雷電放電的先導(dǎo)過(guò)程、主放電過(guò)程及雷電的后續(xù)分量

一、雷電的先導(dǎo)過(guò)程

一次雷擊分為先導(dǎo)放電、主放電和余輝放電三個(gè)階段。

觀測(cè)表明，雷云中的電荷是集中在幾個(gè)帶電中心。雷云下部大部分帶負(fù)電荷，

故絕大多數(shù)的對(duì)地雷擊是負(fù)極性的。由于靜電感應(yīng)作用，雷云中的負(fù)電荷會(huì)在附近地面及地面的物體上感應(yīng)出大量正電荷，這樣在雷云與大地之間就形成了電場(chǎng)。當(dāng)雷云中某一電荷中心的電荷較多，其附近的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到空氣的游離場(chǎng)強(qiáng)(約25~30kV/cm)時(shí)，空氣開(kāi)始游離。當(dāng)某一段空氣被游離后，這段空氣就由原來(lái)的絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電性的通道，稱為先導(dǎo)放電通道。下行負(fù)先導(dǎo)具有明顯的分級(jí)發(fā)展的特點(diǎn)。每級(jí)的長(zhǎng)度約為50m，相鄰兩級(jí)間歇時(shí)間約為30～90μs，因此先導(dǎo)放電的平均發(fā)展速度較慢，出現(xiàn)的電流不大。

在先導(dǎo)通道發(fā)展的初始階段，其發(fā)展方向受到偶然因素的影響并不固定。但當(dāng)它發(fā)展到距地面一定高度時(shí)(稱為定向高度)，先導(dǎo)通道會(huì)向著地面上某個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)的方向發(fā)展，也就是說(shuō)雷擊具有選擇性。

二、雷電的主放電過(guò)程

當(dāng)先導(dǎo)通道接近地面時(shí)，地面上一些較高物體周?chē)碾?/span>場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到空氣游離所需的場(chǎng)強(qiáng)，會(huì)出現(xiàn)向上的迎面先導(dǎo)。當(dāng)先導(dǎo)通道的頭部與迎面先導(dǎo)之間的距離很小時(shí)，剩余空氣間隙中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到高的數(shù)值，造成空氣間隙強(qiáng)烈地游離，最后形成高導(dǎo)電通道，將先導(dǎo)頭部與大地短接，這就是主放電階段的開(kāi)始。游離出來(lái)的電子迅速通過(guò)被擊物流入地中，形成很大的沖擊電流。游離出的正離子則向上運(yùn)動(dòng)去中和先導(dǎo)通道中的負(fù)電荷。由于其游離程度比先導(dǎo)通道強(qiáng)烈的多，電荷密度很大，故通道具有很高的導(dǎo)電性。主放電發(fā)展的速度很高，所以出現(xiàn)極大的沖擊電流，并產(chǎn)生強(qiáng)烈的光和熱使空氣急劇膨脹震動(dòng)，出現(xiàn)閃電和雷鳴。主放電過(guò)程是由下向上發(fā)展的，當(dāng)主放電到達(dá)云端時(shí)，放電過(guò)程結(jié)束。

主放電過(guò)程持續(xù)的時(shí)間極短，一般不超過(guò)100μs。所產(chǎn)生的電流幅值高達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百千安，電流瞬時(shí)值隨著主放電向高空發(fā)展而逐漸減小，形成雷電流沖擊波。

對(duì)電力系統(tǒng)及電氣設(shè)備造成破壞的主要是主放電過(guò)程。雷云放電時(shí)，附近的電氣設(shè)備由于靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)在其上產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓。當(dāng)雷云對(duì)地面物體直接放電時(shí)，巨火的雷電流和很大的電流增長(zhǎng)陡度在被擊物上產(chǎn)生數(shù)值很高的直擊雷過(guò)電壓，會(huì)對(duì)電氣設(shè)備的絕緣產(chǎn)生威脅，造成電力系統(tǒng)絕緣事故。

主放電完成后，云中的剩余電荷沿著主放電通道繼續(xù)流向大地，形成余輝放電，電流約為數(shù)百安，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)(0.03～0.05s)。在余輝放電階段中持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)也可能會(huì)使電氣設(shè)備損壞。

三、雷電的后續(xù)分量

由于云中同時(shí)存在多個(gè)帶電中心，所以雷云放電往往是重復(fù)的。當(dāng)某一電荷中心的放電過(guò)程完成后，其電位發(fā)生劇變，使鄰近的電荷中心對(duì)該電荷中心放電，之后放電沿原來(lái)的通道向大地發(fā)展，形成雷電的后續(xù)分量。重復(fù)放電時(shí)仍由先導(dǎo)放電、主放電和余輝放電三個(gè)階段組成。由于第一次雷擊放電的通道在很短的時(shí)間內(nèi)來(lái)不及充分去游離，通道仍具有較高的電導(dǎo)，所以后續(xù)分量的先導(dǎo)是連續(xù)發(fā)展的，稱為箭形先導(dǎo)。

后續(xù)分量的主放電過(guò)程與前相同，電流幅值約為第一分量的1/3～1/2，電流的波前及波尾時(shí)間較第一分量的短。

圖TYBZ01402006-1中(a)為根據(jù)高速攝影照片繪制的多重雷電放電過(guò)程示意圖，(b)為相應(yīng)的放電電流波形圖。從圖中可以看出，第一次雷擊的先導(dǎo)通道是分級(jí)發(fā)展的，且雷電流較小。主放電階段的電流值很大，電流增加的速度也很快，持續(xù)時(shí)間很短。余輝放電階段的電流較小但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。