談雷電火災(zāi)的發(fā)生及預(yù)防對策

摘 要:本文在列舉了雷電引發(fā)火災(zāi)案例的基礎(chǔ)上，分析了雷電產(chǎn)生的多種效應(yīng)及不同危害，提出了預(yù)防雷電引發(fā)火災(zāi)的安全措施及對策。

關(guān)鍵詞:雷電火災(zāi)引燃效應(yīng)熱效應(yīng)機(jī)械效應(yīng)

中圖分類號:X932文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(c)-0055-02

雷電災(zāi)害是聯(lián)合國“國際減災(zāi)十年”公布的最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，全球每分鐘有800次雷擊發(fā)生，雷電引發(fā)的火災(zāi)每年達(dá)5萬多起，有幾萬公頃森林毀于雷擊起火，全世界因雷電火災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)10億美元。雷電引發(fā)的災(zāi)害如同臺風(fēng)、暴雨洪水一樣殘酷無情。雷害中破壞作用極為嚴(yán)重的是雷電流引發(fā)火災(zāi)。雷電與火災(zāi)好似一對惡魅，形影不離所到之處無不釀成危害和災(zāi)難。

雷電引發(fā)的火災(zāi)是觸目驚心的，1989年8月12日中國石油公司青島市黃島油庫一座萬噸非金屬油罐(5號)，在雷雨中一場炸響起火爆炸，接著又引發(fā)了旁邊的4號罐起火，不久又引起了附近1萬噸的1、2、3號金屬罐也爆裂起火。大火燒了足足104個小時，14名消防戰(zhàn)士和5名油庫工作獻(xiàn)出了生命，66名消防人員和12名油庫工人燒成重傷，大火燒掉了3.6萬噸原油和物資設(shè)備，造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)7000萬元。1997年7月，原蘇聯(lián)某彈藥庫因雷擊起火引起爆炸，炸彈橫飛數(shù)小時，死亡340人，重傷無數(shù)，釀成極大災(zāi)禍，損失慘重。1987年3月26日，美國航天局(NASA)的“大力神”半人座火箭從卡納維拉爾角基地發(fā)射升空不到一分鐘，距地高度4700m處引發(fā)雷擊起火。突然失控導(dǎo)致失敗，地面指揮中心不得不用無線電系統(tǒng)將其引爆，造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.7億美元……

雷電是怎樣產(chǎn)生的？為什么雷電會引發(fā)火災(zāi)？

國際電工委員會組織防雷標(biāo)準(zhǔn)(IEC/TC-6131Z)對雷電是這樣定義的。雷電是大氣中雷暴云產(chǎn)生放電十分壯觀的天氣現(xiàn)象。是任何方式無法避免它的生成，無法使它消除的自然災(zāi)害。

1 雷電的形成

雷電是來自雷雨云與之大地的一種放電過程。宇宙和地球都是一個強(qiáng)大的磁場。大氣電場不僅有正負(fù)離子存在，而且，有帶正負(fù)體電荷的云霧粒子生成。在一定條件下，由于大氣電場重力和大氣對流作用等因素，使?jié)夥e云演變發(fā)展形成積雨云—雷暴去雷云大氣電場較為強(qiáng)烈，當(dāng)雷云形成發(fā)展使大氣電場強(qiáng)度達(dá)到3×104V·cm-1時，此刻云區(qū)空氣會被擊穿產(chǎn)生電離，從而引起正負(fù)荷電中心。空氣被鼓動穿電離時形成一道明亮的流光像梯級一樣逐級伸向地面。稱之為梯級光導(dǎo)。其傳播速度為3×107cms-1，當(dāng)荷電中心的梯級光導(dǎo)逐級延伸到地面5～50m高度時，此刻經(jīng)雷暴去感應(yīng)形成強(qiáng)大的地面大氣電場，并產(chǎn)生由地面向上發(fā)展的箭式光導(dǎo)與之下行的梯級光導(dǎo)迅速會合，產(chǎn)生回?fù)?。形成明亮的光柱，產(chǎn)生劇烈的中和放電，發(fā)出驚天動地的雷鳴。這一放電過各稱之為雷電閃擊。

2 雷電的危害

那么雷電又是怎樣引發(fā)火災(zāi)的呢？雷電引發(fā)火災(zāi)主要產(chǎn)生于雷電流的熱效應(yīng)的破壞作用，根據(jù)焦耳楞次熱效應(yīng)定律，電能在轉(zhuǎn)換成為光能、熱能、機(jī)械能等的同時要作功。雷電流同電流一樣具有相同的伏安特性。一個典型的雷電功率大功約為10億kW。遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界上任何一個發(fā)電廠。

2.1 引燃效應(yīng)和熱效應(yīng)

雷電放電通道溫度很高，能致使可燒物燃燒，與金屬接觸處能使金屬熔化，熔化深度可達(dá)0.35～1.55mm深。如果輸電線路或者輸電線路的避雷線遭受雷擊，有時被燒斷數(shù)股;混凝土構(gòu)件的表層也可被燒熔化。雷擊磚石，表層也會有時被燒熔化。

2.2 機(jī)械效應(yīng)

雷擊放電的峰值電流可高達(dá)幾十KA(千安培)至幾百KA，且放電時間只有幾微秒，放電時溫度會驟然升高至6000～10000℃，能使物體產(chǎn)生膨脹，水氣蒸發(fā)，電氣短路等引起燃燒、起火、爆炸。雷擊同時會使用周圍的空氣被擊穿產(chǎn)生電離使氣壓突變，溫度驟變及電磁感應(yīng)產(chǎn)生脈沖波和高頻輻射，對建筑物體、人畜及電氣設(shè)備、信息交流等造成嚴(yán)重的破壞作用。

雷電在地閃過程中，雷電流很大，作用時間極短，根據(jù)雷電流的伏安特性，當(dāng)雷擊在建筑和其它物體上時，由于物體的感撫作用，會產(chǎn)生很大的壓降，電位差可高達(dá)幾千至幾十萬伏。特別是對于建筑物結(jié)構(gòu)的之間隙處，引入管道的開口處，供電線路接觸不良的外露部分產(chǎn)生電火花，電弧或閃路放電等現(xiàn)象，這種暫態(tài)過電壓不但會造成電子設(shè)備的損壞，使易燃易爆氣體引起火災(zāi)爆炸會嚴(yán)重危及人身事故和傷亡。

3 雷電火災(zāi)的預(yù)防

3.1 高層建筑雷電火災(zāi)的預(yù)防措施

市場建筑近年來的雪展趨勢十分迅速，各種賓館、辦公樓和民房等到如雨后春筍的崛起，這些聳立于眾多建筑物之中的高層建筑，因其獨(dú)特的建筑結(jié)構(gòu)和高度，已構(gòu)成了都市防雷的一個體系。

無論從直接雷形成過程分析，還是雷電感應(yīng)、反擊和側(cè)擊的可能性角度考慮，高層建筑是雷擊的主要對象。而現(xiàn)行的規(guī)范對高層建筑防雷沒有明確的規(guī)定，有的依據(jù)民用一類建筑物的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，有的參照國際傳統(tǒng)做法實(shí)施。這樣給防火檢查和工程驗(yàn)收帶來了一定的難度。

(1)防雷裝置的選擇

接閃器應(yīng)根據(jù)建筑物頂部的結(jié)構(gòu)來設(shè)置，普遍采用的辦未能是針、網(wǎng)、帶結(jié)合。當(dāng)項(xiàng)部是平面型且有直升機(jī)停機(jī)坪的情況下，用避雷網(wǎng)較實(shí)際，當(dāng)然在沿屋頂周圍的避雷網(wǎng)連線上加裝一定數(shù)量的短針，防雷效果會更佳。這樣既有防雷作用，又有消雷效果，使接閃和消雷并存。因?yàn)楦邔咏ㄖ谋旧砀叨纫呀咏茖樱涎b設(shè)消雷器的條件，而且裝設(shè)短針以后，既不影響建筑物的美觀，又不妨礙直升機(jī)升降。

部分高層建筑其頂部是電梯間、避難層、水箱或煙囪。此時，在這些突出物上應(yīng)加裝避雷針，其余層面裝設(shè)避雷帶即可。

現(xiàn)在有些高層建筑物上用半導(dǎo)體少長針消雷器取代傳統(tǒng)的避雷針或網(wǎng)，已取得一定的經(jīng)驗(yàn)。

高層建筑建造時，大多采用混凝土框架結(jié)構(gòu)或全鋼架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)深入地面。我們可利用建筑物的柱作為引下線，梁當(dāng)作均壓環(huán)，基礎(chǔ)是一個現(xiàn)成的接地體。只要在建造時把柱、鋼盤或鋼柱連成一體就是一個引下和接地系統(tǒng)，不必另設(shè)引下線、均壓環(huán)和接地體。

(2)側(cè)擊、繞擊的預(yù)防方法

雷擊發(fā)生時，雷電通道是枝狀伸展的。這樣，高層建筑有遭到側(cè)擊和繞擊的危險(xiǎn)。而高層建筑中的門窗、陽臺鐵欄桿，更是側(cè)擊和繞擊的主要目標(biāo)。所以應(yīng)間隔三層把門窗與柱中的鋼筋連接，使門窗成為一個接閃裝置。側(cè)擊或繞擊發(fā)生時，門窗受雷，雷電流順著柱中的鋼筋到達(dá)基礎(chǔ)而流散。

(3)樓頂廣告牌、信號燈的防雷處理方法

現(xiàn)在城市中的許多高層建筑因其高聳顯眼，而成為廣告設(shè)置的理想場所，有的建筑機(jī)都已被廣告牌包圍，使原有的防雷系統(tǒng)作用減弱或失去。因此有必要對防雷系統(tǒng)作一定的加強(qiáng)和處理。

對突出屋面的廣告牌鐵架，應(yīng)把鐵架和原有防雷系統(tǒng)連接起來，組成一個新的防雷接閃體系。這時，廣告霓虹燈和彩燈的電源不能采用就近借用的手段，而應(yīng)在變配電室架設(shè)專用線路，線路上還要設(shè)避雷器。不然，雷擊時的雷電流就會順著霓紅燈和彩燈供電線路而侵入到原有供電系統(tǒng)中，造成大面積停電事故，嚴(yán)重時會引起火災(zāi)。

當(dāng)廣告牌設(shè)在高層建筑樓頂以下時，應(yīng)防側(cè)擊和繞擊措施。具體方法應(yīng)根據(jù)廣告牌的大小，用數(shù)根導(dǎo)線與作為引下線的建筑物柱中的鋼盤多點(diǎn)連接起來。

3.2 露天堆場雷電火災(zāi)的預(yù)防措施

近年來，由于生產(chǎn)的飛速發(fā)展，帶來了倉儲業(yè)的興旺，大量室外露天堆場應(yīng)運(yùn)而生。這些堆場，無論從規(guī)模、儲存物質(zhì)的危險(xiǎn)性和價(jià)值等衡量，一旦發(fā)生雷擊，其損失和影響非常大。例1983年9月10日，上海嘉定縣桃浦第一倉庫紅麻堆垛被球狀雷擊中，一個堆垛首先起火，緊接著周圍鄰近堆垛冒起了火焰。因當(dāng)時正刮著7級大風(fēng)，風(fēng)助火勢，加上燃燒區(qū)空氣對流劇烈，形成一股旋風(fēng)，火焰高達(dá)近40米。在不到2個小時內(nèi)，庫區(qū)大部受災(zāi)，損失達(dá)700多萬元。

所以，露天堆垛與高層建筑一樣，成為防雷的一個新問題，特另是對糧棉及易燃、可燃物品的堆場，防雷設(shè)施更不可少。

露天堆場采用多針或避雷線保護(hù)比較實(shí)際，因露天堆場面積大，安裝針或線時應(yīng)充分籌劃針、堆垛及造價(jià)之間的關(guān)系。針高選擇20米左右，過高安裝困難，不易固定，過多、針數(shù)太多，影響單個堆垛容量。避雷針安裝后，堆垛位置和高度應(yīng)嚴(yán)格限制，因?yàn)樽儞Q堆垛位置和超過規(guī)定高度會越出避雷針的保護(hù)范圍。

球狀雷的襲擊也是露天堆垛防軒二個難題。因?yàn)楫?dāng)今對球狀雷的完整預(yù)防措施還沒有一個方案。但就橫向球雷，堆場的圍墻能達(dá)到一定的預(yù)防效果。當(dāng)然圍墻最好用鋼絲網(wǎng)作隔離物，這樣當(dāng)球雷從外面漂向堆場內(nèi)時，會被鐵絲網(wǎng)阻擋而消失，磚砌或水泥板圍墻上裝設(shè)數(shù)根平等鐵絲網(wǎng)也能阻擋一部分球雷。

堆場的地理位置選擇也是防雷的一個方面。地形最好略高于周圍地區(qū)。這樣庫區(qū)地表面上層就干燥，增加了土壤的電阻率，從而減少落雷。對低洼地區(qū)的堆場，要采用人工開溝掘河的辦法，降低地下水位。經(jīng)常落雷的區(qū)域，盡量不作可燃、易燃物質(zhì)的堆場。

3.3 儲罐、工藝裝置雷電火災(zāi)的預(yù)防措施

露天儲罐防雷依規(guī)范要求參照工業(yè)二類建構(gòu)筑物標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，但在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)所儲存和生產(chǎn)物質(zhì)性質(zhì)的本身結(jié)構(gòu)來考慮防雷對策。

具有一定規(guī)模的氣罐、油罐群，既要考慮單罐防雷，更應(yīng)從罐群整體上符合要求。新建造的氣罐、油罐群現(xiàn)在比較領(lǐng)先的方法是裝設(shè)消雷器。在罐群的中間或落雷方向上設(shè)置一個或數(shù)個消雷器。無論從防雷安全，還是經(jīng)濟(jì)角度，效果都是比較明顯的。

從大量的雷擊統(tǒng)計(jì)資料來分析，鋼筋混凝土油罐遭雷擊的可能性比鋼質(zhì)罐大，其主要危害來自雷電感應(yīng)。現(xiàn)在許多單位往往把防雷的主要目標(biāo)放在避雷針上，而忽略了雷電感應(yīng)的預(yù)防。鋼筋混凝土罐在建造時，罐壁罐頂上的鋼筋一定要連成閉合回路，更不允許鋼筋裸露在混凝土外。

對鋼質(zhì)油罐避雷針的安裝問題，歷來有爭論。就防雷原理而言，裝有阻火器的鋼質(zhì)油罐，實(shí)質(zhì)上具備了整體防雷要求，只要接地可靠，不需另設(shè)獨(dú)立或罐頂避雷針。有些油罐的占地面積大，呼吸閥與罐頂中心的水平距離大大超過0.6m，這時應(yīng)加裝避雷針。

浮頂油罐和氣罐，因其壁、頂之間是絕緣的，所以跨接線一定要可靠?，F(xiàn)在有的沉降式煤氣罐依靠導(dǎo)向輪跨接，其作用是不可靠的。

黃島油庫雷擊后，各有關(guān)單位紛紛對各種形式的罐體進(jìn)行了防雷加固措施，從一定程度上提高了防雷安全可靠性，但也有些盲目的舉措。有的單位為防止球狀雷的襲擊，在原來的金屬罐上加裝避雷網(wǎng)、帶等，這種方法不足取，因?yàn)閺那驙罾讚舻男问絹碚f，針、網(wǎng)等很難預(yù)防。到目前為目，有效防止球狀雷襲擊措施還沒有形成，只能在局部采取一些措施。

地面油罐的呼吸閥，安裝圓形鋼板防護(hù)罩效果較好。防護(hù)罩有內(nèi)、外兩層，用不小于4mm厚的鋼板制成圓柱型，直徑1m，內(nèi)罩直徑960mm，罩上應(yīng)均勻打直徑為0.5mm的孔1000個左右。安裝時，內(nèi)外罩應(yīng)和罐體連接，混凝土罐還應(yīng)單獨(dú)接地。

地下油罐的呼吸閥不能獨(dú)立設(shè)置，應(yīng)在呼吸閥周圍砌小屋來保護(hù)，為了更有效的防止球雷，小房的換氣窗不能用木質(zhì)的，應(yīng)用二層鋼板窗。鋼板窗厚不小于4mm，且應(yīng)在板上均勻打直徑為10mm的通氣孔，安裝時要做好接地。

參考文獻(xiàn)

[1]楊仲江.雷電防護(hù)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程設(shè)置研究.中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2008(3).