一次典型的雷擊事件分析

康莊

摘要通過對2012年9月19日商丘市睢陽區(qū)文化路小學(xué)雷災(zāi)事故勘查計(jì)算分析，結(jié)果表明此次人員傷亡為典型的雷擊事故，雷擊的原因是：該教學(xué)樓屬第三類防雷建筑物，未安裝防雷裝置，在有利的天氣背景和影響系統(tǒng)下，雷擊大樹造成擊穿空氣，對附近人體發(fā)生閃絡(luò)電弧，跨步電壓Us1為24.1（kV），大于雷擊時(shí)最大允許電壓，因此，可以判定此次人員傷亡事故為雷電流流經(jīng)大地的旁側(cè)閃絡(luò)和雷擊跨步電壓所致。建議政府進(jìn)一步完善學(xué)校防雷裝置，加強(qiáng)雷電科普教育，建立完善的雷電監(jiān)測預(yù)警、預(yù)報(bào)系統(tǒng)，預(yù)防和減少雷電事故的發(fā)生，保障師生生命安全和學(xué)校財(cái)產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞雷擊；天氣系統(tǒng)；跨步電壓；旁側(cè)閃擊

中圖分類號(hào)S166文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）07-197-02

雷電是發(fā)生于大氣中的一種瞬時(shí)高電壓、大電流、強(qiáng)電磁輻射的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。雷電災(zāi)害有兩類： 一類為直接雷擊災(zāi)害，另一類為感應(yīng)雷擊災(zāi)害。前者會(huì)直接擊死、擊傷人畜，擊壞輸電線、建筑物，甚至引發(fā)火災(zāi)；后者悄悄發(fā)生，不易察覺，主要以電磁感應(yīng)和過電壓波的形式對微電子設(shè)備構(gòu)成危害。2種形式的雷擊盡管表現(xiàn)形式不同，但對人民生命財(cái)產(chǎn)均構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。近年來，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和現(xiàn)代化水平的提高，特別是由于信息技術(shù)的快速發(fā)展，雷電災(zāi)害的危險(xiǎn)程度和造成的經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)影響越來越大。據(jù)保守估計(jì)，我國每年因雷電災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元，而由此造成的間接經(jīng)濟(jì)損失則難以估計(jì)，產(chǎn)生的社會(huì)影響也越來越大[2]。筆者在此對2012年9月19日商丘市睢陽區(qū)文化路小學(xué)雷擊事故進(jìn)行勘查計(jì)算分析，探討此次雷擊事故的成因。

1雷擊基本情況

2012年9月19日13：45，在商丘市睢陽區(qū)文化路小學(xué)，有4名學(xué)生同時(shí)被雷電擊中，其中一名10歲男孩經(jīng)搶救無效不幸死亡，一名9歲的孩子眼部受皮外傷、鼻骨骨折，另外2個(gè)孩子傷勢輕微。據(jù)現(xiàn)場人員描述，雷擊時(shí)先是看到一道強(qiáng)烈的白光，緊接著聽到一聲雷聲，4名行走的學(xué)生應(yīng)聲而倒，一名倒地的小男孩傷勢嚴(yán)重，喉嚨被擊穿，衣服被燒焦，120急救中心趕到時(shí)已停止呼吸，另外3名學(xué)生傷勢較輕，倒地后片刻自己爬了起來，但對倒地原因均無記憶。此次雷擊事件嚴(yán)重影響了學(xué)校的正常教學(xué)，在社會(huì)上產(chǎn)生強(qiáng)烈反響。

2 現(xiàn)場勘查

經(jīng)現(xiàn)場勘查（圖1），事故地點(diǎn)位于校園內(nèi)一排十幾米高的大樹底下，距最近一棵樹的樹干約有2.5 m，事故地點(diǎn)東側(cè)25 m是學(xué)校四層教學(xué)樓，南側(cè)45 m是學(xué)校兩層辦公樓，西側(cè)50 m是學(xué)校大門口，北側(cè)35 m越過學(xué)校圍墻是六層居民樓，教學(xué)樓及居民樓均未安裝防雷裝置，場地為混凝土路面，有積水。

圖12012年9月19日雷擊事故現(xiàn)場

3雷擊事件成因分析

3.1天氣背景和影響系統(tǒng)

9月19日14：00 T639高空分析綜合圖（圖2）顯示，河南上空受西北氣流控制，河南省北部、東部地區(qū)受下滑槽和輻合線影響有上升運(yùn)動(dòng)，溫度場上，高層有冷槽影響河南省北中部地區(qū)，除西部、西南部外其他地區(qū)K指數(shù)>30 ℃，北部和東部處于上干下濕的不穩(wěn)定環(huán)境場中，北部、東部部分地區(qū)有雷電活動(dòng)。根據(jù)雷達(dá)回波顯示，“9.19”雷暴天氣是一條典型的颮線系統(tǒng)，自西向東移動(dòng)，雷擊事故發(fā)生時(shí)，雷達(dá)回波中心強(qiáng)度為45 dBz。

圖2 2012年9月19日14：00 T639高空分析綜合圖

3.2 閃電監(jiān)測資料分析

雷電監(jiān)測記錄顯示，9月19日13：25～13：50期間共有4次閃電發(fā)生，其中在事故發(fā)生1 km范圍內(nèi)有2次閃電發(fā)生，最大雷電流強(qiáng)度為-26.6 kA，閃電定位監(jiān)測資料的雷擊記錄在時(shí)間上和地點(diǎn)上與現(xiàn)場人員調(diào)查記錄反應(yīng)的時(shí)間和GPS定位的時(shí)間基本吻合（表1）。

表1 2012年9月19日閃電定位資料

序號(hào)時(shí)間經(jīng)度∥°E緯度∥°N電流∥kA回?fù)?/p>

12012-09-19 13：25114.085 135.544 60-56.817 31

22012-09-19 13：34114.094 736.803 30125.437 81

32012-09-19 13：42114.052 235.950 15-15.795 61

42012-09-19 13：44114.085 635.874 60-26.592 71

3.3 剩磁數(shù)據(jù)分析

在雷擊現(xiàn)場，技術(shù)人員用剩磁儀測量有關(guān)金屬構(gòu)件，可以做判據(jù)的有單杠、臂力訓(xùn)練器、肋力架、宣傳牌等，測量的剩磁數(shù)據(jù)分別為1.57、2.14、2.20、1.62 mT，其中肋力架最大，剩磁達(dá)2.20 mT（毫特斯拉），說明在事故發(fā)生點(diǎn)附近出現(xiàn)過較強(qiáng)的雷電流（表2）。

表2剩磁測量記錄

測量器具材料數(shù)值∥mT是否做判據(jù)

單杠（東）鐵1.57是

臂力訓(xùn)練器鐵2.14是

肋力架鐵2.20是

單杠（西）鐵1.23參考

監(jiān)控?cái)z像頭支撐柱鐵1.10參考

金屬罩棚鐵0.44否

宣傳牌鐵1.62是

籃球架鐵0.44否

4 雷擊傷亡人員原因分析

4.1雷擊現(xiàn)場危險(xiǎn)性分析

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010（以下簡稱防雷規(guī)范）第三章第3.0.1條“建筑物應(yīng)根據(jù)建筑物的重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能性和后果，按防雷要求分為三類”[3]。學(xué)校屬于人員密集場所，雷擊事故事發(fā)地點(diǎn)附近教學(xué)樓（校園內(nèi)最高建筑）長、寬、高分別為50.2、6.8、12.5 m，按照規(guī)范計(jì)算，該建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N為0.016次/a，規(guī)范3.0.4條“2 預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)大于或等于0.01，且小于或等于0.05的部、省級辦公建筑物和其他重要或人員密集的公共建筑物，以及火災(zāi)危險(xiǎn)場所”應(yīng)劃為第三類防雷建筑物，根據(jù)計(jì)算分析及防雷規(guī)范對應(yīng)的條款要求，該教學(xué)樓防雷類別應(yīng)判定為三類。

4.2 雷電流流經(jīng)大地的旁側(cè)閃絡(luò)

雷擊大樹時(shí)，雷電流通過大樹樹干流經(jīng)大地，由于大樹是不良導(dǎo)體，雷電流不能及時(shí)泄入大地，樹干電壓突然驟升，由于人站在大地，與大地等電位，樹干便對人體閃絡(luò)。

樹干的接地電阻值很大，均超過1 200 Ω，與人等高處樹干的電壓降為：

U=iR+L0Hdi/dt，

式中，H為樹干頂端距離人頭的距離，i為雷電流幅值，L0為樹干單位電感di/dt瞬間變化率。

人體靠近大樹時(shí)，人體與樹干的電場磁場強(qiáng)度可達(dá)幾千到幾萬千伏，而空氣被擊穿的強(qiáng)度為500 kV（防雷規(guī)范），因此，雷擊大樹能夠造成擊穿空氣，會(huì)對附近人體發(fā)生閃絡(luò)電弧，從而造成人員傷亡。

4.3跨步電壓

對現(xiàn)場勘查情況、現(xiàn)場人調(diào)查記錄、閃電定位監(jiān)測資料分析、剩磁測量記錄、法醫(yī)檢查資料等進(jìn)行綜合分析，認(rèn)定此次事故為雷擊所致。為了進(jìn)一步分析有雷擊跨步電壓所致的原因，現(xiàn)在進(jìn)行如下定量分析。

雷電流經(jīng)接地體流入大地后在均勻電阻率的土壤中引起的跨步電壓如（1）式計(jì)算：

Us=∫Idu=ρIS/2πr（r+S） （1）

式中，ρ為土壤電阻率，I為雷電流，S為人體兩腳間的距離即跨步步幅，r為距離雷電流入地點(diǎn)處的徑向距離。

事實(shí)上，作用于人體間的電壓并不是單純的跨步電勢。這是因?yàn)槿说膬赡_與土壤間有接觸電阻存在的緣故，當(dāng)人在地面行走時(shí)，兩腳和土壤間有接觸電阻Rb串聯(lián)。

此時(shí)人體兩腳間受的實(shí)際電壓，即跨步電壓Us1為：

Us1=Rb Us/（Rb+2R0）=Rb Us/（Rb+6ρ） （2）

式中，ρ為土壤電阻率，R0為兩只腳和土壤中的接觸電阻，Rb為人體的電阻。

根據(jù)美國電擊工程學(xué)會(huì)的意見，確定對心臟有害的通過人體的最低電流值是：

Ik=0.165/t1/2

式中，Ik為允許流過人體的電流值（A），t為電流延續(xù)時(shí)間（s）。

這一安全電流值，可用于計(jì)算允許的跨步電壓Uk，

即Uk= IkRb=0.165/t1/2Rb，

設(shè)人體的電阻Rb為1 000 Ω，雷電流的延續(xù)時(shí)間為350 μs時(shí)，Uk=8.8（kV），

事故瞬間路面有積水，混凝土被打濕后的電阻率ρ=100 Ω·m。

以上這些計(jì)算式中主要參數(shù)設(shè)定如下：

雷擊電流I為25 kA（取規(guī)范中三類防雷建筑物的雷電流幅值），設(shè)人體兩腳間的距離即跨步步幅S=0.8 m、ρ=1 000 Ω·m，實(shí)測事故地點(diǎn)離雷擊大樹的距離r=2.5 m，事故地點(diǎn)的土壤電阻率（混凝土被打濕）ρ=100 Ω·m。

則不考慮兩只腳和地面接觸電阻時(shí)的均勻土壤電阻率的跨步電壓由（1）式計(jì)算得：

Us=38.6（kV）；

考慮兩只腳和地面接觸電阻時(shí)的均勻土壤電阻率的跨步電壓由（2）式計(jì)算得：

Us1=24.1（kV）。

由于Us1大于雷擊時(shí)最大允許電壓的計(jì)算值，因此，可以判定此次人員傷亡事故為雷擊跨步電壓所致。

5 結(jié)論與建議

此次人員傷亡為典型的雷擊事故，雷擊的原因是：該教學(xué)樓屬第三類防雷建筑物，未安裝防雷裝置，在有利的天氣背景和影響系統(tǒng)下，雷擊大樹造成擊穿空氣，對附近人體發(fā)生閃絡(luò)電弧，跨步電壓Us1為24.1（kV），大于雷擊時(shí)最大允許電壓，因此，可以判定此次人員傷亡事故為雷電流流經(jīng)大地的旁側(cè)閃絡(luò)和雷擊跨步電壓所致。建議政府進(jìn)一步完善學(xué)校防雷裝置，加強(qiáng)雷電科普教育，建立完善的雷電監(jiān)測預(yù)警、預(yù)報(bào)系統(tǒng)[4]，預(yù)防和減少雷電事故的發(fā)生，保障師生生命安全和學(xué)校財(cái)產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)

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梅衛(wèi)群，江燕如.建筑防雷工程與設(shè)計(jì)[M].北京：氣象出版社，2004.

[2] 陳先祿，劉渝根，黃勇.接地[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2002.

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[4] 朱月霞，張麗，周宏健.“9.23”望江縣雷擊災(zāi)害分析及野外雷擊防護(hù)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（4）：1121-1122.