雷电危害的分析与预防

0 概述

雷电是自然界中雷云之间或是雷云与大地之间的一种放电现象。其特点是电压高、电流大、能量释放时间短，具有很大的危害性。在我国多数地区每年都有因雷击造成的种种危害。如1989年8月，黄岛油库因雷击爆炸起火，4t原油燃烧，19人死亡。也有造成电力系统在面积停电，森林大面积烧毁，建筑物毁坏等等。就我们周边单位的一些雷电事故实例而言，1995年某单位由于雷击造成通讯系统几乎瘫痪，严重影响当时的防汛等工作；1997年某水库管理处的通讯设备也因雷击造成数万元损失；1998年7月，一住宅区因雷电造成20多户居民的家电设备被损坏。

1 雷电的几点基本理论

1.1 雷云结构和雷电的放电机理

雷电的典型结构是中部有强烈的上升气流，在这种气流的作用下，带正电的冰晶与带负电的水商开始分离，形成一部分带正电荷，一部分带负电荷的雷云。由于异性电荷的不断积累，不同极性的云块之间电场强度不断增大，当某处的电场强度超过空气可能承受的击穿强度时，就形成了云间放电。不同级性的电荷通过一定的电离通道互相中和，产生强烈的光和热。放电通道发出的这种强光，人们称之为“闪”。而通道所发出的热，使附近的空气突然膨胀，发出霹坜的轰鸣，人们称之为“雷”。

通常雷云的下部带负电，上部带正电。由于雷与雷云之间形成强大的电场。与云间放电一样，当某处积聚的电荷密度很大，造成电场强度达到雷云与地面之间空气游离的临界值时，就为雷云对地放电的发展创造条件，当雷云对地放电打到地面上的闪电即为“落雷”。如果落雷击中人员、建筑物、机电设备和森森树木而造成的危害，人们称之种现象为“雷击事故”。

1.2 雷电的放电特性

雷电的破坏作用主要是雷电流引起的。雷电流由零增长到最大幅值这一部分称之为“波头”，所需时间通常只有几微秒；电流下降的那部分称为“波尾”，时间长约数十微秒。可见雷电流是一种幅值极大，作用时间极短的瞬变过程。

防雷设施的耐雷水平是按雷电流的大小确定的，因此大致掌握雷电流的大小是十分必要的。雷电流幅值大小的变化范围很大，根据我国各地测得的统计数据，绘制出的雷电流幅值概率曲线如图2。图中纵座标I是雷电流幅值的大小（kA），横座标是超过纵座标所示幅值的雷电流出现的概率（%），雷电流幅值超过I的概率，可按下列公式求得：

1gP=-

式中：P──雷电流幅值概率；

I──雷电流幅值（kA）。

另一重要参数是雷电流的上升速度，通常称为“雷电流陡度”，它与雷电感应的变化有着直接的关系，按kA/μs计算。雷电流陡度与雷电流的关系如图3所示。它的数值是由雷电流I对时间t的微分求得：

雷电流陡度α=

开始雷电流陡度的数值很快地增加，以后逐渐变小，当雷电流达到最大幅值时，雷电流陡度变为零。

1.3 雷电与气象条件：

雷电活动的强度是因地区而异的，有的地区强，有的地区弱。我国年平均雷电日分布大致划分4个区域，其中长江以北大部分地区年平均雷电日在15~40日之间。年平均雷电日这一数字只能给人们提供某一地区雷电活动的概括情况，雷电活动的强弱程度与落雷概率是两个不同的概念。事实上，即使是在同一地区，雷电活动也是有所不同的，有些地方受局部气象条件的影响，雷电活动可能比邻近地区强得多。

1.4 雷击的选择性

雷电危害事故的统计资料说明，雷击的地点和建筑物遭受雷击的部位是有一定规律的，这个规律称为雷击的选择性。

地面上建筑物的性质和形状对雷电的发展是有影响的，当地面上电场不断增强时，在高大建筑物尖顶和边缘上电场强度最大，构成雷电发展的良好条件。在旷野中，即使建筑物并不很高，但是由于它比较孤立、突出，因而较容易遭受雷击。金属结构的建筑物，由于具有良好的导电性能，也较易遭受雷击。

2 雷电危害基本原理分析

根据雷电的产生和造成危害的不同特点，一般将雷电分为直击雷、感应雷、球形雷和雷电侵入波等几种。分析我们周边单位的一些雷电事故实例，雷电感应和雷电侵入波是造成这些雷电危害的主要原因。人们对部分设施直击雷的防范针对性较强，而对感应雷和雷电侵入波的防范却考虑的不够全面，措施上不尽完善。特别是目前大量的通讯系统、家用电器、电脑网络和其它控制设备等均采用集成电路和高灵敏度的电子元器件，它们难以承受雷电造成突发的强磁场或雷电波的侵害致使它们遭受雷击的危害较有普遍性。

2.1 雷电的感应作用

雷电感应是由于雷电流的强大电场和磁场变化产生的静电感应和电磁感应造成的。

2.1.1 静电感应

当建筑物顶部或其它导体处于雷云与大地间所形成电场中时，建筑物顶部或导体上就会积聚与雷云下部电荷极性相反的大量电荷。雷云放电后，云与大地间的电场突然消失，建筑物顶部或导体上的电荷来不及立即流散，因而产生很高的对地位，这个对地电位差称为“静电感应电压”。

如图4中，雷去的发展使楼顶和放电体上积蓄了大量正电荷，由于较高的放电体尖端上电场强度较大，当雷云与放电体间的电场强度超过两者之间空气的击穿强度时，雷云对放电体产生放电，使放电电路中正负电荷猛烈地中和，而楼顶的感应电荷却不能以相应的速度流散，于是将会产生高达几十千伏的感应电压。如果楼顶不采取良好的接地，室内的设备即有可能因感应电压而受损。


雷击时，除建筑物产生很高的感应电压外，在输电线路、通讯线路上同样会发生这种现象。如图5所示，由于感应电压，与雷云极性相反的电荷聚积到一段线路上，成为束缚电荷。当雷云与放电体放电时，雷电通道中的电荷猛烈中和，线路上的束缚电荷变为自由电荷，向导线两边流动，形成感应过电压波。据有关资料介绍，高压输电线上的感应过电压可达300~400kV；一般配电线路和通讯线路，虽然悬挂高度较低，漏电较大，但感应过电压仍可达几十千伏。


2.1.2 电磁感应

由于雷电流具有极大的幅值和陡度，在放电通道周围的空间里，会产生强大的变化电磁场。处在这一电磁场中的导体会感应出较大的电动势。如图6所示，当在强磁场中放置一个开口的环形导体，环上感应的电动势足以使间隙a、b间产生火花放电。电磁感应现象还可以使构成闭合回路的金属物体产生感应电流。如果回路中有些地方接触不良，就会产生局部发热或放电，这对于存放易燃易爆物品的建筑物会构成很大危险。

2.2 雷电侵入波

由于雷电对架空线路或金属管道的作用，所产生的雷电波可能沿着这些地管线侵入室内，危及人身和设备的安全。虽然有关资料所反映雷电侵入波造成的事故占雷电事故总数的比例各异，但从中看出它占有较大的比重。从架空线路上产生雷电波的主要原因是：

其一，遭受直击雷。架空线路分布较广，遭受雷击的机会较多，当一处遭雷击，雷电波就沿线路传播，可能传得很远。由此而传入室内和设备的电压也是很高的。

其二，当雷电击中线路附近的目标，产生感应雷电波。感应电压虽较直接雷击低，但对低压配电线路、通讯线路和人身安全仍具有内样的危险而且它的出现较直击雷更为频繁。

3 雷电灾害的预防

人们从开始认识雷电起，就一直在积极地采取措施防止它的危害。虽然目前还没有找到完全控制雷电灾害的方法，但是通过安装一些避雷、消雷装置与设施，可以大大减少雷击的损失。如前所述，这里仍然针对雷电感应和雷电侵入波的危害，从宏观上提出值得人们进一步引起重视或补充的防雷措施。

3.1 防雷电感应措施

为防止静电感应，第一，建筑物内的金属物（如设备、管道、构架、电缆外皮、钢屋架、钢门窗等较大构件）和突出屋面的金属物均应接到防雷电感应的接地装置上。第二，屋面周国金属物每隔约20m应采用引下线接地。第三，现场浇制或预制件组成的钢筋混凝土屋面，其钢筋宜绑扎或焊接成电气闭合回路，并应每隔约20m采用引下线接地。

为防止电磁感应，平行敷设的金属管道、构架、电缆外皮等，其净距小于100mm时，应每隔20~30m用金属线跨接。

防雷电感应的接地装置，其接地阻值不应大于10Ω，并与电气设备接地装置共用，但此接地装置与独立避雷针或避雷线的接地装置之间的距离应符合要求。

3.2 防雷电波侵入措施

低压线路宜全线采用电缆埋地敷设，入户处应将电缆金属外皮接到防雷电感应的接地装置上。全线采用电缆有困难，而采用钢筋混凝土杆铁横担架空线时，应使用一段长度不少于50m的金属铠装电缆直接埋地引入，并将电缆金属外皮和绝缘子铁脚一起接地，接地电阻不大于10Ω。用于通讯和有线电视系统的架空电缆，每隔一定距离，选适当位置将托挂电缆的钢铰线做接地处理。

3.3 防雷设施的定期检查

为保证防雷设施具有良好的保护性能，每年应在雷雨季节之前按期做好检查、测试，及时掌握各类防雷设施是否处于正常状况，装置运行是否良好。如：架构联接牢固、跨接线和接地线完好、接地阻值符合规范要求等等。对检查出的不合格项目，应及时整改，杜绝隐患，从而减少雷击事故给国家经济建设和人民生命财产带来的损失，保护国财产和人员的安全。