防雷接地技術-第1章

第一章雷電及其參數

雷電是大自然中最宏偉和恐怖的氣體放電現象。對雷電的物理本質了解始于18世紀，最有名的當屬美國的富蘭克林和俄國的羅蒙諾索夫。富蘭克林在18世紀中期提出了雷電是大氣中的火花放電，首次闡述了避雷針的原理并進行了試驗；羅蒙諾索夫則提出了關于烏云起電的學說。近幾十年來，由于雷電放電對于現代航空、電力、通信、建筑等領域都有很大的影響，促使人們從20世紀30年代開始加強了對雷電及其防護技術的研究，特別是利用高速攝影、數字記錄、雷電定向定位等現代測量技術所作的實測研究的成果，大大豐富了人們對雷電的認識。第一節(jié)雷云的產生和雷電放電過程一、雷電發(fā)生機理雷電是由雷云放電引起的，關于雷云的聚集和帶電至今還沒有令人滿意的解釋，目前比較普遍的看法是：熱氣流上升時冷凝產生冰晶，氣流中的冰晶碰撞后分裂導致較輕的部分帶負電荷并被風吹走形成大塊的雷云；較重的部分帶正電荷并可能凝聚成水滴下降，它們在重力作用下下落的速度大，并在下落過程中與其他水份粒子發(fā)生碰撞，結果一部分被另一水生成物捕獲，增大水生成物的體積，另一部分云粒子被反彈回去，這些反彈回去的云粒子通常帶正電荷，懸浮在空中形成一些局部帶正電的云區(qū)，而水生成物帶上負電荷。由于水成物下降的速度快，而云粒子的下降速度慢，因而正、負電荷的微粒逐慚分離，最后形成帶正電的云粒在云的上部，而帶負電的水成物在云的下部。整塊雷云里邊可以有若干個電荷中心。負電荷中心，離地大約500~10000m。它在地面上感應出大量的正電荷。隨著雷云的發(fā)展和運動，一旦空間電場強度超過大氣游離放電的臨界電場強度（大氣中約為30kV/cm，有水滴存在時約為10kV/cm）時，就會發(fā)生云間或對大地的火花放電。雷電放電包括雷云對大地，雷云對雷云和雷云內部的放電現象。大多數雷云放電都是在雷云與雷云之間進行的，只有少數是對地進行的。在防雷工程中，主要關心的是雷云對大地的放電，如圖1-1所示。圖1-1云對地放電（用彩色）雷云對大地放電通常分為先導放電、主放電和輝光放電三個階段。云一地之間的線狀雷電在開始時往往從雷云邊緣向地面發(fā)展，以逐級推進方式向下發(fā)展。每級長度約10~200m，每級的伸展速度約107m/s，各級之間有10~100μs的停歇，所以平均發(fā)展速度只有（1~8）×105m/s，這種放電稱為先導放電，如圖1-3所示。當先導接近地面時，地面上一些高聳的物體（如塔尖或山頂）因周圍電場強度達到了能使空氣電離的程度，會發(fā)出向上的迎面先導。當它與下行先導相遇時，就出現了強烈的電荷中和過程，出現極大的電流（數十到數百千安），伴隨著雷鳴和閃光，這就是雷電的主放電階段。主放電的過程極短，只有50~100μs，它是沿著負的下行先導通道，由下而上逆向發(fā)展，故又稱“回擊”，其速度高達2.0億~1.5億m/s。以上是負電荷雷云對地放電的基本過程，可稱為下行負雷閃；對應于正電荷雷云對地放電的下行正雷閃所占的比例很小，其發(fā)展過程亦基本相似。主放電完成后，云中剩余的電荷沿著原來的主放電通道繼續(xù)流入大地，看到的是一片模糊的發(fā)光，這就是輝光放電。從旋轉相機拍下的光學照片顯示，大多數云對地雷擊是重復的，即在第一次雷擊形成的放電通道中，會有多次放電尾隨，放電之間的間隔大約為0.5~500ms。原因是：在雷云帶電的過程中，在云中可形成若干個密度較高的電荷中心，第一次先導，主放電沖擊泄放的主要是第一個電荷中心的電荷。在第一次沖擊完成之后，主放電通道暫時還保持高于周圍大氣的電導率，別的電荷中心將沿已有的主放電通道對地放電，從而形成多重雷擊。第二次及以后的放電，先導都是自上而下連續(xù)發(fā)展的，沒有停頓現象。放電的數目平均為2~3次，最多觀測到42次。通常第一次沖擊放電的電流最大，以后的電流幅值都比較小。圖1-2所示為用旋轉相機和高壓示波器拍攝和記錄的負雷云對地放電的典型過程和電流波形。圖1-2

雷電放電的發(fā)展過程和雷電流的波形

若地面上存在特別高的導電性能良好的接地物體時，也可能首先從該物體頂端出發(fā)，發(fā)展向上的先導，稱上行雷。但上行雷先導到達雷云時，一般不會發(fā)生主放電進程，這是因為雷云的導電性能比大地差得多，難以在極短的時間內提供為中和先導通道中電荷所需要的主放電電流，而只能向雷云深處發(fā)展多分支的云中先導。通過寬廣區(qū)域的電暈流洼，從分散的水性質點上卸下電荷，匯集起來，以中和上行先導中的部分電荷。這樣電流放電過程顯然只能是較緩和的，而不可能有大沖擊電流的特性。其放電電流一般不足千安，而延續(xù)時間則較長，可能長達0.1s。此外，上行先導從一開始就出現分支的概率較大。

二、雷擊時的等值電路在防雷研究中，最關心的是雷擊點的電位升高，而可以不考慮主放電速度、先導電荷密度及具體的雷擊物理過程，因此可以從點的電位出發(fā)來把雷電放電過程簡化為一個數學模型，如圖1-3（c）所示；進而得到其彼得遜等值電路，如圖1-3中（d）、（e）所示。圖中，表示雷電通道的波阻抗（我國規(guī)程建議取300~400Ω）。需要說明的是：盡管雷云有很高的初始電位才可能導致主放電，但地面被擊物體的電位并不取決于這一初始電位，而是取決于雷電流與被擊物體阻抗的乘積，所以，從電源的性質看，雷電具有電流源的性質。圖1-3雷電放電模型和等值電路在雷擊點A與地中零電位面之間串接著一個阻抗，它可以代表被擊中物體的接地電阻R，也可以代表被擊物體的波阻抗Z。從圖1-3（e）中可以看出，當Z=0時，i=2i0；若Z<<Z0（如Z≤30Ω），仍然可得i≈2i0。所以國際上習慣于把流經波阻抗為零（或接近于零）的被擊物體的電流稱為“雷電流”。從其定義可以看出，雷電流i的幅值恰好等于沿通道Z0傳來的流動電流波i0的幅值的兩倍。雷電放電有單通道放電，如圖1-4所示，和多通道，如圖1-5所示，先導放電是不規(guī)則的樹枝狀（如圖1-4所示），但它還是具有分布參數的特征，作為粗略估計一般假設它是一個具有均勻電感、電容等分布參數的導電通道，即可以假設其波阻抗是均勻的。圖1-5多通道雷電放電雷電放電涉及氣象、地貌等自然條件，隨機性很大，關于雷電特性的諸參數因此具有統(tǒng)計的性質，需要通過大量實測才能確定，防雷保護設計的依據即來源于這些實測數據。在防雷設計中，最關心的是雷電流波形、幅值分布及落雷密度等參數。三、雷電流幅值和波形幅值分布的概率雷電流是單極性的脈沖波。對一般地區(qū)，我國現行標準推薦雷電流幅值分布的概率如下：

（1-1）式中，I為雷電流幅值（kA）；P為幅值大于I的雷電流概率。例如，當雷擊時，出現幅值大于50kA雷電流的概率為33%，大于88kA的概率為10%。該公式是從1025個有效的雷電流觀測數據中歸納出來的。對年雷暴日數小于20的地區(qū)（我國除陜南以外的西北地區(qū)、內蒙古的部分地區(qū)外），雷電流幅值較小，P可按下式計算：（1-2）

(2)波形和極性雖然雷電流的幅值隨各國氣象條件相差很大，但各國測得的雷電流波形卻是基本一致的。根據實測統(tǒng)計，雷電流的波頭時間大多為1~5μs，平均為2~2.5μs。我國的防雷規(guī)程建議雷電流的波頭時間取2.6μs，此時雷電流的平均波頭陡度與幅值成正比，即kA/

s

（1-3）雷電流的波長大多為20~100μs，平均約為50μs，大于50μs的僅占18~30%。因此，在保護計算中，雷電流的波形可以采用2.6/50μs的雙指數波。在線路防雷設計中，一般可取斜角平頂波頭以簡化計算，我國規(guī)程規(guī)定雷電波的波頭時間采用2.6μs。而在特高塔的防雷設計中，為更接近于實際，可取半余弦波頭，其表達式為（1-4）式中：I為雷電流幅值；ω為角頻率。對半余弦波頭，其最大陡度出現在t=τf/2時，其值為平均陡度的π/2倍。根據國內外的實測統(tǒng)計，75~90%的雷電流是負極性的。因此電氣設備的防雷保護和絕緣配合一般都按負極性雷進行研究。四、雷暴日和雷暴小時為了表征不同地區(qū)的雷電活動頻繁程度，常用年平均雷暴日作為計量單位。雷暴日是一年中有雷電的天數，在一天內只要聽到雷聲就算一個雷暴日。我國各地雷暴日的多少和緯度及距海洋的遠近有關。海南島及廣東的雷州半島雷電活動頻繁而強烈，平均年雷暴日高達100~133。北回歸線（北緯23.5

）以南雷暴日一般在80以上（但臺灣省只有30左右），北緯23.5到長江一帶約為40~80，長江以北大部地區(qū)（包括東北）多在20~40，西北雷暴日多在20以下。西藏沿雅魯藏布江一帶約達50~80。我國把年平均雷暴日不超過15的叫少雷區(qū)，超過40的叫多雷區(qū)，超過90的叫強雷區(qū)。在防雷設計中，要根據雷暴日的多少因地制宜。雷暴小時是一年中有雷暴的小時數，在1h內只要聽到雷聲就算一個雷電小時。據統(tǒng)計，我國大部分地區(qū)雷暴小時與雷暴日之比約為3。四、雷暴日和雷暴小時為了表征不同地區(qū)的雷電活動頻繁程度，常用年平均雷暴日作為計量單位。雷暴日是一年中有雷電的天數，在一天內只要聽到雷聲就算一個雷暴日。我國各地雷暴日的多少和緯度及距海洋的遠近有關。海南島及廣東的雷州半島雷電活動頻繁而強烈，平均年雷暴日高達100~133。北回歸線（北緯23.5

）以南雷暴日一般在80以上（但臺灣省只有30左右），北緯23.5到長江一帶約為40~80，長江以北大部地區(qū)（包括東北）多在20~40，西北雷暴日多在20以下。西藏沿雅魯藏布江一帶約達50~80。我國把年平均雷暴日不超過15的叫少雷區(qū)，超過40的叫多雷區(qū)，超過90的叫強雷區(qū)。在防雷設計中，要根據雷暴日的多少因地制宜。雷暴小時是一年中有雷暴的小時數，在1h內只要聽到雷聲就算一個雷電小時。據統(tǒng)計，我國大部分地區(qū)雷暴小時與雷暴日之比約為3。（1-5）式中，b為兩根避雷線之間的距離（m）。六、雷電沖擊電壓作用下氣體的擊穿由于雷電造成沖擊電壓的幅值高、陡度大、作用時間極短，在沖擊電壓作用下空氣間隙的擊穿特性有著許多新的特點，并且雷電沖擊電壓與操作沖擊電壓下的特性也有很大不同。下面我們討論在雷電沖擊電壓下空氣間隙的擊穿特性。一、雷電沖擊電壓標準波形為了檢驗絕緣耐受沖擊電壓的能力，在高壓試驗室中利用沖擊電壓發(fā)生器產生沖擊電壓，以模擬雷閃放電引起的過電壓。過去，各國、各地不同的實驗室用各自產生的沖擊電壓進行試驗，因為波形不同，擊穿電壓也不同，所得結果無法互相比較。為使實驗結果具有可比性和實用價值，國際電工委員會（IEC）規(guī)定了雷電沖擊電壓的標準波形參數。標準波形是根據大量實測到的雷電沖擊電壓波形為了檢驗絕緣耐受沖擊電壓的能力，在高壓試驗室中利用沖擊電壓發(fā)生器產生沖擊電壓，以模擬雷閃放電引起的過電壓。過去，各國、各地不同的實驗室用各自產生的沖擊電壓進行試驗，因為波形不同，擊穿電壓也不同，所得結果無法互相比較。為使實驗結果具有可比性和實用價值，國際電工委員會（IEC）規(guī)定了雷電沖擊電壓的標準波形參數。標準波形是根據大量實測到的雷電沖擊電壓波形制訂圖1-6標準雷電沖擊電壓波形二、放電時延雷電沖擊電壓是變化速度很快、作用時間很短的波，其有效作用時間是以微秒計的。實驗表明：對空氣間隙施加沖擊電壓，要使間隙擊穿不僅需要足夠幅值的電壓，有引起電子崩并導致流注和主放電的有效電子，而且需要電壓作用一定的時間讓放電得以發(fā)展以至擊穿。設對間隙施加沖擊電壓，當經過時間t1后，電壓升高到持續(xù)作用電壓下的擊穿電壓Us（稱為靜態(tài)擊穿電壓）時，間隙并不立即擊穿，而需要經過一定時間間隔tlag，才能擊穿。因這時間隙中可能尚未出現有效電子，間隙中受到外界因素的作用出現自由電子需要一定時間，從t1開始到間隙中出現第一個有效電子所需的時間ts稱為統(tǒng)計時延，這一電子的出現的所需時間是具有統(tǒng)計性的。從有效電子出現時刻起到產生電子崩、形成流注和發(fā)展到主放電，乃至間隙擊穿完成所需的時間tf稱為放電形成時延，它同樣具有統(tǒng)計性。所以，沖擊放電所需的全部時間為 （1-6）圖1-7沖擊放電時間的組成研究表明：短間隙（幾厘米內）中，特別是電場較均勻時，間隙中的電場到處都很強，放電發(fā)展速度快，放電形成時延短，此時ts>>tf，這種情況下tlag主要決定于ts。為了減小ts，一方面可提高外施電壓使氣隙中出現有效電子的概率增加，另一方面可采用人工光源照射，使陰極釋放出更多電子。如用較小的球隙測沖擊電壓通常采取照射措施就是一例。在較長間隙中，電場不均勻，局部場強高，出現有效電子的概率增加，統(tǒng)計時延短，放電時延往往主要決定于tf，且電場越不均勻tf越長。三、雷電50%沖擊擊穿電壓（U50%）在持續(xù)電壓作用下，當氣體狀態(tài)不變時，間隙距離一定，擊穿電壓就具有確定的數值，當間隙上所加電壓達到擊穿電壓時，間隙就被擊穿。在沖擊電壓作用下，保持沖擊電壓波形不變，逐漸提高沖擊電壓的幅值，在幅值很低時，雖然多次重復施加沖擊電壓，但間隙均不擊穿；隨著幅值增高，間隙有時擊穿而有時不擊穿，這是因為隨著外加電壓的升高，放電時延縮短；當電壓幅值增加到某一定值時，由于放電時延有分散性，對于較短的放電時延，擊穿已有可能發(fā)生，而較長的放電時延，擊穿則不發(fā)生。也就是說，在多次施加同一電壓值時，有時擊穿，有時不擊穿；隨著電壓幅值繼續(xù)升高，間隙擊穿的百分比越來越增大；最后，當電壓超過某一值后，間隙百分之百擊穿。由于沖擊電壓作用下放電有分散性，所以很難準確得到一個使間隙擊穿的最低電壓值，因此工程上采用50%沖擊擊穿電壓（U50%）來描述間隙的沖擊擊穿特性，即在多次施加同一電壓時，用間隙擊穿概率為50％的電壓值來反映間隙的耐受沖擊電壓的特性。圖1-8“棒-棒”和“棒-板”長空氣間隙的雷電50%沖擊擊穿電壓和極間距離的關系

1-正極性“棒-板”；2-正極性“棒-棒”；3-負極性“棒-棒”；4-負極性“棒-板”；

采用50%沖擊擊穿電壓決定絕緣距離時，應根據擊穿電壓分散性的大小，留有一定的裕度。在均勻電場和稍不均勻電場中，擊穿電壓分散性小，其U50%和靜態(tài)擊穿電壓Us相差不大，因此沖擊系數β（U50%與Us之比）接近1。而在極不均勻電場中，由于放電時延較長，其沖擊系數β均大于1，擊穿電壓分散性也大一些，其標準偏差可取±3%。實驗表明：“棒-棒”和“棒-板”在間隙距離不很大時（幾百厘米內）的沖擊擊穿特性有極性效應，氣隙距離較大時同樣存在極性效應，圖1-8給出了“棒-棒”和“棒-板”長空氣間隙的雷電50%沖擊擊穿電壓和極間距離的關系，可以看出：“棒-板”氣隙有明顯的極性效應，“棒-棒”氣隙也有極性效應。四、伏秒特性由于雷電沖擊電壓持續(xù)時間短，間隙的擊穿存在放電時延現象，所以僅靠U50%沖擊擊穿電壓來表征間隙擊穿特性是不夠的，還必須將擊穿電壓值與放電時間聯(lián)系起來確定間隙的擊穿特性，也就是伏秒特性，它是表征氣隙擊穿特性的另一種方法。圖1-9表示通過實驗繪制氣隙伏秒特性的方法，其步驟是保持間隙距離不變、保持沖擊電壓波形不變，逐級升高電壓使氣隙發(fā)生擊穿，記錄擊穿電壓波形，讀取擊穿電壓值U與擊穿時間t。注意到當電壓不很高時擊穿一般在波尾時間發(fā)生，當電壓很高時，擊穿百分比將達100%，放電時間大大縮短，擊穿可能在波頭時間發(fā)生。以圖1-9三個坐標點為例說明繪制方法：擊穿發(fā)生在波前時，U與t均取擊穿時的值（圖中2、3坐標點）；擊穿發(fā)生在波尾時，U取波峰值，t取擊穿時對應值（圖中1坐標點）；將1、2、3各點連接起來，即可得到伏秒特性曲線。圖1-10伏秒特性帶與50%伏秒特性

1-上包線，

2-50%伏秒特性，3-下包線，

4-U50%

間隙的伏秒特性曲線的形狀與間隙中的電場分布有關。在均勻電場和稍不均勻電場中，擊穿時平均場強較高，放電發(fā)展較快，放電時延較短，伏秒特性曲線平坦；在極不均勻電場中，平均擊穿場強較低，放電時延較長，放電分散性大，伏秒特性曲線較為陡峭。實際上，放電時間有分散性，即在每級電壓下可測得不同的放電時間，所以伏秒特性是如圖1-10所示的以上、下包線為界的帶狀區(qū)域。工程上為方便起見，通常用平均伏秒特性或50%伏秒特性曲線表征氣隙的沖擊擊穿特性，在絕緣配合中伏秒特性具有重要意義。圖1-11表示被保護設備絕緣的伏秒特性1與保護間隙的伏秒特性2配合的情況，這種配合可達到完全保護，因為伏秒特性1的下包線時時都在伏秒特性2的上包線之上，即任何情況下保護間隙都會先動作從而保護了電氣設備的絕緣。為了節(jié)約被保護設備的絕緣造價，應使伏秒特性1與伏秒特性2的間隔不致過大，要求保護間隙2的伏秒特性低而平坦。用伏秒特性表征氣隙的沖擊擊穿特性較為全面和準確，但其制作相當費時。在某些情況下，只用某一特定的，如50%沖擊擊穿電壓值就夠了。第二節(jié)、雷電放電的基本型式與特點一、雷電放電的基本型式雷電放電主要有三種主要的型式即1、云對地放電；2、云對云放電；3、云內放電。（1）、云對地放電形成的直擊雷（如圖1-1所示）當云層對地較低、或地面有高聳的尖端突起物時，雷云對地之間就會形成較高的場強，當場強達到一定的值時，雷云就會向地面發(fā)展向下的先導，當先導到達地面，或與大地迎面先導會合時，就開始主放電階段。在主放電中雷云與大地之間所聚集的大量電荷通過狹小的電離通道發(fā)生猛烈的電荷中和，放出能量，產生強烈的聲和光，即電閃、雷鳴。在雷擊點，有巨大的電流流過。大多數雷電流的峰值有幾十千安，也有少數達到上百千安。由于雷擊是在極短的時間內釋放較大的能量，因而會造成極大地破壞作用（2）、云對云放電。當帶不同電荷的云團相遇時，就會發(fā)生云對云的放電，云對云的放電其實是最主要的雷電活動型式。云對云放電對人類活動的影響要比云對地放電小得多，不會產生直擊雷，直接造成人身傷亡和建筑物損毀事故。但云對云放電會在線路和網絡上產生感應雷過電壓，過電壓的大小視雷電活動強弱和放電雷云離地面的高低而定。感應雷電壓幅值與雷云對地放電時的電流大小、雷擊點與線路間相對位置、雷擊點周圍環(huán)境（如土壤電阻率）、遭受感應雷擊的線路的長度、線路埋設位置、設備接地裝置的電阻等諸多因素有關系。一般來講，云對云放電越強烈，參與放電的云層離地面越低，所產生的感應雷過電壓就愈高，反之則愈弱。感應雷的產生可由“靜電感應”的效應產生，也可由“電磁感應”的效應產生，但大部分的情況是由這兩種效應的綜合作用而成。1）靜電感應形成的感應雷過程。靜電感應在線路中感應的過電壓可由地閃引起，也可由云閃引起。例如：在架空線路上空有一團雷云，雷云底部帶負電荷，由于靜電感應，雷云將在大地上感應出正電荷，雷云與大地形成電場，因架空線處于該電場中而被極化，在靠雷云一側帶正電荷，靠大地一側帶負電荷，由于架空線路與大地間的絕緣不會無窮大，因此導線上的負電荷便向左右兩方向移動漸漸泄入大地，導線上僅存有受雷擊束縛的正電荷。在這片雷云對另一雷云放電或者對大地放電時，則雷云與大地間的電場隨之消失，導線上的束縛電荷變成自由電荷，并立即向導線兩端移動，形成對地電壓。2）電磁感應形成的感應雷過程。最初人們認為感應雷主要是由靜電感應的效應形成，根據這一理論，在線路上被感應出的雷過電壓應該和線路架設的高度成正比，那么埋地電纜的架設高度為零，自然被感應出的雷過電壓也應該為零，但實際當中經檢測在埋地電纜上的雷過電壓可高達數萬伏，這里用靜電感應的理論顯然不能完善的解釋這種現象。近年來，隨著防雷科學技術研究的不斷深入，一種新的解釋理論產生了，這就是感應雷的電磁感應生成機理解釋方法，這種方法認為：當直擊雷放電過程中，強大的脈沖電流所產生的強力變化磁場將會對周圍的導線或金屬物體產生電磁感應，從而引發(fā)過電壓，以致發(fā)生閃擊的現象。（3）云內放電。當帶電云團的內部，帶異號電荷中心之間的電場強度達到空氣間隙的擊穿值時會發(fā)生云內放電，云內放電的強度一般都不會特高，屬于最弱的一種雷電活動型式，對人類活動幾乎沒有什么影響，因而也很少受到人們的關注。（4）球形雷。是一種橙色或紅色的類似于火焰的發(fā)光球體，偶爾也有黃色、藍色或紫色的。大多數球雷的直徑在10—100cm之間，球雷多在強雷暴時空中閃電最頻繁的時候出現。球形雷通常沿水平方向以1—2m/s的速度上下滾動，有時距地面2—3m，有時距地面0.5—1m，它在空氣中的漂游時間可由幾秒到幾分鐘。關于球形雷的形成機理至今尚無合理的解釋，通常認為球雷是強雷暴時產生的分裂帶電或放電云團。球雷常由建筑物的孔洞或門窗進入室內，最常見的是沿大樹滾下進入建筑物并伴有“嘶嘶”聲。球雷有時自然爆炸，有時遇到金屬管線而爆炸。球雷有時遇到易燃物質則造成燃燒，遇到易燃、易爆氣體或液體會造成劇烈的爆炸。有的球形雷會不留痕跡地自行消失，但大多數則伴有爆炸聲，爆炸后偶爾有硫磺、臭氧或二氧化碳氣味。球形雷火球可輻射出大量的熱量，因此它的燒傷力較大。防護球形雷并不困難，比如采用法拉弟籠式避雷網，或將建筑物的金屋門窗接地，在雷雨天氣時關閉門窗。堵上建筑物上不必要的孔洞。儲存易燃、易爆物體的倉庫和廠房的門窗和排氣孔要加裝接地的金屬防護網等措施。二、雷電放電的選擇性

在同一區(qū)域內雷擊分布不均勻的現象稱為“雷電放電的選擇性”。雷擊雖是小概率事件，但它的發(fā)生仍有一定的規(guī)律可循。雷電活動在一定的區(qū)域內，特別是云對地放電會受地形、地勢和季風的影響有一定的規(guī)律，掌握這些規(guī)律對防雷具有重要意義。（1）雷擊與地形、地勢的關系、對于山區(qū)來說，雷電活動受地形、地勢的影響較為明顯，因為山區(qū)雷云的活動主要受季風的影響，而季風又受山勢及地形的影響，比如兩側有高山、礙口，那么雷云就會隨著季風的作用從山谷或礙口穿越，這時如果附近有突出物，就會引起雷云對地放電，位于這些地段的線路或設施要么合理避讓，要么采取特別的防雷措施。（2）雷擊與地質的關系、從現場資料分析可知：如果地面土壤分布不均勻，則在土壤電阻率特別小的地區(qū)，雷擊的概率較大，這是由于靜電感應的作用，在雷電先導放電階段，地中的感應電流沿著電阻率較小的路徑流通，使地面電阻率較小的區(qū)域被感應而積累了大量與雷云相反的電荷，而雷電自然就朝著電阻率較小的地區(qū)發(fā)展。這就是為什么山區(qū)地下有金屬礦的地方遭雷擊概率大，河流附近雷擊概率大的原因。（3）雷擊與地面設施的關系、當雷云運動到離地面較近的低空時，雷云與地面之間的電場受地面設施的影響而發(fā)生畸變，有時在突出的物體上由于電場強度增大，還會發(fā)生向上的迎面先導，雷電放電自然就容易在雷云與地面設施之間發(fā)生。這就是為什么高塔和高聳的建筑物容易遭受雷擊的根本原因。（4）局部小氣侯與雷擊放電的關系、在雷電活動時工廠煙囪排出的熱氣流注、煙氣（因煙氣中含有導電的微粒和金屬離子）它們比空氣的電阻率小得多，有時更相當于半導體流注，一方面縮短了雷云與地面的矩離，另一方面會引起電場發(fā)生畸變，從而引導了雷擊的發(fā)生，上海寶鋼化工公司2005年8月17日的雷害事故，據分析就是由于局部小氣侯的影響。2005年8月17日21時45分，化工三期煤精酚水控制室操作人員聽到一聲爆炸巨響，A母線失電。當電氣點檢工到達現場時，發(fā)現3p-5403B開關柜門被炸變形，當時立即確認為3kvA母故障失電，一時無法恢復送電。本次雷害事故直接損失如上所述是損壞了三臺3kv開關，并造成了化工三期A母線失電6個小時。由于A母和B母系統(tǒng)為備用，所以沒有造成主設備停電，否則，如雷電同時造成A母和B母同時停電，則后果將不甚設想，將造成較大的損失。寶鋼化工公司位于上海市東北方長江邊上，化工公司緊靠長江，距長江入?？趦H幾十公里。屬于海洋性氣侯，每年的雷電活動日為70左、右，屬于強雷電活動區(qū)。在局部區(qū)域，雷電的活動規(guī)律是一般在山谷、河流和地面有突起物，地面有向上排放氣流的場所，或地下有金屬礦的地方落雷密度最大。而寶鋼化工公司所處的地理氣象條件有多種因素符合高密度雷擊的條件如：（1）位于江邊符合位于河流旁的條件；（2）地面林立有大量的構筑物，符合地面有突起物的條件；（3）地下有大量的金屬管道，對應地下有金屬礦的條件；特別值得一提的是該公司所處廠區(qū)有幾處涼水塔向天空排放大量的熱蒸氣（見圖1—12和圖1--13），圖1--12、涼水塔形成的小氣侯圖1--13涼水塔形成的小氣侯（用彩色）造成局部的“小氣侯”，即造成空氣中介質的不均勻，甚至是突變，因為熱蒸汽的介電常數εr與大氣的介電常數εo有較大的差異，介電常數的變化會影響電場強度的變化，所以這種突變會導致雷云下的電場的畸變，從而影響雷云放電的幾率，改變雷云放電的通道，加大局部區(qū)域的雷電放電概率。一旦空中有帶電的雷云在附近活動，受畸變電場的影響，雷電荷會沿著熱蒸氣排放通道放電，從而擊中地面的突起物。通過以上分析可知寶鋼化工公司所處場所屬于強雷電氣象條件下的高落雷密度地區(qū)。另外，2005年8月17日事故發(fā)生時，寶鋼廠區(qū)電閃雷嗚，雷電活動強烈，也證明了該事故的起因是雷電造成的。三、我國雷電活動分布規(guī)律我們國家幅原遼闊，從位于亞熱帶的海南到位于寒帶的莫河距離幾千公里，從東邊沿海地區(qū)西到云貴高原，降雨量和雷電活動相差很大，但總的來說則有如下規(guī)律：（1）南方的雷電活動多于北方，從南到北逐漸減少，海南地區(qū)的雷電日高達180多個，而西北新疆地區(qū)雷電日則少于20。（2）沿海多于內地，在其他條件相同時，沿海地區(qū)的雷電活動明顯高于內地。如浙江、福建沿海的雷電活動明顯高于同一緯度的內陸地區(qū)。（3）山區(qū)高于平原，位于同一地區(qū)的山區(qū)雷電活動明顯高于平原地區(qū)。（4）東部高于西部，特別是東北地區(qū)的雷電活動明顯高于處于同一緯度的西北地區(qū)，這主要是受東北降雨量明顯高于西北地區(qū)的原因，也就是說雷電活動和降雨量基本上是一致的。（5）在同一地區(qū)會受地形、地勢、地質和小氣候的影響差異較大，因而在防雷措施上也要因地制宜，制訂針對性的防雷措施。第三節(jié)、雷電的危害及防雷基本知識一、雷電效應雷電放電所出現的物理現象和危害有：（1）電效應。在雷電放電時，能產生高達數萬伏的沖擊電壓，足以燒毀電力系統(tǒng)的發(fā)電機、變壓器、斷路器等電氣設備或將輸電線路絕緣擊穿而發(fā)生短路，導致可燃、易燃易爆物品著火和爆炸。（2）熱效應。當幾十至幾千安的強大雷電流通過導體時，在極短時間內轉換出大量的熱能。雷擊點的發(fā)熱能量為500～2000J，這一能量可熔化50～200mm3的鋼，故在雷電通道中產生的高溫，往往會釀成火災。（3）機械效應。由于雷電的熱效應，還將使雷電通道中木材纖維縫隙和其它結構中間的縫隙里的空氣劇烈膨脹，同時使水分及其它物質分解為氣體。因而在被雷擊物體內部出現強大的機械壓力，致使被擊物體遭受嚴重破壞或造成爆炸。（4）靜電感應。當金屬物處于雷云和大地電場中時，金屬物上會生出大量的電荷。雷云放電后，云和大地間的電場雖然消失，但金屬物上所感應積聚的電荷卻來不及逸散，因而產生很高的對地電壓（即靜電感應電壓）。靜電感應電壓往往高達幾萬伏，可以擊穿數十厘米的空氣間隙，發(fā)生火花放電，因此，對于存放可燃性物品及易燃、易爆物品的倉庫是很危險的。（5）電磁感應。雷電具有很高的電壓和很大的電流，同時又是在極短暫的時間內發(fā)生的。因此在它周圍的空間里，將產生強大的交變磁場，不僅會使處在這一電磁場的導體感應出較大的電動勢，并且還會在構成閉合回路的金屬物中感應電流，這時如果回路中有的地方接觸電阻較大，就會局部發(fā)熱或發(fā)生火花放電，這對于存放易燃、易爆物品的建筑物是非常危險的。（6）雷電侵入波。雷電在架空線路、金屬管道上會產生沖擊電壓，使雷電波沿線路或管道迅速傳播。若侵入建筑物內，可造成配電裝置和電氣線路絕緣層擊穿，產生短路，或使建筑物內易燃、易爆物品燃燒和爆炸。（7）防雷裝置上的高電壓對建筑物的反擊作用。當防雷裝置受雷擊時，在接閃器、引下線和接地體上都具有很高的電壓。如果防雷裝置與建筑物內、外的電氣設備、電氣線路或其它金屬管道的相隔距離很近，它們之間就會產生放電，這種現象稱為反擊。反擊可能引起電氣設備絕緣破壞，金屬管道燒穿，甚至造成易燃、易爆物品著火和爆炸。（8）雷電對人的危害。雷擊電流迅速通過人體，可立即使呼吸中樞麻痹，心室纖顫或心跳驟停，以致使腦組織及一些主要臟器受到嚴重損害，出現休克或突然死亡，雷擊時產生的電火花，還可使人遭到不同程度的燒傷。二、雷電的危害及防護人是導電體，若被雷電直接擊中頭部，并且通過軀體傳到地面，可以使心臟和神經麻痹，心臟可能停止跳動，或者發(fā)生室顫，就是心跳極不規(guī)則，心臟不能有效地射血，被擊者無脈搏、無血壓；腦神經受損可直接抑制心跳和呼吸中樞，使人幾分鐘內死亡。此外，盡管沒有被雷電直接擊中，也可能會造成傷害。這是由于人體距離雷擊點很近時，一部分雷電電流可通過”跨步電壓”進入人體。一般來講，當云地閃電現象，也就是云與大地之間產生雷電釋放的現象發(fā)生時，雷電電流從云中泄放到地面，才會對人的活動造成大的影響。雷電災害程度是僅次于暴雨洪澇、氣象地質災害的第三大氣象災害。

雷電對人的傷害方式，歸納起來有四種形式，即：直接雷擊、接觸電壓、旁側閃擊和跨步電壓。

（1）直接雷擊：在雷電現象發(fā)生時，閃電直接襲擊到人體，因為人是一個很好的導體，高達幾萬到十幾萬安培的雷電電流，由人的頭頂部一直通過人體到兩腳，流入到大地。人因此而遭到雷擊，受到雷電的擊傷，嚴重的甚至死亡。

（2）接觸電壓：當雷電電流通過高大的物體，如高的建筑物、樹木、金屬構筑物等泄放下來時，強大的雷電電流，會在高大導體上產生高達幾萬到幾十萬伏的電壓。人不小心觸摸到這些物體時，受到這種觸摸電壓的襲擊，發(fā)生觸電事故。（3）旁側閃擊：當雷電擊中一個物體時，強大的雷電電流，通過物體泄放到大地。一般情況下，電流是最容易通過電阻小的通道穿流的。人體的電阻很小，如果人就在這雷擊中的物體附近，雷電電流就會在人頭頂高度附近，將空氣擊穿，再經過人體泄放下來。使人遭受襲擊。（4）跨步電壓：當雷電從云中泄放到大地時，就會產生一個電位場。電位的分布是越靠近地面雷擊點的地方電位越高；遠離雷擊點的電位就低。如果在雷擊時，人的兩腳站的地點電位不同，這種電位差在人的兩腳間就產生電壓，也就有電流通過人的下肢。兩腿之間的距離越大，跨步電壓也就越大。對雷電的預防主要分為室內預防和室外預防兩種。1.室內預防雷擊（1）電視機的室外天線在雷雨天要與電視機脫離，而與接地線連接。（2）雷雨天氣應關好門窗，防止球形雷竄入室內造成危害。（3）雷暴時，人體最好離開可能傳來雷電侵入波的線路和設備1.5m以上。也就是說，盡量暫時不用電器，最好拔掉電源插頭；不要打電話；不要靠近室內的金屬設備如暖氣片。自來水管、下水管，不要接觸煤氣管道、自來水管道以及各種帶電裝置，以防止側擊雷與球雷侵入；要盡量離開電源線、電話線。廣播線，以防止這些線路和設備對人體的二次放電。另外，不要穿潮濕的衣服，不要靠近潮濕的墻壁。2.室外預防雷擊（1）雷雨天氣要遠離建筑物的避雷針及其接地引下線。（2）雷雨天氣要遠離各種天線、電線桿、高塔、煙囪、旗桿，如有條件應進入有寬大金屬構架、有防雷設施的建筑物或金屬殼的汽車和船只，但是帆布蓬車和拖拉機、摩托車等在雷電發(fā)生時是比較危險的，應盡快離開。（3）雷雨天氣應盡量離開山丘、海濱、河邊、池旁；切勿游泳或從事其他水上運動，不宜進行戶外球類、攀爬、騎駕等運動，離開水面以及其他空曠場地；應盡快離開鐵絲網、金屬曬衣繩。孤獨的樹木和沒有防雷裝置的孤立的小建筑等。（4）雷雨天氣盡量不要在曠野里行走，不要用金屬桿的雨傘，不要把帶有金屬桿的工具如鐵鍬、鋤頭扛在肩上；不要使用手機打電話；如果有急事需要趕路時，要穿塑料等不侵水的雨衣；要走的慢些，步子小點；不要騎在牲畜上或自行車上行走；人在遭受雷擊前，會突然有頭發(fā)豎起或皮膚顫動的感覺，這時應立刻躺倒在地，或選擇低洼處蹲下，雙腳并攏，雙臂抱膝，頭部下俯，盡量縮小暴露面即可。2.室外預防雷擊（1）雷雨天氣要遠離建筑物的避雷針及其接地引下線。（2）雷雨天氣要遠離各種天線、電線桿、高塔、煙囪、旗桿，如有條件應進入有寬大金屬構架、有防雷設施的建筑