并相互分离。

积雨云中的冰晶和雹粒在对流的碰撞和摩擦运动中会造成温度差异，并因温差起电，带电的离子又因重力和气候作用而分离扩散，最后达到一定的动态平衡。

综上所述，雷雨云起电可能是某一机理也可能是多种机理的效应而产生的。

二、闪电由于雷雨云中不同部位聚集着不同极性的电荷，当电荷积累到一定程度时，在云团之中，云团与云团之间，云团与地面之间会产生很强的电场，当电场强度达到空气击穿强度时，便会发生正负电荷之间的放电现象，这种瞬间的强火花放电就是闪电。

闪电的雷击过程中产生了强大的雷电流（目前观测到的最大雷电电流幅值为430KA）和高电压（雷电通道两端电位差可达上万伏），因此按功率为电压与电流之积计算，雷电具有极强大的功率，从而构成一次爆炸过程。

雷电直击到地面的建筑物和各种生物上，因其电效应，热效应和机械力会造成严重的破坏和灾害。

雷电的强大的破坏力，主要是由于它把雷云蕴藏的能量在极短促的几十微秒中释放出来，它的功率巨大，但是由于放电时间太短，以功率乘以时间得出功的数值却很小，只有几十千瓦小时。

这里主要讲的是直击雷，对雷击电磁脉冲将在后边章节着重介绍。

（一）闪电的分类闪电可以按其形状分为：线状闪电、带状闪电、片状闪电，联球状闪电和球型闪电。

线状闪电：最常见的一种闪电，我们常常看到这种闪电呈倒置的树枝状，其实是若干次线状闪电的组合，由于几次发生闪电之间的时间极短，用肉眼很难分辨出。

带状闪电：仍是线状闪电的一种，只不过是在闪电过程中恰巧有水平大风吹经闪电通道的空间，将几次线状闪电放电的通道吹的分开，用肉眼看去闪电通道变宽了。

片状闪电：线状闪电被云体遮住了，闪电的光照亮了上部的云或反射的光映入人眼中，闪电呈片状的亮光。

球状闪电：又称球型雷、滚地雷，不但出现在雷雨天气中，在晴天时也偶有出现。

其形状大多是球形，直径可达几十厘米，多呈橙色和红色，有些还带有硫磺或臭氧的味道。

球型雷多顺风或沿着物体移动，但也发现过垂直运动或逆风而动的情况。

对它的起因有许多不同的假设，至今未探明其奥秘。

联珠状闪电：很少见的一种闪电，有人认为它是一串球型雷组成的。

闪电也可按其发生的空间位置而分成：云内闪电、云际闪电（云闪）、云地闪电（地闪）等。

其中地闪又称直击雷、落地雷，是防雷研究的主要对象。

（二）地闪的结构在雷云对地的放电中，90%左右的地闪是在负极性的雷云和正极性的大地（含地面建筑物等）之间发生的，一般称为负极性雷击。

相反，约有10%的雷击呈正极性。

因此，且以负极性雷击为例说明地闪的结构和过程。

在负极性雷云的感应下，地面呈现正极性电荷，并且随电场分布的变化可以迅速集中到某个地点。

然而，雷云与大地电场之间的空气仍然是绝缘的，必须形成导电通道，地闪才能发生。

于是，在大气电场强度达到一定程度时，大气中的电子有足够大的动能撞击空气分子，使其电离并加入撞击，这种现象如同雪崩，为形成雷电通道起开路先锋的作用。

雷电随着雷电通道的开辟而向地面探索着前进。

这种梯级先导称为流柱，流柱在寻找一条电阻最小的通道，有时遇到阻力，便另辟通道，于是空中便出现了不同形状的枝叉。

在经过多次放电，消失，再放电，再消失之后，梯级先导的通道前端已到达离地面很近的距离（10m~100m），这时它的趋向开始受到地面物体的影响。

可以这样理解，从通道前端伸出一支长10m~100m的长臂向四周探索着，这个臂长叫做“击距”在标准中叫做“滚球半径”其长短与雷电流幅值大小成正比。

一旦接触到地面物体或与地面提前先导相会便发生了闪击，从地面物上冲出一股明亮的光柱，沿放电主通道达到雷云，完成一次回击放电或主放电。

几十毫秒之后，由雷云中伸出一条较暗的光柱，沿已开辟的主放电通道冲向地面，这就是第二次回击放电，以及第三、四次，最多达26次放电。

这种多次放电只见于负极性雷击，正极性雷击只有一次放电。

另有一种叫长时间放电雷击。

雷击的三种形式见图6、图7和图12。

常见地闪的结构见图3，地闪全过程见图4。

图3 常见地闪结构的典型情况图4 地闪的全过程（三）地闪的类型地闪类型分类办法：1．负极性雷击与正极性雷击之分。

（图1a、1b、2a、2b与3、4之分）2．有回击和无回击之分（图b与a之分）3．提前先导的上行和下行之分（图2、4与1、3之分）具体可参见图5。

需要说明的是：2a和2b型：多发生在高层建筑上，因雷云感应的尖端物体上聚集了大量的异性电荷，可能会主动迎合雷云的流柱面发生闪击，常被称为“上行雷”。

在8种地闪中，1a 和3a 实质上是云闪，真正地闪只有6种，以负极性下行雷（1b ）为最常见，但特高层建筑物的逐步增加，使负极性上行雷（2b ）也有增加的趋势。

±i ±i 首次短时雷击 长时间雷击 －i （d ） （c ） t t 图6 向下闪击可能的雷击组合 ±i 叠加的短时雷击 t 短时雷击 首次长时间雷击 ±i t －i 后续短时雷击 ±i t 长时间雷击 t －i （a ） （b ） （d ） （c ）在《建筑物防雷设计规范》GB50057-94局部修订条文（征求意见稿）中对平原和低建筑物典型的向下闪击，确定为图6（a、b、c、d）四种组合；对高度约为100m的高层建筑物典型的向上闪击，确定为图7（a、b、c、d、e）五种组合。

三、雷电活动的气候特征（一）我国年平均雷暴日数的地理分布我国年平均雷暴日数的地理分布示于图6，根据此图，可将我国的雷暴活动划分为四个区域。

第一区域大致位于长江以北，东经105°以东地区；第二区域大致位于长江以南，东经105°以东地区；第三区域大致位于北纬36°以北，东经105°以西地区，但其东南角划归第四区域；第四区域大致位于北纬36°以南，东经105°以西地区。

第一区域主要包括黑龙江省、吉林省、湖北省大部、陕西省、四川省东半部、宁夏回族自治区和甘肃省东南角等地区。

这一地区年平均雷暴日数为20——50天左右，年平均雷暴日数随纬度的变化不大显著。

第二区域主要包括浙江省、福建省、广东省、广西壮族自治区、安徽省东南角、江西省、湖南省、贵州省，以及四川、湖北和江苏三省位于长江两岸的地区。

这一地区的年平均雷暴日数随纬度的减低而明显递增。

如长江两岸的年平均雷暴日数为40—50天左右，到了两广南部地区的年平均雷暴日数已递增到90——120天以上。

第三区域主要包括内蒙古自治西南角、甘肃省中部和西北部、青海省西北部、新疆维吾尔自治区等地区。

这一地区除新疆西北角外，主要由沙漠、戈壁滩和盆地等干旱地区组成，因此，年平均雷暴日数较少，一般只有20天。

其中甘肃和内蒙古的巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠地区，年平均雷暴日数不到10天。

如内蒙古老东庙为8天，甘肃民勤为12天。

新疆准葛尔盆地的古尔班通古物沙漠，塔里木盆地的塔克拉玛干沙漠，以及青海省柴达木盆地的塔完拉玛干沙漠，以及青海省柴达木盆地等广大地区。

新疆西北部山区的年平均雷暴日数明显增大，一般可达20一50天。

其中，巴音布鲁克一带年平均雷暴日数约大于50天，而昭苏一带则可达80—90天。

第四区域主要包括甘肃省东南部、青海省大部、西藏自治区、四川省西半部和云南省中部和本部等地区，该地区由于多为高原和山丘，地势较高，地形起伏较大，因此，年平均雷暴日数偏高于同纬度其他地区，一般为50—80天。