作者：陈建译 邱传睿
出版社：中国铁道出版社
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铁路通信信号防雷技术与应用试读：
前言
铁路是我国国民经济的大动脉和大众化交通工具，对国民经济的发展起到至关重要的作用。铁路通信信号系统是保证列车安全运行、提高运输效率的关键技术装备之一，被称为铁路运输的“中枢神经”。
近年来，信息化、网络化、智能化等微电子技术在铁路通信信号系统中得到广泛应用。铁路通信信号系统大量采用耐能量能力低的集成电路和微电子器件，极易受到雷电的侵入和干扰，影响系统的稳定性和可靠性。试验证明，10-9J这样小的干扰能量可能使集成电路失效。而雷电在大气中产生的雷电电磁脉冲辐射进入或通过电缆传导进入铁路通信信号系统的能量可以达到数焦耳级别。因此，如果没有雷电防护技术的运用和支撑，设备遭受雷害的概率会增加，可能导致铁路通信信号设备失效和故障，影响铁路正常的运输秩序。
我国铁路通信信号系统历来重视雷害防治，是全国较早开展电子设备雷电防护研究的行业之一。经过长期不懈地努力，铁路通信信号系统综合防雷取得了较好的成绩，积累了丰富的经验，雷害故障大幅度下降。
我国高速铁路高架桥、隧道较多，铁路沿线的雷电电磁环境复杂，同时通信信号系统设备小型化、网络化，使其对雷电电磁干扰更加敏感。因此，研究铁路通信信号的雷电防护技术、提高雷电防护能力具有十分重要的意义。
本书结合我国高速铁路和普速铁路实际，着重阐述了铁路通信信号系统综合防雷技术原理以及设计、施工和维护等内容。全书分为三篇：铁路通信信号综合防雷技术原理，铁路通信信号综合防雷设计与施工，铁路通信信号综合防雷维护及典型雷害故障案例。
本书内容丰富、针对性强，既有一定理论深度，又有丰富的实践案例，立足于现场维护人员和管理人员，同时兼顾工程设计和施工技术人员以及设备研制人员。本书图文并茂，便于理解和掌握，有利于提高铁路通信信号专业技术人员的防雷技术水平，对确保铁路通信信号设备运用安全具有重要意义。
本书由陈建译、邱传睿编著，李文涛主审。参加编写人员有：廖显生、杨显来、姜秋妍、郭媛忠、鲁志鹰、张俊兴。广州铁路（集团）公司罗立军、黄祖文、张昕、罗海洋、陈小平、欧阳健雄、季忠洪对全书进行了审核。特别感谢铁路总公司电务部覃燕提出的宝贵意见。同时，也感谢有关研究、设计、施工及维护管理单位专家给予的意见和帮助。
铁路通信信号设备防雷技术涉及的领域较广，设备众多复杂，加之时间仓促，经验有限，书中难免有遗漏和欠妥之处，恳请读者批评指正。
编者2015年12月第一篇铁路通信信号综合防雷技术原理第一章雷电基本原理第一节雷电的产生
一、雷电实质
雷电是人类最早观察到的自然现象。耀眼的闪电，沉闷的雷声，森林、草原大火，房屋击毁，生物击毙（伤）等使人们对雷电现象迷惑不解进而产生敬畏。进入18世纪，为揭示雷电本质，许多科学家进行了无数观测和实验研究，揭示了雷电现象的“电”本质。著名科学家本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）（1706—1790）的“风筝实验”，证明“闪电与电火花本质相同”，即闪电实质上是“放电现象”。近代大气物理学采用现代科学研究方法进一步证明，云彩在一定条件下会带电荷，这种带电云彩称为“雷云”，雷云是电荷载体。雷电是一种大气放电现象，雷击实质是雷云对地面物体的放电现象。其实，雷电放电是云中正负电荷聚集区间的放电、正负电荷的雷云间放电、带电雷云对大地的放电、带电雷云和大气中其他正负电荷聚集区放电。雷云放电的过程也是正负电荷中和，使物体趋于中性的过程。在地球上，平均每天发生800次雷闪。
二、雷云形成
云是形成雷电活动的必要要素，不是所有的云都带有电荷，只有带有电荷的云才能叫做雷云（或称雷雨云）。那么，什么情况下云才会带电呢？
总结雷云的形成，发现形成雷云必须具备以下三个条件：（1）空气中含有足够的水蒸气；（2）空气形成温度差，并使潮湿的空气形成强大的上升气流；（3）没有妨碍强烈而持久上升气流形成的因素。
从局地条件来看，雷云形成时，大气的垂直层结构是不稳定的，以便诱发对流活动的发生和发展；其次，空气中含有足够的水分，能够满足雷云的生成。从天气背景来看，应当有促发局部对流发展的天气形势，如冷锋过境、正在填塞中的低压、反气旋后部、小波动以及高空小股冷空气活动等。雷雨云往往由积云发展而来，是对流云发展的成熟阶段。一个发展完整的对流云，一般都有一个形成、成熟和消散的过程。
为了说明雷云形成，人们用夏天热雷暴现象来说明雷云的产生机理。图1-1是干燥空气和饱和空气上升情况示意图。
夏日炎热，中午的骄阳将大地炙热，地面土壤中的水分被汽化后上升。图1-1（a）是干燥空气或未饱和空气上升的情况，即大气比较干燥，上升水汽不能饱和。这种气体每上升1000m，大气压力会减少12％，空气膨胀，同时温度降低10℃。一般空气上升2000m后就不会继续上升。这种情况下，气流不会产生雷云。
图1-1 干燥空气和饱和空气上升情况示意图
图1-1（b）为大气潮湿，上升水汽成为饱和空气上升的情况，饱和空气上升时被冷却，一部分水凝结出来，同时放出潜热。由于有潜热，饱和空气在膨胀时温度降得不多，因此比周围大气热、轻，使其可继续上升，不断有水蒸气凝结成水珠，最后变为冰和雪。
当太阳光直射使地面温度较高时，地面的水蒸发得比较快，空气中有了足够的水蒸气。地面温度高，水汽不易凝固，能够接纳更多的水汽，导致空气的密度减小，空气变轻。变轻了的空气不断地上升，出现图1-1（b）的情况。当气流急剧上升，速度达到100km/h以上时，水珠开始裂化，分出小水珠，大水珠带负电，聚积在云层底部，小水珠带正电，随气流上升，到云层上部。当云中电荷积聚到一定程度时，云内形成强电场，同时对地间也存在电场。云层带电就是所谓的雷云。雷云带电荷越多，它的电压越高，当它与另一雷云接近时，便可以击穿两片雷云间的空气，形成强烈的放电。当一片雷云带的电荷足够多，其对地的电场足以将云地间空气击穿，发生云地放电，使正负电荷中和。这就是热雷云，大多发生在5-8月温高湿重的天气。
三、雷暴
雷雨由雷云产生，而由积雨云产生的激烈放电现象称为“雷暴”，雷暴是一种强烈的对流性天气。按照雷云形成时不同的大气条件和地形条件，一般将雷云分为热雷暴（气团雷暴）、锋面雷暴和地形雷暴三类。锋面雷暴又可分为暖锋雷暴、静止锋雷暴和冷锋雷暴三种。此外，也有人把冬季发生的雷暴划为一类，称为冬季雷暴。（一）热雷暴
夏日的气团雷雨一般称为热雷暴（气团雷暴），由热雷云产生。在夏季，发生雷暴之前常常使人感到十分闷热，说明大气低层气温高、层间结构不稳定、水汽含量大。此时，如果有冲击力作用，就产生雷暴。
在闷热的夏天，空气中的水蒸气已经接近饱和，空气非常湿润，地面吸收太阳辐射热量远大于空气层，所以白天地面温度较高，地面水分部分化为蒸气。若是地面无风，接近地面的气体由于受热传导和热辐射的影响温度升高，气体温度升高后体积膨胀、密度减小，就会强烈上升。这部分带着水蒸气的热空气向上运动，而原来高层中冷空气密度相对较大，就会下沉。热空气在上升过程中膨胀、压力下降，同时温度下降。高空大气温度低，产生热交换，使得上升空气中水蒸气形成了小水滴，这就是云。在这个过程中，云也带上了电，这种云称为热雷云。这种热雷云产生的雷电常发生在闷热无风的夏季。
图1-1（b）所示热雷云可以形成热雷暴。（二）锋面雷暴
锋面雷暴（图1-2）分为冷锋雷、静止锋雷暴和热锋雷三种，由气团的锋构成。气团形成源地需要的条件：有范围广阔、地表性质比较均匀的下垫面（气象学称大气下层直接接触的地球表面为下垫面）。空气中的热量、水分主要来自下垫面，因而下垫面性质决定着气团属性。大范围性质比较均匀的下垫面，可成为气团形成源地。在冰雪覆盖的地区往往形成冷而干的气团，即冷气团。在水气充沛的热带海洋上，常常形成暖而湿的气团，即热气团。在沙漠或干燥大陆上形成干而热的气团但缺乏水分。锋则是冷、暖气团相交的地带。该地带冷、暖空气异常活跃，常常形成广阔的云系和降水天气，易出现大风、降温和雷暴等剧烈天气现象。
在我国，冷气团一般来自于西北，暖气团一般来自于东南。冷暖气团交界面称为锋面，实际锋面是冷暖气团之间的过渡区域。锋的两侧温度有差异，水平移动的冷气团和暖气团在交界面上会因为冷气团将湿热的暖气团抬高，并与暖气团对流形成面积极大的雷云，称为锋面雷云，如图1-3所示。这种雷云随着锋一起生成，向前延伸，致使雷的覆盖面积大，移动速度快，具有一定的方向性。锋面附近常伴有云、雨、大风等恶劣天气。
图1-2 锋面雷暴
图1-3 锋面雷云形成示意图
在各种雷暴中，锋面雷暴出现的次数最多。据统计，我国华北地区，锋面雷暴占总雷暴次数的80％以上；华东的上海地区，6-8月份有60％～70％的雷暴形成在锋面附近。
冷锋雷暴也叫做寒潮雷。我国冷空气活动频繁，冷锋活动几乎遍及全国，冷锋雷暴是冷空气强烈冲击暖湿不稳定空气而形成。当冷锋强、锋面坡度大、移动快、暖空气不稳定、暖湿程度大时都可以形成雷暴。冷锋雷暴的特点是强度大，多个雷暴沿锋线排列成行，组成一条宽几公里至几十公里、长几百公里的狭长雷暴带。有时冷锋在北方没有雷暴，但移动到江南后，由于暖空气湿度和不稳定度加大，就出现大面积雷暴天气。由于冷空气往往来势很猛烈，是雷雨中最强烈的一种，常在短时间内转变为特大暴雨，因而危害最烈。冷锋雷暴在昼间、夜间、陆地、海上都可出现，日变化较小，一般下午和前半夜较强，早晨减弱。它的移动速度较快，可达40～60km/h。
静止锋雷暴多产生在入春以后，冷暖空气势均力敌情况下。我国长江以南地区在立夏以后静止锋出现次数较多。华东中部地区6—8月份出现的雷暴中，有40％以上是静止锋雷暴；华南地区春季出现的雷暴，有35％以上是静止锋雷暴。静止锋雷暴由暖湿不稳定空气沿锋面上升而形成。它多出现在地面锋线的两侧，呈分散型块状分布。静止锋雷暴特点是范围广、持续时间长（可持续几天内都出现），但产生的雷暴天气不像冷锋雷暴那样强烈，雷暴云常隐藏在深厚的层状云系中。准静止锋雷暴常有明显的日变化，多产生在后半夜，白天逐渐减弱或消散，其原因是层状云系下部在白天底层温度低，气层比较稳定，而夜间云层顶部辐射冷却，使气层变得不稳定。
暖锋雷暴在我国较为少见，在暖锋向前移动时，暖湿不稳定空气沿暖锋上升而形成。暖锋雷暴一般不如其他雷暴那样强烈，积雨云形成在较高的地方。与静止锋雷暴相似，暖锋雷暴可能镶嵌在雨层云或高层云中，雷暴云主体常常被浓密的层状云遮蔽，底部与雨层云混在一起。暖锋雷暴在一天中的任何时刻都能出现，但夜间出现次数较多。（三）地形雷暴
地形雷暴和地形有关，大多产生于丘陵、山区和山体的阳面，由夏季潮湿气流随地形抬升而形成，发展快而移动慢，降水中常夹杂冰雹，升降气流非常强烈。在山岭地区，当暖空气经过山坡被强迫上升时，在山地迎风的一面空气沿山坡上升，到一定高度变冷而形成雷云。但到了山地背风的那一面，空气沿山坡下沉，温度升高，雷雨消散或减弱。特别是在滨海的山岳地带，近海的一面山坡因海风潮气特别重常易发生雷雨。我国山地多，地形复杂，部分地区由于地形关系易产生雷雨，因此地形雷暴是夏季山区经常发生的一种雷暴。只要条件合适，地形雷暴也能在冬季产生。此外，在我国南部还常出现所谓旱天雷，也叫干雷暴，这种雷暴发生时无雨或微量雨，却伴随着强烈的台风，大气的带电作用已达到极端状态，干雷暴的破坏力尤其强大。图1-4所示是山地地形雷暴示意图。
图1-4 山地地形雷暴示意图（四）雷云起电机制
雷云必须带电才能发生放电，雷云放电就是雷闪。科学家们对雷云的起电机制及电荷分布规律进行了大量的观测和试验，积累了许多资料，并提出各种各样的论点。不过，有些论点至今还有争论，因此只能称为假说。
首先人们认为大气中存在着大量的正离子和负离子，在云中的雨滴上，电荷分布并不均匀，最外边的分子带负电，里层的带正电，内层比外层的电势差高约0.25V。为了平衡这个电势差，水滴必须优先吸收大气中的负离子，使水滴逐渐带上负电荷。当对流发展开始时，较轻的正离子逐渐被上升的气流带到云端上部，而带负电的水滴因为比较重，就留在了下部，造成正负电荷分离。这就是对流云初始阶段的“离子流”假说。
当对流发展到一定阶段，云体伸入0℃层以上的高度后，云中就有了过冷水滴、霰粒和冰晶等。这种由不同相态的水汽凝结物组成且温度低于0℃的云，称为冷云。冷云起电机理主要有四种。
1.水滴破裂效应
云中水滴在高速气流中进行激烈运动，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％云层下部带负电的原因。
2.感应起电效应
由于宇宙射线或其他电离作用，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。
3.过冷水滴在霰粒上的水滴撞冻起电效应
在云层中有许多水滴在温度低于0℃时也不会冻结，这种水滴叫过冷水滴。过冷水滴是不稳定的，只要它们被轻轻地震动一下，就马上冻结成冰粒。当过冷水滴与霰粒碰撞时，会立即冻结，这被称为撞冻。当发生撞冻时，过冷水滴外部立即冻成冰壳，但它的内部仍暂时保持液态，并且由于外部冻结释放的潜热传到内部，其内部液态过冷水滴的温度比外面的冰壳高。温度的差异使得冻结的过冷水滴外部带正电，内部带负电。当内部也发生冻结时，云滴就膨胀分裂，外表皮破裂成许多带正电的冰屑，随气流飞到云层上部，带负电的冻滴核心部分则附在较重的霰粒上，使霰粒带负电并留在云层的中下部。
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。积雨云中的冰晶和霰粒在对流的碰撞和摩擦运动中造成温度差异，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效应而产生的。另外还有“破碎起电”等假说都能解释一定的现象，但仅能部分解释雷云起电的机制。
四、雷云内部电荷分布
一般情况下，雷云内部的各个部分都会出现电荷，有的部分带正电荷，有的部分带负电荷，电荷分布很不规则，且分布的随机性很大。但是，如果从宏观上看雷云的外部，可以把雷云内部电荷分布看成是三个电荷集中区：正电荷集中区P在雷云上部，负电荷集中区N在雷云下部，弱正电荷集中区P′在雷云底部。图1-5所示是雷云内部电荷分布示意图。
图1-5 雷云内部电荷分布示意图
实测表明，在5～10km的高度主要是正电荷云层，在1～5km的高度主要是负电荷云层，但在云层底部也有一块不大区域的正电荷聚集。雷云中电荷分布很不均匀，往往形成多个电荷密集中心。每个电荷中心的电荷约为0.1～10C，而一大块雷云同极性的总电荷则可达数百库仑。这样，在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间，或雷云和大地之间就形成强大的电场。雷云中平均电场强度约为150kV/m，而在雷击发生时刻达340kV/m。雷云下面地表的电场强度一般为10～40kV/m，最大可达150kV/m。空气击穿后就会发生云内、云间或对地的火花放电，放出几十乃至几百千安电流，产生强烈的光和热（放电通道温度高达15000℃～20000℃），使空气急剧膨胀震动，发生霹雳轰鸣。这就是闪电伴随雷鸣的缘故。雷云放电大部分是在云间或云内发生，只有一小部分是对地放电，雷云对地电位可高达上亿伏。
五、雷云放电（一）雷云放电种类
雷电放电包括雷云对大地、雷云对雷云和雷云内部的放电现象。大多数雷云放电都是在雷云内部或雷云与雷云之间进行的，只有少数是对地进行的，雷云对地的放电才被称为雷击。近代防雷工程，重在保护地面建筑物、构筑物或者强电系统。因此，主要关注雷云对大地的放电——直击雷。现代防雷除了继续关注保护建筑物、构筑物或者强电系统外，大量的工作用在保护对雷电极其敏感的电子设备。现代防雷除了继续关注直击雷外，尤其关注造成电子、微电子设备雷害的雷电电磁脉冲干扰。
云地间的放电是云内荷电中心与大地和地物之间的放电过程，亦指与大地和地物发生接触的闪电，被称作地闪，如图1-6所示。云间闪是两个云层间不同电荷的放电，当两个云层正-负电荷间电场强度被击穿时，发生云间闪，如图1-7所示。
图1-6 重庆上空地闪
图1-7 美国科罗拉多州的烟囱石（Chimney Rock）附近上空的云间闪
图1-8 冰岛火山诱发的云空闪
云内有许多不同大小的电荷中心，同一云层中不同部位的异性电荷中心间放电称为云内放电。云内闪发生频率极高，现在用场强法监测记录的雷电，许多是云内闪和云间闪。云内闪的放电电压都比较低，电流小，往往只对地面模拟通信设备造成干扰，而破坏作用不大。云空闪是雷云电荷对大气中其他异性电荷的放电，例如，在火山爆发时可以观察到云空闪，如图1-8所示。（二）闪电形态
雷雨天可以看到形形色色的闪电，蔚为壮观。闪电根据形状分为线状闪电（或枝状闪电）、片状闪电、带状闪电、联珠状闪电和球状闪电。
1.线状闪电
线状闪电（或枝状闪电）是人们经常看见的一种闪电形状，如图1-9所示。闪电好像横向或向下悬挂的树枝，有耀眼的光芒和很细的光线。线状闪电有特别大的电流，平均达到几万安培，在少数情况下可达20万安培。如此大的电流足以毁坏和摇动大树，有时甚至伤及人、畜。当它接触到建筑物时，常造成雷击而引起火灾。线状闪电多数属于云对地的放电。
2.片状闪电
片状闪电也是一种比较常见的闪电形状，如图1-10所示。它看起来好像是在云面上有一片闪光。这种闪电可能是云后面看不见的火花放电的回光，或者是云内闪电被云滴遮挡而造成的漫射光，也可能是出现在云上部的一种丛集的或闪烁状的独立放电现象。片状闪电经常是在云的强度已经减弱，降水趋于停止时出现的。它是一种较弱的放电现象，多数是云中放电。
图1-9 线状闪电
图1-10 片状闪电
3.带状闪电
带状闪电由连续数次的放电组成，在各次闪电之间，闪电路径因受风的影响而发生移动，使得各次单独闪电互相靠近，形成一条带状，如图1-11所示。带的宽度约为10m。这种闪电如果击中房屋，可以立即引起大面积燃烧。
4.联珠状闪电
联珠状闪电看起来好像一条在云幕上滑行或者穿出云层而投向地面的发光点的连线，也像闪光的珍珠项链，如图1-12所示。有人认为联珠状闪电似乎是从线状闪电到球状闪电的过渡形式。联珠状闪电往往紧跟在线状闪电之后接踵而至，几乎没有时间间隔。
图1-11 带状闪电
图1-12 联珠状闪电
5.球状闪电
球状闪电虽说是一种十分罕见的闪电形状，却最引人注目。它像一团火球，有时还像一朵发光的盛开着的“绣球”菊花。它约有人头那么大，偶尔也有直径几米甚至几十米。球状闪电有时候在空中慢慢地游荡，有时候又一动不动地悬在空中。它有时候发出白光，有时候又发出像流星一样的粉红色光。球状闪电“喜欢”钻洞，有时候，它可以从建筑物与外界间缝隙（如窗户、门缝）钻进屋内，甚至由电源线进入建筑物的导管进入室内，在房子里转一圈后又溜走。球状闪电有时发出“咝咝”的声音，然后一声闷响而消失；有时又只发出微弱的噼啪声而不知不觉地消失。球状闪电消失以后，在空气中可能留下臭氧的味道。球状闪电大约为几秒钟到几分钟。在大自然中捕捉球状闪电十分困难，至今人们还未获得大自然中球状闪电的照片，图1-13是人工在实验室获取的。
图1-13 人工制造的球状闪电
六、地闪（雷云对地放电）过程（一）地闪（雷云对地放电）三个阶段
地闪是雷云对地面的放电，当雷电击中地面物体并通过被击中物体入地时，称为直击雷。人们对地闪进行了长期的研究，根据长间隙放电理论，证明地闪的发生和发展可分为先导放电、主放电（回击）、余辉三个阶段：（1）先导阶段：地闪发生前100～200ms时间内，云中放电频繁，表现为云中的闪光和地面的场强显著变化，即地闪的预放电阶段。云中放电使云中电荷重新分配，对地面电场产生畸变，从而使得云层和地面间高电场区的电荷出现向地放电的趋势。云地之间的线状雷电在开始时往往从雷云边缘向地面发展，雷云下部形成微弱发光的放电通道，称为先导放电，逐级向地面发展，发展速度为100～1000km/s，每级平均长度约为10～200m，平均25m，先导发展模式为先导通道交替向地面延伸，级间的停歇约10～100μs，平均50μs。下行负先导在发展过程中分成数支，这与空气中存在离子团有关，下行先导电流约为，温度约为，温度约为（1～3）×10 4 K。（2）主放电阶段：当先导放电接近地面，因周围电场强度达到了能使空气电离的程度，当这一场强达到25～30kV/cm时，不论正负雷云都可能在地面凸出物体诱发上行的先导，也称迎面先导，这种雷叫上行雷。地面凸出物越高，产生上行先导需要的平均雷云下的电场强度E 就越小。当先导放电到达大地，与迎面先导会合以后就开始0主放电阶段，产生强烈的电荷中和，出现极大的电流、声音和闪光，这就是雷电的主放电过程。主放电时间约为50～100μs，放电速度为15000～150000km/s。在雷击中，雷击点有巨大的电流流过。大多数雷电流峰值为几十千安，少数达到几百千安。
由于雷云中通常有多个电荷中心，所以在第一次放电以后，往往会沿先导放电通路产生重复放电，这样的重复放电和第一次放电一样，也由先导放电和主放电组成。但第二次放电时，沿途的导电性能已经很好，所以不像第一次放电那样逐渐前进，而是像箭一样射向地面，因此称为箭式先导放电。第二次先导放电到达地面后，就由地面向上开始第二次主放电。第二次以后的各次主放电均比第一次小，第二次主放电电流峰值不会超过30kA。（3）余辉阶段：主放电完成后，云中剩余电荷沿着导电通道开始流向大地，这时通道中尚余一定的辉光，故称为余辉阶段。回击结束后，通道中的电导率大为减少，电荷运动较慢，所以余辉的电流不大（100～1000A），但持续时间长，可达0.03～0.15s。
图1-14是高速摄影机用胶片多次曝光拍得的下行负雷电过程及相对应的电流变化情况。
图1-14 雷云对大地的放电过程
a—雷云的放电过程；b—放电过程中雷电流的变化情况
从高速照相机拍下的光学照片显示，大多数云对地雷击是重复的，即在第一次雷击形成的放电通道中，会有多次放电尾随，放电之间的间隔大约为0.5～500ms。主要原因是：第一次先导（主放电）冲击泄放的主要是第一个电荷中心的电荷。在第一次冲击完成之后，主放电通道暂时还保持高于周围大气的电导率，其他电荷中心将沿已有的主放电通道对地放电，从而形成多重雷击。第二次及以后的放电，先导都是自上而下连续发展的，没有停顿现象。放电次数平均为2～3次，最多放电次数观测到42次。通常第一次冲击放电的电流最大，后续电流幅值都比较小。
以上是负电荷雷云对地放电的基本过程，可称为下行负雷闪；对应于正电荷雷云对地放电的下行正雷闪所占的比例很小，其发展过程亦基本相似。
若地面上存在离地面极高并且导电性能良好的接地物体时，也可能首先从该物体顶端出发，发展向上的先导，称上行雷。但上行雷到达雷云时，一般不会发生主放电进程，这是因为雷云的导电性能比大地差得多，难以在极短时间内提供为中和先导通道中电荷所需要的主放电电流，而只能向雷云深处发展多分支的云中先导。通过宽广区域的电晕流，从分散的水性质点上卸下电荷，汇集起来，以中和上行先导中的部分电荷。这样电流放电过程显然只能是较缓和的，而不可能有大冲击电流的特性。其放电电流一般不足千安，而延续时间则较长，可能长达0.1s。此外，上行先导从一开始就出现分支的概率较大。（二）地闪（雷云对地放电）极性和发展方向
地闪极性以雷电放电时流入大地的电荷极性来定义，雷电按照极性分成正极性雷和负极性雷两种。从雷电发展方向来定义，地闪分下行雷和上行雷两种。
从雷云向大地发展的雷称为下行雷，从地面高层建筑物向雷云发展的雷称为上行雷。
下行雷一般为负极性，上行雷一般是正极性。再结合雷电有无主放电阶段，可以将雷分成八种类型，无主放电的标记为a类，有主放电的标记为b类，如图1-15所示。
图1-15 地闪的四种类型
l—先导；r—回击；v—发展方向
1a型：放电始于从云中负电荷发展的向下先导。这是在没有极高凸出物的开阔地区的主要情况。先导带负电，电流也为负。若先导不落地（空中放电），就无主放电，并形成云内放电。1b型：当向下负先导落地时，产生向上运动极快的主放电，主放电使先导和云中的部分电荷泄放到地。2a型：放电始于高耸的接地体，然后出现向云中负电荷发展的向上先导。先导带正电，为正先导。向地流动的以及流经接地体的电流为负，电流持续时间较长，称为连续电流，也称为向上正先导-连续负电流。2b型：开始阶段和2a型相同，其后是主放电。每一次闪击都与1b型相同，即包括先导和向下主放电，称为向上正先导-多闪击负闪电。3a型：相当于1a型，只是云中电荷为正。先导电荷和先导电流均为正。由于先导不落地，于是在地下形成一位移电流。3b型：当向下正先导落地时，引起向上正主放电，并泄放先导和云中部分电荷。这类闪电在山区极罕见。4a型：云中电荷为正，向上先导始于高耸的接地体，先导带负电。流入地的电荷为正，即连续电流为正，定名为向上负先导-连续正电流闪电。4b型：这类闪电的发生和4a型相同，但在向上先导后4～25ms，紧跟着一个极其强烈的向下正主放电。以上分类中没有考虑迎面先导的影响。（三）地闪（雷云对地面放电）雷击距
当下行先导从雷云向地面发展时，如果头部离地面较远，则先导下行发展取向有明显随机性，实际上不受地面物体存在的影响。但当先导发展到接近某一物体的定向范围时，它就会定向向该物体发展，使该物体遭受雷击，这种定向临界距离称为雷击距（简称击距），如图1-16的d 。下行先导头部到达地面物体的雷击距范围之前，它的s发展方向取决于许多随机因素，但其头部游离区中心的流注通道接触到地面物体发出的向上先导后，雷击定向向该物体发生。实际上，雷击距是下行先导头部接触地面物体的流注长度，如果地面物体能发出上行先导，雷击距还应包含上行先导的长度。雷击距与下行先导的头部电位有关，电位与先导通道中分布的电荷量密度有关，而该电荷密度又决定后续回击放电产生的电流大小。所以说，雷击距依赖于雷击电流幅值。
实测雷击距后推导的经验公式一般形式如下，并被现行的防雷设计规范采用。
图1-16 雷击距示意图
式中 d ——雷击距；s
I ——雷电流幅值；m
A、K——常数，由测试结果拟合确定。“雷击距”可以用来分析地面物体雷击状况，确定避雷针等直击雷保护装置的保护范围。第二节雷电活动强度及雷击选择性、连续性
一、雷电活动强度
雷电活动的频繁程度因地区而异。雷电小时、雷电日和地面落雷密度是描述雷电活动的三个基本参数。（1）雷电小时：一小时内在某地可闻雷声次数，只要听到雷声，不论雷声持续多长，都作为一个“雷电小时”。
年雷电小时数：以年为单位计算全部雷电小时数量。（2）雷电日数：指一昼夜间产生的可闻雷，不管次数多少均记为一个雷电日。统计上以年雷电日数计，年平均雷电日数等于全年雷电日数的总和。（3）地面落雷密度：雷电日和雷电小时这两个参数均未区分雷云之间放电和雷云对地放电。从大量的观察结果来看，雷云之间放电远多于雷云对地放电。过去，电力部门关心的是云地间对电力设施的影响，因此引入了“地面落雷密度”的概念。地面落雷密度用γ表示，定义为每雷电日，每平方公里上的平均落雷次数。电力部门取γ=0.015/（km 2 ·d）。γ的数值与该地的年平均雷电日T 有关，国际d大电网会议推荐为。
根据年平均雷暴日，将雷电活动地区分为：少雷区、中雷区、多雷区、强雷区。
国家标准GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》规定：
a.少雷区——年平均雷暴日数不超过25的地区；
b.中雷区——年平均雷暴日数为25～40的地区；
c.多雷区——年平均雷暴日数为40～90的地区；
d.强雷区——年平均雷暴日数超过90的地区。
这三个参数最早是电力系统为说明某一地区的雷电活动而引进的参数，其他部门也应用该三个参数。用该参数来衡量一个地区雷电活动频繁程度是无奈之举，它只说明某地一年可闻雷声的天数，但并不反映该地一年有多少次云地放电、云间放电以及每次雷电的强度。在衡量电气、电子设备的雷害时，发现这三个参数明显不能满足需要。
二、雷击地面目标的选择性和连续性（一）雷击选择性
雷击地面同一区域的目标是不均匀的，这种落雷不均匀现象称为雷击的选择性。历史资料和室内实验都证明，落雷的地方和遭受雷击的地面目标有一定规律性，掌握这些规律可以更好地做好预防雷害工作。
一般说来，落雷与地质条件、地形面貌，以及地物情况等有着密切的关系，在土壤电阻率分布不均匀的区域，凡是土壤电阻率较小的地方，容易积累较多的异性电荷。同时，这个地方的导电性能也相对较好，这样就为先导放电提供了良好的条件，因此雷云的下行先导就自然朝着这个方向发展，从而造成落雷。建筑物、构筑物等高大物体比周围物体高，相对于低的物体，它与雷云间的电场强度大，所以雷云更易对建筑物、构筑物放电。
雷击的选择性可以总结为：雷击点选择趋向土壤电阻率低的地方；雷击点选择趋向电场强度最大的地方（地表凸出物）；建筑物结构、内部设备情况和状况，对雷击选择性也有一定影响。
图1-17 雷击的选择性
下面对雷击的选择性进行探讨：（1）土壤电阻率对雷击产生的影响：图1-17所示的雷闪，从云开始向地面发展，当到了离地面50～100m（这一距离就是雷击距，也是滚球法计算避雷针保护范围的依据），即寻找地面合适的袭击目标。图中它并未按照闪电的发展方向指向地面，而是转向导电率高的地方，这就是雷击点选择趋向土壤电阻率低的地方。
地面土壤电阻率分布不均匀，则在电阻率小的地区，雷击的概率较大。实际经验和调查资料也证明这一事实，国外科学家（瑞典诺林德、沙卡和前苏联科学家H·C·斯捷科里尼科夫等）也进行过模拟试验。并解释了这一现象的物理过程。
图1-18表示某一区域理想的下垫面，A、B两个土壤电阻率不同的区域，A地区土壤电阻率ρ 小于B地区土壤电阻率ρ 。在常见的AB负地闪的情况下，当雷云过境时，由于静电感应，它下方的地面就会因此感应出与雷暴云极性相反的电荷，由于A、B两地土壤电阻率不同，雷云不容易在B地感应出较多的异性电荷，而且即使感应出一些异性电荷，也不容易集中起来形成上行先导。因此当雷云下方与地面或地面上物体之间电场强度达到25～30kV/cm时，雷云与大地间空气绝缘层被击穿，发生局部放电，雷电先导逐级向地面发展，而在发展过程中由于A地区比B地区感应出更多的电荷，且能为雷电提供阻抗较低的放电通道，因此雷电朝着场强较大的A地区发展，最后与A地区所产生的向上迎面先导（上行流光）汇合，接闪的瞬间把能量沿该路径释放给大地，完成一次雷击过程。
研究证明，一般高电阻率地区发生雷击的雷电流较小，低电阻率地区发生雷击的雷电流较大。
图1-18 不同土壤电阻率地面雷电发展过程
A—土壤电阻率ρ 较小的地区；A
B—土壤电阻率ρ 较大的地区B
图1-18所示为理想的下垫面情况时雷击选择性的物理过程，而实际的情况下垫面一般都是凹凸不平的，图1-19表示地下土壤电阻率差异较大时雷电趋向于土壤电阻率最低的地区发展。A、B、C三种不同土质，土壤电阻率的关系式ρ ＜ρ ＜ρ ，所以在雷云过境时，BBAC地区感应出的电荷最多，A地区其次，C地区最少。同样在雷电的先导放电阶段，地中的电导电流主要沿着电阻率较小的路径流通，在地面电阻率较小的B区域因被感应了大量与雷云相反的异性电荷，雷电自然朝着这一地区发展，这就是为什么在土质不同下垫面会出现雷击选择性现象。
图1-19 存在明显差异下垫面雷电发展过程
土壤电阻率较小的山区和平原，雷击的选择性都比较明显。雷击经常发生在有金属矿床的地区、河岸、地下水出口处、山坡与稻田接壤的地上和具有不同电阻率土壤的交界地段，在湖沼、低洼地区和地下水位高的地区也容易遭受雷击。（2）地表凸出物对雷击发展的影响：地闪发生一般起始于雷云内的梯级先导。通常带负电荷的先导通道向下发展，接近地面时，电场受地面物体的影响会发生畸变，因此也会影响雷电放电的选择性。在不规则的地表面或凸起的地面物体上电场强度增加，超过空气的击穿值。结果，从这些点发展出向上的先导。当从地面开始向上移动的先导中的一个与向下的梯级先导相碰，闪电的击地点就被确定。
上面介绍的是下行地闪的情况，而高大建筑物所产生的多为上行地闪，由地面向云中发展的闪电叫上行地闪，它根据先导方向定。定义为：具有向上先导的云中荷电中心与大地和地物间的放电过程。先导带电向上，放电一般始于高耸的接地体（塔尖或山顶），根据云中带电极性不同又可分为向上正地闪和向上负地闪。随着建筑物高度的增加，上行闪电的发生率也在逐渐增加，当建筑物的高度超过500m时，上行闪电发生率达到90％以上，即可以认为大部分闪电都是上行闪电。建筑物越高，发生上行闪电的概率越大，这也是超高建筑物为什么会频繁遭雷击的原因。（3）建筑物的结构和内部设施情况，对于雷电放电的选择性也有较大的影响。在建筑群中个别较潮湿的建筑物，如冷冻库、供水房、浴室等；建筑物结构，如墙壁、楼板和基础内钢筋较多，以及建筑物内安装了大型金属设施，或屋顶为金属结构等，都会因为容易感应和积累起大量电荷而吸引雷电，成为雷击的目标，建筑物内的电气电子设备密集时，也会成为雷击选择的目标。从其他地物条件来看，在铁路集中的枢纽或编组站，在高压输电线路或电气化线路走廊，由于容易产生大量的感应电荷，因此它们及其附近都容易受到雷击。（二）雷击连续性
从大量的观察资料来看，一次雷击都是多次放电，平均次数大约为3次，最多有40多次的观测记录。图1-20是用旋转摄影机拍摄的一次雷击出现的多次放电的图像。这是因为雷云中有大量的电荷，并在云中游离成为若干电荷区。每次放电是雷云中个别电荷区与其他异性电荷区电场强度达到可以击穿正负电荷间介质时的放电，第一次放电只是泄放了第一个电荷区的负电荷，这时第二个电荷区的负电荷要移动到第一个电荷区的位置，因为这时第一个电荷区下已经存在电阻极小的闪电道，利用这个闪电道，第二电荷区移动过来的电荷继续向大地放电。由于雷云并不是良导体，雷云中电荷移动需要时间，所以第一次放电和第二次放电间有时间间隔。
图1-20 一张底片上拍摄的多次闪击曝光第三节雷电主要参数
一、直击雷参数
雷电波形参数是防雷工程设计的重要依据，因此，人们十分重视获得雷电波形的参数。获得雷电波形参数需要对雷电进行观测。早在1897年，意大利学者利用铁磁物质在避雷针引下线上记录流经避雷针的雷电流幅值。最近几十年，许多国家相继采用示波器和计算机相配合的雷电观测仪用数字形式记录直击雷的雷电波形参数。例如，美国纽约帝国大厦（楼高380m）的雷电观测、前苏联莫斯科电视塔的测雷、日本柏崎、刈羽地方的测雷、瑞士圣萨尔瓦托（San Salvadore）山顶的测雷等。世界各国测得的自然界的雷击波形基本是一致的，大约有80％～90％的雷电流是负极性重复脉冲，一次放电过程常常包含多次先导至主放电的过程（初次放电和后续放电），放电脉冲数目平均为3～4个。目前，国际用得最多的是图1-21的波形。该图是BergerK、AndersonR·B在瑞士圣萨尔瓦托（San Salvadore）山两个通信塔观测到的雷电波形图。发表在Electra41（1975）的论文“雷闪参数”中。这一雷电参数观测数值是确定直击雷模拟波形的基础。
图1-21中A（实线）是对88次实测雷电流平均值处理后波形，反映了一次雷击放电的全貌。B（虚线）是10次实测值取平均而得，时间坐标在图下部的X坐标上标出，可以看出，和A线比较，时间被放大了，以侧重表现雷电流的波前部分。
Berger等在圣萨尔瓦托测得的90次雷电波形，整理出直击雷负冲击波形前沿多为2～4μs，最长未超过20μs，半峰值时间大部分在10～100μs范围内，50％的半峰值时间小于75μs。
图1-21 负闪击时的平均电流波形
在此基础上，IEC的81技术委员会（TC 81）在其编制的标准IEC 62305.1中，将地闪模拟为雷电流由一个或多个不同雷击产生，它包括持续时间小于2ms的短时间雷击（图1-22所示的模拟波形）和持续时间大于2ms的长时间雷击（图1-23所示的模拟波形）。图1-22的波形是双指数曲线，图1-23是一个方波。
IEC 62305.1认为可以将图1-22和图1-23的雷电流波形作为基本元素，描绘出上行雷闪和下行雷闪的组成成分。
图1-22 模拟的冲击电流的定义（T ＜2ms）2
O —视在原点；I —电流峰值；i—电流；t—时间；T —波头111时间；T —波尾时间2
图1-23 长时间雷击的定义（2ms＜T ＜1s）LONG
T —持续时间；Q —长时间雷击的电荷LONGLONG
图1-24是下行雷闪的可能组成成分，由天空的雷云指向地面平地和低矮建筑物，图1-25是上行雷闪的可能组成成分，由地面较高的物体（比如高大建筑物）指向天空的雷云。
图1-24 下行雷闪的可能组成成分
图1-25 上行雷闪的可能组成成分
上行雷闪的附加成分是首次长时间雷击上可能叠加几个或数十个短时间雷击。不过上行雷所有的冲击电流参数都比下行雷闪小，还未证明，上行雷释放的电荷量大于下行雷闪。因此，可以认为下行雷闪的冲击电流参数最大值涵盖了上行雷闪的所有电流参数。
图1-24和图1-25的雷闪都是针对直击雷防护而言的，是确定直击雷防护需要考虑的雷电流参数最大值。
二、直击雷雷电流幅值积累概率
雷电流幅值与雷云中电荷多少有关，也与主放电形成过程有关，是一个随机变量，它与雷电活动频繁程度相关。
根据我国东北、华北、中南和西南地区22个测试点的1205个数据编制了图1-26所示雷电流幅值的积累概率曲线。
这个概率曲线适合于我国年平均雷暴日大于20天/年的大部分地区，电力系统一直在使用。由图可知，幅值小于40kA的雷电流大约占总雷击的40％，幅值大于80kA的雷电流大约占总雷击的17％。
电力系统在研究输电杆塔雷击时，引入了下列经验公式计算直击雷雷电流的幅值：
图1-26 雷电流的积累概率曲线
式中 I——地表以kA为单位的雷电流幅值；
ρ——雷电流幅值超过I出现概率。
在平均雷电日为20或更少地区，雷电流幅值也较小，可用下式表示：
三、雷电波形（一）雷电波形的波头时间和波长时间
通过雷电观测，人们已经了解一次雷击的雷电波形是一个单次脉冲波形，习惯称其为“冲击波”。单次脉冲雷电流和雷电压波形可以用时间为变量的函数来描述，其中幅值、波头时间（T ）、波长时1间（T ）为最基本的参数。对于经线路传输的雷电流，可能发生衰2耗振荡，这种情况下要增加主频率参数。
雷电冲击波形虽然是脉冲波形，由于雷击随机性和影响雷云放电的因素较多，每次雷击的波形参数都不同。在防雷工程和研究中又需
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