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(dòng)密切相關(guān)的區(qū)域時(shí)，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(jìn)行有效防護(hù)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(jī)制進(jìn)行了簡要的探討，并從雷電常見的危害形式著手，結(jié)合實(shí)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(hù)方法。

關(guān)鍵詞：雷電；直擊雷；防雷

中圖分類號：S761.5 文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)在世界范圍內(nèi)，每秒鐘發(fā)生的雷電次數(shù)就多達(dá)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(jī)構(gòu)將雷電災(zāi)害列入十大嚴(yán)重自然災(zāi)害之中一。

1 雷電的形成機(jī)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(yùn)動(dòng)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(shí)，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(xué)知識(shí)即可以知道，云層中的電荷不斷積累，導(dǎo)致的一個(gè)結(jié)果就是其所攜帶的電壓不斷增大，如果此云層運(yùn)移到與地面明顯隆起處時(shí)，由于二者之間場強(qiáng)高達(dá)25～30kv/cm，就會(huì)引發(fā)猛烈的放電過程，伴隨有強(qiáng)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(jì)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(shí)每次人眼見到的一個(gè)分叉很多的線狀閃電包含幾次火花放電，每次閃電間隔時(shí)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(dòng)照相技術(shù)，可以從照相底片上看出每次閃電的實(shí)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(shí)放電過程會(huì)產(chǎn)生上百萬伏的電壓，直接危害地面的發(fā)電機(jī)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(shí)產(chǎn)生的熱量足以使線路發(fā)生短路，進(jìn)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(gè)小鎮(zhèn)發(fā)生了嚴(yán)重的雷電傷人事件，其中5人當(dāng)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(dāng)時(shí)場內(nèi)正在進(jìn)行足球賽，這次事故造成2人當(dāng)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(dāng)帶有大量電荷的云層離地表某凸起物很近時(shí)，這時(shí)地面凸起物的頂部會(huì)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(dāng)帶電云層發(fā)生放電過程后，凸起物頂部的電荷會(huì)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(jī)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(gè)能量巨大的落地雷擊中，雖然先期已經(jīng)進(jìn)行了必要的避雷設(shè)施安裝，然而能量巨大的這個(gè)雷電仍破壞了7條電視轉(zhuǎn)播線路，同時(shí)致使計(jì)算機(jī)癱瘓超過46小時(shí)，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(shí)自身帶極亮白光或者紅光。據(jù)統(tǒng)計(jì)，球形雷的大致以2m/s速度運(yùn)移。而且其最大的特點(diǎn)是“無孔不入”，可以通過門、窗戶及煙囪等進(jìn)入室內(nèi)，對房屋和人身造成危險(xiǎn)。1978年8月的一個(gè)晚上，5名前蘇聯(lián)登山隊(duì)員正在山上宿營，一個(gè)乒乓球大的褐紅色火球突然進(jìn)入帳蓬，在其漂浮于離地1m半空中，然后又突然鉆進(jìn)登山隊(duì)員的睡袋，嚴(yán)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(yán)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(qiáng)大電壓與電流會(huì)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(jì)，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(shí)遭雷電襲擊身亡等事故。

3 雷電防護(hù)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(jī)械強(qiáng)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(xiǎn)，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(hù)

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(hù)，同時(shí)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(hù)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(shí)，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(shí)，也應(yīng)采用跨接金屬線措施[3]。endprint

3.3 雷電侵入防護(hù)

雷電侵入的最佳防護(hù)措施是電纜地埋供電，金屬外皮在進(jìn)戶處接地。金屬管道在進(jìn)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(dāng)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(shí)，人不小心觸摸到這些物體時(shí)，發(fā)生觸電事故。再次是旁側(cè)閃擊，當(dāng)某個(gè)物體遭雷電擊時(shí)，如果人就在該物體附近，雷電電流就會(huì)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(dāng)雷電從云中泄放到大地時(shí)，就會(huì)在泄放點(diǎn)周圍產(chǎn)生一個(gè)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(shí)多，居庸關(guān)一帶突然下起了雷陣雨，伴著雨水，天空不時(shí)傳來電閃雷擊。大部分沒有帶雨具的游客烽火臺(tái)里避雨，烽火臺(tái)內(nèi)至少擠著近百名游客。下午2時(shí)40分左右，一道閃電直撲烽火臺(tái)。目擊者稱，靠近烽火臺(tái)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?yàn)樵谒泻退叡焕纂姄羲馈魝鹿拾l(fā)生的概率特別高。不要在雷雨中使用手機(jī)，且在雷爆時(shí)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。可在汽車、船只或有防雷保護(hù)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(jìn)入，盡量遠(yuǎn)離門窗、陽臺(tái)和外墻壁，以防雷擊所處時(shí)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(shí)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(jī)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(xué)家發(fā)明避雷針，建筑物從此避免了雷電威脅。現(xiàn)實(shí)生活中，一方面需要時(shí)刻注意防雷工作，確保生產(chǎn)生活的安全運(yùn)行；另一方面也需要不斷改進(jìn)防雷措施和技術(shù)水準(zhǔn)，配合有嚴(yán)格的管理制度。如果估計(jì)到管理人員的素質(zhì)達(dá)不到管理制度的要求，那就必須在技術(shù)設(shè)計(jì)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(xiàn)：

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

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[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(jì)損失預(yù)測[C]//中國氣象學(xué)會(huì)年會(huì)，2011：21-26.

[4]張敏鋒，劉欣生.我國北方地區(qū)雷電活動(dòng)的時(shí)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(jì)[J].高電壓技術(shù)，2007，33（12）：173-176.endprint