段弢，李鑫（湖北省防雷中心，湖北武漢，430074）

雷電防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

段弢，李鑫
（湖北省防雷中心，湖北武漢，430074）

進(jìn)入電子信息時代后，雷電災(zāi)害的防護(hù)與以往相比受到人們更多的關(guān)注和重視，在電子信息、航空航天等高科技領(lǐng)域，雷電防護(hù)技術(shù)得到了快速發(fā)展，本文對雷電現(xiàn)象及其引起的災(zāi)害進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對雷電防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行了探討，希望有助于雷電防護(hù)技術(shù)的發(fā)展。

雷電破壞；雷電防護(hù)；發(fā)展趨勢

0 引言

作為一種常見的自然現(xiàn)象，雷電十分頻繁地出現(xiàn)在我們的日常生活中，具有出現(xiàn)范圍廣泛、發(fā)生頻率高、以及破壞強(qiáng)度大等顯著特點(diǎn)。在世界范圍內(nèi)，雷電現(xiàn)象引起的自然災(zāi)害數(shù)量位居前十，每年由于雷電災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)十億美元之巨[1]。作為一種獨(dú)特的自然現(xiàn)象，雷電現(xiàn)象發(fā)生時產(chǎn)生的強(qiáng)大瞬時電磁脈沖，會對建筑物等地面設(shè)施造成嚴(yán)重破壞。

隨著計算機(jī)信息技術(shù)的快速發(fā)展，信息產(chǎn)業(yè)成為現(xiàn)代社會的支柱產(chǎn)業(yè)，自動控制設(shè)備、計算機(jī)通信設(shè)備等各種各樣的電子設(shè)備和系統(tǒng)在各產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，雷電現(xiàn)象對社會生產(chǎn)造成的破壞和影響越發(fā)嚴(yán)重[2]。因此，如何有效防范和減少雷電現(xiàn)象造成的破壞和損失成為現(xiàn)代社會關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。近年來，我國在雷電災(zāi)害防護(hù)方面通過采取積極有效的措施，取得了明顯成效。在本文中，筆者將對雷電防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展情況進(jìn)行探討。

1 雷電活動的特征

雷電現(xiàn)象是指在強(qiáng)對流天氣情況下出現(xiàn)的在雷雨云層之間或者在雷雨云層和地面之間出現(xiàn)的瞬間放電過程。通常在雷電現(xiàn)象發(fā)生時，會產(chǎn)生巨大的瞬間放電電流，形成猛烈的高溫沖擊波，雷雨云層內(nèi)部的電磁場瞬間產(chǎn)生劇烈變幻，伴隨而至的還有強(qiáng)大的電磁輻射等一系列的物理變化，造成嚴(yán)重破壞，屬于典型的自然氣象災(zāi)害。

雷電通常可以分為三種，即直擊雷、感應(yīng)雷和球形雷。直擊雷通常指的是在帶電云層和大地局部區(qū)域之間發(fā)生的劇烈放電現(xiàn)象。感應(yīng)雷，又稱二次雷，是由于電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)的作用，帶電云層會使與之相對應(yīng)的地面局部區(qū)域內(nèi)攜帶相反的電荷，通常來說，直擊雷發(fā)生時，放電云層所攜帶的電荷會在放電過程中迅速消失，但是地面局部范圍內(nèi)由于電阻較大，電荷的散流速度較慢，會出現(xiàn)局部范圍內(nèi)的高電位，產(chǎn)生電擊現(xiàn)象；或者在直擊雷放電過程中產(chǎn)生的電磁脈沖會對其影響區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)線或金屬結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，從而出現(xiàn)高電位，產(chǎn)生的電擊現(xiàn)象。在雷電天氣過程中，雷電云層內(nèi)部或者雷電云層和地面之間產(chǎn)生放電現(xiàn)象時，在放電通道周邊區(qū)域會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁感應(yīng)和雷電云層電場而導(dǎo)致的靜電感應(yīng)現(xiàn)象，致使地面建筑物上的金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)雷電高電壓，當(dāng)雷電高電壓通過建筑物內(nèi)的電源線引入室內(nèi)則會發(fā)生室內(nèi)放電，產(chǎn)生的瞬間高電流會嚴(yán)重破壞室內(nèi)的電子設(shè)備、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備等裝置。感應(yīng)雷發(fā)生時雖然沒有直擊雷那么猛烈，但是發(fā)生概率卻遠(yuǎn)高于直擊雷。球形雷產(chǎn)生時，通常會形成一個發(fā)光的球體，比較常見的顏色是橙色或者紅色，偶爾也會出現(xiàn)黃色、綠色或者藍(lán)色。統(tǒng)計結(jié)果表明，球形雷的發(fā)生比例占全部類型雷電現(xiàn)象中的13.7%，且一般多出現(xiàn)在強(qiáng)雷暴天氣情況中普通閃電發(fā)生最為頻繁的時段[3]。

2 雷電活動引起的災(zāi)害分析

雷電活動引起的災(zāi)害通?？梢苑譃橹苯有?yīng)和間接效應(yīng)兩種，直接效應(yīng)是由于雷電現(xiàn)象直接造成的破壞損失災(zāi)害，而間接效應(yīng)則是由于雷電現(xiàn)象發(fā)生時產(chǎn)生的電磁效應(yīng)而導(dǎo)致的電子設(shè)備等裝置的破壞。本文從直擊雷和感應(yīng)雷兩種不同雷電現(xiàn)象作為切入點(diǎn)，對雷電活動引起的災(zāi)害進(jìn)行分析。

直擊雷引起的災(zāi)害通常是由于雷電活動產(chǎn)生的熱效應(yīng)、電效應(yīng)以及機(jī)械力所造成的。直擊雷發(fā)生時，會產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬間電流，其電流值可以達(dá)到數(shù)十甚至上百安培，如此之高的雷電電流會導(dǎo)致雷電點(diǎn)擊部位產(chǎn)生高溫，可將金屬融化、易燃物點(diǎn)燃[4]。因此，當(dāng)雷電電流進(jìn)入到室內(nèi)的供電線路中時，其產(chǎn)生的高溫會使室內(nèi)電源線路融化、燒壞用電設(shè)備、甚至有可能將室內(nèi)的易燃物品點(diǎn)燃，以上均屬于典型的由于直擊雷熱效應(yīng)引起的災(zāi)害。在直擊雷產(chǎn)生時，雷電云層放電過程的雷電電流經(jīng)過載流導(dǎo)體時會產(chǎn)生電動力，造成破壞。經(jīng)典電磁學(xué)理論表明，在通電導(dǎo)體周圍存在著電磁場，而電磁場內(nèi)的通電導(dǎo)體則會受到電磁力的作用。在電磁力的作用下，兩根通電導(dǎo)體之間或出現(xiàn)相互吸引、不斷靠近的現(xiàn)象，或出現(xiàn)相互排斥、彼此分離的現(xiàn)象。因此，在雷電現(xiàn)象發(fā)生過程中，兩根導(dǎo)線之間會出現(xiàn)變形，嚴(yán)重時甚至?xí)霈F(xiàn)折斷。當(dāng)載流導(dǎo)體通過雷電電流時，若產(chǎn)生的電磁力足夠大，將會對載流導(dǎo)體產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。直擊雷所引起的機(jī)械力造成的破壞通常是指雷電過程中產(chǎn)生的雷電流在建筑物或者樹木內(nèi)部造成的內(nèi)部破壞壓力或者其產(chǎn)生的沖擊力而導(dǎo)致的破壞。

感應(yīng)雷所引起的災(zāi)害通常是由于電磁感應(yīng)或靜電感應(yīng)現(xiàn)象造成的。雷電引起的電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)造成的破壞是雷電間接效應(yīng)的典型表現(xiàn)，其通常會造成建筑物內(nèi)的電子設(shè)備或者電子電路破壞，嚴(yán)重時甚至?xí)a(chǎn)生人員傷亡，與直接效應(yīng)相比，具有更大范圍的破壞性。在雷電現(xiàn)象產(chǎn)生時，如果一些建筑物頂部覆蓋有大面積的金屬，由于靜電感應(yīng)的作用，會在金屬表面產(chǎn)生與云層帶點(diǎn)電荷電性相反電荷。一般來說，云層所帶電荷為負(fù)電荷，而建筑物頂部覆蓋金屬所攜帶的電荷為正電荷，如果建筑物頂部金屬與大地絕緣，或者某個接地位置斷開或電阻過大，極容易造成局部高壓放電，危及建筑物內(nèi)的設(shè)備及人員安全。此外在雷電放電過程中，雷電電流會在建筑物內(nèi)的電源線路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，如果此時電源線路內(nèi)部某些區(qū)域出現(xiàn)接觸不良或者局部電阻值過大，則會產(chǎn)生局部高溫，可能會引燃電線線路周邊堆放的易燃物品，造成安全事故。

3 雷電防護(hù)技術(shù)的研究與應(yīng)用

3.1 直擊雷防護(hù)技術(shù)

電子系統(tǒng)的許多設(shè)備通常安裝在室外，發(fā)生直擊雷災(zāi)害的概率較大。而電子系統(tǒng)一旦發(fā)生直擊雷災(zāi)害，輕則造成電子設(shè)備損壞，數(shù)據(jù)滅失，重則造成人員傷亡，因此，對于直擊雷災(zāi)害的防護(hù)技術(shù)是雷電防護(hù)研究的首要內(nèi)容。

直擊雷的防護(hù)通常通過外部防護(hù)的方式實現(xiàn)，即需要借助安裝外部防護(hù)裝置系統(tǒng)，其一般由避雷針、引下線、接地裝置等若干部分組成。工作原理為通過避雷針將雷電電流引入下引線和接地裝置，最終將雷電電流引入大地，從而避免造成對建筑物及其內(nèi)部電子設(shè)備的破壞。直擊雷防護(hù)的前提是基于被保護(hù)建筑物的實際情況，依據(jù)國家相關(guān)防雷規(guī)范進(jìn)行科學(xué)分類，并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)本地區(qū)雷電災(zāi)害發(fā)生情況，選擇類型合適的避雷針，科學(xué)測算下引線的長度、橫截面積以及接地裝置的結(jié)構(gòu)。

3.2 感應(yīng)雷防護(hù)技術(shù)

感應(yīng)雷電技術(shù)的防護(hù)關(guān)鍵在于如何有效減少電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)現(xiàn)象對建筑結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的電子設(shè)備、電子線路等的影響和破壞，依據(jù)電磁學(xué)理論，可以采取在建筑物外部加裝籠式避雷網(wǎng)的方式，達(dá)到防護(hù)目的?；\式避雷網(wǎng)可以有效降低雷電過程中產(chǎn)生的電磁波對建筑結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的影響，從而達(dá)到保護(hù)建筑物內(nèi)部電子設(shè)備的目的，同事還具有分流和均壓的效果。

3.3 等電位連接技術(shù)

等電位連接技術(shù)采用阻斷雷電電流通路的方式，實現(xiàn)對建筑物內(nèi)部設(shè)施的保護(hù)。等電位連接技術(shù)使用等電位連接導(dǎo)體將建筑物內(nèi)的各種電子設(shè)備和分開的導(dǎo)電裝置連接，通過減少導(dǎo)電裝置和內(nèi)部電子設(shè)備之間在雷電現(xiàn)象發(fā)生時的電位差，達(dá)到保護(hù)目的。

4 發(fā)展趨勢

近年來，大規(guī)模電子集成電路系統(tǒng)在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、電子設(shè)備等信息產(chǎn)業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，因此，如何有效避免雷電災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失變得更為重要，建立全國范圍內(nèi)的雷電防護(hù)網(wǎng)絡(luò)體系對于防雷減災(zāi)具有十分重要的現(xiàn)實意義。

預(yù)防雷電災(zāi)害更重要的環(huán)節(jié)在于如何對雷電現(xiàn)象的發(fā)生進(jìn)行有效預(yù)報。未來可以通過采用雷電監(jiān)測儀器，對雷電發(fā)生的具體位置、雷電強(qiáng)度、作用時間等雷電現(xiàn)象關(guān)鍵信息進(jìn)行有效監(jiān)測，通過雷電理論等相關(guān)氣象學(xué)知識對未來可能產(chǎn)生的雷電現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測，為雷電災(zāi)害的重點(diǎn)防護(hù)單位提供科學(xué)預(yù)警服務(wù)。此外，還可通過對本地區(qū)雷電現(xiàn)象的實際發(fā)生情況進(jìn)行觀測記錄，對相關(guān)的雷電預(yù)報分析系統(tǒng)內(nèi)所采用的預(yù)報數(shù)值模型進(jìn)行修正，不斷提高雷電災(zāi)害預(yù)報的準(zhǔn)確度。

5 結(jié)論

雷電防護(hù)技術(shù)作為一項系統(tǒng)工程，其關(guān)鍵在于如何有效的防止和抑制雷電現(xiàn)象造成的各種破壞。在實際生活中，應(yīng)當(dāng)重視雷電防護(hù)理論和實際應(yīng)用的有效融合。本文中對雷電活動的特征及其產(chǎn)生的災(zāi)害進(jìn)行了詳細(xì)闡述，對雷電防護(hù)技術(shù)及應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹，分析了雷電防護(hù)技術(shù)未來的發(fā)展趨勢，希望通過對雷電防護(hù)技術(shù)的探討，能夠?qū)嶋H生活中雷電防護(hù)工作有所幫助。

[1]石亞寧.淺析雷電災(zāi)害的影響以及預(yù)防[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2008,23:156-158.

[2]李文選.雷電及其災(zāi)害的預(yù)防[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2009,02:292+294.

[3]廖錫源,李敬源.雷電的危害及預(yù)防措施[J].氣象研究與應(yīng)用,2009,S1:159+161.

[4]袁立新.雷電的生成、運(yùn)行和避雷[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,04:132-136+140.

Application and development of lightning protection technology

Duan Tao, Li Xin
(Hubei Provincial Lightning Protection Center, Wuhan Hubei,430074)

After entering the era of electronic information, lightning protection compared with previous get more attention and importance to people, in the field of electronic information, aerospace and other high-tech, lightning protection technology obtained the rapid development, in this paper, the phenomenon of lightning disasters and its cause are introduced in detail, and the application and development of lightning protection technology are discussed in this paper, in the hope of contributing to the development of lightning protection technology.

thunder and lightning; Lightning protection; The development trend