工程界如何描述雷电

在许多工程技术防雷技术研究中，常常用电工理论上的等效电路来处理闪电，即把大气电过程类比为一些电工学上的器件，这是一种近似估算的方法。

图1-12　雷电放电的计算模型

闪电从上行先导转到回击时，向下先导与向上先导连接导通，电流剧增，于是在第一级近似中，把下行先导看作阻抗为Z的无阻导体。若假定整个下行先导两端（从积雨云负电荷区中心到下行先导下端开路先锋的流光）的电压为U，就有i=U/Z。同时认为上行先导的连接先导（即迎面先导）可视为电感为L的良导体，就有di/dt=U/Z。

如图1-12（a）所示为雷电放电的计算模型。为了进行定量的分析，必须建立闪电的计算模型分析它对雷击地面由先导放电发展为主放电过程的影响。图中Z是被击物体与大地（零电位）之间的阻抗。开关S闭合以前相当于先导放电阶段，由于它的发展速度相对较低，可以忽略地面上被感应电荷的移动速度，认为A点仍保持零电位。

S突然闭合，相当于主放电过程开始。此时，大量正、负电荷沿先导通道逆向运动，并使得来自雷云的负电荷中和，这表现为幅值甚高的主放电电流（即雷电流）i通过阻抗Z，此时A点电位也突然上升。显然电流i的数值与先导通道的电荷密度以及主放电的发展速度有关，而且还受到阻抗Z的影响。先导通道的电荷密度很难测定，主放电的发展速度也只能根据观测大体判断，唯一易测知的是主放电开始以后流过阻抗Z的电流i以及它所引起的A点的电位升高。因此着眼于A点来建立雷电放电的计算模型，以求得到比较统一的分析方法。先导放电尽管是不规则的树枝状，而且是脉冲式发展，但研究表明，它还具有分布参数的特征。可以近似假定它是一个具有电感、电容等均匀分布参数的导电通道，称为雷电通道，其波阻抗为Z。再把主放电过程看作是沿着波阻抗为Z的无限长的雷电通道，自云层向地面传来的前行波U=Zi到达A点的过程。从地面感受的实际效果和工程实用的角度出发，把雷电放电过程简化为一个数学模型，从而得出它的彼得逊等值电路——电流源等值电路，如图1-12（b）所示。

综上所述得到以下两点结论：

（1）雷云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放。地面被击物体的电位取决于雷电流与被击物体阻抗的乘积（被击物体阻抗是指被击点与大地零电位参考点之间的阻抗）。因此，从电源的性质看，雷击相当于一个电流源的作用过程。

（2）雷电放电的物理过程虽然很复杂，但是从地面感受到的实际效果和防雷保护的工程实用角度可以把它看作是一个沿着一条有固定波阻抗的雷电通道向地面传播的电磁波过程，可以据此建立计算模型。在主放电时，雷电通道每米的电容和电感的估算为

式中　ε0——空气的介电常数，为8.86×10-12F/m；

μ0——空气的导磁系数，为4π×10-7；(www.xing528.com)

D——主放电的长度，m；

R——主放电通道的电晕半径，m；

r——主放电电流的高导通道半径，m。

取D=300m，R=6m，r=0.03m，作为二级近似，相当于可求出C1=14.2pF/m，L1=1.84μH/m。从而可以算出雷电通道波阻抗为

根据国内外的实测统计，75%～90%的雷电流是负极性，因此电气设备的防雷保护和绝缘配合通常都取负极性的雷电冲击波进行研究分析。

从波动观点看闪电的过程，认为回击式电流冲击波以10%～30%的光速沿着导电通道向上传播。相当于高频电路的传输线，这个冲击波到达闪电通道上端，产生反射，并因云和通道的阻尼呈衰减延缓，此外，还有电磁辐射的影响。

对于先导上下端的电压U的估算，由于对云中电荷的分布认识不够，无法确定云对于地的电位，因此只能近似估算先导到达地面前一瞬间其上端与地面之间的电压UL。它包含两部分，沿先导的电压降UL和电晕套的内外两面间的电压降Ut。

根据测量和估算，得到UL=3×107V，Ut≤1.8×107V，所以U=3×107+1.8×107=4.8×107（V）。

显然，这些方法尚且没有得到很好地验证，需要发展和完善。