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雷电的成因与形式

编辑:福建华达防雷技术有限公司   时间:2013/05/27   字号:
摘要:雷电的成因与形式
雷云的成因
雷云的成因或者说其所蕴涵的能量主要来自大气的运动,气流的运动、摩擦以及风对云块作用,令其作切割地球磁场磁力线运动,使不同的电荷、带电微粒进一步分离、极化,最终形成积聚大量电荷的雷云。当雷云的电场强度达到足够大时将引起雷云中的内部放电,或雷云间的强烈放电,或雷云对大地、其他物体间放电,即所谓雷电。
雷电的表现形式主要有三种
一、直击雷:
是带电云层(雷云)与建筑物、其它物体、大地或防雷装置之间发生的迅猛放电现象,并由此伴随而产生的电效应、热效应或机械力等一系列的破坏作用。直击雷的电压峰值通常可达几万伏甚至几百万伏,电流峰值可达几十KA乃至几百KA,其之所以破坏性很强,主要原因是雷云所蕴藏的能量在极短的时间(其持续时间通常只有几us到几百us)就释放出来,从瞬间功率来讲,是巨大的。 防避直击雷通常都是采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网或金属物件作为接闪器,将雷电流接收下来,并通过作引下线的金属导体导引至埋于大地起散流作用的接地装置再泄散入地。
二、感应雷:
是闪电放电瞬间,在附近导体产生的静电感应和电磁感应现象。静电感应:由于雷云的作用,使附近导体感应并积聚大量与雷云相反极性的束缚电荷,当雷云主放电时,雷电先导通道中的电荷迅速中和,原来处于雷云附近导体中与雷云相反极性的束缚电荷被释放出来,形成自由电荷,如不就近泄散入地就会产生很高的电位。电磁感应:由于雷电流迅速变化(瞬态脉冲)在其周围空间产生瞬变的强电磁场。使附近导体上感应出很高的电动势。
三、球形雷:
在雷电频繁的雷雨季节,偶然会发现殷红色、灰红色、紫色、蓝色的"火球",直径一般十到几十厘米,甚至超过1米;有时从天而降,然后又在空中或沿地面水平移动,有时平移有时滚动,通过烟囱、开着的门窗和其他缝隙进入室内,或无声地消失,或发出丝丝的声音,或发生剧烈的爆炸,因而人们习惯称之为"球形雷"。 防避球形雷最好在雷雨天不要打开门窗,并在烟囱、通风管道等空气流动处装上网眼不大于4平方厘米,粗约2~2.5mm的金属保护网,然后作良好接地。
雷电流热效应的破坏作用:
由于雷电流很大,通过的时间又短,如果雷电击在树上或建筑物构件上,被雷击的物体瞬间将产生大量热,又来不及散发,以致物体内部的水份大量变成蒸气,并迅速膨胀,产生巨大的爆炸力,造成破坏。雷电流冲击波的破坏作用: 雷电通道的温度高达几千℃至几万℃,空气受热急剧膨胀,并以超声速度向四周扩散,其外围附近的冷空气被强烈压缩,形成"激波"。被压缩空气层的外界称为"激波波前"。"激波波前"到达的地方,空气的密度、压力和温度都会突然增加。"激波波前"过去后,该区压力下降,直到低于大气压力。这种"激波"在空气中传播,会使其附近的建筑物、人、畜受到破坏和伤亡。这种冲击波的破坏作用就跟炸弹爆炸时附近的物体和人、畜受损害一样。
雷电袭击人体的形式:
一、直接雷击
所为直接雷击是指雷闪直接击中受害者,这种情况爱害者到少在开始时身体上通过全部雷电电流,而且最大可能是雷电流从头部输入,经躯干,由脚底进入大地。这种情况是受害者受害最严重的情况。所以补直接雷击以致假死抢救成功的事例不少,甚至被直接雷击后有短暂昏迷,而呼吸和心脏跳动未发生停止的报导也有,所以当雷击致假死(停止呼吸、心脏停止跳动、但身上未出现紫蓝色斑块或斑点)时不应放弃或停止抢救。
二、接触雷击:
接触雷击是指雷击其他物体,接触雷击往往使受害者短时麻痹,有时也会昏迷甚至死亡但总的来讲,它比直接雷击受害要轻。接触雷击发生的几率比直接雷击高得多。
三、旁侧闪络
旁侧闪络和上面讲的接触雷击共同都是雷电没有直接击中受害人,而是击中受害人附近的物体,由于补雷击物带高电位,而向它附近的人闪击放电。有时由于较远的地方的物体受雷击,能过金属线直接把高电位输送,或感应产生高电位以致发生旁侧闪络造成人员伤亡。
四、跨步电压
跨步电压在是在当雷电流流入大地的时候,由于土壤散流电阻的存在,使地表面电位分布,习惯称这为喇叭形电位分布曲线。在这喇叭形曲线上任两点间存在电位差,显然这电位差与电流强度、土壤电阻率分布、跨步长短有关,同样的土壤情况下,电流强度越大,步长越大,跨步电压越高。当人或动物站在喇叭形电位分布的地面时,两脚间的电位差大到一定时,便足以使人受到电击甚至死亡。如果在原野上遇到雷暴,又实在无法躲避时,蹲下来两脚缩在一点,比跨大步走会安全些。
直击雷和感应雷的原理及危害
由于城市具有热岛效应,当市区上空出现雷云时,由于雷云负电的感应,使附近地面或地面上的建筑物积聚正电荷,从而地面与雷云间形成强大的电场。当某处积聚的正电荷密度很大,激发的电场强度达到空气游离的临界值时,雷云便开始向下方阶梯式放电,称为下行先导放电。处于市区的高层建筑物周围空间的电荷浓度较大,易形成向雷云方向的上行先导放电,当这个先导逐渐接近地面物体并达到一定距离时,地面物体在强电场作用下产生尖端放电,形成向雷云方向的先导并逐渐发展成上行先导放电,两者会合形成雷电通路,引发直击雷。因此,应对处于市区及其附近的建筑物的直击雷防护引起特别重视。当避雷针引雷入地时,雷电流i将沿引下线泄放入大地,此时测试点的电位可用下式表示:
Ux=Ul+Ur=Lo×h×di/dt+i(r+R)式中,Lo --引下线单位长度电感(μH/m) 通常L0=1.67μH/m
h --测试点离地面高度(m)
i --通过引下线的雷电流(KA)
r --测试点至接地体电阻(Ω)
R --接地电阻(Ω)
di/dt --雷电流的陡度
设Lo=1.67μH/m,r=0,R=10Ω,h=10m,di/dt=100KA/2.6μs
则 UL=1.67×10×100/2.6=642.3 (KV)
UR=100×10=1000KV
UX=1.642MV
此时的地电位升高至1兆伏以上而测试点的电位高达1.642MV将对电子设备造成高电位反击而损坏电子设备。
(1)避雷针引雷时,由于接地体高电位在地面造成的跨步电压对人体可能产生危害。
(2)通过避雷针引下线上的大电流,使其附近平行金属导线上产生的感应过电压:
当避雷针引雷后, 在其引下线周围产生的感应电磁场将波及到附近的平行导线上,从而产生感应过电压Um,可表示为:
Um=0.2(LN(1000/a)-1/2)×di/dt×10-6 (KV/m)
设 a=10m,di/dt=100KA/2.6μs
则 Um=31.6(KV/m)
以避雷针为中心的不同半径范围内的平行导线感应过电压列于下表:
a (m) 5 10 100 200 300 400 500 600
Um (kv) 36.90 31.60 13.90 8.50 5.40 3.20 1.49 0.08
由此可见,以避雷针为中心的500米半径范围内的微电子设备均会遭受到数千伏的这种感应过电压破坏。据有关实例记载, 即使并非设备所处大楼顶上的避雷针引雷,雷闪落于附近数公里外的地面,或是天空云际之间发生雷闪放电,都会酿成电子设备损坏。
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