雷害之后谈防雷
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雷电是一种壮观的自然现象,当带电的积云即雷云与大地间或雷云之间带有异性电荷时,即可能发生放电现象。雷击是一种自然灾害。当雷云与房屋、电力线路、电力设备等设施、以及人、畜时,会产生极高的过电压和极大的过电流。所波及的范围内,可能造成设施或设备的毁坏或造成大规模停电、火灾和爆炸;还可能直接伤及人、畜。因此,提高对雷电灾害的认识、加强对雷电及防雷措施的研究、以致建立雷电观测及预报系统都是各级政府、企事业单位、乃至家庭、个人日益关注、亟待解决的问题。
一、 雷电灾害
雷云放电是长空气间隙中的一种火花放电。对于积云的起电过程,比较常见的理论认为,在水蒸汽 饱和状态的大气中,水滴在上升的强大气流作用下被喷散。这时,所形成的微小水颗粒带负电,而留下的较大水滴则带正电。风把带负电的微小颗粒带到很远的地方;带正电的水滴或者作为雨水降落,或者保持悬浮状态,形成带正电荷的雷云。因此云层的绝大部分带负电,而在其顶部则有一正电荷层,其高度通常为9km~12km,靠近正电荷层的底部有少量带正电的杂质。负电荷中心距地面上大约500m~10000m。雷云的底部距地面可能只有150m。一般认为,雷云的电位最少有100MV。人眼看到的对地雷击似乎是一次单一的耀眼的放电,虽然有时也可能见到亮度的变化。但有用旋转镜头照相机拍下的照片或电视录像揭示,大多数雷击是重复的,即在第一次雷击形成的放电通道中,会有多次放电尾随。雷电流主要特点是,①雷电流多为负极性;②波前时间短,最长可达10&mus;③波形中有一强电流部分,其持续时间约几十微秒;④强电流之后便是一个弱电流波尾,其持续时间可达几百微秒,这一部分电流是导致高温损坏的原因,故称热雷闪。
带电积云是构成雷电的基本条件。当带不同电荷的积云互相接近到一定程度,或带电积去与大地凸出物接近到一定程度时,发生强烈的放电和耀眼的闪光。由于放电时温度高达20000℃,空气受热急剧膨胀,发出爆炸的轰鸣声。这就是闪电和雷鸣。按照雷云对地放电的方式可分为直击雷、感应雷和球雷等。
1、直击雷
带电积云与地面目标之间的强烈放电称作直接雷。直击雷的放电开始时,微弱发光的通道以107cm/s~108cm/s的平均速度跳跃式地向地面伸长,被称为先导放电通道。先导放电期间,每次跳跃前进约50m,并停顿30ms~50ms。带电积云接近地面时,在地面凸出物之间的电场强度达到25kV/cm~30kV/cm时,即发生由带电积云向大地发展的跳跃式先导放电,持续时间约为5ms~10ms,平均速度为100km/s~1000km/s,当先导放电达到地面凸出物时,即发生从地面凸出物向积云发展的极明亮的主放电,其放电时间仅50ms~100ms,放电速度约为光速的1/5~1/3,即约为60000km/s~100000km/s。主放电向上发展,于云端即告结束。主放电结束继续有微弱的余光,持续时间约为30ms~150ms。
大约50%的直击雷有重复放电的性质,平均每次雷击有三、四个冲击,最多能出现几十个冲击。第一次雷击可分为先导放电与主放电两个阶段。先导放电通常起始于云层中,云中局部的电荷集中区使电场强度达到空气的临界击穿值(在海拔较低的干燥空气中约为25kV/cm~30kV/cm,在海拔较高的充满水滴的空气中约为10kV/cm)时,先导放电就开始了。先导由高度电离的核组成,这个电离位于放电的前端,并被一个直径约为30m、长度约为50m的电晕层所包围。先导是分级向地面推进的,每一级之间要间歇若干微秒,其平均传导速度大约150km/s。如果雷击中心距地面3000m,则先导需要20ms才能到达地面。先导放电之后,开始主放电阶段。主放电的速度大约为光速的10%~50%。雷电流大约从几千安到数百千安。一次雷击的全部放电时间一般不超过5000ms。
雷云对地面凸出物直接放电时,将有数十至数百千安的雷电流流入地下,会在雷击点及其连接的金属部位(或潮湿的树干等导电性比较好的部位)产生极高的对地电压,可能直接导致接触电压电击和跨步电压的触电事故。
根据相关报道,6月20傍晚,佛出市顺德区容桂细胺南头路口某建筑工地发生的雷击事件应属于直接电击的事故,当时正在约5m高处楼顶灌注混凝土的兄弟俩不幸被击中,1人当场死亡,1人重伤(可能终生瘫痪);而6月26日下午,浙江省临海市杜桥镇30名村民,聚集在树下一简易帐逢里赌博时遭到雷击,致17人死亡的事件应属于由于雷击形成跨步电压的触电事故。
2、感应雷
感应雷也称作雷电感应或感应过电压。分为静电感应雷和电磁感应雷。静电感应雷是由于带电积云接近地面,在架空线路导线或其他导电凸出物顶部感应出大量电荷引起的。在带电积云与其他客体放电后,架空线路导线或导电凸出物顶部的电荷失去束缚,以大电流、高电压冲击波的形式,沿线路导线或导电凸出物极快地传播。近二十年来人们的研究表明,放电流柱也会产生强烈的静电感应。电磁感应雷是由于雷电放电时,巨大的冲击雷电流在周围空间产生迅速变化的强磁场引起的。这种迅速变化的磁场能在邻近的导体上感应出很高的电动势。如系开口环状导体,开口处可能由此引起火花放电;如系闭合导体环路,环路内将产生很大的冲击电流。
与直击雷造成的个别人员伤亡和财产损失相比,感应雷造成的网络运行中断等事故,影响面更广,损失更大。据报道,上海各类雷电事故中,由感应雷造成的占到80%。去年,上海一段地铁线路在一个雷电天气中遭感应雷袭击,电力系统出现故障,造成运行中断。同一天,浦东局部地区电网遭雷击,电力供应短时中断。
就家用及办公类的电子设备而言,可能引起感应雷击的通道主要有天线、馈线、电源线路、信号线路和接地线路。建筑物中所有电子设备的天线、馈线、电源线、信号线、接地线、出入建筑物中各种电源线路、具有公共接地的建筑物中的金属管道等,都会给其中的电子设备群体引入感应雷。北京今夏报道的7起感应雷雷击事故已造成百万元经济损失。
3、球雷
球雷是雷电放电时形成的发红光、橙光、白光或其他颜色光的火球。出现的概率约为雷电放电次数的2%。其直径多为20cm左右;其运行速度约为2m/s或更高一些;其存在时间为数秒钟到数分钟。球雷是一团处在特殊状态下的带电气体。球雷通常是包有异物的水滴在极高的电场强度作用下形成的。在雷雨季节,球雷可能从门、窗、烟囱等通道侵入室内。
