雷電防護技術的應用與發展

段弢，李鑫（湖北省防雷中心，湖北武漢，430074）

雷電防護技術的應用與發展

段弢，李鑫
（湖北省防雷中心，湖北武漢，430074）

進入電子信息時代后，雷電災害的防護與以往相比受到人們更多的關注和重視，在電子信息、航空航天等高科技領域，雷電防護技術得到了快速發展，本文對雷電現象及其引起的災害進行了詳細介紹，并對雷電防護技術的應用和發展進行了探討，希望有助于雷電防護技術的發展。

雷電破壞；雷電防護；發展趨勢

0 引言

作為一種常見的自然現象，雷電十分頻繁地出現在我們的日常生活中，具有出現范圍廣泛、發生頻率高、以及破壞強度大等顯著特點。在世界范圍內，雷電現象引起的自然災害數量位居前十，每年由于雷電災害造成的直接經濟損失高達數十億美元之巨[1]。作為一種獨特的自然現象，雷電現象發生時產生的強大瞬時電磁脈沖，會對建筑物等地面設施造成嚴重破壞。

隨著計算機信息技術的快速發展，信息產業成為現代社會的支柱產業，自動控制設備、計算機通信設備等各種各樣的電子設備和系統在各產業中得到了廣泛應用，雷電現象對社會生產造成的破壞和影響越發嚴重[2]。因此，如何有效防范和減少雷電現象造成的破壞和損失成為現代社會關注的重點內容。近年來，我國在雷電災害防護方面通過采取積極有效的措施，取得了明顯成效。在本文中，筆者將對雷電防護技術的應用和發展情況進行探討。

1 雷電活動的特征

雷電現象是指在強對流天氣情況下出現的在雷雨云層之間或者在雷雨云層和地面之間出現的瞬間放電過程。通常在雷電現象發生時，會產生巨大的瞬間放電電流，形成猛烈的高溫沖擊波，雷雨云層內部的電磁場瞬間產生劇烈變幻，伴隨而至的還有強大的電磁輻射等一系列的物理變化，造成嚴重破壞，屬于典型的自然氣象災害。

雷電通常可以分為三種，即直擊雷、感應雷和球形雷。直擊雷通常指的是在帶電云層和大地局部區域之間發生的劇烈放電現象。感應雷，又稱二次雷，是由于電磁感應和靜電感應的作用，帶電云層會使與之相對應的地面局部區域內攜帶相反的電荷，通常來說，直擊雷發生時，放電云層所攜帶的電荷會在放電過程中迅速消失，但是地面局部范圍內由于電阻較大，電荷的散流速度較慢，會出現局部范圍內的高電位，產生電擊現象；或者在直擊雷放電過程中產生的電磁脈沖會對其影響區域內的導線或金屬結構物產生電磁感應現象，從而出現高電位，產生的電擊現象。在雷電天氣過程中，雷電云層內部或者雷電云層和地面之間產生放電現象時，在放電通道周邊區域會產生強烈的電磁感應和雷電云層電場而導致的靜電感應現象，致使地面建筑物上的金屬結構內出現雷電高電壓，當雷電高電壓通過建筑物內的電源線引入室內則會發生室內放電，產生的瞬間高電流會嚴重破壞室內的電子設備、計算機網絡系統設備等裝置。感應雷發生時雖然沒有直擊雷那么猛烈，但是發生概率卻遠高于直擊雷。球形雷產生時，通常會形成一個發光的球體，比較常見的顏色是橙色或者紅色，偶爾也會出現黃色、綠色或者藍色。統計結果表明，球形雷的發生比例占全部類型雷電現象中的13.7%，且一般多出現在強雷暴天氣情況中普通閃電發生最為頻繁的時段[3]。

2 雷電活動引起的災害分析

雷電活動引起的災害通常可以分為直接效應和間接效應兩種，直接效應是由于雷電現象直接造成的破壞損失災害，而間接效應則是由于雷電現象發生時產生的電磁效應而導致的電子設備等裝置的破壞。本文從直擊雷和感應雷兩種不同雷電現象作為切入點，對雷電活動引起的災害進行分析。

直擊雷引起的災害通常是由于雷電活動產生的熱效應、電效應以及機械力所造成的。直擊雷發生時，會產生強大的瞬間電流，其電流值可以達到數十甚至上百安培，如此之高的雷電電流會導致雷電點擊部位產生高溫，可將金屬融化、易燃物點燃[4]。因此，當雷電電流進入到室內的供電線路中時，其產生的高溫會使室內電源線路融化、燒壞用電設備、甚至有可能將室內的易燃物品點燃，以上均屬于典型的由于直擊雷熱效應引起的災害。在直擊雷產生時，雷電云層放電過程的雷電電流經過載流導體時會產生電動力，造成破壞。經典電磁學理論表明，在通電導體周圍存在著電磁場，而電磁場內的通電導體則會受到電磁力的作用。在電磁力的作用下，兩根通電導體之間或出現相互吸引、不斷靠近的現象，或出現相互排斥、彼此分離的現象。因此，在雷電現象發生過程中，兩根導線之間會出現變形，嚴重時甚至會出現折斷。當載流導體通過雷電電流時，若產生的電磁力足夠大，將會對載流導體產生嚴重破壞。直擊雷所引起的機械力造成的破壞通常是指雷電過程中產生的雷電流在建筑物或者樹木內部造成的內部破壞壓力或者其產生的沖擊力而導致的破壞。

感應雷所引起的災害通常是由于電磁感應或靜電感應現象造成的。雷電引起的電磁感應和靜電感應造成的破壞是雷電間接效應的典型表現，其通常會造成建筑物內的電子設備或者電子電路破壞，嚴重時甚至會產生人員傷亡，與直接效應相比，具有更大范圍的破壞性。在雷電現象產生時，如果一些建筑物頂部覆蓋有大面積的金屬，由于靜電感應的作用，會在金屬表面產生與云層帶點電荷電性相反電荷。一般來說，云層所帶電荷為負電荷，而建筑物頂部覆蓋金屬所攜帶的電荷為正電荷，如果建筑物頂部金屬與大地絕緣，或者某個接地位置斷開或電阻過大，極容易造成局部高壓放電，危及建筑物內的設備及人員安全。此外在雷電放電過程中，雷電電流會在建筑物內的電源線路中產生感應電流，如果此時電源線路內部某些區域出現接觸不良或者局部電阻值過大，則會產生局部高溫，可能會引燃電線線路周邊堆放的易燃物品，造成安全事故。

3 雷電防護技術的研究與應用

3.1 直擊雷防護技術

電子系統的許多設備通常安裝在室外，發生直擊雷災害的概率較大。而電子系統一旦發生直擊雷災害，輕則造成電子設備損壞，數據滅失，重則造成人員傷亡，因此，對于直擊雷災害的防護技術是雷電防護研究的首要內容。

直擊雷的防護通常通過外部防護的方式實現，即需要借助安裝外部防護裝置系統，其一般由避雷針、引下線、接地裝置等若干部分組成。工作原理為通過避雷針將雷電電流引入下引線和接地裝置，最終將雷電電流引入大地，從而避免造成對建筑物及其內部電子設備的破壞。直擊雷防護的前提是基于被保護建筑物的實際情況，依據國家相關防雷規范進行科學分類，并在此基礎上，根據本地區雷電災害發生情況，選擇類型合適的避雷針，科學測算下引線的長度、橫截面積以及接地裝置的結構。

3.2 感應雷防護技術

感應雷電技術的防護關鍵在于如何有效減少電磁感應和靜電感應現象對建筑結構物內部的電子設備、電子線路等的影響和破壞，依據電磁學理論，可以采取在建筑物外部加裝籠式避雷網的方式，達到防護目的。籠式避雷網可以有效降低雷電過程中產生的電磁波對建筑結構物內部的影響，從而達到保護建筑物內部電子設備的目的，同事還具有分流和均壓的效果。

3.3 等電位連接技術

等電位連接技術采用阻斷雷電電流通路的方式，實現對建筑物內部設施的保護。等電位連接技術使用等電位連接導體將建筑物內的各種電子設備和分開的導電裝置連接，通過減少導電裝置和內部電子設備之間在雷電現象發生時的電位差，達到保護目的。

4 發展趨勢

近年來，大規模電子集成電路系統在計算機網絡、電子設備等信息產業得到了越來越廣泛的應用，因此，如何有效避免雷電災害造成的經濟財產損失變得更為重要，建立全國范圍內的雷電防護網絡體系對于防雷減災具有十分重要的現實意義。

預防雷電災害更重要的環節在于如何對雷電現象的發生進行有效預報。未來可以通過采用雷電監測儀器，對雷電發生的具體位置、雷電強度、作用時間等雷電現象關鍵信息進行有效監測，通過雷電理論等相關氣象學知識對未來可能產生的雷電現象進行預測，為雷電災害的重點防護單位提供科學預警服務。此外，還可通過對本地區雷電現象的實際發生情況進行觀測記錄，對相關的雷電預報分析系統內所采用的預報數值模型進行修正，不斷提高雷電災害預報的準確度。

5 結論

雷電防護技術作為一項系統工程，其關鍵在于如何有效的防止和抑制雷電現象造成的各種破壞。在實際生活中，應當重視雷電防護理論和實際應用的有效融合。本文中對雷電活動的特征及其產生的災害進行了詳細闡述，對雷電防護技術及應用情況進行了介紹，分析了雷電防護技術未來的發展趨勢，希望通過對雷電防護技術的探討，能夠對實際生活中雷電防護工作有所幫助。

[1]石亞寧.淺析雷電災害的影響以及預防[J].科技情報開發與經濟,2008,23:156-158.

[2]李文選.雷電及其災害的預防[J].現代農業科技,2009,02:292+294.

[3]廖錫源,李敬源.雷電的危害及預防措施[J].氣象研究與應用,2009,S1:159+161.

[4]袁立新.雷電的生成、運行和避雷[J].吉林師范大學學報(自然科學版),2011,04:132-136+140.

Application and development of lightning protection technology

Duan Tao, Li Xin
(Hubei Provincial Lightning Protection Center, Wuhan Hubei,430074)

After entering the era of electronic information, lightning protection compared with previous get more attention and importance to people, in the field of electronic information, aerospace and other high-tech, lightning protection technology obtained the rapid development, in this paper, the phenomenon of lightning disasters and its cause are introduced in detail, and the application and development of lightning protection technology are discussed in this paper, in the hope of contributing to the development of lightning protection technology.

thunder and lightning; Lightning protection; The development trend