雷电放电的工程模型及计算方法

1.理想化模型

构建模型是科学研究的基本方法之一，建立适当的理想模型有利于突出问题的主要因素，排除次要因素，使所研究的问题变得简单、易于理解、思路清晰。

倘若离开了理想模型，不仅许多科学研究无法进行，而且对科学的纵深发展必然会起阻碍束缚的作用。

物理学上，用理想化方法建立物理模型来研究问题的例子数不胜数。总归有五种分类方法：①将物质形态自身理想化，如质点、系统、理想气体、点电荷、匀强电场、匀强磁场等；②将所处的条件理想化，如光滑、绝热等；③将结构理想化，如分子电流、原子模式结构、磁力线、电力线；④将运动变化过程理想化，如匀速圆周运动、等压、等温、等容过程、匀速、匀变速直线运动、抛体运动、简谐振动、稳恒电流等；⑤将物理实验理想化，包括将实验条件理想化、实验器材理想化等。

雷电具有发生、发展的随机性和瞬时性的特点，它的信息快速瞬变，这给对它的测量和研究带来了很大的困难。防雷设计离不开计算，所以必须把复杂的闪电过程简化，抓住主要因素，用一种工程上熟悉的模型来代替复杂的过程，以便进行分析和计算。

2.雷电放电的工程计算

雷电放电的工程模型一般分为两种：一种是针对闪电直接落到地面的情况；另一种是针对闪电袭击到具有分布参数的建筑物、输电线路、线路杆塔或者避雷针上的情况。(www.xing528.com)

第一种情况比较简单，运用理想化模型的方法：①把大地简化为无限大的理想化导体，即大地电阻为零；②把这无限大面积的导体与积雨云之间的电容也理想化，把它看作非常大，以至于闪电放电时位移电流所遇到的阻抗为零；③把接近地面的先导通道看作带有线电荷密度σ的导体，认为积雨云的电荷已分布到其上；④认为放电时σ以波速v运动，产生电流为σv；⑤把回击产生时地面发出的迎面先导与下行先导会合，相当于一个短路开关，把放电电路接通。这样，就可以形象地画出闪电过程的物理模型。回击发生后，地面有+σ电荷沿着闪电通道向上运动，与-σ相中和。闪电通道的点、穴特性可以将其简化成为一段阻抗为z0的元件，连接先导被简化为开关元件，大地与云、地间的电容一起被简化成一段无阻抗的导线，而先导的端电压被简化成电路的电压源，其电动势为z0上的电压降，即σvz0。

第二种情况可以认为电流波在雷击点分正电流（iz正波）和负电流（iz负波），它们分别流经阻抗为z0的闪电通道和波阻抗为z的地面物，其等效电路图相当于在电路中串联进一个阻抗为z的元件。此时，流经地面物的电流应为

式中　z——被击物体的波阻抗（或集中参数表示的阻抗）。

为了计算简便，忽略大地阻抗，令式（1-9）中z=0，而实际中存在大地阻抗，但对计算影响不大。

而防雷过程中规定：当z=0时，流过地面物的电流即雷电流iL为

以上只是工程界流行的一种近似的处理雷电的方法，与实际的闪电规律还有较大差别，要视具体情况来采用科学有效的方法来解决有关雷电的问题。