雷電沖擊波的危害特點與鑒定方法研究

李斌　宋佰春　林建民　董靜

摘 要：結(jié)合雷電沖擊波的危害特點，研究了雷電沖擊波危害土木工程、金屬構(gòu)件等位置的調(diào)查鑒定方法，重點闡述了金屬構(gòu)件的受損、爆炸沖擊與外力撞擊、雷擊點及泄流通道、危害雷電流、雷電流沖擊波、物體受損處雷電沖擊波（超壓）、受損物體耐沖擊氣壓能力等7種情況。結(jié)果表明：當(dāng)調(diào)查結(jié)果符合下面幾個條件時，可確定本次雷電事故為雷電沖擊波危害所致，這種鑒定方法就是沖擊波分析法。（1）雷電的閃擊時間與金屬構(gòu)件的受危害時間吻合；（2）在金屬構(gòu)件受損時間，雷電的閃擊點位于受損物體附近；（3）雷電泄流通道產(chǎn)生較高的熱量并且該熱量產(chǎn)生了較強的沖擊波；（4）在金屬構(gòu)件受損時，其受損方向無炸藥爆炸，且無金屬體外力撞擊；（5）受損金屬體的耐沖擊氣壓能力小于雷電沖擊波的氣壓。

關(guān)鍵詞：雷電沖擊波；危害；鑒定；研究

中圖分類號：X928.2

文獻標(biāo)志碼：A

論文編號：2014-0534

0 引言

雷電是自然界最為壯觀的大氣現(xiàn)象之一，其強大的電流、炙熱的高溫、猛烈的沖擊波以及強烈的電磁輻射等物理效應(yīng)能夠在瞬間產(chǎn)生巨大的破壞作用，常常導(dǎo)致人員傷亡，擊毀建筑物、供配電系統(tǒng)、通信設(shè)備，造成計算機信息系統(tǒng)中斷，引起森林火災(zāi)，倉庫、煉油廠、油田等燃燒甚至爆炸，威脅人們的生命和財產(chǎn)安全。雷電災(zāi)害已成為聯(lián)合國公布的10種最嚴重的自然災(zāi)害之一，雷電災(zāi)害被列為“電子時代的一大公害”。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球每年因雷電造成的人員傷亡超過1萬人，損失在10億美元以上，中國每年約有3000—4000人因遭受雷擊而傷亡，很多雷電事故都是由雷電充擊波造成。

雷電災(zāi)害調(diào)查是氣象部門履行雷電災(zāi)害防御組織管理職能的重要內(nèi)容，為各級政府和部門制定防雷減災(zāi)工作方針、政策和發(fā)展規(guī)劃提供決策依據(jù)。吳孟恒等以雷電災(zāi)害調(diào)查與鑒定實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，詳細論述了雷電災(zāi)害調(diào)查與鑒定的基本原理、具體程序、災(zāi)害現(xiàn)場調(diào)查的詳細內(nèi)容、調(diào)查記錄的整理要求等；馮民學(xué)等利用雷達回波和閃電定位資料對油罐起火原因進行分析，判定雷擊是起火的原因；付智斌等人也對雷電災(zāi)害調(diào)查方法進行了研究。本文豐要研究雷電沖擊波危害土木工程、金屬構(gòu)件的調(diào)查鑒定方法，方法可供全國各級從事雷電災(zāi)害調(diào)查和鑒定工作的專業(yè)技術(shù)人員學(xué)習(xí)和借鑒。

1 雷電沖擊波的產(chǎn)生

雷電沖擊波是指直擊雷或感應(yīng)雷在架空線路或在空中金屬管道上產(chǎn)牛沿線路或管道的兩個方向迅速傳播的高壓沖擊波。在雷云對地放電時，雷電流的沖擊波亦能對地面物體造成嚴重損害。雷云對地放電過程中的回擊階段，放電通道中既有強烈的空氣游離又有強烈的異性電荷中和，通道中瞬時溫度非常高，這使得通道周圍的空氣急劇膨脹，以超聲波速度向四周擴散，從而形成超聲波。

2 雷電沖擊波的危害特點

2.1 雷電沖擊波與溫度的關(guān)系特點

雷電流在泄流過程中，瞬間將產(chǎn)生較大熱量，使其泄流通道急劇升溫，從而造成泄流通道附近空氣溫度的升高與氣體膨脹。假定雷電通道周邊的容積不變，當(dāng)泄流通道溫度升高且其溫升造成周邊空氣同等溫升時，其周邊空氣壓力變化見式1。

由式1可以看出，溫差越大，氣壓變化就會愈劇烈，成正比例關(guān)系。而一次納秒級雷電泄放過程可以使雷電通道的溫度升高上萬度，因此在雷電泄流通道附近氣溫的變化也會隨之升高，由式1可知，空氣溫升的聚變將會導(dǎo)致氣壓的劇變，形成急劇的沖擊波。

2.2 雷電沖擊波與傳輸距離的關(guān)系特點

雷電沖擊波在傳播過程中，其波前激波受到空氣

α-蒸氣云爆炸的效率因子，表明參入爆炸的可燃氣體的分數(shù)，一般取3%或4%；

Qf-蒸氣云的燃燒熱，MJ/kg；

QTNT-TNT爆炸熱，一般取4.52 MJ/kg；

QLD -雷電閃擊金屬構(gòu)件產(chǎn)牛的熱量，MJ。

3 雷電沖擊波危害的調(diào)查鑒定方法

發(fā)牛雷電沖擊波的前提是雷電通道上具有較大的溫差變化，而瞬時高溫的產(chǎn)生必須有較強的雷電流通過。鑒定雷電沖擊波危害，應(yīng)確定以下幾個方面的因子。（1）確定金屬構(gòu)件的受損時間、地點、受損程度；（2）確定并排除爆炸沖擊波及外力撞擊的危害因子；（3）確定雷電通道的泄流強度及受損金屬構(gòu)件與雷電泄流通道的間距；（4）確定設(shè)備受損時段內(nèi)云地閃電的閃擊時間、地點、雷電流強度；（5）確定受損處雷電沖擊波的參數(shù)情況；（6）確定受損金屬構(gòu)件的耐沖擊氣壓情況。

3.1 金屬構(gòu)件的受損情況調(diào)查

物體遭受沖擊波危害的受災(zāi)時間、地點按照實際情況實事求是填寫在表中。另外要檢測受損金屬構(gòu)件的沖擊深度、面積，檢查受損金屬體的材質(zhì)、厚度。當(dāng)金屬體內(nèi)存物體時，應(yīng)確定物體的成分，計算受損處的壓力。

3.2 爆炸沖擊與外力撞擊的情況調(diào)查

通常情況下，造成金屬罐體、磚墻等出現(xiàn)明顯破損、凹陷等損壞的外部原因，主要有炸藥爆炸、雷電閃擊等形成的沖擊波危害，另外就是機械性撞擊危害。

3.2.1 炸藥爆炸沖擊波痕跡的調(diào)查方法炸藥爆炸造成的危害，其危害現(xiàn)場應(yīng)存有殘留物、氣味等痕跡。炸藥爆炸為化學(xué)爆炸，爆炸時爆炸現(xiàn)場有黑色熔融顆粒狀物（或者白色），沖擊波的發(fā)源地有明顯的異常氣味。炸藥爆炸時具有下列異常氣味：（1）臭雞蛋氣味（H2S氣味）；（2）伴有鞭炮爆炸后的火藥味；（3）有油味，炸點處更濃，吸入體內(nèi)有特別不舒服的感覺；（4）有很刺激性苦味，炸點周圍更為明顯。當(dāng)爆炸點具有這些特點時，可確定金屬構(gòu)件受損為炸藥爆炸所為。否則，排除炸藥爆炸沖擊波造成的損壞。

3.2.2 外力撞擊痕跡的調(diào)查方法 金屬物體撞擊后會遺留凹陷與線形痕跡，根據(jù)這一特點確定造痕體。當(dāng)硬度較強的金屬造痕體以一定的動力速度撞擊金屬體時，受撞擊的金屬體將遺留造痕體的輪廓線性痕跡與一定深度的凹陷痕跡，根據(jù)這個痕跡可以判定造痕體的形狀、大小、撞擊力度等因素。當(dāng)受損金屬構(gòu)件存在凹陷與線形痕跡時，可確定為金屬構(gòu)件為外力撞擊造成，否則，排除金屬體外力撞擊所為。

通過上述方法調(diào)查，可排除炸藥爆炸沖擊波與機械力作用的危害。

3.3 雷擊點及泄流通道的調(diào)查方法

當(dāng)將雷電定為危害主體時，應(yīng)自受損點附近進行泄流通道的調(diào)查，豐要調(diào)查獨立的金屬構(gòu)件、分流較少的建筑物金屬構(gòu)件。

3.3.1 泄流通道的調(diào)查方法 利用剩磁量檢測儀測量受損物體附近金屬構(gòu)件的剩磁量情況，并對同一水平面的剩磁量繪制“同心圖”，該“同心圖”的中心為雷電泄流通道，附近金屬構(gòu)件剩磁量隨距離增大逐漸減小。

3.3.2 閃擊點的調(diào)查方法泄流通道確定后，沿該通道進行立體剩磁量檢測，同時對該金屬構(gòu)件所在建筑物的柱筋情況進行建筑結(jié)構(gòu)圖紙查詢，分析其柱筋結(jié)構(gòu)，確定其分流情況，同時查詢該結(jié)構(gòu)在LPZO區(qū)的金屬構(gòu)件設(shè)置情況，然后對該LPZO區(qū)金屬構(gòu)件進行金相異常情況的調(diào)查，當(dāng)金屬構(gòu)件無破損時，雷電閃擊點的表像為灰白色燒痕；當(dāng)金屬構(gòu)件出現(xiàn)破損時，其破損面為圓形凹坑、表面光滑呈瓦藍色，但是金屬的金相組織氣孔明顯，無尖狀或其它形狀殘留物；當(dāng)金屬構(gòu)件出現(xiàn)熔珠時，該熔珠表現(xiàn)為二次短路熔珠特點。

3.3_3 泄流通道分流情況的調(diào)查方法根據(jù)雷擊點所處位置情況與建筑物的柱筋結(jié)構(gòu)情況確定分流，當(dāng)分流通道復(fù)雜時，應(yīng)結(jié)合剩磁量確定。測量與受損物體受損處同高度泄流通道處的剩磁量，然后測量雷擊點下部未分支處金屬構(gòu)件的剩磁量，比較二者的倍數(shù)關(guān)系，用其倍數(shù)進行分流。

3.4 危害雷電流的調(diào)查方法

根據(jù)已定的雷擊點經(jīng)緯度利用山東省或其它聯(lián)網(wǎng)的閃電定位儀資料查詢雷電閃擊的雷電流強度，然后根據(jù)分流情況，確定產(chǎn)牛沖擊波的雷電流。

3.5 雷電流沖擊波的調(diào)查方法雷擊危害土木工程、金屬構(gòu)件等位置的調(diào)查鑒定方法應(yīng)分為金屬構(gòu)件的受損情況、爆炸沖擊與外力撞擊的情況、雷擊點及泄流通道、危害雷電流、雷電流沖擊波、物體受損處雷電沖擊波（超壓）、受損物體耐沖擊氣壓能力等七種情況。

（2）經(jīng)對雷電流沖擊波危害金屬構(gòu)件的豐要因子進行調(diào)查分析，當(dāng)調(diào)查結(jié)果符合下面幾個條件時，可確定該次事故為雷電沖擊波危害所致，這種鑒定方法就是沖擊波分析法。①雷電的閃擊時間與金屬構(gòu)件的受危害時間吻合；②在金屬構(gòu)件受損時間，雷電的閃擊點位于受損物體附近；③雷電泄流通道產(chǎn)生較高的熱量并且該熱量產(chǎn)生了較強的沖擊波；④在金屬構(gòu)件受損時，其受損方向無炸藥爆炸，且無金屬體外力撞擊；⑤受損金屬體的耐沖擊氣壓能力小于雷電沖擊波的氣壓。

（3）文章所采用的調(diào)查鑒定方法可靠性高、操作性強、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，具有很好的現(xiàn)實意義和參考價值，可供全國各級從事雷電災(zāi)害調(diào)查鑒定技術(shù)人員學(xué)習(xí)和借鑒。

（4）由于雷電災(zāi)害的隨機性、小概率性和不可預(yù)見性，發(fā)生時不可能止好有專業(yè)技術(shù)人員在現(xiàn)場觀察記錄，只有事后通過調(diào)查了解雷電災(zāi)害發(fā)牛時的情況，給調(diào)查帶來一定的難度，這就要求參與調(diào)查人員具有豐富的雷電理論知識和雷電調(diào)查技術(shù)。