闪电现象与大气电性的基本联系及防雷原则

© 2014 Akinyemi等人。出版社：Elsevier B.V.信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectIERI Procedia 9（2014）47 - 522014年环境系统科学与工程闪电是大气电阿金耶米湾L*，Boyo A. O，Emetere M. E，Usikalu M. R，Olawole F.O尼日利亚，奥塔，圣约大学，物理系摘要本文简要论述了闪电现象与大气电性的基本联系。有关闪电放电的特点进行了审查，以阐明一些基本的神秘主义，仍然与闪电事件在世界上的一些地区，闪电罢工时，在哪里会。讨论了各种防雷原则。避雷装置的本质是防止雷击发生在装置或结构的上方或周围。版权所有© 2014作者.出版社：Elsevier B.V. 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：雷电;静电;静电放电1. 介绍静电放电是由于静电荷积聚，这是由于摩擦充电或静电感应而发生的。静电放电（ESD）是带电物体相互接触时电能的瞬时流动，它的理论是理解闪电的基础。* 通讯作者。联系电话：+2348033645413;传真：+2348033645413电子邮件地址：marvel. covenantuniversity.edu.ng。2212-6678 © 2014作者出版社：Elsevier B.V. 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究所负责的选择和同行评审48M.L. Akinyemi等人/ IERI Procedia 9（2014）47电能的突然流动会产生电火花，并伴有一些声音。在大气中发生的这种较大规模的ESD被称为闪电和雷声（Anderson和Eriksson，1980; Kasemir，1960; Thomson，1985）。简单地说，闪电是一种自发的瞬间高电流静电放电过程，通常在云中开始，路径通常长达数公里（Uman，1987）。在上升气流的作用下，云中的微小冰粒相互摩擦，形成极化过程。在这个过程中产生的正电荷在云中向上漂移，而负电荷则向下漂移，研究人员仍在调查其原因（Rakov和Uman2003）。随着云团尺寸的增大，正、负上部的电位差增大，必然导致区域间的ESD反应。 当这些放电仅限于同一云时，称为云内放电，而涉及两个或更多个云的放电称为云间放电或云对云放电。这些类型的放电约占全球闪电发生的75%，并且不涉及地球表面（Rakov，2007）。云对地（CG）放电是所有闪电放电中与人类和地球表面其他生命存在最相关的（图11）。①的人。图1不同类型的闪电放电（Rakov，2007）1.1云对地闪电放电如图2（a至d）所示，CG放电分为四种主要类型，即：（i）向下的负闪电（ii）向下的正闪电（iii）向上的负闪电和（iv）向上的正闪电。向下的负闪电放电被认为是最常见的，约占全球CG放电的90%，而不到10%是向下的正闪电。根据Uman，1987和Rakov，2007，平均而言，负的云地闪电放电由3 ~ 5个先导/回击序列组成，但偶尔会有两个先导/回击序列出现在同一闪电通道中，它们之间的时间间隔短至1 ms或更短。正CG放电与延长的云到云放电的后效应相关，其最终导致向下的正放电。向上负和向上正闪电放电类型有M.L. Akinyemi等人/ IERI Procedia 9（2014）4749据观察，主要来自高度约100米的高大物体或位于山顶的中等高度物体（Anderson和Eriksson，1980年;Uman，1987年和Rakov，2007年）。观测结果表明，闪电过程是从这些物体的顶部向上发起的，以寻求上方云层中具有相反电荷的导电路径。这与“闪电不会击中高大物体”的说法一致（一）（b）第（1）款（c）第（1）款（d）其他事项图2（a-d）：分别为向下负放电、向下正放电、向上负放电和向上正放电（Rachidi和Rubinstein，2009）。1.2 闪电连接和连接过程了解闪电事件背后的原理有助于正确设计闪电系统保护，加热的空气向上迁移到冻结区域，在上升和下降的空气柱的驱动下，在雷暴云中的冰粒之间产生不断的碰撞，导致静电荷的积累，导致初步放电，这种现象发生在云层的最低部分（图3a和b），（Mazur等人，1995年，Rakov和Uman，1990年）。当静电荷变得足够大时，一个最初的小电荷（称为“台阶先导”）就会爆发出来，寻找一条理想的云到云或云到地的路径。一旦这条路径建立起来，主要的一系列冲程就遵循图3（c-e）。(Baum，1999;Rakov，2007; Rakov和Uman，2003）（一）（b）第（1）款（c）第（1）款（五）（f）第（1）款（d）其他事项图3（a-f）闪电连接和附着的不同阶段（改编自Rachidi和Rubinstein，2009）步骤引线极性指示罢工将具有正特征还是负特征。步进引导器向下朝向地面前进，寻求与相反极性的静电荷的连接。一旦完成这一点，就产生了雷电传导路径，并且这导致了如图3f所示的第一回击。50M.L. Akinyemi等人/ IERI Procedia 9（2014）47避雷装置的全部本质是防止这些连接和附件在装置上方或周围发生。附着过程有助于建立一条导电通路，导致电流自由流动，从而导致雷击。在结构上安装的防雷装置的存在有助于将电荷消散到地面中以避免任何危险，而不是在结构上积累电荷，或者通过将其连接到埋在地面中的导电杆，在其与结构连接之前在空中终止正在进行的闪电步骤先导（Uman和Voshall，1968年; Cummin等人，1998;Rakov 2007）。2. 防雷装置2.1 静电消除器避雷器是用来保护现场的装置，使其看不见闪电;这是通过将电荷从结构分散到地面来实现的，从而抵抗静电荷的积累，以最大限度地减少雷击。静电的一个基本原理是，所有物体都通过电离过程释放电荷，尖锐的物体比平面或圆形平面更快地释放电荷。这部分解释了为什么雷击击中建筑物的角落和尖锐点比平坦的侧面更频繁。当静电荷被允许在尖的边缘处积累时，达到将吸引雷击朝向该点的水平。理想的消雷器有多个细的导电线股，安装在导电底座的孔中，允许静电消散接地电荷，从而最大限度地减少云层和结构之间的电势（Sadler和Kaiser，1990; Durret，1977）。图4典型的闪电衰减器（Sadler和Kaiser，1990）这些成千上万的尖锐的小尖线虽然可能会产生更多的电离，但它们也会导致产生的电荷更快地消散。正电荷不是集中在单个点的顶部并形成流光，而是通过数千个较小的点形成相同数量的电荷，从而导致耗散过程。耗散过程大多停止或在某些情况下延迟流光的形成，并最大限度地减少在要保护的点发生闪电的风险（Sadler和Kaiser，1990年）。因此，用避雷器保护诸如电信塔之类的金属结构或使它们不受保护有时可能最终具有相同的结果，即收集塔顶上的正电荷，以正流光的形式发射它们，并且一旦这些流光中的一个与来自云的负阶梯状先导中的一个相遇，闪电就击中塔顶。M.L. Akinyemi等人/ IERI Procedia 9（2014）47512.2 罢工终止装置（STD）雷击终止装置是另一个防雷系统组件，它伸出手来拦截空中的闪电，并将它们连接到进入地面的适当路径。从本质上讲，雷电终结者会吸引雷电到自己身上。闪电终结器系统也被称为“电荷转移系统”，其主要目的是产生不会发生闪电或即使发生也不会击中受保护结构的条件（Durrett，1977年和FAA，1990年）。雷电消除系统包括一个或多个尖锐点的高架阵列，通常类似于铁丝网，安装在要保护的结构上或附近。这些阵列通过引下线连接到接地电极棒，就像传统的防雷系统一样（Uman，1987）。根据其开发人员的说法，闪电终结器系统的工作原理通常是，通过电晕放电在尖锐点释放的电荷将（i）释放头顶上的雷云，通过消除闪电的可能性（这就是为什么这样的阵列有时被称为“耗散阵列”）或（ii）阻止向下的-移动的先导通过减少阵列附近的电场而使其自身不附着到阵列和要保护的结构上，从而通过将闪电吸引到自身来抑制向上连接先导的启动（Uman和Rakov，2002）。3. 结论雷电放电是影响尼日利亚及周边地区电信设施和其他基础设施的主要现象。所讨论的基本保护装置可被各种组织用于解决由于雷电放电而存在的问题。本文的综述是对闪电研究的一个贡献，也为社会提供了进一步的启示。该小组目前正在利用地面和卫星数据研究闪电的影响，这是发展中国家电信设施面临的一个重大挑战。目前正在进行研究，以找到应对这些挑战确认作者感谢东道机构的赞助。引用[1] 安德森RB和埃里克森AJ。雷电参数在工程中的应用。ELECTRA第69号，1980年。[2] Kasemir HW.对闪电放电静电理论的贡献。杰·吉奥菲斯。Res. 1960; 65：1873-8.[3] 汤姆森EM。闪电先导静电场波形的理论研究。杰·吉奥菲斯。1985; 90：8125-35。[4] 马萨诸塞州乌曼闪电放电。第1 - 377页，圣地亚哥：学术出版社，1987年。[5] Rakov VA和Uman MA。闪电：物理和效果。剑桥大学出版社，2003年。[6] 弗吉尼亚州拉科夫雷电现象学和雷电防护重要参数，第九届国际雷电防护研讨会，2007年。[7] Cooray V和Jayaratne KPSC。在热带斯里兰卡观测到的闪电特征。杰·吉奥菲斯。1994; 99：21，051 -6。52M.L. Akinyemi等人/ IERI Procedia 9（2014）47[8] Mazur V，Ruhnke LH和Laroche P.云地闪电中先导和回击过程的关系。地球物理学家。保留信函1995; 22：2613-16.[9] Rakov VA和Uman MA。负的云地闪电的某些特性与雷击顺序的关系。杰·吉奥菲斯。结果：1990; 95，5447-5453.[10] 鲍姆CE领导人脉冲步形成过程。闪电现象学笔记。空军研究实验室，注20，1999年，20页。[11] Rachidi F和Rubinstein M.第四届国际COST研讨会闪电物理和影响，维也纳，2009年。[12] Uman，MA和Voshall RE。闪电和飞镖先导启动之间的时间间隔。杰·吉奥菲斯。1968; 73：497-506。[13] Cummins KC Krider EP和Malone MD。美国国家闪电探测网络TM和电力公司对云地闪电数据的应用。电磁兼容学报，1998; 40：4.[14] Sadler，C和Kaiser B.静电消散器。美国专利4，910，636，1990。[15] Durrett，WR.肯尼迪航天中心的耗散阵列。《高层建筑物防雷技术综述》，J. Hughes编辑，Publ. AD-075 449，Office of Naval Research，24[16] 美国联邦航空管理局（FAA）。防雷多点放电系统测试：奥兰多、萨拉索塔和佛罗里达州坦帕。FAATC T16电力系统计划，最终报告ACN-210，48页，1990年。[17] Uman MA和Rakov VA.非传统防雷方法的批判性评论。美国气象学会2002年。