防雷技術(shù)

防雷知識系列（二）－雷擊閃電的特性
作者: www.tj-spd.cn 時間: 2007-12-04
本文章共4920字，分3頁，


　來源：防雷中國　

(1)雷電流的特性


雷電破壞作用與峰值電流及其波形有最密切的關(guān)系。雷擊的發(fā)生、雷電流大小與許多因數(shù)有關(guān)，其中主要的有地理位置、地質(zhì)條件、季節(jié)和氣象。其中氣象情況有很大的隨機性，因此研究雷電流大多數(shù)采取大量觀測記錄，用統(tǒng)計的方法尋找出它的概率分布的方法。根據(jù)資料表明，各次雷擊閃電電流大小和波形差別很大。尤其是不同種類放電差別更大。為此有必要作如下說明。

由典型的雷雨云電荷分布可知，雷雨云下部帶負(fù)電，而上部帶正電。根據(jù)云層帶電極性來定義雷電流的極性時，云層帶正電荷對地放電稱為正閃電，而云層帶負(fù)電荷對地放電稱為負(fù)閃電。正閃電時正電荷由云到地，為正值，負(fù)閃電時負(fù)電荷由云到地，故為負(fù)值。云層對地是否發(fā)生閃電，取決于云體的電荷量及對地高度或者說云地間的電場強度。

云地間放電形成的先導(dǎo)是從云層內(nèi)的電荷中心伸向地面。這叫做向下先導(dǎo)。其最大電場強度出現(xiàn)在云體的下邊緣或地上高聳的物體頂端。雷電先導(dǎo)也可能是從接地體向云層推進(jìn)的向上先導(dǎo)。因此，可以把閃分成四類，只沿著先導(dǎo)方向發(fā)生電荷中和的閃電叫無回?fù)糸W電。當(dāng)發(fā)生先導(dǎo)放電之后還出現(xiàn)逆先導(dǎo)方向放電的現(xiàn)象，稱為有回?fù)糸W電。

上面講到一次雷擊大多數(shù)分成3～4次放電，一般是第一次放電的電流最大，正閃電的電流比負(fù)閃電的電流大。這可以從圖1.2典型的雷雨云中的電荷分布得到理解。

電流上升率數(shù)據(jù)對避雷保護(hù)問題極其重要，最大電流上升率出現(xiàn)在緊靠峰值電流之前。習(xí)慣上用電流波形起始時刻至幅值下降為半幅值的時間間隔來表征雷電流脈沖部分的波長。雷電流的大小與許多因素有關(guān)，各地區(qū)有很大區(qū)別，一般平原地區(qū)比山地雷電流大，正閃電比負(fù)閃電大，第一閃擊比隨后閃擊大。


(2)閃電的電荷量


閃電電荷是指一次閃電中正電荷與負(fù)電荷中和的數(shù)量。這個數(shù)量直接反映一次閃電放出的能量，也就是一次閃電的破壞力。閃電電荷的多少是由雷云帶電情況決定的，所以它又與地理條件和氣象情況有關(guān)，也存在很大的隨機性。從大量觀測數(shù)據(jù)表明，一次閃電放電電荷Q可從零點幾庫侖到1000多庫侖。然而在一次雷擊中，在同一地區(qū)它們的數(shù)量分布符合概率的正態(tài)分布。第一次負(fù)閃擊的放電量在10多庫侖者居多。

一朵雷云是否會向大地發(fā)生閃擊，由幾個基本因素決定，其一是云層帶電荷多少，其二是把云層與大地之間形成的電容模擬為平板電容時，它對大地的電容是多少。當(dāng)然這個模擬電容兩極之間的電壓就是由電容和帶電量決定的。當(dāng)這個模擬電容內(nèi)的電位梯度du/dl達(dá)到閃擊值時就會發(fā)生閃擊。當(dāng)閃擊一旦發(fā)生，云地之間即發(fā)生急劇的電荷中和。


雷電之所以破壞性很強，主要是因為它把雷云蘊藏的能量在短短的幾十μｓ放出來，從瞬間功率來講，它是巨大的。但據(jù)有關(guān)資料計算，每次閃擊發(fā)出的能量只相當(dāng)燃燒幾千克石油所放出的能量而已。


(3)雷電波的頻譜分析

雷電波頻譜是研究避雷的重要依據(jù)。從雷電波頻譜結(jié)構(gòu)可以獲悉雷電波電壓、電流的能量在各頻段的分布，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以估算通信系統(tǒng)頻帶范圍內(nèi)雷電沖擊的幅度和能量大小，進(jìn)而確定避雷措施；在電力系統(tǒng)中，了解雷電波頻譜分析在避雷工程中，也可以根據(jù)其分析結(jié)果，用最小的投資，達(dá)到足夠安全的效果。

雖然各種雷電波總體的輪廓相似，但是每一次雷電閃擊的電流（電壓）波形仍然存在很大的隨機性。


雷云向大地或雷云之間劇烈放電的現(xiàn)象稱為閃擊（這里以討論前者為主），帶負(fù)電荷的雷云向大地放電為負(fù)閃擊，帶正電荷的雷云向大地放電為正閃擊，雷云對大地放電多為負(fù)閃擊，其電流峰值以20~50KA居多。正閃擊比負(fù)閃擊猛烈，其電流幅值往往在100KA以上，我國黑龍江省近年曾發(fā)生過300KA正電荷閃擊記錄（通常200KA以上屬少見）。

雷電活動及雷擊的選擇性

(1)雷電活動及雷電活動日




防雷知識系列（二）－雷擊閃電的特性(2)
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雷電活動從季節(jié)來講以夏季最活躍，冬季最少，從地區(qū)分布來講是赤道附近最活躍，隨緯度升高而減少，極地最少。

評價某一地區(qū)雷電活動的強弱，通常用兩種方法。其中一種是習(xí)慣使用的“雷電日” ，即以一年當(dāng)中該地區(qū)有多少天發(fā)生耳朵能聽到雷鳴來表示該地區(qū)的雷電活動強弱，雷電日的天數(shù)越多，表示該地區(qū)雷電活動越強，反之則越弱。我國平均雷電日的分布，大致可以劃分為四個區(qū)域，西北地區(qū)一般15日以下；長江以北大部分地區(qū)（包括東北）平均雷電日在15?0日之間；長江以南地區(qū)平均雷電日達(dá)40日以上；北緯23°以南地區(qū)平均雷電日達(dá)80日。廣東的雷州半島地區(qū)及海南省，是我國雷電活動最劇烈的地區(qū)，年平均雷電日高達(dá)120--130日?？偟膩碚f，我國是雷電活動很強的國家。

因為人們耳朵能聽到的雷聲，一般距離只能在15km左右，更遠(yuǎn)的雷聲一般就聽不到了，所以雷電日只能反映局部地區(qū)雷電活動情況。

還有一些科學(xué)家認(rèn)為用雷電日表征一個地區(qū)雷電活動不夠準(zhǔn)確，因為一天當(dāng)中聽到一次雷聲就算一個雷電日，而一次當(dāng)中聽到1000次雷聲也算一個雷電日，并且認(rèn)為測試地區(qū)以1000k㎡范圍內(nèi)發(fā)生的閃擊次數(shù)來統(tǒng)計，這樣就得出一種新的評價雷電活動的方法，叫雷閃頻數(shù)。也就是說雷閃頻數(shù)是1000k㎡內(nèi)一年共發(fā)生的閃擊數(shù)（也可以用每1k㎡一年內(nèi)雷擊次數(shù)為單位）。顯然以1000k㎡作為一個地區(qū)單位來評價雷電活動的情況，對航空、航海、氣象、通信等現(xiàn)代技術(shù)更為適合。然而它的測試方法只能借助于無線電，用耳朵來聽是無能為力的。而對于建筑行業(yè)防雷，用雷電日單位己足夠準(zhǔn)確，并且大量觀測統(tǒng)計資料表明，一個地區(qū)的雷閃頻數(shù)與雷電話動日成線性關(guān)系，所以兩種統(tǒng)計方法是沒有矛盾的。


(2)雷擊的選擇

年平均雷電日這一數(shù)字只能給人們提供概略的情況。事實上，即使在同一地區(qū)內(nèi)，雷電活動也有所不同，有些局部地區(qū)，雷擊要比鄰近地區(qū)多得多。如廣州的沙河，北京的十三陵等地。我們稱這些地方為該地區(qū)的“雷擊區(qū)” 。

雷擊區(qū)與地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。蘇聯(lián)H﹒C﹒斯捷柯里尼科夫（CTehojhkob）曾用模擬試驗的研究方法證明，如果地面土壤電阻率的分布不均勻，則在電阻率特別小的地區(qū)，雷擊的幾率較大。這就是在同一區(qū)域內(nèi)雷擊分布還是不均勻的原因。

這種現(xiàn)象我們稱之為“雷擊選擇性” 。試驗結(jié)果證明，雷擊位置經(jīng)常在土壤電阻率較小的土壤上，而電阻率較大的多巖石土壤被擊中的機會很小。這是因為在雷電先驅(qū)放電階段中，地中的電導(dǎo)電流主要是沿著電阻率較小的路徑流通，使地面電阻率較小的區(qū)域被感應(yīng)而積累了大量與雷云相反的異性電荷，雷電自然就朝這些地區(qū)發(fā)展。

根據(jù)H。那林達(dá)（Norinder）,O.沙卡(Salka)和上面提到的H.C.斯捷柯尼科夫的試驗結(jié)果和實際調(diào)查資料證明：

土壤電阻率較大的山區(qū)和平原，雷電選擇性都比較明顯；雷擊經(jīng)常發(fā)生在有金屬礦床的地區(qū)、河岸、地下水出口處、山坡與稻田接壤的地上和具有不同電阻率土壤的交界地段。

在湖沼、低洼地區(qū)和地下水位高的地方也容易遭受雷擊。此外地面上的設(shè)施情況，也是影響雷擊選擇性的重要因素。


當(dāng)放電通道發(fā)展到離地面不遠(yuǎn)的空中時，電場受地面物體影響而發(fā)生畸變。如果地面上有一座較高的尖頂建筑物，例如一座很高的鐵塔，由于這些建筑物的尖頂具有較大的電場強度，雷電先驅(qū)自然會被吸引向這些建筑物，這就是高聳突出的建筑物容易遭受雷擊的緣故。

在曠野，即使建筑物并不高，但是由于它是比較孤立、突出，因此也比較容易遭受雷擊。調(diào)查結(jié)果表明，在田野里供休息的涼亭、草棚、水車棚等遭受雷擊的事故是很多的。


從煙囪冒出的熱氣柱和煙囪常含有大量導(dǎo)電微粒和游離分子氣團(tuán)，它們比一般空氣易于導(dǎo)電，這就等于加高了煙囪的高度，這也是煙囪易于遭受雷擊的原因之一。因此，在一支較高的煙囪附近，如果有一支較低的煙囪，在高煙囪不冒煙而低煙囪冒煙的情況下，雷電往往直接擊在低煙囪上。所以在高低兩條煙囪并排時，即使低煙囪在高煙囪雷電保護(hù)范圍之內(nèi)，但仍然要求兩條煙囪都要裝避雷裝置。

建筑的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部設(shè)備情況和狀態(tài)，對雷擊選擇性都有很大關(guān)系。金屬結(jié)構(gòu)的建筑物、內(nèi)部有大型金屬體的廠房，或者內(nèi)部經(jīng)常潮濕的房屋，如牲畜棚等，由于具有很好的導(dǎo)電性，都比較容易遭受雷擊。

上面所談到的這些雷電選擇性，僅僅是一些常見的例子，很不全面，但它已經(jīng)給我們提供了雷擊選擇性的資料，因而對防雷工作有重要的意義。據(jù)此我們可以決定哪些地區(qū)、哪些建筑物應(yīng)該加避雷裝置，而另一些地區(qū)、建筑物在防雷投資上可以少花一些或甚至不必花費投資。

在同一區(qū)域內(nèi)雷擊分布不均勻的現(xiàn)象，我們稱之為“雷擊選擇性”。 雷災(zāi)事故的歷史資料統(tǒng)計和實驗研究證明，雷擊的地點以及遭受雷擊的部位是有一定規(guī)律的，因此掌握這些規(guī)律對預(yù)防雷擊有很重要的意義。同一區(qū)域容易遭受雷擊的地點和部位有：

易遭雷擊的地點：

土壤電阻率較小的地方，如有金屬礦床的地區(qū)、河岸、地下水出口處、湖沼、低洼地區(qū)和地下水位高的地方；

山坡與稻田接壤處；

具有不同電阻率土壤的交界地段。

易遭受雷擊的建（構(gòu)）筑物：

高聳突出的建筑物，如水塔、電視塔、高樓等；

排出導(dǎo)電塵埃、廢氣熱氣柱的廠房、管道等；

內(nèi)部有大量金屬設(shè)備的廠房；

地下水位高或有金屬礦床等地區(qū)的建（構(gòu)）筑物；

孤立、突出在曠野的建（構(gòu)）筑物。

同一建（構(gòu)）筑物易遭受雷擊的部位：

平屋面和坡度≤1/10的屋面，檐角、女兒墻和屋檐；

坡屋度＞1/10且＜1/2的屋面；屋角、屋脊、檐角和屋檐；

坡度＞1/2的屋面、屋角、屋脊和檐角；

建（構(gòu)）筑物屋面突出部位，如煙囪、管道、廣告牌等。




防雷知識系列（二）－雷擊閃電的特性(3)
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雷電的破壞作用

當(dāng)人類社會進(jìn)入電子信息時代后，雷災(zāi)出現(xiàn)特點與以往有極大的不同，可以概括為：

（1）受災(zāi)面大大擴大，從電力、建筑這兩個傳統(tǒng)領(lǐng)域擴展到幾乎所有行業(yè)，特點是與高新技術(shù)關(guān)系最密切的領(lǐng)域，如航天、航空、國防郵電通信、計算機、電子工業(yè)、石油化工、金融證券等；

（2）從二維空間入侵變?yōu)槿S空間入侵。從閃電直擊和過電壓波沿線傳輸變?yōu)榭臻g閃電的脈沖電磁場從三維空間入侵到任何角落，無空不入地造成災(zāi)害，因而防雷工程已從防直擊雷、感應(yīng)雷進(jìn)入防雷電電磁脈沖（LEMP）。前面是指雷電的受災(zāi)行業(yè)面擴大了，這兒指雷電災(zāi)害的空間范圍擴大了。例如二000年七月二十五日14點40分左右，一次閃電造成漕寶路桂菁路附近二家單位同時受到雷災(zāi)，而不是以往的一次閃電只是一個建筑物受損。

（3）雷災(zāi)的經(jīng)濟(jì)損失和危害程度大大增加了，它襲擊的對象本身的直接經(jīng)濟(jì)損失有時并不太大，而由此產(chǎn)生的間接經(jīng)濟(jì)損失和影響就難以估計。例如一九九九年八月二十七日凌晨2點，某尋呼臺遭受雷擊，導(dǎo)致該臺中斷尋呼數(shù)小時，其直接損失是有限的，但間接損失將大大超過直接損失。

（4）產(chǎn)生上述特點的根本原因，也就是關(guān)鍵性的特點是雷災(zāi)的主要對象已集中在微電子器件設(shè)備上。雷電的本身并沒有變，而是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得人類社會的生產(chǎn)生活狀況變了。微電子技術(shù)的應(yīng)用滲透到各種生產(chǎn)和生活領(lǐng)域，微電子器件極端靈敏，這一特點很容易受到無孔不入的LEMP的作用，造成微電子設(shè)備的失控或者損壞。

為此，當(dāng)今時代的防雷工作的重要性、迫切性、復(fù)雜性大大增加了，雷電的防御已從直擊雷防護(hù)到系統(tǒng)防護(hù)，我們必須站到歷史時代的新高度來認(rèn)識和研究現(xiàn)代防雷技術(shù)，提高人類對雷災(zāi)防御的綜合能力。