0 概述

雷電是自然界中雷云之間或是雷云與大地之間的一種放電現(xiàn)象。其特點(diǎn)是電壓高、電流大、能量釋放時(shí)間短，具有很大的危害性。在我國(guó)多數(shù)地區(qū)每年都有因雷擊造成的種種危害。如1989年8月，黃島油庫(kù)因雷擊爆炸起火，4t原油燃燒，19人死亡。也有造成電力系統(tǒng)在面積停電，森林大面積燒毀，建筑物毀壞等等。就我們周邊單位的一些雷電事故實(shí)例而言，1995年某單位由于雷擊造成通訊系統(tǒng)幾乎癱瘓，嚴(yán)重影響當(dāng)時(shí)的防汛等工作；1997年某水庫(kù)管理處的通訊設(shè)備也因雷擊造成數(shù)萬(wàn)元損失；1998年7月，一住宅區(qū)因雷電造成20多戶居民的家電設(shè)備被損壞。

1 雷電的幾點(diǎn)基本理論

1.1 雷云結(jié)構(gòu)和雷電的放電機(jī)理

雷電的典型結(jié)構(gòu)是中部有強(qiáng)烈的上升氣流，在這種氣流的作用下，帶正電的冰晶與帶負(fù)電的水商開始分離，形成一部分帶正電荷，一部分帶負(fù)電荷的雷云。由于異性電荷的不斷積累，不同極性的云塊之間電場(chǎng)強(qiáng)度不斷增大，當(dāng)某處的電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)空氣可能承受的擊穿強(qiáng)度時(shí)，就形成了云間放電。不同級(jí)性的電荷通過(guò)一定的電離通道互相中和，產(chǎn)生強(qiáng)烈的光和熱。放電通道發(fā)出的這種強(qiáng)光，人們稱之為“閃”。而通道所發(fā)出的熱，使附近的空氣突然膨脹，發(fā)出霹壢的轟鳴，人們稱之為“雷”。

通常雷云的下部帶負(fù)電，上部帶正電。由于雷與雷云之間形成強(qiáng)大的電場(chǎng)。與云間放電一樣，當(dāng)某處積聚的電荷密度很大，造成電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到雷云與地面之間空氣游離的臨界值時(shí)，就為雷云對(duì)地放電的發(fā)展創(chuàng)造條件，當(dāng)雷云對(duì)地放電打到地面上的閃電即為“落雷”。如果落雷擊中人員、建筑物、機(jī)電設(shè)備和森森樹木而造成的危害，人們稱之種現(xiàn)象為“雷擊事故”。

1.2 雷電的放電特性

雷電的破壞作用主要是雷電流引起的。雷電流由零增長(zhǎng)到最大幅值這一部分稱之為“波頭”，所需時(shí)間通常只有幾微秒；電流下降的那部分稱為“波尾”，時(shí)間長(zhǎng)約數(shù)十微秒。可見雷電流是一種幅值極大，作用時(shí)間極短的瞬變過(guò)程。

防雷設(shè)施的耐雷水平是按雷電流的大小確定的，因此大致掌握雷電流的大小是十分必要的。雷電流幅值大小的變化范圍很大，根據(jù)我國(guó)各地測(cè)得的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，繪制出的雷電流幅值概率曲線如圖2。圖中縱座標(biāo)I是雷電流幅值的大小（kA），橫座標(biāo)是超過(guò)縱座標(biāo)所示幅值的雷電流出現(xiàn)的概率（%），雷電流幅值超過(guò)I的概率，可按下列公式求得：

1gP=-

式中：P──雷電流幅值概率；

I──雷電流幅值（kA）。

另一重要參數(shù)是雷電流的上升速度，通常稱為“雷電流陡度”，它與雷電感應(yīng)的變化有著直接的關(guān)系，按kA/μs計(jì)算。雷電流陡度與雷電流的關(guān)系如圖3所示。它的數(shù)值是由雷電流I對(duì)時(shí)間t的微分求得：

雷電流陡度α=

開始雷電流陡度的數(shù)值很快地增加，以后逐漸變小，當(dāng)雷電流達(dá)到最大幅值時(shí)，雷電流陡度變?yōu)榱恪?BR>
1.3 雷電與氣象條件：

雷電活動(dòng)的強(qiáng)度是因地區(qū)而異的，有的地區(qū)強(qiáng)，有的地區(qū)弱。我國(guó)年平均雷電日分布大致劃分4個(gè)區(qū)域，其中長(zhǎng)江以北大部分地區(qū)年平均雷電日在15~40日之間。年平均雷電日這一數(shù)字只能給人們提供某一地區(qū)雷電活動(dòng)的概括情況，雷電活動(dòng)的強(qiáng)弱程度與落雷概率是兩個(gè)不同的概念。事實(shí)上，即使是在同一地區(qū)，雷電活動(dòng)也是有所不同的，有些地方受局部氣象條件的影響，雷電活動(dòng)可能比鄰近地區(qū)強(qiáng)得多。

1.4 雷擊的選擇性

雷電危害事故的統(tǒng)計(jì)資料說(shuō)明，雷擊的地點(diǎn)和建筑物遭受雷擊的部位是有一定規(guī)律的，這個(gè)規(guī)律稱為雷擊的選擇性。

地面上建筑物的性質(zhì)和形狀對(duì)雷電的發(fā)展是有影響的，當(dāng)?shù)孛嫔想妶?chǎng)不斷增強(qiáng)時(shí)，在高大建筑物尖頂和邊緣上電場(chǎng)強(qiáng)度最大，構(gòu)成雷電發(fā)展的良好條件。在曠野中，即使建筑物并不很高，但是由于它比較孤立、突出，因而較容易遭受雷擊。金屬結(jié)構(gòu)的建筑物，由于具有良好的導(dǎo)電性能，也較易遭受雷擊。

2 雷電危害基本原理分析

根據(jù)雷電的產(chǎn)生和造成危害的不同特點(diǎn)，一般將雷電分為直擊雷、感應(yīng)雷、球形雷和雷電侵入波等幾種。分析我們周邊單位的一些雷電事故實(shí)例，雷電感應(yīng)和雷電侵入波是造成這些雷電危害的主要原因。人們對(duì)部分設(shè)施直擊雷的防范針對(duì)性較強(qiáng)，而對(duì)感應(yīng)雷和雷電侵入波的防范卻考慮的不夠全面，措施上不盡完善。特別是目前大量的通訊系統(tǒng)、家用電器、電腦網(wǎng)絡(luò)和其它控制設(shè)備等均采用集成電路和高靈敏度的電子元器件，它們難以承受雷電造成突發(fā)的強(qiáng)磁場(chǎng)或雷電波的侵害致使它們?cè)馐芾讚舻奈：^有普遍性。

2.1 雷電的感應(yīng)作用

雷電感應(yīng)是由于雷電流的強(qiáng)大電場(chǎng)和磁場(chǎng)變化產(chǎn)生的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)造成的。

2.1.1 靜電感應(yīng)

當(dāng)建筑物頂部或其它導(dǎo)體處于雷云與大地間所形成電場(chǎng)中時(shí)，建筑物頂部或?qū)w上就會(huì)積聚與雷云下部電荷極性相反的大量電荷。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(lái)不及立即流散，因而產(chǎn)生很高的對(duì)地位，這個(gè)對(duì)地電位差稱為“靜電感應(yīng)電壓”。

如圖4中，雷去的發(fā)展使樓頂和放電體上積蓄了大量正電荷，由于較高的放電體尖端上電場(chǎng)強(qiáng)度較大，當(dāng)雷云與放電體間的電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)兩者之間空氣的擊穿強(qiáng)度時(shí)，雷云對(duì)放電體產(chǎn)生放電，使放電電路中正負(fù)電荷猛烈地中和，而樓頂?shù)母袘?yīng)電荷卻不能以相應(yīng)的速度流散，于是將會(huì)產(chǎn)生高達(dá)幾十千伏的感應(yīng)電壓。如果樓頂不采取良好的接地，室內(nèi)的設(shè)備即有可能因感應(yīng)電壓而受損。


雷擊時(shí)，除建筑物產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓外，在輸電線路、通訊線路上同樣會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。如圖5所示，由于感應(yīng)電壓，與雷云極性相反的電荷聚積到一段線路上，成為束縛電荷。當(dāng)雷云與放電體放電時(shí)，雷電通道中的電荷猛烈中和，線路上的束縛電荷變?yōu)樽杂呻姾桑驅(qū)Ь€兩邊流動(dòng)，形成感應(yīng)過(guò)電壓波。據(jù)有關(guān)資料介紹，高壓輸電線上的感應(yīng)過(guò)電壓可達(dá)300~400kV；一般配電線路和通訊線路，雖然懸掛高度較低，漏電較大，但感應(yīng)過(guò)電壓仍可達(dá)幾十千伏。


2.1.2 電磁感應(yīng)

由于雷電流具有極大的幅值和陡度，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)中的導(dǎo)體會(huì)感應(yīng)出較大的電動(dòng)勢(shì)。如圖6所示，當(dāng)在強(qiáng)磁場(chǎng)中放置一個(gè)開口的環(huán)形導(dǎo)體，環(huán)上感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)足以使間隙a、b間產(chǎn)生火花放電。電磁感應(yīng)現(xiàn)象還可以使構(gòu)成閉合回路的金屬物體產(chǎn)生感應(yīng)電流。如果回路中有些地方接觸不良，就會(huì)產(chǎn)生局部發(fā)熱或放電，這對(duì)于存放易燃易爆物品的建筑物會(huì)構(gòu)成很大危險(xiǎn)。

2.2 雷電侵入波

由于雷電對(duì)架空線路或金屬管道的作用，所產(chǎn)生的雷電波可能沿著這些地管線侵入室內(nèi)，危及人身和設(shè)備的安全。雖然有關(guān)資料所反映雷電侵入波造成的事故占雷電事故總數(shù)的比例各異，但從中看出它占有較大的比重。從架空線路上產(chǎn)生雷電波的主要原因是：

其一，遭受直擊雷。架空線路分布較廣，遭受雷擊的機(jī)會(huì)較多，當(dāng)一處遭雷擊，雷電波就沿線路傳播，可能傳得很遠(yuǎn)。由此而傳入室內(nèi)和設(shè)備的電壓也是很高的。

其二，當(dāng)雷電擊中線路附近的目標(biāo)，產(chǎn)生感應(yīng)雷電波。感應(yīng)電壓雖較直接雷擊低，但對(duì)低壓配電線路、通訊線路和人身安全仍具有內(nèi)樣的危險(xiǎn)而且它的出現(xiàn)較直擊雷更為頻繁。

3 雷電災(zāi)害的預(yù)防

人們從開始認(rèn)識(shí)雷電起，就一直在積極地采取措施防止它的危害。雖然目前還沒有找到完全控制雷電災(zāi)害的方法，但是通過(guò)安裝一些避雷、消雷裝置與設(shè)施，可以大大減少雷擊的損失。如前所述，這里仍然針對(duì)雷電感應(yīng)和雷電侵入波的危害，從宏觀上提出值得人們進(jìn)一步引起重視或補(bǔ)充的防雷措施。

3.1 防雷電感應(yīng)措施

為防止靜電感應(yīng)，第一，建筑物內(nèi)的金屬物（如設(shè)備、管道、構(gòu)架、電纜外皮、鋼屋架、鋼門窗等較大構(gòu)件）和突出屋面的金屬物均應(yīng)接到防雷電感應(yīng)的接地裝置上。第二，屋面周國(guó)金屬物每隔約20m應(yīng)采用引下線接地。第三，現(xiàn)場(chǎng)澆制或預(yù)制件組成的鋼筋混凝土屋面，其鋼筋宜綁扎或焊接成電氣閉合回路，并應(yīng)每隔約20m采用引下線接地。

為防止電磁感應(yīng)，平行敷設(shè)的金屬管道、構(gòu)架、電纜外皮等，其凈距小于100mm時(shí)，應(yīng)每隔20~30m用金屬線跨接。

防雷電感應(yīng)的接地裝置，其接地阻值不應(yīng)大于10Ω，并與電氣設(shè)備接地裝置共用，但此接地裝置與獨(dú)立避雷針或避雷線的接地裝置之間的距離應(yīng)符合要求。

3.2 防雷電波侵入措施

低壓線路宜全線采用電纜埋地敷設(shè)，入戶處應(yīng)將電纜金屬外皮接到防雷電感應(yīng)的接地裝置上。全線采用電纜有困難，而采用鋼筋混凝土桿鐵橫擔(dān)架空線時(shí)，應(yīng)使用一段長(zhǎng)度不少于50m的金屬鎧裝電纜直接埋地引入，并將電纜金屬外皮和絕緣子鐵腳一起接地，接地電阻不大于10Ω。用于通訊和有線電視系統(tǒng)的架空電纜，每隔一定距離，選適當(dāng)位置將托掛電纜的鋼鉸線做接地處理。

3.3 防雷設(shè)施的定期檢查

為保證防雷設(shè)施具有良好的保護(hù)性能，每年應(yīng)在雷雨季節(jié)之前按期做好檢查、測(cè)試，及時(shí)掌握各類防雷設(shè)施是否處于正常狀況，裝置運(yùn)行是否良好。如：架構(gòu)聯(lián)接牢固、跨接線和接地線完好、接地阻值符合規(guī)范要求等等。對(duì)檢查出的不合格項(xiàng)目，應(yīng)及時(shí)整改，杜絕隱患，從而減少雷擊事故給國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)的損失，保護(hù)國(guó)財(cái)產(chǎn)和人員的安全。