雷電危害與防護

符傳進

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

關鍵詞： 雷電 電磁場 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

中圖分類號：S761.5 文獻標識碼：A 文章編號

1前言

雷電是發生在大氣中瞬時的大電流、高電壓放電現象，雷電過程的大電流及其所伴隨的高溫、沖擊波和強烈的電磁輻射等效應。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，尤其在信息時代的今天，通常會導致各種電子設備的失效甚至損壞，對人們的日常生活產生了嚴重的負面影響。熟悉和研究雷電物理機理，提高雷電防護能力，保護人類生命財產的安全，成為科學行業及工程技術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、感應雷和球形雷。

直擊雷是帶電的云層與大地上某一點之間發生迅猛的放電現象。雷電直接擊在建筑物構架、動植物上，因電效應、熱效應和機械效應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、線、)引下線構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通只能保護建筑物本身免受直擊雷的損毀，但雷電會透過多種形式及途徑破壞建筑物內的電子設備。

感應雷是帶電云層由于靜電感應作用，使地面某一范圍帶上異種電荷。當直擊雷發生以后，云層帶電迅速消失，而地面某些范圍由于散流電阻大，以致出現局部高電壓，或者由于直擊雷放電過程中，強大的電磁脈沖電流對周圍的導線或金屬物產生電磁感應發生高電壓以致發生閃擊的現象。

球形雷是一種特殊的雷電現象，簡稱球雷。球形雷存在的時間十分短暫，要研究球形雷相當困難。球形雷直徑常見的約為10-20厘米，最大的直徑可達一米，存在的時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入室內，有的由煙囪或通氣管道滾進樓房，多數沿帶電體消失。

2.2雷電放電的三個階段（云地）

先導放電階段:雷云對大地有靜電感應，在雷云電場下，大地感應出異號電荷，隨著雷云中電荷的逐步積累，空間的電場強度不斷增大。當雷云中電荷密集處的電場強度達到空氣擊穿場強(25-30kV/m)時，就產生強烈的碰撞游離，形成指向大地的一段導電通道，成為雷電先導。

主放電階段:當下行先導接近地面時，會從地面較突出的部分發出向上的迎面先導。當迎面先導與下行先導相遇時，便會產生強烈的中和過程，產生極大的電流，這就是雷電的主放電階段。主放電階段的特點是，存在的時間極短，電流極大，可達數十乃至數百千安。

余光放電階段:主放電到達云端就結束了。然后云中殘余電荷經主放電通道流下來，稱為余光放電階段。由于雷云中的電阻較大，余光放電階段對應的電流不大,但持續時間則較長，大約是0.04秒左右。

3雷電與電磁場

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生強烈的放電。帶電云層與另一部分帶異種電荷的云層之間的放電統稱為云閃，帶電云層對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，電磁脈沖災害面廣、成災率高，特別是微電子設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，給日常生活和工業生產帶來難以估量的損失。

雷電的最大破壞作用在于放電過程，也即雷電回擊過程。雷電回擊活動所產生的電磁場，尤其是其中的輻射場，在廣域傳播過程中衰減較小，并受到土壤電導率引起的色散、地表起伏引起的反射作用，可沿地表傳播數百公里甚至更遠。

一般建筑物房頂上都設有無線鐵塔，上面設有避雷針，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。當發生直擊雷時，雷電浪涌電流就侵入大樓的鋼框架、鋼筋之中，在建筑物內產生很強的電磁場，同時使設在同一建筑物內的各種設備中出現很高的電位差，從而對設備造成損壞。

雷電的形式多樣，其形成及放電過程十分復雜，在空間激發的電磁場脈沖特性也非常復雜。國內外學者主要研究雷電回擊激發電磁場的計算理論，并通過程序實現了電磁波的計算。其中，重點對雷電回擊產生的LEMP波形及其峰值分布進行了計算，并對計算結果進行了可視化仿真。用以總結了開放空間中電磁波峰值的分布規律，以便能掌握雷電的物理特性，制定有效的雷電防護措施。

3.2雷電產生的電磁場計算

在假設大地為完全導體的情況下，對雷電電磁場的地閃回擊進行計算和分析，考慮到在直擊雷打在建筑物上產生電磁場分布的復雜性，在下面的討論中僅考慮一種簡單情況，并做了相應的近似處理。在地閃回擊模型中一般認為雷電回擊通道不分支且垂直于地面，通道周圍為無窮空間。設通道起點高度為H0，通道電流分布已知。對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。設觀察點在(z，r)處，距電偶極子及其鏡像偶極子的距離分別為R0、R1；大地為良導體，電導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

上式中第三項就是著名的Sommerfeld積分，由于積分中存在極點且收斂速度很慢，很難用數值計算得出精確結果，必須進行近似處理。Collin采用最速下降法對Sommerfeld積分進行近似處理，得出上半空間電偶極子的矢勢為：其中

在Sommerfeld積分近似過程中采用了Hankel函數的近似條件，即|lr|≤1。自然雷擊一般都發生在高層建筑物、塔尖上，離地平面有一定距離(約幾米到上百米)，雷電回擊電流通道起點高度大于零。因此，對幾十到幾百米范圍內地面以上的近場，上式是適用的。

4雷電防護措施

現代防雷技術是一項系統工程，必須貫徹整體防護思想，本文選取建筑物防雷為研究對象，避免泛泛而談。為使建筑物及其內部設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、避雷網等防直擊雷的危害，對于可能出現的的直擊雷，靠接閃器經引下線和接地裝置，或通過導電連接和接地良好的結構鋼筋、金屬構架，將雷電流分流流散入地，而不流過被保護設備和部件。這種防護措施可以稱作分流防護。

等電位連接是防止雷電反擊的重要技術手段，根本目的是實現均壓等電位，消除不同金屬部件及導線間的雷電流引起的高電位差，同時對雷電流分流，通過對于同一樓層同一部位的不同的電纜外皮、設備外殼、金屬構架(構件)、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、衰減施加在系統設備上的過電壓能量。屏蔽是防御電磁脈沖的有效方法。