雷电危害与防护

Abstract: the paper first analyzes the generation of lightning and lightning form, and then points out that the lightning of the dangers of human, and finally put forward the lightning protection measures.

Keywords: lightning electromagnetic field lightning protection

1前言

雷电是发生在大气中瞬时的大电流、高电压放电现象，雷电过程的大电流及其所伴随的高温、冲击波和强烈的电磁辐射等效应。具有极大的危害性，除了雷击的直接危害之外，雷电的电磁辐射也同样具有很大的危害，尤其在信息时代的今天，通常会导致各种电子设备的失效甚至损坏，对人们的日常生活产生了严重的负面影响。熟悉和研究雷电物理机理，提高雷电防护能力，保护人类生命财产的安全，成为科学行业及工程技术界重要而又艰巨的研究课题。

2雷击和放电

2.1雷击的形式

雷击通常有三种主要形式，分别是直击雷、感应雷和球形雷。

直击雷是带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。雷电直接击在建筑物构架、动植物上，因电效应、热效应和机械效应等造成建筑物等损坏以及人员的伤亡。一般防直击雷是通过避雷装置即接闪器(针、带、网、线、)引下线构成完整的电气通路后将雷电流泄入大地。然而接闪器、引下线和接地装置的导通只能保护建筑物本身免受直击雷的损毁，但雷电会透过多种形式及途径破坏建筑物内的电子设备。

感应雷是带电云层由于静电感应作用，使地面某一范围带上异种电荷。当直击雷发生以后，云层带电迅速消失，而地面某些范围由于散流电阻大，以致出现局部高电压，或者由于直击雷放电过程中，强大的电磁脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压以致发生闪击的现象。

球形雷是一种特殊的雷电现象，简称球雷。球形雷存在的时间十分短暂，要研究球形雷相当困难。球形雷直径常见的约为10-20厘米，最大的直径可达一米，存在的时间大约为百分之几秒至几分钟。一般是3至5秒，主要是沿建筑物的孔洞或开着的门窗进入室内，有的由烟囱或通气管道滚进楼房，多数沿带电体消失。

2.2雷电放电的三个阶段(云地)

先导放电阶段:雷云对大地有静电感应，在雷云电场下，大地感应出异号电荷，随着雷云中电荷的逐步积累，空间的电场强度不断增大。当雷云中电荷密集处的电场强度达到空气击穿场强(25-30kV/m)时，就产生强烈的碰撞游离，形成指向大地的一段导电通道，成为雷电先导。

主放电阶段:当下行先导接近地面时，会从地面较突出的部分发出向上的迎面先导。当迎面先导与下行先导相遇时，便会产生强烈的中和过程，产生极大的电流，这就是雷电的主放电阶段。主放电阶段的特点是，存在的时间极短，电流极大，可达数十乃至数百千安。

余光放电阶段:主放电到达云端就结束了。然后云中残余电荷经主放电通道流下来，称为余光放电阶段。由于雷云中的电阻较大，余光放电阶段对应的电流不大,但持续时间则较长，大约是0.04秒左右。

3雷电与电磁场

3.1雷击电磁脉冲

雷电(Lightning，也称闪电)是由于带电的云层和带异种电荷的其它云层或大地之间发生强烈的放电。带电云层与另一部分带异种电荷的云层之间的放电统称为云闪，带电云层对大地之间的放电称为直击雷或地闪。雷电造成危害是通过直击雷或者雷击电磁脉冲等，直击雷造成的危害明显你而剧烈，电磁脉冲灾害面广、成灾率高，特别是微电子设备受到电磁脉冲辐射影响后，极容易造成其工作失常甚至损坏，给日常生活和工业生产带来难以估量的损失。

雷电的最大破坏作用在于放电过程，也即雷电回击过程。雷电回击活动所产生的电磁场，尤其是其中的辐射场，在广域传播过程中衰减较小，并受到土壤电导率引起的色散、地表起伏引起的反射作用，可沿地表传播数百公里甚至更远。

一般建筑物房顶上都设有无线铁塔，上面设有避雷针，避雷针、无线铁塔、大楼的钢框架、混凝土墙的钢筋等之间相互用螺栓固定。当发生直击雷时，雷电浪涌电流就侵入大楼的钢框架、钢筋之中，在建筑物内产生很强的电磁场，同时使设在同一建筑物内的各种设备中出现很高的电位差，从而对设备造成损坏。

雷电的形式多样，其形成及放电过程十分复杂，在空间激发的电磁场脉冲特性也非常复杂。国内外学者主要研究雷电回击激发电磁场的计算理论，并通过程序实现了电磁波的计算。其中，重点对雷电回击产生的LEMP波形及其峰值分布进行了计算，并对计算结果进行了可视化仿真。用以总结了开放空间中电磁波峰值的分布规律，以便能掌握雷电的物理特性，制定有效的雷电防护措施。

3.2雷电产生的电磁场计算

在假设大地为完全导体的情况下，对雷电电磁场的地闪回击进行计算和分析，考虑到在直击雷打在建筑物上产生电磁场分布的复杂性，在下面的讨论中仅考虑一种简单情况，并做了相应的近似处理。在地闪回击模型中一般认为雷电回击通道不分支且垂直于地面，通道周围为无穷空间。设通道起点高度为H0，通道电流分布已知。对通道中的某一小段电流元，在满足一定条件下可以看作是一垂直电偶极子。设观察点在(z，r)处，距电偶极子及其镜像偶极子的距离分别为R0、R1;大地为良导体，电导率和电容率分别为和。则有耗半空间上垂直电偶极子的电矢位Az0为
雷电产生的电磁场计算

其中
雷电产生的电磁场计算

上式中第三项就是著名的Sommerfeld积分，由于积分中存在极点且收敛速度很慢，很难用数值计算得出精确结果，必须进行近似处理。Collin采用最速下降法对Sommerfeld积分进行近似处理，得出上半空间电偶极子的矢势为：其中
雷电产生的电磁场计算

在Sommerfeld积分近似过程中采用了Hankel函数的近似条件，即|lr|≤1。自然雷击一般都发生在高层建筑物、塔尖上，离地平面有一定距离(约几米到上百米)，雷电回击电流通道起点高度大于零。因此，对几十到几百米范围内地面以上的近场，上式是适用的。

4雷电防护措施

现代防雷技术是一项系统工程，必须贯彻整体防护思想，本文选取建筑物防雷为研究对象，避免泛泛而谈。为使建筑物及其内部设施免受雷电的直接和间接危害，通常使用避雷针、避雷线、避雷带、避雷网等防直击雷的危害，对于可能出现的的直击雷，靠接闪器经引下线和接地装置，或通过导电连接和接地良好的结构钢筋、金属构架，将雷电流分流流散入地，而不流过被保护设备和部件。这种防护措施可以称作分流防护。

等电位连接是防止雷电反击的重要技术手段，根本目的是实现均压等电位，消除不同金属部件及导线间的雷电流引起的高电位差，同时对雷电流分流，通过对于同一楼层同一部位的不同的电缆外皮、设备外壳、金属构架(构件)、管道做好电气搭接，以均衡电位。

屏蔽指的是采用屏蔽电缆，利用各种人工的屏蔽箱盒、法拉第屏蔽笼等和各种可以利用的自然屏蔽体来阻挡、衰减施加在系统设备上的过电压能量。屏蔽是防御电磁脉冲的有效方法。

接地是疏导雷电流能量的途径，是避雷技术重要的环节，接地电阻越小，散流越快，被雷击物体高电位保持时间越短，危险性就越小，其跨步电压、接触电压也越小。为避免共用接地中出现的各系统间的电磁干扰，尤其是低频干扰，应采用一点接地法。通过将所有金属构架(构件)、管道、电缆金属屏蔽层、穿线铁管连在一起，与屏蔽笼及总接地网就近连接;信息系统设备的防雷接地、工作接地、保护接地宜采用共地方式;或者计算机的逻辑接地采用引外接地，为防反击再将其与主接地网暂态共地。

钳位保护指的是在电源线、信号线、接地线等过电压可能侵入的所有端口，装设必要的浪涌过电压防护装置;在系统引出的信号线、电源线上装设多级保护，包括粗保护和细保护，将侵入系统的冲击过电压箱制到设备耐压允许的水平。

合理布线和设备的位置摆放合适，可以改善电磁环境，并可以大大减少感应雷通过传输线进入建筑物的可能性。

上述综合运用分流(泄流)、均压(等电位)、屏蔽、接地、保护(箱位)各项技术的整体防护原则是适用于建筑防雷、电力系统和各种信息系统设施的统一防护模式。而对于一个特定的信息系统及整个建筑物等的防护，还需根据具体系统及其所在建筑物的实际情况，灵活应用，采取具体措施，构成一个完整的防护体系，才能收到预期的效果。系统结构越合理，系统的各个组成部分之间的有机结合就越合理，相互之间的作用就越协调，才能使整个系统在总体上达到最佳的运行状态。

综合防雷设计还要考虑被保护物所在的地理环境和气象环境、被保护物的重要性和复杂性以及雷击的后果严重性、被保护物的建筑结构、供电系统及信息系统的结构和布局、选用防雷装置的特性及其有效配合等等综错复杂的因素。

小结

建筑物内电子设备的雷电危害的防护措施，具体介绍了建筑物内部各信息系统的雷电防护方法，对分流、均压(等电位)、屏蔽、接地和钳位保护等各项技术的应用进行了综合分析，在雷电防护设计时，主张贯彻整体防护思想，构成一个完整的防护体系，才能取得明显的防护效果。

雷电防护技术只是一种对雷电自然现象的统计规律性的认识，闪电发生的随机性很大，受许多随机因素的影响，人们对雷电现象的认识只是近似的，是一种概率性的。本文是在为减小雷电灾害造成的损失，有效地防止雷击事故的发生，研究建筑物的雷害发生的规律及采取的有效防护措施。

参考文献

[1]张小青，建筑物内电子设备的防雷保护，电子工业出版社，2008.

[2] 陈渭民，雷电学原理,气象出版社，2009.