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雷击闪电的特性 

雷击闪电的特性

(1)雷电流的特性

雷电破坏作用与峰值电流及其波形有最密切的关系。雷击的发生、雷电流大小与许多因数有关,其中主要的有地理位置、地质条件、季节和气象。其中气象情况有很大的随机性,因此研究雷电流大多数采取大量观测记录,用统计的方法寻找出它的概率分布的方法。根据资料表明,各次雷击闪电电流大小和波形差别很大。尤其是不同种类放电差别更大。为此有必要作如下说明。

由典型的雷雨云电荷分布可知,雷雨云下部带负电,而上部带正电。根据云层带电极性来定义雷电流的极性时,云层带正电荷对地放电称为正闪电,而云层带负电荷对地放电称为负闪电。正闪电时正电荷由云到地,为正值,负闪电时负电荷由云到地,故为负值。云层对地是否发生闪电,取决于云体的电荷量及对地高度或者说云地间的电场强度。

云地间放电形成的先导是从云层内的电荷中心伸向地面。这叫做向下先导。其最大电场强度出现在云体的下边缘或地上高耸的物体顶端。雷电先导也可能是从接地体向云层推进的向上先导。因此,可以把闪分成四类,只沿着先导方向发生电荷中和的闪电叫无回击闪电。当发生先导放电之后还出现逆先导方向放电的现象,称为有回击闪电。

上面讲到一次雷击大多数分成3~4次放电,一般是第一次放电的电流最大,正闪电的电流比负闪电的电流大。这可以从图1.2典型的雷雨云中的电荷分布得到理解。

电流上升率数据对避雷保护问题极其重要,最大电流上升率出现在紧靠峰值电流之前。习惯上用电流波形起始时刻至幅值下降为半幅值的时间间隔来表征雷电流脉冲部分的波长。雷电流的大小与许多因素有关,各地区有很大区别,一般平原地区比山地雷电流大,正闪电比负闪电大,第一闪击比随后闪击大。

(2)闪电的电荷量

闪电电荷是指一次闪电中正电荷与负电荷中和的数量。这个数量直接反映一次闪电放出的能量,也就是一次闪电的破坏力。闪电电荷的多少是由雷云带电情况决定的,所以它又与地理条件和气象情况有关,也存在很大的随机性。从大量观测数据表明,一次闪电放电电荷Q可从零点几库仑到1000多库仑。然而在一次雷击中,在同一地区它们的数量分布符合概率的正态分布。第一次负闪击的放电量在10多库仑者居多。

一朵雷云是否会向大地发生闪击,由几个基本因素决定,其一是云层带电荷多少,其二是把云层与大地之间形成的电容模拟为平板电容时,它对大地的电容是多少。当然这个模拟电容两极之间的电压就是由电容和带电量决定的。当这个模拟电容内的电位梯度du/dl达到闪击值时就会发生闪击。当闪击一旦发生,云地之间即发生急剧的电荷中和。

雷电之所以破坏性很强,主要是因为它把雷云蕴藏的能量在短短的几十μs放出来,从瞬间功率来讲,它是巨大的。但据有关资料计算,每次闪击发出的能量只相当燃烧几千克石油所放出的能量而已。

(3)雷电波的频谱分析

雷电波频谱是研究避雷的重要依据。从雷电波频谱结构可以获悉雷电波电压、电流的能量在各频段的分布,根据这些数据可以估算通信系统频带范围内雷电冲击的幅度和能量大小,进而确定避雷措施;在电力系统中,了解雷电波频谱分析在避雷工程中,也可以根据其分析结果,用最小的投资,达到足够安全的效果。

虽然各种雷电波总体的轮廓相似,但是每一次雷电闪击的电流(电压)波形仍然存在很大的随机性。

雷云向大地或雷云之间剧烈放电的现象称为闪击(这里以讨论前者为主),带负电荷的雷云向大地放电为负闪击,带正电荷的雷云向大地放电为正闪击,雷云对大地放电多为负闪击,其电流峰值以20~50KA居多。正闪击比负闪击猛烈,其电流幅值往往在100KA以上,我国黑龙江省近年曾发生过300KA正电荷闪击记录(通常200KA以上属少见)。

雷电活动及雷击的选择性

(1)雷电活动及雷电活动日

雷电活动从季节来讲以夏季最活跃,冬季最少,从地区分布来讲是赤道附近最活跃,随纬度升高而减少,极地最少。

评价某一地区雷电活动的强弱,通常用两种方法。其中一种是习惯使用的“雷电日” ,即以一年当中该地区有多少天发生耳朵能听到雷鸣来表示该地区的雷电活动强弱,雷电日的天数越多,表示该地区雷电活动越强,反之则越弱。我国平均雷电日的分布,大致可以划分为四个区域,西北地区一般15日以下;长江以北大部分地区(包括东北)平均雷电日在15?0日之间;长江以南地区平均雷电日达40日以上;北纬23°以南地区平均雷电日达80日。广东的雷州半岛地区及海南省,是我国雷电活动最剧烈的地区,年平均雷电日高达120--130日。总的来说,我国是雷电活动很强的国家。

因为人们耳朵能听到的雷声,一般距离只能在15km左右,更远的雷声一般就听不到了,所以雷电日只能反映局部地区雷电活动情况。

还有一些科学家认为用雷电日表征一个地区雷电活动不够准确,因为一天当中听到一次雷声就算一个雷电日,而一次当中听到1000次雷声也算一个雷电日,并且认为测试地区以1000k㎡范围内发生的闪击次数来统计,这样就得出一种新的评价雷电活动的方法,叫雷闪频数。也就是说雷闪频数是1000k㎡内一年共发生的闪击数(也可以用每1k㎡一年内雷击次数为单位)。显然以1000k㎡作为一个地区单位来评价雷电活动的情况,对航空、航海、气象、通信等现代技术更为适合。然而它的测试方法只能借助于无线电,用耳朵来听是无能为力的。而对于建筑行业防雷,用雷电日单位己足够准确,并且大量观测统计资料表明,一个地区的雷闪频数与雷电话动日成线性关系,所以两种统计方法是没有矛盾的。

(2)雷击的选择

年平均雷电日这一数字只能给人们提供概略的情况。事实上,即使在同一地区内,雷电活动也有所不同,有些局部地区,雷击要比邻近地区多得多。如广州的沙河,北京的十三陵等地。我们称这些地方为该地区的“雷击区” 。

雷击区与地质结构有关。苏联H﹒C﹒斯捷柯里尼科夫(CTehojhkob)曾用模拟试验的研究方法证明,如果地面土壤电阻率的分布不均匀,则在电阻率特别小的地区,雷击的几率较大。这就是在同一区域内雷击分布还是不均匀的原因。

这种现象我们称之为“雷击选择性” 。试验结果证明,雷击位置经常在土壤电阻率较小的土壤上,而电阻率较大的多岩石土壤被击中的机会很小。这是因为在雷电先驱放电阶段中,地中的电导电流主要是沿着电阻率较小的路径流通,使地面电阻率较小的区域被感应而积累了大量与雷云相反的异性电荷,雷电自然就朝这些地区发展。

根据H。那林达(Norinder),O.沙卡(Salka)和上面提到的H.C.斯捷柯尼科夫的试验结果和实际调查资料证明:

土壤电阻率较大的山区和平原,雷电选择性都比较明显;雷击经常发生在有金属矿床的地区、河岸、地下水出口处、山坡与稻田接壤的地上和具有不同电阻率土壤的交界地段。

在湖沼、低洼地区和地下水位高的地方也容易遭受雷击。此外地面上的设施情况,也是影响雷击选择性的重要因素。

当放电通道发展到离地面不远的空中时,电场受地面物体影响而发生畸变。如果地面上有一座较高的尖顶建筑物,例如一座很高的铁塔,由于这些建筑物的尖顶具有较大的电场强度,雷电先驱自然会被吸引向这些建筑物,这就是高耸突出的建筑物容易遭受雷击的缘故。

在旷野,即使建筑物并不高,但是由于它是比较孤立、突出,因此也比较容易遭受雷击。调查结果表明,在田野里供休息的凉亭、草棚、水车棚等遭受雷击的事故是很多的。

从烟囱冒出的热气柱和烟囱常含有大量导电微粒和游离分子气团,它们比一般空气易于导电,这就等于加高了烟囱的高度,这也是烟囱易于遭受雷击的原因之一。因此,在一支较高的烟囱附近,如果有一支较低的烟囱,在高烟囱不冒烟而低烟囱冒烟的情况下,雷电往往直接击在低烟囱上。所以在高低两条烟囱并排时,即使低烟囱在高烟囱雷电保护范围之内,但仍然要求两条烟囱都要装避雷装置。

建筑的结构、内部设备情况和状态,对雷击选择性都有很大关系。金属结构的建筑物、内部有大型金属体的厂房,或者内部经常潮湿的房屋,如牲畜棚等,由于具有很好的导电性,都比较容易遭受雷击。

上面所谈到的这些雷电选择性,仅仅是一些常见的例子,很不全面,但它已经给我们提供了雷击选择性的资料,因而对防雷工作有重要的意义。据此我们可以决定哪些地区、哪些建筑物应该加避雷装置,而另一些地区、建筑物在防雷投资上可以少花一些或甚至不必花费投资。

在同一区域内雷击分布不均匀的现象,我们称之为“雷击选择性”。 雷灾事故的历史资料统计和实验研究证明,雷击的地点以及遭受雷击的部位是有一定规律的,因此掌握这些规律对预防雷击有很重要的意义。同一区域容易遭受雷击的地点和部位有:

易遭雷击的地点:

土壤电阻率较小的地方,如有金属矿床的地区、河岸、地下水出口处、湖沼、低洼地区和地下水位高的地方;

山坡与稻田接壤处;

具有不同电阻率土壤的交界地段。

易遭受雷击的建(构)筑物:

高耸突出的建筑物,如水塔、电视塔、高楼等;

排出导电尘埃、废气热气柱的厂房、管道等;

内部有大量金属设备的厂房;

地下水位高或有金属矿床等地区的建(构)筑物;

孤立、突出在旷野的建(构)筑物。

同一建(构)筑物易遭受雷击的部位:

平屋面和坡度≤1/10的屋面,檐角、女儿墙和屋檐;

坡屋度>1/10且<1/2的屋面;屋角、屋脊、檐角和屋檐;

坡度>1/2的屋面、屋角、屋脊和檐角;

建(构)筑物屋面突出部位,如烟囱、管道、广告牌等。

雷电的破坏作用

当人类社会进入电子信息时代后,雷灾出现特点与以往有极大的不同,可以概括为:

(1)受灾面大大扩大,从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业,特点是与高新技术关系最密切的领域,如航天、航空、国防邮电通信、计算机、电子工业、石油化工、金融证券等;

(2)从二维空间入侵变为三维空间入侵。从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场从三维空间入侵到任何角落,无空不入地造成灾害,因而防雷工程已从防直击雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲(LEMP)。前面是指雷电的受灾行业面扩大了,这儿指雷电灾害的空间范围扩大了。例如二000年七月二十五日14点40分左右,一次闪电造成漕宝路桂菁路附近二家单位同时受到雷灾,而不是以往的一次闪电只是一个建筑物受损。

(3)雷灾的经济损失和危害程度大大增加了,它袭击的对象本身的直接经济损失有时并不太大,而由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。例如一九九九年八月二十七日凌晨2点,某寻呼台遭受雷击,导致该台中断寻呼数小时,其直接损失是有限的,但间接损失将大大超过直接损失。

(4)产生上述特点的根本原因,也就是关键性的特点是雷灾的主要对象已集中在微电子器件设备上。雷电的本身并没有变,而是科学技术的发展,使得人类社会的生产生活状况变了。微电子技术的应用渗透到各种生产和生活领域,微电子器件极端灵敏,这一特点很容易受到无孔不入的LEMP的作用,造成微电子设备的失控或者损坏。

为此,当今时代的防雷工作的重要性、迫切性、复杂性大大增加了,雷电的防御已从直击雷防护到系统防护,我们必须站到历史时代的新高度来认识和研究现代防雷技术,提高人类对雷灾防御的综合能力。

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