雷電危害與防護(hù)

符傳進(jìn)

摘要： 文章先分析雷電的產(chǎn)生和雷擊形式，接著指出雷電對(duì)人類(lèi)的危害，最后提出雷電防護(hù)的措施。

關(guān)鍵詞： 雷電 電磁場(chǎng) 防雷

Abstract: the paper first analyzes the generation of lightning and lightning form, and then points out that the lightning of the dangers of human, and finally put forward the lightning protection measures.

Keywords: lightning electromagnetic field lightning protection

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

1前言

雷電是發(fā)生在大氣中瞬時(shí)的大電流、高電壓放電現(xiàn)象，雷電過(guò)程的大電流及其所伴隨的高溫、沖擊波和強(qiáng)烈的電磁輻射等效應(yīng)。具有極大的危害性，除了雷擊的直接危害之外，雷電的電磁輻射也同樣具有很大的危害，尤其在信息時(shí)代的今天，通常會(huì)導(dǎo)致各種電子設(shè)備的失效甚至損壞，對(duì)人們的日常生活產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響。熟悉和研究雷電物理機(jī)理，提高雷電防護(hù)能力，保護(hù)人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)的安全，成為科學(xué)行業(yè)及工程技術(shù)界重要而又艱巨的研究課題。

2雷擊和放電

2.1雷擊的形式

雷擊通常有三種主要形式，分別是直擊雷、感應(yīng)雷和球形雷。

直擊雷是帶電的云層與大地上某一點(diǎn)之間發(fā)生迅猛的放電現(xiàn)象。雷電直接擊在建筑物構(gòu)架、動(dòng)植物上，因電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等造成建筑物等損壞以及人員的傷亡。一般防直擊雷是通過(guò)避雷裝置即接閃器(針、帶、網(wǎng)、線(xiàn)、)引下線(xiàn)構(gòu)成完整的電氣通路后將雷電流泄入大地。然而接閃器、引下線(xiàn)和接地裝置的導(dǎo)通只能保護(hù)建筑物本身免受直擊雷的損毀，但雷電會(huì)透過(guò)多種形式及途徑破壞建筑物內(nèi)的電子設(shè)備。

感應(yīng)雷是帶電云層由于靜電感應(yīng)作用，使地面某一范圍帶上異種電荷。當(dāng)直擊雷發(fā)生以后，云層帶電迅速消失，而地面某些范圍由于散流電阻大，以致出現(xiàn)局部高電壓，或者由于直擊雷放電過(guò)程中，強(qiáng)大的電磁脈沖電流對(duì)周?chē)膶?dǎo)線(xiàn)或金屬物產(chǎn)生電磁感應(yīng)發(fā)生高電壓以致發(fā)生閃擊的現(xiàn)象。

球形雷是一種特殊的雷電現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱(chēng)球雷。球形雷存在的時(shí)間十分短暫，要研究球形雷相當(dāng)困難。球形雷直徑常見(jiàn)的約為10-20厘米，最大的直徑可達(dá)一米，存在的時(shí)間大約為百分之幾秒至幾分鐘。一般是3至5秒，主要是沿建筑物的孔洞或開(kāi)著的門(mén)窗進(jìn)入室內(nèi)，有的由煙囪或通氣管道滾進(jìn)樓房，多數(shù)沿帶電體消失。

2.2雷電放電的三個(gè)階段（云地）

先導(dǎo)放電階段:雷云對(duì)大地有靜電感應(yīng)，在雷云電場(chǎng)下，大地感應(yīng)出異號(hào)電荷，隨著雷云中電荷的逐步積累，空間的電場(chǎng)強(qiáng)度不斷增大。當(dāng)雷云中電荷密集處的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)(25-30kV/m)時(shí)，就產(chǎn)生強(qiáng)烈的碰撞游離，形成指向大地的一段導(dǎo)電通道，成為雷電先導(dǎo)。

主放電階段:當(dāng)下行先導(dǎo)接近地面時(shí)，會(huì)從地面較突出的部分發(fā)出向上的迎面先導(dǎo)。當(dāng)迎面先導(dǎo)與下行先導(dǎo)相遇時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的中和過(guò)程，產(chǎn)生極大的電流，這就是雷電的主放電階段。主放電階段的特點(diǎn)是，存在的時(shí)間極短，電流極大，可達(dá)數(shù)十乃至數(shù)百千安。

余光放電階段:主放電到達(dá)云端就結(jié)束了。然后云中殘余電荷經(jīng)主放電通道流下來(lái)，稱(chēng)為余光放電階段。由于雷云中的電阻較大，余光放電階段對(duì)應(yīng)的電流不大,但持續(xù)時(shí)間則較長(zhǎng)，大約是0.04秒左右。

3雷電與電磁場(chǎng)

3.1雷擊電磁脈沖

雷電(Lightning，也稱(chēng)閃電)是由于帶電的云層和帶異種電荷的其它云層或大地之間發(fā)生強(qiáng)烈的放電。帶電云層與另一部分帶異種電荷的云層之間的放電統(tǒng)稱(chēng)為云閃，帶電云層對(duì)大地之間的放電稱(chēng)為直擊雷或地閃。雷電造成危害是通過(guò)直擊雷或者雷擊電磁脈沖等，直擊雷造成的危害明顯你而劇烈，電磁脈沖災(zāi)害面廣、成災(zāi)率高，特別是微電子設(shè)備受到電磁脈沖輻射影響后，極容易造成其工作失常甚至損壞，給日常生活和工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)難以估量的損失。

雷電的最大破壞作用在于放電過(guò)程，也即雷電回?fù)暨^(guò)程。雷電回?fù)艋顒?dòng)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，尤其是其中的輻射場(chǎng)，在廣域傳播過(guò)程中衰減較小，并受到土壤電導(dǎo)率引起的色散、地表起伏引起的反射作用，可沿地表傳播數(shù)百公里甚至更遠(yuǎn)。

一般建筑物房頂上都設(shè)有無(wú)線(xiàn)鐵塔，上面設(shè)有避雷針，避雷針、無(wú)線(xiàn)鐵塔、大樓的鋼框架、混凝土墻的鋼筋等之間相互用螺栓固定。當(dāng)發(fā)生直擊雷時(shí)，雷電浪涌電流就侵入大樓的鋼框架、鋼筋之中，在建筑物內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁場(chǎng)，同時(shí)使設(shè)在同一建筑物內(nèi)的各種設(shè)備中出現(xiàn)很高的電位差，從而對(duì)設(shè)備造成損壞。

雷電的形式多樣，其形成及放電過(guò)程十分復(fù)雜，在空間激發(fā)的電磁場(chǎng)脈沖特性也非常復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究雷電回?fù)艏ぐl(fā)電磁場(chǎng)的計(jì)算理論，并通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)了電磁波的計(jì)算。其中，重點(diǎn)對(duì)雷電回?fù)舢a(chǎn)生的LEMP波形及其峰值分布進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了可視化仿真。用以總結(jié)了開(kāi)放空間中電磁波峰值的分布規(guī)律，以便能掌握雷電的物理特性，制定有效的雷電防護(hù)措施。

3.2雷電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)計(jì)算

在假設(shè)大地為完全導(dǎo)體的情況下，對(duì)雷電電磁場(chǎng)的地閃回?fù)暨M(jìn)行計(jì)算和分析，考慮到在直擊雷打在建筑物上產(chǎn)生電磁場(chǎng)分布的復(fù)雜性，在下面的討論中僅考慮一種簡(jiǎn)單情況，并做了相應(yīng)的近似處理。在地閃回?fù)裟Ｐ椭幸话阏J(rèn)為雷電回?fù)敉ǖ啦环种掖怪庇诘孛?，通道周?chē)鸀闊o(wú)窮空間。設(shè)通道起點(diǎn)高度為H0，通道電流分布已知。對(duì)通道中的某一小段電流元 ，在滿(mǎn)足一定條件下可以看作是一垂直電偶極子。設(shè)觀(guān)察點(diǎn)在(z，r)處，距電偶極子及其鏡像偶極子的距離分別為R0、R1；大地為良導(dǎo)體，電導(dǎo)率和電容率分別為和 。則有耗半空間上垂直電偶極子的電矢位Az0為

其中

上式中第三項(xiàng)就是著名的Sommerfeld積分，由于積分中存在極點(diǎn)且收斂速度很慢，很難用數(shù)值計(jì)算得出精確結(jié)果，必須進(jìn)行近似處理。Collin采用最速下降法對(duì)Sommerfeld積分進(jìn)行近似處理，得出上半空間電偶極子的矢勢(shì)為：其中

在Sommerfeld積分近似過(guò)程中采用了Hankel函數(shù)的近似條件，即|lr|≤1。自然雷擊一般都發(fā)生在高層建筑物、塔尖上，離地平面有一定距離(約幾米到上百米)，雷電回?fù)綦娏魍ǖ榔瘘c(diǎn)高度大于零。因此，對(duì)幾十到幾百米范圍內(nèi)地面以上的近場(chǎng)，上式是適用的。

4雷電防護(hù)措施

現(xiàn)代防雷技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，必須貫徹整體防護(hù)思想，本文選取建筑物防雷為研究對(duì)象，避免泛泛而談。為使建筑物及其內(nèi)部設(shè)施免受雷電的直接和間接危害，通常使用避雷針、避雷線(xiàn)、避雷帶、避雷網(wǎng)等防直擊雷的危害，對(duì)于可能出現(xiàn)的的直擊雷，靠接閃器經(jīng)引下線(xiàn)和接地裝置，或通過(guò)導(dǎo)電連接和接地良好的結(jié)構(gòu)鋼筋、金屬構(gòu)架，將雷電流分流流散入地，而不流過(guò)被保護(hù)設(shè)備和部件。這種防護(hù)措施可以稱(chēng)作分流防護(hù)。

等電位連接是防止雷電反擊的重要技術(shù)手段，根本目的是實(shí)現(xiàn)均壓等電位，消除不同金屬部件及導(dǎo)線(xiàn)間的雷電流引起的高電位差，同時(shí)對(duì)雷電流分流，通過(guò)對(duì)于同一樓層同一部位的不同的電纜外皮、設(shè)備外殼、金屬構(gòu)架(構(gòu)件)、管道做好電氣搭接，以均衡電位。

屏蔽指的是采用屏蔽電纜，利用各種人工的屏蔽箱盒、法拉第屏蔽籠等和各種可以利用的自然屏蔽體來(lái)阻擋、衰減施加在系統(tǒng)設(shè)備上的過(guò)電壓能量。屏蔽是防御電磁脈沖的有效方法。