行駛在高速公路上的汽車遭雷擊原因探討

李建糧 周雪君 魏 雪

(臺州市氣象局，浙江臺州318000)

0 引言

每年據新聞媒體報道都有數起汽車被雷擊事件發(fā)生。人們普遍認為汽車有金屬外殼，遭受雷擊具有“法拉第籠”保護效應，車內人員是安全的，因此極少考慮車輛如何防雷。但汽車在行駛過程中遭受雷擊，駕駛員受到突如其來的驚嚇，處理不當極易發(fā)生車禍，造成二次事故的發(fā)生，危害也不小。況且高速公路許多路段建設在平原地帶，其中高架橋、路通常是周邊環(huán)境最高的建筑設施，并且高速公路護欄是金屬的，相當于雷電接閃器，這種環(huán)境遭雷擊的可能性極大。

下面通過兩個雷擊事故現象，從大氣電場、電位分布等方面來探討行駛在高速公路高架橋上汽車遭雷擊的成因。

1 轎車被雷擊時的狀況

1.1 2012年9月8日傍晚雷雨期間，張某駕駛一輛轎車在甬金高速向金華方向行駛到79 km處時，該處路面較高，四周開闊，突然車頂安放天線的地方被雷電擊中，車頂被擊壞，擋風玻璃也被震碎，所幸未造成車禍和人員傷亡。

1.2 2008年夏季的一個下午，甬臺溫高速公路大溪路段，一輛轎車以90～100 km/h的速度行駛在15 m高的高速公路高架橋上，高架橋兩側是開闊的田野和村莊，一道閃電擊中轎車的頭部和路旁的金屬護欄上，轎車失去控制撞上護欄，翻滾在公路上，駕駛員所幸無大礙。

2 高架橋周圍大氣電場環(huán)境分析

2.1 大氣電場強度分布是影響閃電通道的因素之一。在地勢平坦的地方，晴天時，近地面的大氣電場是均勻的水平分布。但由于地表物的存在，則電場、電勢分布均會受到地表物的影響而發(fā)生畸變，地表物越高畸變越明顯，地表物上方電場強度最強。雷暴云下大氣電場及電位分布受地表物影響更加顯著，地表電場極不均勻，在地表物上方附近由于感應電荷產生的電場作用強烈，電勢分布及電場強度與周圍空間其他地方相差較大，給閃電提供了較理想的通道。

2.2 在這里，15 m高的高架橋是地表物，圖1所示為高架橋橋面及周圍空間內的等勢面分布，及高架橋的縱向剖面圖?？梢钥闯鰳蛎嬉陨峡臻g內的等勢線分布比較密集，電場強度較大。尤其在兩邊金屬護欄處，電場強度最大。經計算可得高架橋周圍各處的電場值，假設周圍開闊地(田野)上方的電場值為參考值1，則圖1中所標出的A、B、C、D 4點處的電場如表1中所列。

表1 高架橋周圍各點電場與參考點之比

由表1可以直接看出，位于橋面護欄上方A點處的電場是周圍空間電場的4.4倍，最容易吸引雷電。而位于橋面下方，橋墩旁邊的C點電場則只有參考值的0.3倍，被雷電擊中的概率相對最小。距離橋墩15 m處的D點受高架橋的影響最小，已經接近于周圍開闊地的電場值。B點為汽車未經過時的電場，當橋面大氣電場高于擊穿空氣臨界電壓時，就會發(fā)生閃電，因此該橋面金屬護欄是雷擊重要位置，橋面其次。

圖1 高架橋周圍空間內的電場分布

2.3 為了計算高架橋周圍各處的大氣電場值，本文利用三極性雷暴云電荷結構分布模型，通過有限差分算法求解泊松方程，研究了高架橋引起周圍電場的畸變特征，具體結果如表1所示。在具體計算中，本文采用七點差分格式建立三維空間電場的差分方程組，通過超松弛迭代法對差分方程組進行求解，并結合數學工具MATLAB軟件編寫程序，繪制等勢線分布圖。計算的公式和計算過程比較復雜，詳見參考文獻，這里不作具體介紹。

3 電場分布變化導致高架橋及汽車易遭雷擊

雷暴云集聚了相當量級的電荷，其下方高架橋面也感應出相應的異性電荷，高架橋面越高其表面的感應電荷也相應越多，電荷聚集到一定數值時，就會擊穿空氣向上發(fā)生上行先導，迎接閃電。

3.1 高速公路高架橋及樞紐比兩側高出許多米，是周圍空間的制高點，感應出的電荷高于兩側空間。如(圖1)A點所示，金屬護欄易發(fā)生先導，是雷擊的一個因素。

3.2 當沒有汽車流動時，橋面電場和電荷分布雖然很高，但相對比較穩(wěn)定;當汽車流動時，擾亂了橋面的空氣，打破了橋面電場和電荷分布狀態(tài)，使其分布瞬間極不均勻，且變化較快，汽車周圍的電場發(fā)生畸變，如圖2所示，汽車頂部的電場增大，大大增加了汽車被雷擊的可能，是雷擊的第2個因素。汽車流動的快慢與電荷分布變化有著直接關系，即汽車流動越快，電荷分布變化也快。

圖2 高架橋上的汽車周圍的電場分布

3.3 第3個因素是，汽車本身是金屬外殼，在雷暴云的感應下，頂部也聚集了相當的電荷量，并且與橋面的電荷是同性的，那么汽車所到之處，該位置的電荷就瞬間增加，容易遭雷擊。如果橋面某位置的電場剛好處在擊穿空氣的臨界，那么汽車經過這個位置，會增加這個位置的電場，就更易激發(fā)雷擊通道。

3.4 最后一個因素，就是汽車在行駛中，頭部對空氣壓縮最強，空氣密度最高，電荷量也相對較多，給雷擊汽車頭部提供了方便。

3.5 綜合上述分析，在高速公路或高架橋上高速行駛的汽車有3項感應電荷疊加的效應，即橋面電荷、汽車外殼電荷和汽車頭部空氣電荷。所以在高速公路高速行駛中的汽車頂部和頭部易遭雷擊。

4 高速公路高架橋面防雷狀況分析

高速公路兩側都有金屬護欄，就高架橋面防雷而言，相當于安裝了避雷帶，是良好的接閃器。但高架橋的金屬護欄，沒有專門做防雷接地，同一路段兩側的金屬護欄接地電阻也不一樣。當雷暴云電場感應時，高架橋上兩排金屬護欄產生的電荷量是不等值的，使橋面的電場分布產生不均勻性，加之汽車的流動，更擾亂了電荷密度的分布，為雷電擊中護欄提供了便利條件。因此高架橋上防雷設施不完善，電場分布不均勻，也是雷擊成因之一。

5 如何減少雷擊事故發(fā)生

5.1 首先要重視研究發(fā)現高速公路上，哪些位置易遭雷擊，然后完善高速公路的防雷設計。

5.2 把高速公路易遭雷擊路段的金屬護攔，每隔幾十米接地一次，每隔一路段，兩側護欄做等電位連接。若有高桿路燈，首先做好路燈的防雷措施，再以燈桿為避雷針，擴大公路的雷電保護范圍。使整個高速公路成為一個防雷體系。5.3 行駛在高速公路開闊地帶上的汽車，在雷雨來臨或雷雨時，為了減少電場變化率，應減慢車速，同時根據路況和天氣情況，車速控制在高速公路行駛規(guī)定的最低限度內。

5.4 雷暴天氣下，汽車盡量少上較高的公路樞紐、高架路橋;盡量把車頂上的天線等容易引雷的物體收起，車上人員盡量往車中間位置靠，緊閉車窗。

6 結語

高速公路高架橋、樞紐的存在，會使該范圍大氣電場及電位分布發(fā)生畸變;高架橋面電荷受汽車高速行駛擾動，也會使電場、電位發(fā)生畸變;在雷暴云下，大氣電場和電位的瞬間變化，會遭至雷擊的發(fā)生，尤其是在沒有雷電防護的開闊地帶高速公路和高架橋、樞紐上。

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