對(duì)雷電的形成與發(fā)展對(duì)建筑塔吊感應(yīng)高壓電的影響研究分析

孫建飛

摘要：建筑塔吊因雷電感應(yīng)高壓電而難于防護(hù)是建筑行業(yè)中長(zhǎng)期以來存在的突出問題，分析雷電的形成與發(fā)展對(duì)建筑塔吊的影響，認(rèn)識(shí)雷電對(duì)建筑塔吊感應(yīng)高壓電的條件和規(guī)律，對(duì)深入研究雷電脈沖及塔吊的防護(hù)技術(shù)，從根本上提高建筑塔吊在雷電電磁場(chǎng)環(huán)境中工作安全性和可靠性具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵字： 雷電建筑塔吊感應(yīng)電影響

中圖分類號(hào)： S761.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

Abstract: construction crane for induction lightning protection and difficult to high-voltage electric construction industry is a long-term existing prominent problems, analyzes the formation and development of lightning of the influence of construction crane, and the knowledge of the lightning of construction crane induction high-voltage conditions and rule, to further research and the lightning pulse of tower protection technology, improved fundamentally lightning electromagnetic field construction crane in environment, work safety and reliability have important significance and practical value.

Key word: lightning construction crane induction electric influence

0 引言

古時(shí)候，在我國，人們認(rèn)為雷電是“雷公發(fā)怒”；而在西方，人們把雷電說成是“上帝之火”。其實(shí)，帶電的云層稱為雷云，雷電形成于大氣運(yùn)動(dòng)過程，是大氣中的放電現(xiàn)象，它主要通過感應(yīng)耦合、電磁耦合或者靜電耦合使主要由金屬部件組成的建筑塔吊感應(yīng)高壓電，從而危及人身和財(cái)產(chǎn)安全。這種建筑塔吊因雷電感應(yīng)高壓電而難于防護(hù)是建筑行業(yè)中長(zhǎng)期以來存在的突出問題，如何切實(shí)有效地消除或降低建筑塔吊因臨近各種通訊發(fā)射源而感應(yīng)的高壓電，避免人身和財(cái)產(chǎn)的意外損傷，是目前建筑行業(yè)中亟待解決的問題。

分析雷電的形成與發(fā)展對(duì)建筑塔吊的影響，認(rèn)識(shí)雷電對(duì)建筑塔吊感應(yīng)高壓電的基本條件和基本規(guī)律，對(duì)深入研究雷電脈沖及塔吊的防護(hù)技術(shù)，從根本上提高建筑塔吊在雷電電磁場(chǎng)環(huán)境中工作安全性和可靠性具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。

1雷電的形成和發(fā)展機(jī)理

在大氣中始終存在著大氣電場(chǎng)，在通常情況下大氣電場(chǎng)的強(qiáng)度比較弱，大氣電場(chǎng)的分布多具有隨高度增加按指數(shù)規(guī)律衰減的變化規(guī)律，而且是豎直非均勻電場(chǎng)，即：

E(Z)=Eoexp(一aZ) (l)

式中Eo為地面附近的電場(chǎng)強(qiáng)度，z為距離地面的高度，a為衰減常數(shù)，其單位為l。

在這種大氣電場(chǎng)作用下，以空氣和海洋、陸地上的水分蒸發(fā)形成的水汽等為主的混合氣體介質(zhì)將產(chǎn)生極化并從大氣電場(chǎng)中吸收和儲(chǔ)存電場(chǎng)能。已極化的氣體介質(zhì)在非均勻電場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)介質(zhì)內(nèi)的電場(chǎng)狀態(tài)產(chǎn)生變化，并影響大氣宏觀電場(chǎng)狀態(tài)。即當(dāng)極化的空氣介質(zhì)在大氣氣流作用下豎直移動(dòng)時(shí)，極化強(qiáng)度將發(fā)生變化。隨著區(qū)域內(nèi)極化強(qiáng)度改變量的增加，進(jìn)入該區(qū)域的介質(zhì)所經(jīng)受的電場(chǎng)強(qiáng)度的改變量為:

△E(t)=Eoexp[一Z/t1v][exp(t/t1)一1](t

式中t1=1/av，v為介質(zhì)移動(dòng)速度，a為空間電場(chǎng)分布衰減常數(shù)。

特別是在悶熱、潮濕的天氣里，接近地面的水汽受熱上升，由于大氣運(yùn)動(dòng)過程中的劇烈摩擦生電以及云塊切割磁感線，大氣中熱空氣上升與高空中的冷空氣產(chǎn)生摩擦，從而形成了帶有正負(fù)電荷的小水滴。當(dāng)正負(fù)電荷累積達(dá)到一定的電荷值時(shí)，會(huì)在帶有不同極性的云團(tuán)之間及云團(tuán)對(duì)地之間形成強(qiáng)大的電場(chǎng)。即在雷云生成初期的劇烈的上升氣體，導(dǎo)致了雷電的形成和發(fā)展；而且強(qiáng)烈的上升氣流是雷電形成和發(fā)展的最基本的氣候條件，只有在存在這種上升氣流時(shí)雷云中的電場(chǎng)能量和電場(chǎng)強(qiáng)度才可能不斷地增加，其增加速度和氣體上升速度成指數(shù)規(guī)律增加。

隨著雷云的持續(xù)發(fā)展，雷云中心總是伴隨有十分強(qiáng)烈的上升氣流，其最大速度可達(dá)60m/s以上。當(dāng)雷云發(fā)展到一定程度后，雷云中會(huì)包含大量的水汽、水微粒、水滴和冰晶等，是一種典型的非均勻介質(zhì)，在電場(chǎng)中將產(chǎn)生明顯的空間極化。由于偶極子極化所儲(chǔ)存的這種電場(chǎng)能量的增加使區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度上升，存在上升氣流的區(qū)域的電場(chǎng)總是保持增加趨勢(shì)，它引起的極化強(qiáng)度的增加將使上升氣流到地面之間的全部空間的電場(chǎng)強(qiáng)度增加。同時(shí)因?yàn)樯仙龤饬髂Σ辽娂霸茐K切割磁力線，把不同電荷進(jìn)一步分離。使雷云中的電場(chǎng)強(qiáng)度變化量達(dá)到104倍以上，這時(shí)不同高度的空間電場(chǎng)強(qiáng)度為:

Ez(t)=E(t)+△E （3）

其中心區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度就有可能增強(qiáng)到大氣中空氣介質(zhì)的擊穿值，從而在電場(chǎng)最強(qiáng)的區(qū)域首先發(fā)生放電，形成雷暴時(shí)的閃電和雷鳴，放電瞬間出現(xiàn)耀眼的閃光和震耳的轟鳴，這就是雷電。由此可見，雷電的形成伴隨大氣中的氣流活動(dòng)，所以在雷電形成和發(fā)展的同時(shí)，伴隨的最典型的大氣宏觀現(xiàn)象是大氣中的氣流活動(dòng)，雷電總是伴隨著狂風(fēng)暴雨而出現(xiàn)的原因。

同時(shí)在電場(chǎng)的大氣空間中，總是存在有一定的傳導(dǎo)電流，傳導(dǎo)電流的大小隨大氣中的電場(chǎng)變化而急劇增大，即雷電流是一個(gè)非周期性的脈沖波：

I（t）=Im（e-at一e-bt） （4）

式中Im為雷電流的幅值，a、b為由雷電流波形決定的常數(shù)，t為作用時(shí)間。據(jù)國內(nèi)外實(shí)測(cè)結(jié)果表明：75%～90%的雷電流是負(fù)極性，在地面上產(chǎn)生雷擊的雷云多為負(fù)雷云。

2雷電對(duì)建筑塔吊影響研究

以上分析可知，當(dāng)正負(fù)電荷累積達(dá)到一定的電荷值時(shí)，會(huì)在帶有不同極性的云團(tuán)之間及云團(tuán)對(duì)地之間形成強(qiáng)大的電場(chǎng)，以及云地閃電、云內(nèi)閃電和云際產(chǎn)生的伴隨雷電放電產(chǎn)生的雷電電磁脈沖（LEMP），影響區(qū)域遍布對(duì)流層以下至地表，那么高聳豎立的金屬塔吊就常受雷電影響的器件。

2．1直擊雷過電壓

當(dāng)雷電直接擊中建筑塔吊時(shí)，強(qiáng)大的雷電流通過其流入大地，在塔吊上產(chǎn)生較高的電位降，稱為直擊雷過電壓。有時(shí)雷云很底，周圍又沒有帶異性的雷云，這樣可能在地面凸出物上感應(yīng)出異性電荷，在雷云與大地之間形成很大的雷電場(chǎng)，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)到25～30kV/cm時(shí)開始放電，它以強(qiáng)大的沖擊電流（最高電流達(dá)200～300kA，一般在20～40kA，其時(shí)間僅為10～l00us）、熾熱的溫度、猛烈的沖擊波以及強(qiáng)烈的電磁輻射直接擊在建筑塔吊金屬框架上，因電效應(yīng)、熱效應(yīng)和雷電沖擊波等作用而造成塔吊損壞。

2．2感應(yīng)雷過電壓

雷云層與層之間以及雷云與大地之間放電時(shí)，雷云——大地這個(gè)大電場(chǎng)發(fā)生畸變，即在放電通道周圍產(chǎn)生的電磁感應(yīng)、雷電電磁脈沖的輻射以及雷云電場(chǎng)的靜電感應(yīng)，使建筑物塔吊感應(yīng)出雷電高電壓。

當(dāng)建筑塔吊處于雷云與大地間所形成的電場(chǎng)中時(shí)，塔臂金屬導(dǎo)體上就會(huì)聚集極性與雷云下部電荷極性相反的大量電荷。當(dāng)雷云與放電體間的電場(chǎng)強(qiáng)度超過兩者之間空氣的擊穿強(qiáng)度時(shí)，雷云對(duì)放電體放電，正、負(fù)電荷在空中電路猛烈地中和。雷云放電后，云與大地間的電場(chǎng)突然消失，建筑物頂部或?qū)w上的電荷來不及立即流散，因而產(chǎn)生很高的對(duì)地電位差（靜電感應(yīng)電壓）。且建筑塔吊常在空曠平坦的地方，大風(fēng)容易長(zhǎng)驅(qū)直入，與地面及地面上的塔吊快速摩擦生成許多靜電，使塔吊感應(yīng)高壓靜電。

同時(shí)雷電流具有極大的幅值和陡度（式4），在放電通道周圍的空間里會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的變化電磁場(chǎng)，處在這一電磁場(chǎng)中的金屬塔吊會(huì)感應(yīng)出較大的電動(dòng)勢(shì)。即當(dāng)雷云在塔吊上方時(shí)，使塔吊感應(yīng)出異性電荷；雷云對(duì)其他物體放電后，塔吊上的電荷被釋放，形成自由電荷流向塔臂兩端，產(chǎn)生電位很高的過電壓，塔臂上感應(yīng)的過電壓可達(dá)幾萬伏，對(duì)塔吊影響很大特別是塔臂兩端電阻明顯不對(duì)稱，據(jù)最大不匹配原理：電荷流向塔身那端電阻小、流向吊鉤那端電阻大，所以流向高電阻那端感應(yīng)電壓很大，以至使吊鉤感應(yīng)過電壓極大，給施工帶來很大的危害性。而且塔身越高、塔臂越長(zhǎng)，感應(yīng)電壓也越大。

2．3尖端放電

雷電發(fā)生伴隨著強(qiáng)電場(chǎng)，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，物體曲率大的地方（如塔吊頂端），等電位面密集，電場(chǎng)強(qiáng)度劇增，即云與塔吊之間形成強(qiáng)電場(chǎng)，空氣發(fā)生電離，從而產(chǎn)生尖端放電。特別是吊鉤時(shí)刻往地面伸縮且又感應(yīng)極高的過電壓情況下尖端放電更加明顯。

3結(jié)束語

感應(yīng)高壓電是雷電所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)與導(dǎo)體之間電磁耦合或靜電感應(yīng)的結(jié)果，只是塔吊的結(jié)構(gòu)及架設(shè)使其更容易遭受雷電的影響。所以如何有效減小雷電在塔吊上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，從而對(duì)塔吊進(jìn)行較好保護(hù)，解決長(zhǎng)期以來建筑塔吊在雷電電磁場(chǎng)環(huán)境中感應(yīng)高壓電難于防護(hù)的問題將是下一步主要研究工作。