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雷电的基本知识及其预防

来源:武汉华胜公司 日期:2012年2月24日 11:08

一、雷电的基本知识

电闪雷鸣究竟是怎么回事,早在二百多年前,美国科学家富兰克林,在雷雨天通过放风筝实验,证明了雷击是大气中的放电现象,并建立了雷电学说。下面我们来谈谈有关雷电的基本知识。

1.雷电的产生

空中的尘埃、冰晶等物质在云层中翻滚运动的时候,经过一些复杂过程,使这些物质分别带上了正电荷与负电荷。经过运动,带上相同电荷的质量较重的物质会到达云层的下部(一般为负电荷),带上相同电荷的质量较轻的物质会到达云层的上部(一般为正电荷)。这样,同性电荷的汇集就形成了一些带电中心,当异性带电中心之间的空气被其强大的电场击穿时,就形成“云间放电”(即闪电)。
  带负电荷的云层向下靠近地面时,地面的凸出物、金属等会被感应出正电荷,随着电场的逐步增强,雷云向下形成下行先导,地面的物体形成向上闪流,二者相遇即形成对地放电 。这就容易造成雷电灾害。
  雷电形成于大气运动过程中,其成因为大气运动中的剧烈摩擦生电以及云块切割磁力线。
  闪电的形状最常见的是枝状,此外还有球状、片状、带状。闪电的形式有云天闪电、云间闪电、云地闪电。云间闪电时云间的摩擦就形成了雷声。

2.雷电的主要特点

2.1 冲击电流大
  其电流高达几万-几十万安培。

2.2 时间短
  一般雷击分为三个阶段,即先导放电、主放电、余光放电。整个过程一般不会超过60微秒。


2.3 雷电流变化梯度大
  雷电流变化梯度大,有的可达10千安/微秒。

2.4 冲击电压高
  强大的电流产生的交变磁场,其感应电压可高达上亿伏。

3.雷电的破坏

雷电的破坏主要是由于云层间或云和大地之间以及云和空气间的电位差达到一定程度(25—30kV/cm)时,所发生的猛烈放电现象。通常雷击有三种形式,直击雷、感应雷、球形雷。直击雷是带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。感应雷是当直击雷发生以后,云层带电迅速消失,地面某些范围由于散流电阻大,出现局部高电压,或在直击雷放电过程中,强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压、而发生闪击现象的二次雷。球形雷是球状闪电的现象。

3.1 直击雷破坏
  当雷电直接击在建筑物上,强大的雷电流使建(构)筑物水份受热汽化膨胀, 从而产生很大的机械力,导致建筑物燃烧或爆炸。另外,当雷电击中接闪器,电流沿引下线向大地泻放时,这时对地电位升高,有可能向临近的物体跳击,称为雷电“反击”,从而造成火灾或人身伤亡。

3.2 感应雷破坏
  感应雷破坏也称为二次破坏。它分为静电感应雷和电磁感应雷两种。由于雷电流变化梯度很大,会产生强大的交变磁场,使得周围的金属构件产生感应电流,这种电流可能向周围物体放电,如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸,而感应到正在联机的导线上就会对设备产生强烈的破坏性。

3.2.1静电感应雷
  带有大量负电荷的雷云所产生的电场将会在金属导线上感应出被电场束缚的正电荷。当雷云对地放电或云间放电时,云层中的负电荷在一瞬间消失了(严格说是大大减弱),那么在线路上感应出的这些被束缚的正电荷也就在一瞬间失去了束缚,在电势能的作用下,这些正电荷将沿着线路产生大电流冲击。
  易燃易爆场所、计算机及其场地的防静电问题,应特别重视。

3.2.2电磁感应雷
  雷击发生在供电线路附近,或击在避雷针上会产生强大的交变电磁场,此交变电磁场的能量将感应于线路并最终作用到设备上。由于避雷针的存在,建筑物上落雷机会反倒增加,内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了,对用电设备造成极大危害。因此,避雷针引下线通体要有良好的导电性,接地体一定要处于低阻抗状态。

3.3 雷电波引入的破坏
  当雷电接近架空管线时,高压冲击波会沿架空管线侵入室内,造成高电流引入,这样可能引起设备损坏或人身伤亡事故。如果附近有可燃物,容易酿成火灾。

4.雷电的描述

在气象学中,常用雷暴日数、年平均雷暴日数、年平均地面落雷密度,来表征某个地方雷电活动的频繁程度和强度。此外,也使用年雷闪频数来评价雷电活动,它是指1000平方公里范围内一年共发生雷闪击的次数。
  大量观测统计资料表明,一个地区的雷闪频数与雷暴日数成线性关系。通常,建筑行业的防雷,更多的注重雷暴日的多少;航空、航海、气象、通信等行业越来越关心年雷闪频数的多少。
  我国一般按年平均雷暴日数将雷电活动区分为少雷区(<15天)、中雷区(15—40天)、多雷区(41—90天)、强雷区(>90天)。
  我国的雷电活动,夏季最活跃,冬季最少。全球分布是赤道附近最活跃,随纬度升高而减少,极地最少。


二、防雷电知识

1.防雷电的对象

防护雷电的对象可分为人体、建(构)筑物、易燃易爆场所、计算机场地、高电压设备等。不同的对象,雷电的防护也有不同。

1.1 人体防雷电
  雷电造成的灾害除经济损失外,还伤及到人的生命。人在遭受雷击时,电流迅速通过人体,可引起呼吸中枢麻痹,心脏骤停,造成不同程度的烧伤,严重者可发生脑组织缺氧而死亡。
  在雷电多发的夏季,人们对防雷电应该引起高度的重视。当雷电发生时,应尽量避免使用家电设备,如收音机、电视机、计算机、电话机等,室外天线和电源线要接地良好,空调器、电冰箱、抽油烟机也要停止使用,以防感应雷和雷电波的侵害。房屋门窗要关闭好,有条件的家庭,门窗可安装金属网罩并接地良好,以防球形闪电入室。如果人在户外,雷雨时应及时进入有避雷设施的场所,不要在孤立的电杆、房檐、大树、烟囱下躲避。当雷电距离很近时,不要撑开带铁杆的雨伞,头顶上方要避开金属物,不要使用手机,避免直击雷的袭击。在水田劳动或者在河里游泳,应立即离开水中,以防雷电通过水的传导而遭雷击。在雷雨中,若感到头、颈、身体有麻木的感觉,这是即将遭受雷击的先兆,应立即躺下。万一遇到被雷电击昏者,应立即进行人工呼吸和外部心脏挤压按摩,并及时送往医院抢救。

1.2 建(构)筑物防雷电
  城市的高大建(构)筑物不断增加,导致雷击事故不断加剧;建(构)筑物内通信、计算机网络等抗干扰能力较弱的现代化电子设备越来越普及;不少高大建(构)筑物的防护设施不完善使它们的防雷能力先天不足;大量通信、计算机网络系统等未严格按照国家技术规范设计安装防雷电装置便投入使用, 这些都成为雷电灾害频繁发生的重要原因。
  杜绝雷电灾害重在预防。高大建(构)筑物要按规范要求安装防雷电设施,要严格对建(构)筑物防雷电设施的设计审查、施工监督、竣工验收。开展广泛的防雷知识宣传,特别是对那些高大建(构)筑物的所有者,要逐个排查,发现问题及时采取措施,限期整改。对无资质、资格证进行防雷设施设计、施工的单位要坚决取缔,做到防患于未然。

1.3 易燃易爆场所防雷电
  加油站、液化气站、天然气站、输油管道、储油罐(池)、油井、弹药库等易燃易爆场所,如果缺少必要的防雷电设施,将会因雷电灾害造成重大的损失。这类场所除安装防直击雷的设施外,对储气(油)罐(池)及管道、设备等还必须安装防静电感应雷、防电磁感应雷的装置,指定专人看护,发现问题及时处理,并定期向专业检测机构申请检测。

1.4 计算机及其场地防雷电
  不少单位为防止计算机及其局域网或广域网遭雷击,便简单地在与外部线路连接的调制解调器上安装避雷器,但由于静电感应雷、防电磁感应雷主要是通过供电线路破坏设备的,因此对计算机信息系统的防雷保护首先是合理地加装电源避雷器,其次是加装信号线路和天馈线避雷器。如果大楼信息系统的设备配置中有计算机中心机房、程控交换机房及机要设备机房,那么在总电源处要加装电源避雷器。按照有关标准要求,必须在0区、1区、2区分别加装避雷器(0区、1区、2区是按照雷电出现的强度划分的)。在各设备前端分别要加装串联型电源避雷器(多级集成型),以最大限度地抑制雷电感应的能量。同时,计算机中心的MODEM、路由器、甚至HUB等都有线路出户,这些出户的线路都应视为雷电引入通道,都应加装信号避雷器。对楼内计算机等电子设备进行防护的同时,对建(构)筑物再安装防雷设施就更安全了。

1.5高电压设备防雷电
  电力系统的发电站、高压变电站、高压输电线路等的高电压设备,在雷电发生时极容易产生超高电压,造成设备损毁。通常在工程上,往往要根据设备的重要性和对高电压的耐受能力采用一级或多级设防。通过采用输电网金具接地、相线与地线间并联电容器或变压器隔离等方法把高电压雷电脉冲的幅值降低,使设备受到保护。

2.防雷电方式

防雷电方式有常规和非常规两种。

2.1常规防雷电
  常规防雷电可分为防直击雷电、防感应雷电和综合性防雷电。防直击雷电的避雷装置一般由三部分组成,即接闪器、引下线和接地体;接闪器又分为避雷针、避雷线、避雷带、避雷网。防感应雷电的避雷装置主要是避雷器。对同一保护对象同时采用多种避雷装置,称为综合性防雷电。避雷装置要定期进行检测,防止因导线的导电性差或接地不良起不到保护作用。

2.1.1避雷针防雷电
  以避雷针作为接闪器的防雷电。避雷针通过导线接入地下,与地面形成等电位差,利用自身的高度,使电场强度增加到极限值的雷电云电场发生畸变,开始电离并下行先导放电;避雷针在强电场作用下产生尖端放电;形成向上先导放电;两者会合形成雷电通路,随之泻入大地,达到避雷效果。
  实际上,避雷装置是引雷针,可将周围的雷电引来并提前放电,将雷电电流通过自身的接地导体传向地面,避免保护对象直接遭雷击。
  安装的避雷针和导线通体要有良好的导电性,接地网一定要保证尽量小的阻抗值。

2.1.2避雷线防雷电
  是通过防护对象的制高点向另外制高点或地面接引金属线的防雷电。根据防护对象的不同避雷线分为单根避雷线、双根避雷线或多根避雷线。可根据防护对象的形状和体积具体确定采用不同截面积的避雷线。避雷线一般采用截面积不小于35平方毫米的镀锌钢绞线。它的防护作用等同于在弧垂上每一点都是一根等高的避雷针。

2.1.3避雷带防雷电
  是指在屋顶四周的女儿墙或屋脊、屋檐上安装金属带做接闪器的防雷电。避雷带的防护原理与避雷线一样,由于它的接闪面积大,接闪设备附近空间电场强度相对比较强,更容易吸引雷电先导,使附近尤其比它低的物体受雷击的几率大大减少。避雷带的材料一般选用直径不小于8毫米的圆钢,或截面积不小于48平方毫米、厚度不少于4毫米的扁钢。

2.1.4避雷网防雷电
  避雷网分明网和暗网。明网防雷电是将金属线制成的网,架在建(构)筑物顶部空间,用截面积足够大的金属物与大地连接的防雷电。暗网是利用建(构)筑物钢筋混凝土结构中的钢筋网进行雷电防护。只要每层楼的楼板内的钢筋与梁、柱、墙内的钢筋有可靠的电气连接,并与层台和地桩有良好的电气连接,形成可靠的暗网,则这种方法要比其他防护设施更为有效。无论是明网还是暗网,网格越密,防雷的可靠性越好。

2.1.5避雷器防雷电
  避雷器,又称做电涌保护器。避雷器防雷电是把因雷电感应而窜入电力线、信号传输线的高电压限制在一定范围内,保证用电设备不被击穿。常用的避雷器种类繁多,可分为三大类,有放电间歇型、阀型和传输线分流型。
  设备遭雷击受损通常有四种情况,一是直接遭受雷击而损坏;二是雷电脉冲沿着与设备相连的信号线、电源线或其他金属管线侵入使设备受损;三是设备接地体在雷击时产生瞬间高电位形成地电位“反击”而损坏;四是设备安装的方法或安装位置不当,受雷电在空间分布的电场、磁场影响而损坏。加装避雷器可把电器设备两端实际承受的电压限制在安全电压内,起到保护设备的作用。

2.1.6 综合性防雷电
  是相对于局部防雷电和单一措施防雷电的一种综合性防雷电。设计时除针对被保护对象的具体情况外,还要了解其周围的天气环境条件和防护区域的雷电活动规律,确定直击雷和感应雷的防护等级和主要技术参数。采取综合性防雷电措施。程控交换机、计算机设备安放在窗户附近,或将其场所安置在建筑物的顶层都不利于防雷。将计算机房放在高层建筑物顶四层,或者设备所在高度高于楼顶避雷带,这些作法都非常容易遭受雷电袭击。

2.2 非常规防雷电
  目前,除前面介绍的常规防雷装置外,也有采用激光束引雷、火箭引雷、水柱引雷、放射性避雷针、排雷器等防雷装置进行雷电防护,这些防雷装置称为非常规防雷装置。大多数非常规防雷装置还处于研究实验阶段,对新的更为有效的避雷技术的探索仍在继续。

2.2.1激光引雷
  用强度足够的激光束射向雷云,来定向引导雷电,起到主动截雷或引雷效果。

2.2.2火箭引雷
  用小火箭牵引一条金属丝直接发射到雷云中实现人工触发雷击而达到引雷目的。

2.2.3 水柱引雷
  利用脉动加压式高压水枪将水柱射向雷云形成引雷通道的方法。

2.2.4 放射性避雷针
  在避雷针等接闪装置顶部预先装上放射性物质或感应圈,加大空气电离程度提高引雷效率。起到增高避雷针高度的作用。

2.2.5 排雷器
  在被保护物的顶部放置一个能生成与雷云同极性电荷的装置,使其下方形成一个排雷区,起到防雷作用。

所属类别: 高压电器设备测试技术

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