雷电是一种自然现象，人们对这种现象的科学认识是从18世纪才开始的。富兰克林通过他的著名的风筝试验提出了雷电是大气中的火花放电理论；罗蒙诺萦夫提出了关于乌云起电的学说。此后又有一些科学家对雷电现象不断地作出了许多研究，但至今对雷云如何会聚集起电荷还没有获得比较满意的解释。 目前，一般认为包含大量水滴的积雨云并伴有强烈的高空气流是形成雷云的条件。
实测表明，对地放电的雷云绝大多数带有负电荷，在雷云电场的作用下，大地被感应出与雷云极性相反的电荷，就像一个巨大的电容器，其间的电场强度平均小于1 kV/m，但雷云个别部分的电荷密度可能很大，当雷云附近某一部分的电场强度超过大气的绝缘强度时，就使空气游离，放电由此开始，叫作“先导放电”。当先导通道到达地面或与地面目标上发出的迎面先导相遇时，雷云及大地极性相反的巨量电荷相向运动，巨量电荷互相中和形成巨大放电电流，叫作“主放电”。主放电之后剩余少量电荷继续中和，虽然电流较小但时间较长，称为“余辉放电”。
作为工程技术人员，所关心的主要是雷云形成以后对地面的主放电。几十年来，人们对雷电进行了长期的观察和测量，积累了不少有关雷电参数的资料，尽管目前有关雷电发生和发展过程的物理本质尚未完全掌握，但随着对雷电研究的不断深入，雷电参数不断地修正和补充，使之更符合客观实际。
（一）雷击时的等值电路
雷击地面由先导放电转变为主放电的过程可以用一根已充电的垂直导线突然与被击物体接通来比拟，如图4.1 （ a）所示。图中Z是被击物体与大地（零电位）之间的阻抗， σ是先导放电通道中电荷的线密度，开关S未闭合之前相当于先导放电阶段。当先导通道到达地面或与地面目标上发出的迎面先导相遇时，主放电即开始，相当于开关S合上。此时将有大量的正、负电荷沿先导通道逆向运动，并使其中来自雷云的负电荷中和，如图4.1 （b）所示。与此同时，主放电电流即雷电流i流过雷击点A并通过阻抗Z，此时A点电位u也突然升至u = iZ。显然，电流i的数值与先导通道的电荷密度σ及主放电的发展速度v有关，并且还受阻抗Z的影响。因为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，唯一容易测知的量是主放电后（相当于S合上后）流过阻抗Z的电流iZ 。
图4.1 雷击放电计算模型
（二）雷电流
因为雷电波流经被击物体时的电流与被击物体的波阻抗有关，用图4.1 （ c）表示主放电等值电路。图中Z0和Z是雷云的波阻抗和被击物的波阻抗，i0和u0是从雷云向地面传来电流波和电压波。我们把流经被击物体的波阻抗Z =0时的电流定义为“雷电流”，用i来表示［即Z=0时i0=i，见图4.1 （d）；考虑雷击时实际状况及有关规程，规定Z ≤30Ω］ ； iZ是雷击阻抗Z时雷电流［即Z ≠0时i0=iZ，见图4.1 （e） ］。因此，按雷电流的定义u0=iZ0；雷击阻抗Z时u0=iZ （ Z0+Z ），显然
（4-1）
目前，我国规程建议雷电通道的波阻抗Z0为300 ～ 400Ω 。
雷电流i为一非周期冲击波，它与气象、 自然条件等有关，是一个随机变量。下面介绍它的幅值、波头、陡度、波长及其波形（可参阅课题一任务四中有关“雷电冲击电压”的内容）。
1.幅 值
雷电流幅值与气象、 自然条件等有关，只有通过大量实测数据才能正确估计其概率分布规律。如图4.2所示是根据我国年平均雷暴日大于20的地区，在线路杆塔和避雷针上测录到的大量雷电流数据，经筛选后，取1 205个雷电流值画出来的概率P-幅值I的关系曲线。例如，当雷击时，出现大于88 kA的雷电流幅值的概率P约为10%。
雷电流幅值I可从图4.2的曲线上按给定的概率P值查出。我国西北地区、内蒙古等雷电活动较弱，雷电流幅值可从图4.2按给定的P值查出I值后，将其减半求得。也可用下式求出：
（4-2）
式中 I——雷电流辐值，kA；
P——雷电流为I的概率，%。
图4.2 雷电流数据曲线
2.波头、陡度及波长
雷电流上升段（波前）时间叫波头，波头随时间的变化率叫陡度，下降段时间叫波尾，雷电流经历波头和半幅值波尾所用时间叫波时长简称波长。根据实测结果，雷电冲击波的波头是在1～5 μs内变化；多为2.5～2.6 μs；波长在1～100 μs内，多数为50 μs左右。波头及波长变化范围很大，工程上根据不同情况的需要，规定出相应的波头与波长的时间。
在线路防雷计算时，规程规定取雷电流波头时间为2.6s，波长对防雷计算结果几乎无μ影响，为简化计算，一般可视为无限长。
雷电流的幅值与波头决定了雷电流的陡度。雷电流的陡度对雷击过电压影响很大，也是一个常用参数。可认为雷电流的陡度a与幅值I呈线性的关系，即幅值愈大，陡度也愈大。一般认为陡度超过50 kA/ μs的雷电流出现的概率很小。
3.波 形
实测结果表明，雷电流的幅值、陡度、波头、波尾虽然每次不同，但都是单极性的脉冲波，电力设备的绝缘强度试验和电力系统的防雷保护设计，要求将雷电流波形等值为典型化、可用公式表达，便于计算的波形。常用的等值波形有三种，如图4.3所示。
图4.3 雷电主放电时的电流波形
图4.3 （ a）是标准冲击波，它是双指数函数的波形，可表示为
i=I0（e-at-e-βt）
（4-3）
式中 I0——某一固定电流值；
a， β——两个常数；
t——作用时间。
当被击物体的阻抗只是电阻R时，作用在R上的电压波形u与电流波形i相同。双指数波形也用作冲击绝缘强度试验的标准电压波形。我国采用国际电工委员会（IEC）国际标准：波头T1=1.2s，波长T2=50 μs，记为1.2/50 μs。μ
图4.3 （ b）为斜角平顶波，其陡度a可由给定的雷电流幅值I和波头时间决定，a=I /T1 ，在防雷保护计算中，雷电流波头T1采用2.6s，则有μ
（4-4）
式中 I——雷电流幅值，kA。
图4.3 （ c）为等值半余弦平顶波，波头部分接近半余弦波，其表达式为
（4-5）
式中 ω——角频率， 由波头决定，ω=π/T1。
这种等值波形多用于分析雷电流波头的作用，因为雷电流通过电感支路时所引起的压降的计算用余弦函数波头比较方便。此时最大陡度出现波头中间，即t=T1/2处，其值为
对一般线路杆塔来说，用余弦波头计算雷击塔顶电位与用更便于计算的斜角波计算的结果非常接近，因此，只有在设计特殊大跨越、高杆塔时，才用半余弦波来计算。
（三）雷暴日与雷暴小时
由于地理条件及气象条件等因素的不同，各地雷电活动的强烈程度不大相同，因此在进行防雷设计和采取防雷措施时，必须要从该地区的雷电活动具体情况出发。为了统计雷电的活动强度，可以用雷暴日与雷暴小时表示。雷暴日是每年中有雷电的日数，雷暴小时是每年中有雷电的小时数（即在1天或1h内只要听到雷声就作为一个雷暴日或一个雷暴小时）。我国有关标准建议采用雷暴日作为计算单位。据统计，我国大部分地区雷暴小时与雷暴日的比值大约为3。
根据长期统计的结果，在我国规程中绘制了全国平均雷暴日分布图（请参见有关资料），可作为防雷设计的依据。全年平均雷暴日数为40的地区为中等雷电活动强度区，如长江流域和华北的某些地区；年平均雷暴日不超过15日的为少雷区，如西北地区；超过40日的为多雷区，如华南的某些地区。
（四）地面落雷密度和输电线路落雷次数
每一雷暴日、每平方千米地面遭受雷击的次数称为地面落雷密度，以γ表示。我国有关标准建议在雷暴日为40的地区，γ取0.07。
对雷暴日为40的地区，避雷线或导线平均高度为h的线路，每100 km每年雷击次数为
（4-6）
式中 b——两根避雷线或导线之间的距离，m.
hx—导线悬挂点的高度，m；
hH——导线悬挂点的弧垂，m。
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