摘要： 文章先分析雷電的產(chǎn)生和雷擊形式，接著指出雷電對(duì)人類的危害，最后提出雷電防護(hù)的措施。

關(guān)鍵詞： 雷電 電磁場(chǎng) 防雷

Abstract: the paper first analyzes the generation of lightning and lightning form, and then points out that the lightning of the dangers of human, and finally put forward the lightning protection measures.

Keywords: lightning electromagnetic field lightning protection

1前言

雷電是發(fā)生在大氣中瞬時(shí)的大電流、高電壓放電現(xiàn)象，雷電過程的大電流及其所伴隨的高溫、沖擊波和強(qiáng)烈的電磁輻射等效應(yīng)。具有極大的危害性，除了雷擊的直接危害之外，雷電的電磁輻射也同樣具有很大的危害，尤其在信息時(shí)代的今天，通常會(huì)導(dǎo)致各種電子設(shè)備的失效甚至損壞，對(duì)人們的日常生活產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響。熟悉和研究雷電物理機(jī)理，提高雷電防護(hù)能力，保護(hù)人類生命財(cái)產(chǎn)的安全，成為科學(xué)行業(yè)及工程技術(shù)界重要而又艱巨的研究課題。

2雷擊和放電

2.1雷擊的形式

雷擊通常有三種主要形式，分別是直擊雷、感應(yīng)雷和球形雷。

直擊雷是帶電的云層與大地上某一點(diǎn)之間發(fā)生迅猛的放電現(xiàn)象。雷電直接擊在建筑物構(gòu)架、動(dòng)植物上，因電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等造成建筑物等損壞以及人員的傷亡。一般防直擊雷是通過避雷裝置即接閃器(針、帶、網(wǎng)、線、)引下線構(gòu)成完整的電氣通路后將雷電流泄入大地。然而接閃器、引下線和接地裝置的導(dǎo)通只能保護(hù)建筑物本身免受直擊雷的損毀，但雷電會(huì)透過多種形式及途徑破壞建筑物內(nèi)的電子設(shè)備。

感應(yīng)雷是帶電云層由于靜電感應(yīng)作用，使地面某一范圍帶上異種電荷。當(dāng)直擊雷發(fā)生以后，云層帶電迅速消失，而地面某些范圍由于散流電阻大，以致出現(xiàn)局部高電壓，或者由于直擊雷放電過程中，強(qiáng)大的電磁脈沖電流對(duì)周圍的導(dǎo)線或金屬物產(chǎn)生電磁感應(yīng)發(fā)生高電壓以致發(fā)生閃擊的現(xiàn)象。

球形雷是一種特殊的雷電現(xiàn)象，簡稱球雷。球形雷存在的時(shí)間十分短暫，要研究球形雷相當(dāng)困難。球形雷直徑常見的約為10-20厘米，最大的直徑可達(dá)一米，存在的時(shí)間大約為百分之幾秒至幾分鐘。一般是3至5秒，主要是沿建筑物的孔洞或開著的門窗進(jìn)入室內(nèi)，有的由煙囪或通氣管道滾進(jìn)樓房，多數(shù)沿帶電體消失。

2.2雷電放電的三個(gè)階段(云地)

先導(dǎo)放電階段:雷云對(duì)大地有靜電感應(yīng)，在雷云電場(chǎng)下，大地感應(yīng)出異號(hào)電荷，隨著雷云中電荷的逐步積累，空間的電場(chǎng)強(qiáng)度不斷增大。當(dāng)雷云中電荷密集處的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)(25-30kV/m)時(shí)，就產(chǎn)生強(qiáng)烈的碰撞游離，形成指向大地的一段導(dǎo)電通道，成為雷電先導(dǎo)。

主放電階段:當(dāng)下行先導(dǎo)接近地面時(shí)，會(huì)從地面較突出的部分發(fā)出向上的迎面先導(dǎo)。當(dāng)迎面先導(dǎo)與下行先導(dǎo)相遇時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的中和過程，產(chǎn)生極大的電流，這就是雷電的主放電階段。主放電階段的特點(diǎn)是，存在的時(shí)間極短，電流極大，可達(dá)數(shù)十乃至數(shù)百千安。

余光放電階段:主放電到達(dá)云端就結(jié)束了。然后云中殘余電荷經(jīng)主放電通道流下來，稱為余光放電階段。由于雷云中的電阻較大，余光放電階段對(duì)應(yīng)的電流不大,但持續(xù)時(shí)間則較長，大約是0.04秒左右。

3雷電與電磁場(chǎng)

3.1雷擊電磁脈沖

雷電(Lightning，也稱閃電)是由于帶電的云層和帶異種電荷的其它云層或大地之間發(fā)生強(qiáng)烈的放電。帶電云層與另一部分帶異種電荷的云層之間的放電統(tǒng)稱為云閃，帶電云層對(duì)大地之間的放電稱為直擊雷或地閃。雷電造成危害是通過直擊雷或者雷擊電磁脈沖等，直擊雷造成的危害明顯你而劇烈，電磁脈沖災(zāi)害面廣、成災(zāi)率高，特別是微電子設(shè)備受到電磁脈沖輻射影響后，極容易造成其工作失常甚至損壞，給日常生活和工業(yè)生產(chǎn)帶來難以估量的損失。

雷電的最大破壞作用在于放電過程，也即雷電回?fù)暨^程。雷電回?fù)艋顒?dòng)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，尤其是其中的輻射場(chǎng)，在廣域傳播過程中衰減較小，并受到土壤電導(dǎo)率引起的色散、地表起伏引起的反射作用，可沿地表傳播數(shù)百公里甚至更遠(yuǎn)。

一般建筑物房頂上都設(shè)有無線鐵塔，上面設(shè)有避雷針，避雷針、無線鐵塔、大樓的鋼框架、混凝土墻的鋼筋等之間相互用螺栓固定。當(dāng)發(fā)生直擊雷時(shí)，雷電浪涌電流就侵入大樓的鋼框架、鋼筋之中，在建筑物內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁場(chǎng)，同時(shí)使設(shè)在同一建筑物內(nèi)的各種設(shè)備中出現(xiàn)很高的電位差，從而對(duì)設(shè)備造成損壞。

雷電的形式多樣，其形成及放電過程十分復(fù)雜，在空間激發(fā)的電磁場(chǎng)脈沖特性也非常復(fù)雜。國內(nèi)外學(xué)者主要研究雷電回?fù)艏ぐl(fā)電磁場(chǎng)的計(jì)算理論，并通過程序?qū)崿F(xiàn)了電磁波的計(jì)算。其中，重點(diǎn)對(duì)雷電回?fù)舢a(chǎn)生的LEMP波形及其峰值分布進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了可視化仿真。用以總結(jié)了開放空間中電磁波峰值的分布規(guī)律，以便能掌握雷電的物理特性，制定有效的雷電防護(hù)措施。

3.2雷電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)計(jì)算

在假設(shè)大地為完全導(dǎo)體的情況下，對(duì)雷電電磁場(chǎng)的地閃回?fù)暨M(jìn)行計(jì)算和分析，考慮到在直擊雷打在建筑物上產(chǎn)生電磁場(chǎng)分布的復(fù)雜性，在下面的討論中僅考慮一種簡單情況，并做了相應(yīng)的近似處理。在地閃回?fù)裟Ｐ椭幸话阏J(rèn)為雷電回?fù)敉ǖ啦环种�且垂直于地面，通道周圍為無窮空間。設(shè)通道起點(diǎn)高度為H0，通道電流分布已知。對(duì)通道中的某一小段電流元 ，在滿足一定條件下可以看作是一垂直電偶極子。設(shè)觀察點(diǎn)在(z，r)處，距電偶極子及其鏡像偶極子的距離分別為R0、R1;大地為良導(dǎo)體，電導(dǎo)率和電容率分別為和 。則有耗半空間上垂直電偶極子的電矢位Az0為

其中

上式中第三項(xiàng)就是著名的Sommerfeld積分，由于積分中存在極點(diǎn)且收斂速度很慢，很難用數(shù)值計(jì)算得出精確結(jié)果，必須進(jìn)行近似處理。Collin采用最速下降法對(duì)Sommerfeld積分進(jìn)行近似處理，得出上半空間電偶極子的矢勢(shì)為：其中

在Sommerfeld積分近似過程中采用了Hankel函數(shù)的近似條件，即|lr|≤1。自然雷擊一般都發(fā)生在高層建筑物、塔尖上，離地平面有一定距離(約幾米到上百米)，雷電回?fù)綦娏魍ǖ榔瘘c(diǎn)高度大于零。因此，對(duì)幾十到幾百米范圍內(nèi)地面以上的近場(chǎng)，上式是適用的。

4雷電防護(hù)措施

現(xiàn)代防雷技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，必須貫徹整體防護(hù)思想，本文選取建筑物防雷為研究對(duì)象，避免泛泛而談。為使建筑物及其內(nèi)部設(shè)施免受雷電的直接和間接危害，通常使用避雷針、避雷線、避雷帶、避雷網(wǎng)等防直擊雷的危害，對(duì)于可能出現(xiàn)的的直擊雷，靠接閃器經(jīng)引下線和接地裝置，或通過導(dǎo)電連接和接地良好的結(jié)構(gòu)鋼筋、金屬構(gòu)架，將雷電流分流流散入地，而不流過被保護(hù)設(shè)備和部件。這種防護(hù)措施可以稱作分流防護(hù)。

等電位連接是防止雷電反擊的重要技術(shù)手段，根本目的是實(shí)現(xiàn)均壓等電位，消除不同金屬部件及導(dǎo)線間的雷電流引起的高電位差，同時(shí)對(duì)雷電流分流，通過對(duì)于同一樓層同一部位的不同的電纜外皮、設(shè)備外殼、金屬構(gòu)架(構(gòu)件)、管道做好電氣搭接，以均衡電位。

屏蔽指的是采用屏蔽電纜，利用各種人工的屏蔽箱盒、法拉第屏蔽籠等和各種可以利用的自然屏蔽體來阻擋、衰減施加在系統(tǒng)設(shè)備上的過電壓能量。屏蔽是防御電磁脈沖的有效方法。

接地是疏導(dǎo)雷電流能量的途徑，是避雷技術(shù)重要的環(huán)節(jié)，接地電阻越小，散流越快，被雷擊物體高電位保持時(shí)間越短，危險(xiǎn)性就越小，其跨步電壓、接觸電壓也越小。為避免共用接地中出現(xiàn)的各系統(tǒng)間的電磁干擾，尤其是低頻干擾，應(yīng)采用一點(diǎn)接地法。通過將所有金屬構(gòu)架(構(gòu)件)、管道、電纜金屬屏蔽層、穿線鐵管連在一起，與屏蔽籠及總接地網(wǎng)就近連接;信息系統(tǒng)設(shè)備的防雷接地、工作接地、保護(hù)接地宜采用共地方式;或者計(jì)算機(jī)的邏輯接地采用引外接地，為防反擊再將其與主接地網(wǎng)暫態(tài)共地。

鉗位保護(hù)指的是在電源線、信號(hào)線、接地線等過電壓可能侵入的所有端口，裝設(shè)必要的浪涌過電壓防護(hù)裝置;在系統(tǒng)引出的信號(hào)線、電源線上裝設(shè)多級(jí)保護(hù)，包括粗保護(hù)和細(xì)保護(hù)，將侵入系統(tǒng)的沖擊過電壓箱制到設(shè)備耐壓允許的水平。

合理布線和設(shè)備的位置擺放合適，可以改善電磁環(huán)境，并可以大大減少感應(yīng)雷通過傳輸線進(jìn)入建筑物的可能性。

上述綜合運(yùn)用分流(泄流)、均壓(等電位)、屏蔽、接地、保護(hù)(箱位)各項(xiàng)技術(shù)的整體防護(hù)原則是適用于建筑防雷、電力系統(tǒng)和各種信息系統(tǒng)設(shè)施的統(tǒng)一防護(hù)模式。而對(duì)于一個(gè)特定的信息系統(tǒng)及整個(gè)建筑物等的防護(hù)，還需根據(jù)具體系統(tǒng)及其所在建筑物的實(shí)際情況，靈活應(yīng)用，采取具體措施，構(gòu)成一個(gè)完整的防護(hù)體系，才能收到預(yù)期的效果。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越合理，系統(tǒng)的各個(gè)組成部分之間的有機(jī)結(jié)合就越合理，相互之間的作用就越協(xié)調(diào)，才能使整個(gè)系統(tǒng)在總體上達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)。

綜合防雷設(shè)計(jì)還要考慮被保護(hù)物所在的地理環(huán)境和氣象環(huán)境、被保護(hù)物的重要性和復(fù)雜性以及雷擊的后果嚴(yán)重性、被保護(hù)物的建筑結(jié)構(gòu)、供電系統(tǒng)及信息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布局、選用防雷裝置的特性及其有效配合等等綜錯(cuò)復(fù)雜的因素。

小結(jié)

建筑物內(nèi)電子設(shè)備的雷電危害的防護(hù)措施，具體介紹了建筑物內(nèi)部各信息系統(tǒng)的雷電防護(hù)方法，對(duì)分流、均壓(等電位)、屏蔽、接地和鉗位保護(hù)等各項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了綜合分析，在雷電防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，主張貫徹整體防護(hù)思想，構(gòu)成一個(gè)完整的防護(hù)體系，才能取得明顯的防護(hù)效果。

雷電防護(hù)技術(shù)只是一種對(duì)雷電自然現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，閃電發(fā)生的隨機(jī)性很大，受許多隨機(jī)因素的影響，人們對(duì)雷電現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)只是近似的，是一種概率性的。本文是在為減小雷電災(zāi)害造成的損失，有效地防止雷擊事故的發(fā)生，研究建筑物的雷害發(fā)生的規(guī)律及采取的有效防護(hù)措施。

參考文獻(xiàn)

[1]張小青，建筑物內(nèi)電子設(shè)備的防雷保護(hù)，電子工業(yè)出版社，2008.

[2] 陳渭民，雷電學(xué)原理,氣象出版社，2009.

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