淺析雷電的形成、危害與現(xiàn)代防雷技術(shù)

麥金嬋

摘 要：在自然界中，雷電一種正常的天氣現(xiàn)象，然而如果其發(fā)生在與人類活動密切相關(guān)的區(qū)域時，就構(gòu)成了人們常說的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。就目前的技術(shù)而言，沒有有效的方法可以避免雷電的發(fā)生，因此采取措施對建筑物、人類等進行有效防護是可行度較高的，可以最大可能地減少雷電造成的損失。文章首先對雷電的形成機制進行了簡要的探討，并從雷電常見的危害形式著手，結(jié)合實例分析了不同類型雷電的危害，最后對不同雷電危害提出了具體的防護方法。

關(guān)鍵詞：雷電；直擊雷；防雷

中圖分類號：S761.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0037-02

雷電是大氣系統(tǒng)中最為常見的天氣現(xiàn)象之一。據(jù)統(tǒng)計在世界范圍內(nèi)，每秒鐘發(fā)生的雷電次數(shù)就多達上百次，而一年平均的雷電發(fā)生次數(shù)超過了30多億次[1]。雷電傷人事故也屢見不鮮，全球每年雷擊死亡的人數(shù)超過萬人。因此，國際相關(guān)機構(gòu)將雷電災(zāi)害列入十大嚴重自然災(zāi)害之中一。

1 雷電的形成機制與類型

1.1 雷電的形成過程

作為一種常見的極端天氣現(xiàn)象，大氣中雷電的產(chǎn)生主要是積雨云在氣流的和壓力的作用下，互相之間運動過程中不斷摩擦生電，使云層攜帶了不同程度富集的電荷。同時，云層底部的建筑物、高大植物等由于靜電效應(yīng)帶有與云層相反的異性電荷。由物理學知識即可以知道，云層中的電荷不斷積累，導(dǎo)致的一個結(jié)果就是其所攜帶的電壓不斷增大，如果此云層運移到與地面明顯隆起處時，由于二者之間場強高達25～30kv/cm，就會引發(fā)猛烈的放電過程，伴隨有強光出現(xiàn)。放電過程出現(xiàn)了26000℃以上的高溫，加熱周圍空氣使之膨脹而爆炸產(chǎn)生劇烈的轟鳴聲，以上即為閃電與雷鳴的發(fā)生過程[1]。

1.2 雷電常見類型

以閃電的形態(tài)特征來看，雷電可以分為：聯(lián)珠狀、帶狀、線狀、片狀以及球狀閃電五種。五種閃電中以線狀閃電為常見類型。以發(fā)生閃電的空間位置來看，雷電主要有發(fā)生在云內(nèi)的閃電、發(fā)生在云層之間的閃電以及晴空閃電、云地閃電等四種。第四種是發(fā)生在云與大地之間，簡稱地閃，對人類的關(guān)系最密切，是防雷研究的主要對象。前二種合稱為云閃，對人類也是有關(guān)系的，特別是20世紀以后，隨著科技的發(fā)展，雷電發(fā)生對航空航天、通訊及微電子設(shè)備產(chǎn)生影響越來越顯著。

一般見到的線狀閃電，其實每次人眼見到的一個分叉很多的線狀閃電包含幾次火花放電，每次閃電間隔時間為幾分之一秒，人眼由于視覺暫留效應(yīng)是無法區(qū)分的。但是用轉(zhuǎn)動照相技術(shù)，可以從照相底片上看出每次閃電的實際組成的火花放電次數(shù)。

2 雷電造成的危害

2.1 直擊雷及其危害

這種雷電是帶電云層和地面隆起物間的放電過程。直擊雷殺傷巨大，可以幾秒內(nèi)使人畜斃命。同時放電過程會產(chǎn)生上百萬伏的電壓，直接危害地面的發(fā)電機與電力設(shè)施，甚至引發(fā)大面積的停電事故，雷電放電短時產(chǎn)生的熱量足以使線路發(fā)生短路，進而引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸事故。

2006年11月21日，美國哥倫比亞東北部的北桑坦德省一個小鎮(zhèn)發(fā)生了嚴重的雷電傷人事件，其中5人當場死亡，28人被雷電擊傷。1996年7月10日，我國湖北省隨州市的黃坑體育場也發(fā)生了雷電襲人事件，當時場內(nèi)正在進行足球賽，這次事故造成2人當場因雷擊死亡[2]。

2.2 雷電感應(yīng)及其危害

靜電感應(yīng)與電磁感應(yīng)是雷電感應(yīng)中最常見的兩種。當帶有大量電荷的云層離地表某凸起物很近時，這時地面凸起物的頂部會因電荷之間互相作用而聚集大量與云層相反的異性電荷。當帶電云層發(fā)生放電過程后，凸起物頂部的電荷會立即因失去異性電荷的束縛而沿凸起物快速傳播。并且產(chǎn)生的磁場可以在凸出物附近的金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生極高的電壓，如果與人畜或電氣設(shè)備接觸，發(fā)生二次放電，危機生命安全及破壞設(shè)備。在1992年6月下旬，我國的國家氣象大樓頂上被一個能量巨大的落地雷擊中，雖然先期已經(jīng)進行了必要的避雷設(shè)施安裝，然而能量巨大的這個雷電仍破壞了7條電視轉(zhuǎn)播線路，同時致使計算機癱瘓超過46小時，造成損失巨大[3]。

2.3 球形雷電危害

顧名思義，球形雷電的形狀呈球狀或橢球狀火球，產(chǎn)生時自身帶極亮白光或者紅光。據(jù)統(tǒng)計，球形雷的大致以2m/s速度運移。而且其最大的特點是“無孔不入”，可以通過門、窗戶及煙囪等進入室內(nèi)，對房屋和人身造成危險。1978年8月的一個晚上，5名前蘇聯(lián)登山隊員正在山上宿營，一個乒乓球大的褐紅色火球突然進入帳蓬，在其漂浮于離地1m半空中，然后又突然鉆進登山隊員的睡袋，嚴重灼傷了熟睡的人員，此次雷擊事故造成1人灼燒致死，其余4人燒傷嚴重[2]。

2.4 侵入波的危害

侵入波是雷電擊中輸電線路或者建筑物而定金屬材料，產(chǎn)生的強大電壓與電流會沿著輸電線路及金屬材質(zhì)管道快速傳遞，而對輸電線路本身及用電器造成破壞。雷電侵入波是最為常見和影響最大的雷擊危害之一，據(jù)統(tǒng)計，低壓天氣系統(tǒng)的總雷害事故中，雷電侵入波事故占到了七成以上[3]。比如，雷電侵入波造成室內(nèi)電器發(fā)生損壞甚至爆炸。最為常見是人們在使用電話時遭雷電襲擊身亡等事故。

3 雷電防護技術(shù)

3.1 關(guān)于直擊雷

建筑物上最常見的避雷措施是裝配避雷針。輸電線路一般安裝專用的避雷線。從完整程度上講，防雷裝置應(yīng)包含接地裝置、接閃器和引下線。引下線應(yīng)盡可能短，滿足機械強度，耐腐蝕和熱穩(wěn)定的要求。一般要求接地電阻不超過10Ω。特別要注意的是，如果金屬材質(zhì)封閉罐放置在露天環(huán)境且有爆炸危險，那么就必須裝配接地措施，而且接地應(yīng)該大于兩處，接地間距小于30m為宜。

3.2 感應(yīng)雷防護

建筑防止靜電感應(yīng)的措施是，在其金屬材質(zhì)的設(shè)備、管道、構(gòu)架及電纜外部使用橡膠等包裹保護，同時對于伸出建筑物的金屬管道必須與相關(guān)防雷電感應(yīng)的接地連接起來。

對于電磁感應(yīng)的防護措施，建筑物上的管道應(yīng)該平行鋪設(shè)，而且如果金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件及線纜之間的距離小于100mm時，必須在其間跨接金屬線，如果交叉金屬構(gòu)件之間距離不足100mm時，也應(yīng)采用跨接金屬線措施[3]。endprint

3.3 雷電侵入防護

雷電侵入的最佳防護措施是電纜地埋供電，金屬外皮在進戶處接地。金屬管道在進入用戶的地方及鄰近100m范圍內(nèi)，安裝1-4處接地裝置[4]。在電源和電子線路上安裝避雷器。

3.4 人身防雷的措施

（1）雷電傷人的方式。首先是直接雷擊，閃電直接襲擊到人體。其次是接觸電壓，當雷電電流通過高大的建筑物、樹木、金屬構(gòu)筑物等泄放下來時，人不小心觸摸到這些物體時，發(fā)生觸電事故。再次是旁側(cè)閃擊，當某個物體遭雷電擊時，如果人就在該物體附近，雷電電流就會在人頭頂高度附近，將空氣擊穿，再經(jīng)過人體泄放下來，使人遭受襲擊。最后是跨步電壓，當雷電從云中泄放到大地時，就會在泄放點周圍產(chǎn)生一個電位場，從而在人的兩腳間就產(chǎn)生電壓，也就有電流通過人的下肢。2004年7月23日下午2時多，居庸關(guān)一帶突然下起了雷陣雨，伴著雨水，天空不時傳來電閃雷擊。大部分沒有帶雨具的游客烽火臺里避雨，烽火臺內(nèi)至少擠著近百名游客。下午2時40分左右，一道閃電直撲烽火臺。目擊者稱，靠近烽火臺窗口的人，全部都倒下了[5]。（2）戶外防雷。盡量離開海濱、湖濱、河邊、池旁。因為在水中和水邊被雷電擊死、擊傷事故發(fā)生的概率特別高。不要在雷雨中使用手機，且在雷爆時最好穿不透水的塑料雨衣，可以在與避雷裝置頂成45°夾角的圓錐范圍內(nèi)躲避?？稍谄嚒⒋换蛴蟹览妆Ｗo的建筑物內(nèi)躲避，最好是躲在山洞的里面，并且盡量躲到山洞深處，兩腳也要并攏，身體也不可接觸洞壁。（3）室內(nèi)防雷。關(guān)閉門窗，以防直接雷擊或雷球進入，盡量遠離門窗、陽臺和外墻壁，以防雷擊所處時房屋，遭受接觸電壓和旁側(cè)閃擊的傷害。雷電天氣要避免直接觸摸家里任何金屬材質(zhì)的管線。同時也要避免在雷雨天氣洗澡，尤其是不要使用太陽能熱水器洗澡。不要使用任何家用電器，且在戶內(nèi)盡量離開電源線、電話線、電視機天線、以及與其相連的設(shè)備1.5m以上。

4 結(jié)束語

自然界中的災(zāi)害類型多種多樣，就突發(fā)性而言，雷電災(zāi)害是具代表性的。在世界范圍內(nèi)有些雷電頻發(fā)的地區(qū)，雷電災(zāi)害甚至被神化。自從二百多年前美國科學家發(fā)明避雷針，建筑物從此避免了雷電威脅。現(xiàn)實生活中，一方面需要時刻注意防雷工作，確保生產(chǎn)生活的安全運行；另一方面也需要不斷改進防雷措施和技術(shù)水準，配合有嚴格的管理制度。如果估計到管理人員的素質(zhì)達不到管理制度的要求，那就必須在技術(shù)設(shè)計中顧及這種問題，迫使管理人員難以惹出災(zāi)禍來。

參考文獻：

[1]王道洪，郄秀書，郭昌明.雷電與人工引雷[M].上海交通大學出版社，2000.

[2]肖穩(wěn)安張小青.雷電與防護技術(shù)基礎(chǔ)[M].氣象出版社，2006.

[3]劉佼，肖穩(wěn)安，陳紅兵.全國雷電災(zāi)害分析及雷災(zāi)經(jīng)濟損失預(yù)測[C]//中國氣象學會年會，2011：21-26.

[4]張敏鋒，劉欣生.我國北方地區(qū)雷電活動的時空特征[J].高原氣象，2000，19（3）：277-284.

[5]梅貞，陳水明，顧勤煒，等.1998～2004年全國雷電災(zāi)害事故統(tǒng)計[J].高電壓技術(shù)，2007，33（12）：173-176.endprint