一次典型的雷擊事件分析

康莊

摘要通過對2012年9月19日商丘市睢陽區文化路小學雷災事故勘查計算分析，結果表明此次人員傷亡為典型的雷擊事故，雷擊的原因是：該教學樓屬第三類防雷建筑物，未安裝防雷裝置，在有利的天氣背景和影響系統下，雷擊大樹造成擊穿空氣，對附近人體發生閃絡電弧，跨步電壓Us1為24.1（kV），大于雷擊時最大允許電壓，因此，可以判定此次人員傷亡事故為雷電流流經大地的旁側閃絡和雷擊跨步電壓所致。建議政府進一步完善學校防雷裝置，加強雷電科普教育，建立完善的雷電監測預警、預報系統，預防和減少雷電事故的發生，保障師生生命安全和學校財產安全。

關鍵詞雷擊；天氣系統；跨步電壓；旁側閃擊

中圖分類號S166文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）07-197-02

雷電是發生于大氣中的一種瞬時高電壓、大電流、強電磁輻射的災害性天氣現象。雷電災害有兩類： 一類為直接雷擊災害，另一類為感應雷擊災害。前者會直接擊死、擊傷人畜，擊壞輸電線、建筑物，甚至引發火災；后者悄悄發生，不易察覺，主要以電磁感應和過電壓波的形式對微電子設備構成危害。2種形式的雷擊盡管表現形式不同，但對人民生命財產均構成嚴重威脅[1]。近年來，隨著我國社會經濟的發展和現代化水平的提高，特別是由于信息技術的快速發展，雷電災害的危險程度和造成的經濟損失及社會影響越來越大。據保守估計，我國每年因雷電災害造成的直接經濟損失達數億元，而由此造成的間接經濟損失則難以估計，產生的社會影響也越來越大[2]。筆者在此對2012年9月19日商丘市睢陽區文化路小學雷擊事故進行勘查計算分析，探討此次雷擊事故的成因。

1雷擊基本情況

2012年9月19日13：45，在商丘市睢陽區文化路小學，有4名學生同時被雷電擊中，其中一名10歲男孩經搶救無效不幸死亡，一名9歲的孩子眼部受皮外傷、鼻骨骨折，另外2個孩子傷勢輕微。據現場人員描述，雷擊時先是看到一道強烈的白光，緊接著聽到一聲雷聲，4名行走的學生應聲而倒，一名倒地的小男孩傷勢嚴重，喉嚨被擊穿，衣服被燒焦，120急救中心趕到時已停止呼吸，另外3名學生傷勢較輕，倒地后片刻自己爬了起來，但對倒地原因均無記憶。此次雷擊事件嚴重影響了學校的正常教學，在社會上產生強烈反響。

2 現場勘查

經現場勘查（圖1），事故地點位于校園內一排十幾米高的大樹底下，距最近一棵樹的樹干約有2.5 m，事故地點東側25 m是學校四層教學樓，南側45 m是學校兩層辦公樓，西側50 m是學校大門口，北側35 m越過學校圍墻是六層居民樓，教學樓及居民樓均未安裝防雷裝置，場地為混凝土路面，有積水。

圖12012年9月19日雷擊事故現場

3雷擊事件成因分析

3.1天氣背景和影響系統

9月19日14：00 T639高空分析綜合圖（圖2）顯示，河南上空受西北氣流控制，河南省北部、東部地區受下滑槽和輻合線影響有上升運動，溫度場上，高層有冷槽影響河南省北中部地區，除西部、西南部外其他地區K指數>30 ℃，北部和東部處于上干下濕的不穩定環境場中，北部、東部部分地區有雷電活動。根據雷達回波顯示，“9.19”雷暴天氣是一條典型的颮線系統，自西向東移動，雷擊事故發生時，雷達回波中心強度為45 dBz。

圖2 2012年9月19日14：00 T639高空分析綜合圖

3.2 閃電監測資料分析

雷電監測記錄顯示，9月19日13：25～13：50期間共有4次閃電發生，其中在事故發生1 km范圍內有2次閃電發生，最大雷電流強度為-26.6 kA，閃電定位監測資料的雷擊記錄在時間上和地點上與現場人員調查記錄反應的時間和GPS定位的時間基本吻合（表1）。

表1 2012年9月19日閃電定位資料

序號時間經度∥°E緯度∥°N電流∥kA回擊

12012-09-19 13：25114.085 135.544 60-56.817 31

22012-09-19 13：34114.094 736.803 30125.437 81

32012-09-19 13：42114.052 235.950 15-15.795 61

42012-09-19 13：44114.085 635.874 60-26.592 71

3.3 剩磁數據分析

在雷擊現場，技術人員用剩磁儀測量有關金屬構件，可以做判據的有單杠、臂力訓練器、肋力架、宣傳牌等，測量的剩磁數據分別為1.57、2.14、2.20、1.62 mT，其中肋力架最大，剩磁達2.20 mT（毫特斯拉），說明在事故發生點附近出現過較強的雷電流（表2）。

表2剩磁測量記錄

測量器具材料數值∥mT是否做判據

單杠（東）鐵1.57是

臂力訓練器鐵2.14是

肋力架鐵2.20是

單杠（西）鐵1.23參考

監控攝像頭支撐柱鐵1.10參考

金屬罩棚鐵0.44否

宣傳牌鐵1.62是

籃球架鐵0.44否

4 雷擊傷亡人員原因分析

4.1雷擊現場危險性分析

根據《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010（以下簡稱防雷規范）第三章第3.0.1條“建筑物應根據建筑物的重要性、使用性質、發生雷電事故的可能性和后果，按防雷要求分為三類”[3]。學校屬于人員密集場所，雷擊事故事發地點附近教學樓（校園內最高建筑）長、寬、高分別為50.2、6.8、12.5 m，按照規范計算，該建筑物年預計雷擊次數N為0.016次/a，規范3.0.4條“2 預計雷擊次數大于或等于0.01，且小于或等于0.05的部、省級辦公建筑物和其他重要或人員密集的公共建筑物，以及火災危險場所”應劃為第三類防雷建筑物，根據計算分析及防雷規范對應的條款要求，該教學樓防雷類別應判定為三類。

4.2 雷電流流經大地的旁側閃絡

雷擊大樹時，雷電流通過大樹樹干流經大地，由于大樹是不良導體，雷電流不能及時泄入大地，樹干電壓突然驟升，由于人站在大地，與大地等電位，樹干便對人體閃絡。

樹干的接地電阻值很大，均超過1 200 Ω，與人等高處樹干的電壓降為：

U=iR+L0Hdi/dt，

式中，H為樹干頂端距離人頭的距離，i為雷電流幅值，L0為樹干單位電感di/dt瞬間變化率。

人體靠近大樹時，人體與樹干的電場磁場強度可達幾千到幾萬千伏，而空氣被擊穿的強度為500 kV（防雷規范），因此，雷擊大樹能夠造成擊穿空氣，會對附近人體發生閃絡電弧，從而造成人員傷亡。

4.3跨步電壓

對現場勘查情況、現場人調查記錄、閃電定位監測資料分析、剩磁測量記錄、法醫檢查資料等進行綜合分析，認定此次事故為雷擊所致。為了進一步分析有雷擊跨步電壓所致的原因，現在進行如下定量分析。

雷電流經接地體流入大地后在均勻電阻率的土壤中引起的跨步電壓如（1）式計算：

Us=∫Idu=ρIS/2πr（r+S） （1）

式中，ρ為土壤電阻率，I為雷電流，S為人體兩腳間的距離即跨步步幅，r為距離雷電流入地點處的徑向距離。

事實上，作用于人體間的電壓并不是單純的跨步電勢。這是因為人的兩腳與土壤間有接觸電阻存在的緣故，當人在地面行走時，兩腳和土壤間有接觸電阻Rb串聯。

此時人體兩腳間受的實際電壓，即跨步電壓Us1為：

Us1=Rb Us/（Rb+2R0）=Rb Us/（Rb+6ρ） （2）

式中，ρ為土壤電阻率，R0為兩只腳和土壤中的接觸電阻，Rb為人體的電阻。

根據美國電擊工程學會的意見，確定對心臟有害的通過人體的最低電流值是：

Ik=0.165/t1/2

式中，Ik為允許流過人體的電流值（A），t為電流延續時間（s）。

這一安全電流值，可用于計算允許的跨步電壓Uk，

即Uk= IkRb=0.165/t1/2Rb，

設人體的電阻Rb為1 000 Ω，雷電流的延續時間為350 μs時，Uk=8.8（kV），

事故瞬間路面有積水，混凝土被打濕后的電阻率ρ=100 Ω·m。

以上這些計算式中主要參數設定如下：

雷擊電流I為25 kA（取規范中三類防雷建筑物的雷電流幅值），設人體兩腳間的距離即跨步步幅S=0.8 m、ρ=1 000 Ω·m，實測事故地點離雷擊大樹的距離r=2.5 m，事故地點的土壤電阻率（混凝土被打濕）ρ=100 Ω·m。

則不考慮兩只腳和地面接觸電阻時的均勻土壤電阻率的跨步電壓由（1）式計算得：

Us=38.6（kV）；

考慮兩只腳和地面接觸電阻時的均勻土壤電阻率的跨步電壓由（2）式計算得：

Us1=24.1（kV）。

由于Us1大于雷擊時最大允許電壓的計算值，因此，可以判定此次人員傷亡事故為雷擊跨步電壓所致。

5 結論與建議

此次人員傷亡為典型的雷擊事故，雷擊的原因是：該教學樓屬第三類防雷建筑物，未安裝防雷裝置，在有利的天氣背景和影響系統下，雷擊大樹造成擊穿空氣，對附近人體發生閃絡電弧，跨步電壓Us1為24.1（kV），大于雷擊時最大允許電壓，因此，可以判定此次人員傷亡事故為雷電流流經大地的旁側閃絡和雷擊跨步電壓所致。建議政府進一步完善學校防雷裝置，加強雷電科普教育，建立完善的雷電監測預警、預報系統[4]，預防和減少雷電事故的發生，保障師生生命安全和學校財產安全。

參考文獻

[1]

梅衛群，江燕如.建筑防雷工程與設計[M].北京：氣象出版社，2004.

[2] 陳先祿，劉渝根，黃勇.接地[M].重慶：重慶大學出版社，2002.

[3] 機械工業部. GB50057-94（2010年版）建筑物防雷設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[4] 朱月霞，張麗，周宏健.“9.23”望江縣雷擊災害分析及野外雷擊防護[J].安徽農業科學，2014，42（4）：1121-1122.