浅析雷电的形成、危害与现代防雷技术

浅析雷电的形成、危害与现代防雷技术
在自然界中，雷电一种正常的天气现象，然而如果其发生在与人类活动密切相关的区域时，就构成了人们常说的灾害性天气现象。

就目前的技术而言，没有有效的方法可以避免雷电的发生，因此采取措施对建筑物、人类等进行有效防护是可行度较高的，可以最大可能地减少雷电造成的损失。

文章首先对雷电的形成机制进行了简要的探讨，并从雷电常见的危害形式着手，结合实例分析了不同类型雷电的危害，最后对不同雷电危害提出了具体的防护方法。

标签：雷电；直击雷；防雷
雷电是大气系统中最为常见的天气现象之一。

据统计在世界范围内，每秒钟发生的雷电次数就多达上百次，而一年平均的雷电发生次数超过了30多亿次[1]。

雷电伤人事故也屡见不鲜，全球每年雷击死亡的人数超过万人。

因此，国际相关机构将雷电灾害列入十大严重自然灾害之中一。

1 雷电的形成机制与类型
1.1 雷电的形成过程
作为一种常见的极端天气现象，大气中雷电的产生主要是积雨云在气流的和压力的作用下，互相之间运动过程中不断摩擦生电，使云层携带了不同程度富集的电荷。

同时，云层底部的建筑物、高大植物等由于静电效应带有与云层相反的异性电荷。

由物理学知识即可以知道，云层中的电荷不断积累，导致的一个结果就是其所携带的电压不断增大，如果此云层运移到与地面明显隆起处时，由于二者之间场强高达25～30kv/cm，就会引发猛烈的放电过程，伴随有强光出现。

放电过程出现了26000℃以上的高温，加热周围空气使之膨胀而爆炸产生剧烈的轰鸣声，以上即为闪电与雷鸣的发生过程[1]。

1.2 雷电常见类型
以闪电的形态特征来看，雷电可以分为：联珠状、带状、线状、片状以及球状闪电五种。

五种闪电中以线状闪电为常见类型。

以发生闪电的空间位置来看，雷电主要有发生在云内的闪电、发生在云层之间的闪电以及晴空闪电、云地闪电等四种。

第四种是发生在云与大地之间，简称地闪，对人类的关系最密切，是防雷研究的主要对象。

前二种合称为云闪，对人类也是有关系的，特别是20世纪以后，随着科技的发展，雷电发生对航空航天、通讯及微电子设备产生影响越来越显著。

一般见到的线状闪电，其实每次人眼见到的一个分叉很多的线状闪电包含几次火花放电，每次闪电间隔时间为几分之一秒，人眼由于视觉暂留效应是无法区分的。

但是用转动照相技术，可以从照相底片上看出每次闪电的实际组成的火花放电次数。

2 雷电造成的危害
2.1 直击雷及其危害
这种雷电是带电云层和地面隆起物间的放电过程。

直击雷杀伤巨大，可以几秒内使人畜毙命。

同时放电过程会产生上百万伏的电压，直接危害地面的发电机与电力设施，甚至引发大面积的停电事故，雷电放电短时产生的热量足以使线路发生短路，进而引发火灾甚至爆炸事故。

2006年11月21日，美国哥伦比亚东北部的北桑坦德省一个小镇发生了严重的雷电伤人事件，其中5人当场死亡，28人被雷电击伤。

1996年7月10日，我国湖北省随州市的黄坑体育场也发生了雷电袭人事件，当时场内正在进行足球赛，这次事故造成2人当场因雷击死亡[2]。

2.2 雷电感应及其危害
静电感应与电磁感应是雷电感应中最常见的两种。

当带有大量电荷的云层离地表某凸起物很近時，这时地面凸起物的顶部会因电荷之间互相作用而聚集大量与云层相反的异性电荷。

当带电云层发生放电过程后，凸起物顶部的电荷会立即因失去异性电荷的束缚而沿凸起物快速传播。

并且产生的磁场可以在凸出物附近的金属导体表面产生极高的电压，如果与人畜或电气设备接触，发生二次放电，危机生命安全及破坏设备。

在1992年6月下旬，我國的国家气象大楼顶上被一个能量巨大的落地雷击中，虽然先期已经进行了必要的避雷设施安装，然而能量巨大的这个雷电仍破坏了7条电视转播线路，同时致使计算机瘫痪超过46小时，造成损失巨大[3]。

2.3 球形雷电危害
顾名思义，球形雷电的形状呈球状或椭球状火球，产生时自身带极亮白光或者红光。

据统计，球形雷的大致以2m/s速度运移。

而且其最大的特点是“无孔不入”，可以通过门、窗户及烟囱等进入室内，对房屋和人身造成危险。

1978年8月的一个晚上，5名前苏联登山队员正在山上宿营，一个乒乓球大的褐红色火球突然进入帐蓬，在其漂浮于离地1m半空中，然后又突然钻进登山队员的睡袋，严重灼伤了熟睡的人员，此次雷击事故造成1人灼烧致死，其余4人烧伤严重[2]。

2.4 侵入波的危害
侵入波是雷电击中输电线路或者建筑物而定金属材料，产生的强大电压与电流会沿着输电线路及金属材质管道快速传递，而对输电线路本身及用电器造成破坏。

雷电侵入波是最为常见和影响最大的雷击危害之一，据统计，低压天气系统的总雷害事故中，雷电侵入波事故占到了七成以上[3]。

比如，雷电侵入波造成室内电器发生损坏甚至爆炸。

最为常见是人们在使用电话时遭雷电袭击身亡等事故。

3 雷电防护技术
3.1 关于直击雷
建筑物上最常见的避雷措施是装配避雷针。

输电线路一般安装专用的避雷线。

从完整程度上讲，防雷装置应包含接地装置、接闪器和引下线。

引下线应尽可能短，满足机械强度，耐腐蚀和热稳定的要求。

一般要求接地电阻不超过10Ω。

特别要注意的是，如果金属材质封闭罐放置在露天环境且有爆炸危险，那么就必须装配接地措施，而且接地应该大于两处，接地间距小于30m为宜。

3.2 感应雷防护
建筑防止静电感应的措施是，在其金属材质的设备、管道、构架及电缆外部使用橡胶等包裹保护，同时对于伸出建筑物的金属管道必须与相关防雷电感应的接地连接起来。

对于电磁感应的防护措施，建筑物上的管道应该平行铺设，而且如果金属结构构件及线缆之间的距离小于100mm时，必须在其间跨接金属线，如果交叉金属构件之间距离不足100mm时，也应采用跨接金属线措施[3]。

3.3 雷电侵入防护
雷电侵入的最佳防护措施是电缆地埋供电，金属外皮在进户处接地。

金属管道在进入用户的地方及邻近100m范围内，安装1-4处接地装置[4]。

在电源和电子线路上安装避雷器。

3.4 人身防雷的措施
（1）雷电伤人的方式。

首先是直接雷击，闪电直接袭击到人体。

其次是接触电压，当雷电电流通过高大的建筑物、树木、金属构筑物等泄放下来时，人不小心触摸到这些物体时，发生触电事故。

再次是旁侧闪击，当某个物体遭雷电击时，如果人就在该物体附近，雷电电流就会在人头顶高度附近，将空气击穿，再经过人体泄放下来，使人遭受袭击。

最后是跨步電压，当雷电从云中泄放到大地时，就会在泄放点周围产生一个电位场，从而在人的两脚间就产生电压，也就有电流通过人的下肢。

2004年7月23日下午2时多，居庸关一带突然下起了雷阵雨，伴着雨水，天空不时传来电闪雷击。

大部分没有带雨具的游客烽火台里避雨，烽火台内至少挤着近百名游客。

下午2时40分左右，一道闪电直扑烽火台。

目击者称，靠近烽火台窗口的人，全部都倒下了[5]。

（2）户外防雷。

尽量离开海滨、湖滨、河边、池旁。

因为在水中和水边被雷电击死、击伤事故发生的概率特别高。

不要在雷雨中使用手机，且在雷爆时最好穿不透水的塑料雨衣，可以在与避雷装置顶成45°夹角的圆锥范围内躲避。

可在汽车、船只或有防雷保护的建筑物内躲避，最好是躲在山洞的里面，并且尽量躲到山洞深处，两脚也要并攏，身体也不可接触洞壁。

（3）室内防雷。

关闭门窗，以防直接雷击或雷球进入，尽量远离门窗、阳台和外墙壁，以防雷击所处时房屋，遭受接触电压和旁侧闪击的伤
害。

雷电天气要避免直接触摸家里任何金属材质的管线。

同时也要避免在雷雨天气洗澡，尤其是不要使用太阳能热水器洗澡。

不要使用任何家用电器，且在户内尽量离开电源线、电话线、电视机天线、以及与其相连的设备1.5m以上。

4 结束语
自然界中的灾害类型多种多样，就突发性而言，雷电灾害是具代表性的。

在世界范围内有些雷电频发的地区，雷电灾害甚至被神化。

自从二百多年前美国科学家发明避雷针，建筑物从此避免了雷电威胁。

现实生活中，一方面需要时刻注意防雷工作，确保生产生活的安全运行；另一方面也需要不断改进防雷措施和技术水准，配合有严格的管理制度。

如果估计到管理人员的素质达不到管理制度的要求，那就必须在技术设计中顾及这种问题，迫使管理人员难以惹出灾祸来。

参考文献：
[1]王道洪，郄秀书，郭昌明.雷电与人工引雷[M].上海交通大学出版社，2000.
[2]肖稳安张小青.雷电与防护技术基础[M].气象出版社，2006.
[3]刘佼，肖稳安，陈红兵.全国雷电灾害分析及雷灾经济损失预测[C]//中国气象学会年会，2011：21-26.
[4]张敏锋，刘欣生.我国北方地区雷电活动的时空特征[J].高原气象，2000，19（3）：277-284.
[5]梅贞，陈水明，顾勤炜，等.1998～2004年全国雷电灾害事故统计[J].高电压技术，2007，33（12）：173-176.。