雷电的形成、防护及其应用

雷电的形成、防护及其应用 雷 电 形 成 原 理 及 雷 电 灾 害 防 御 措 施 210631班 肖楷伦 雷电形成原理 随着高层建筑的不断涌现和电子信息系统的广泛应用，雷电灾害也日益成为人们日常生活中的重要危害之一。每年夏季，全国各地都会发生雷击灾害事故，诸如电子信息系统遭到破坏、通讯中断、建筑物被毁、甚至危急人的生命安全，因此造成不可估量的经济损失。在此，仅从雷电的形成、雷击灾害的形成以及如何防御雷击灾害等方面作如下简析，用以提醒人们不可小视雷电危害，利用科学知识防御雷击灾害，将雷击灾害的损失降到最低限度。 1、雷电的形成 雷电是云内、云与云之间或云与大地之间的放电现象。夏季的午后，由于太阳辐射的作用，近地层空气温度升高，密度降低，产生上升运动，在上升过程中水汽不断冷却凝结成小水滴或冰晶粒子，形成云团，而上层空气密度相对较大，产生下沉运动，这样的上下运动形成对流。在对流过程中，云中的小水滴和冰晶粒子发生碰撞，吸附空气中游离的正离子或负离子，这样水滴和冰晶就分别带有正电荷和负电荷，一般情况下，正电荷在云的上层，负电荷在云的底层，这些正负电荷聚集到一定的量，就会产生电位差，当电位差达到一定程度，就会发生猛烈的放电现象，这就是雷电的形成过程。雷电电荷在放电过程中，产生很强的雷电电流，雷电电流将空气击穿，形成一个放电通道，出现的火光就是闪电。在放电通道中空气突然加热，体积膨胀形成爆炸的冲击波产生的声音就是雷声。 2、雷击灾害的形成 云内和云与云之间的放电，叫云间闪电或云闪，云与大地之间的放电，叫云地闪电或地闪。云闪因其不能到达地面，一般不会对人类活动造成影响，对人类活动造成影响的主要是地闪。地闪发生时，产生的雷电流从云中泄放到大地，在其泄放通道上造成的危害即雷击灾害。当雷电流从云中泄放到大地时，直接打在建筑物、构筑物及人畜身上，产生电效应、热效应和机械力，造成毁坏和伤亡，称之为“直击雷”;当雷电流从云中泄放到大地时，在其泄放通道周围产生电磁感应向外传播或直接通过导体传导，导致在影响范围内的金属部件、电子元件和电气装臵，受到电磁脉冲的干扰而毁坏，称之为“雷击电磁脉冲”。我国是雷击灾害多发地区，每年都会因雷击灾害造成众多的人员伤亡和巨大的经济损失，因此做好防雷减灾工作，将雷击灾害降低到最低限度，尤为重要。 3、雷电活动规律及雷击的选择 (1)我国年平均雷电日数按地理环境的分布 a、南方多于北方;b、内陆多于沿海;c、山地多于平原;d、在其它条件相同时，土壤导电性较差的地区雷电活动较弱。 (2)雷击与地质条件的关系 a、电阻率小的土壤，导电性好，易积聚大量电荷，为雷电流提供低阻抗通道;b、闪电放电通道常常不是直线，而是曲曲折折的;c、地下埋有金属导电矿床处，金属管线较密集的地方易落雷;d、地下水位高、矿区、小河沟、地下水出口处易受雷击。 (3)雷电活动与地形、地物的关系 a、在距地面二三十米的突出物上方发生雷击的概率最大;b、对靠山和临水的地区，临水一面的地洼潮湿地和山口、风口、顺风的河谷的特殊地形构成的雷暴走廊的地方易受雷击;c、电线杆、铁路、架空电线和避雷针(线、带、网)接地引下线都是雷雨云对地放电的最 佳通道。 3、雷电的危害种类 根据雷电产生和危害特点的不同，雷电危害可以分为直击雷、雷电感应、雷电波侵入以及比较少见的球形雷等。 直击雷:当雷电直接击在建筑物上，强大的雷电流使建(构)筑物水份受热汽化膨胀， 从而产生很大的机械力，导致建筑物燃烧或爆炸。另外，当雷电击中接闪器，电流沿引下线向大地泻放时，这时对地电位升高，有可能向临近的物体跳击，称为雷电“反击”，从而造成火灾或人身伤亡。 雷电感应:雷电感应又称感应雷，它又分为静电感应和电磁感应。静电感应是雷云接近地面时，在地面凸出物的顶部感应出大量异性电荷，在雷云与其他部位或其他雷云放电后，凸出物顶部电荷失去束缚，并以雷电波的形式高速传播而形成的。电磁感应是发生雷击后，雷电流在周围空间产生的迅速变化的强磁场在附近金属导体上感应出很高的电压形成的。 雷电波侵入:由于雷击，在架空线路或空中金属管道上产生的冲击电压沿线路或管道的两方向迅速传播的雷电波称为雷电波入侵。其传播速度为300 m,μs(在电缆中为150 m,μs)。 球形雷:多在强雷暴雨时闪电最频繁的时候出现。球雷火球可辐射出大量的热能，因此它的烧伤力比破坏力要大。五、雷电的防护 4、相关小常识 1、雷电击中人体的征兆 当你站在一个距雷击较近的地方如高闪上，如果感觉到毛发竖立，皮肤有轻微的刺痛， 这就是雷电快要击中你的征兆。遇到这种情况，你应立即弃去身上所有金属物，并马上蹲下来，身体倾向前，把手放在膝盖上，曲成一团，千万不要平躺在地上。 2、雷电容易袭击的对象——雷击的选择性 雷击具有明显的选择性。高大和突出的建筑物，容易导电的物体，潮湿地带以及容易导 电的地层等，受雷击的可能性较大。建筑物遭雷击是常事，建筑物越高，顶部越尖，遭雷击的机会就越多。雷击也经常发生在水位高和特别潮湿的地带，如河床、池沼、盐场、苇塘等处。地下水出口和金属管线集中的交叉地点，铁路集中的枢纽、铁路终端和高架输电线的拐角处也容易落雷。此外，收音机天线、电视机天线和屋顶上的各种金属突出物，如旗杆等，较易接闪。 3、人体遭雷击后的急救 人体遭雷击后，流过人体的电流会使人的心脏停止跳动，呼吸停止，这时应尽快做人工 呼吸和心脏按摩进行抢救。在抢救过程中，要注意给受害者取暖，以减少体能的消耗。进行人工呼吸和心脏按摩必须连续进行，中间不能停顿，直至受害者能够完全恢复呼吸和心脏跳动或者证实死亡为止。如果一群人被雷击，应先抢救那些无法发出声息的人。 4、雷电的益处 但是不要以为雷电所带给人类的只有危害，其实它也有许多有益之处。 第一:负氧离子增多，改善空气质量。一场雷雨过后，空气中的气体分子在雷电的作用下，能够离解出带负电的负氧离子，对人体健康非常有利。 第二:缓解高温干旱。一般来说夏季我市处于副热带高压的控制下,天气持续晴热少雨,往往产生一定程度的旱情,雷阵雨天气所带来的降水，对于缓解旱情、湿润气候、改善环境都有一定的好处。而且雷阵雨天气的发生，一般也意味着高空有冷空气渗透，副热带高压处于不稳定状态，在一场雷阵雨过后，滚滚热浪也将得到一定程度的缓解。 第三:固氮增肥。在雷电的放电作用下,空气中的氮气和氧气发生反应,生成的硝酸与土壤接触,生成硝酸盐,可以被植物当作氮肥吸收,所以也有"雷雨发庄稼"之说。据统计， 一年当中地球上每一公顷土地都可获得几公斤这种从高空来的免费肥料。 雷电灾害的防御措施 1、雷暴距离的判断 雷暴产生时，闪电和雷声是同时发出的，由于光在空气中的传播速度是每秒30万千米，而声音的速度是每秒340米，那么，我们可以根据看到闪电和听到雷声之间的间隔时间来计算落雷点与人之间的距离。如果间隔时间是5秒钟，示雷击发生在离人约1700米左右的位臵;如果是1秒钟，也就是一眨眼的时间就听见雷声，说明雷击位臵就在人附近300米左右。当遇到雷暴天气时，我们可以记住每次听到雷声与看见闪电的时间间隔是越来越长，还是越来越短，以此来判断雷暴是逐渐远离，还是即将临近，从而采取一定的防范措施。 2、雷电伤人的几种方式及急救措施 雷电对人的伤害方式，归纳起来有四种形式，即:直接雷击、接触电压、旁侧闪击和跨步电压。雷电对人的危害与普通高压线路危害类似，只是危害程度更严重，因此一旦发生这种情况，要立即对伤者进行抢救。 人被雷击中后，雷电电流通过人体泄放到大地是一个很短暂的过程，伤者身上是不带电的，这时不必担心施救者被电击。急救措施也类似于被电击后的急救方法，将伤者平躺在地，在进行口对口的人工呼吸，同时要做心外按摩。另外，要立即呼叫急救中心，由专业人员对受伤者进行有效的处臵和抢救。 3、防止雷击的措施 (1)室外防雷 根据发生雷击灾害的规律及原理，孤立的物体或者物体的突出部位容易遭受雷击，因此，户外防雷应注意:a、在空旷地区，不要进入临时性的棚屋、岗亭等无避雷设施的建筑物内。b、不可躲在大树下避雨，若不得已需要在大树下停留，必须与树干和枝丫保持两米以上距离，并尽可能下蹲，双脚并拢。c、不要触摸金属或潮湿物体，随身携带的金属物件(项链、耳环等)也应尽量移开身体，以免成为引雷的介质。d、不宜使用移动电话和电子仪器。e、不宜在旷野高举或肩扛雨伞、铁锹等高于身体的尖状物。f、在户外活动的人应尽快回屋或躲进汽车内。 (2)室内防雷 室内发生雷击事故一般都是雷电流通过雷击电磁脉冲的形式对电器和人造成危害，因此，室内防雷应注意:a、要关闭好门窗，防止直接雷击和球形雷的入侵，尽量远离门窗、阳台和外墙壁。b、雷雨期间不要使用任何家用电器，包括:电视、电脑、电冰箱、洗衣机、微波炉等，切断电源，特别注意电视信号线和电脑网线(这两根线较隐蔽，容易忽视);c、雷雨期间不要打电话，如必须打时要使用免提功能;d、不要在家里洗澡，更不要使用太阳能热水器洗澡。 4、雷电防护的重要意义 由于造成雷击灾害的形式不同，防御雷电采取的措施也不同，目前的防雷工作主要有两类，一类是建筑物防雷，防御直接雷击，由接闪器、引下线、接地装臵三部分组成，在建筑物顶部安装避雷针、避雷带或避雷网等接闪器，并通过引下线与接地装臵连接，达到保护建筑物不受直接雷击的目的，另外还将建筑物内部的金属管道、金属门窗、吊顶龙骨与引下线连接，有效保护建筑物内部安全;一类是信息系统防雷，防御雷击电磁脉冲，在电路线、信号线及天馈线上穿接避雷器，并通过引下线与接地装臵连接，这样一旦有雷电流侵入，能通过避雷器迅速泄入大地，从而保护电子设备不受损害。对于智能建筑物，则采取综合防护措施，既防御直接雷击，也防御雷击电磁脉冲。值 得注意的是，不管防护措施做得有多好，也不可能100%的防御雷击，只能将雷击灾害降低到最低限度。而对雷暴本身产生的冲击波是没有办法防御的，只能将建筑物的牢固度、抗震性提高到最高限度，才能避免雷暴冲击波的影响。 相关知识 1、雷暴的时间分布参数 ?雷暴日 表征不同地区雷暴活动的频繁程度。 雷暴日:指该天发生雷暴的日子，即在一天内，只要听到雷声一次或一次以上的就算一个雷暴日，而不论该天雷暴发生的次数和持续时间。 雷暴日的统计通常分月雷暴日、季雷暴日和年雷暴日等。 ?平均雷暴日 分平均月雷暴日、平均季雷暴日和平均年雷暴日。 平均月雷暴日指月雷暴日的多年平均结果，单位天;它进一步反映全年各个月份雷暴活动日数的多年平均情况。 平均季雷暴日是指季雷暴日的多年平均结果，单位天。 平均年雷暴日是指年雷暴日的多年平均结果，单位天。它反映一个地区雷暴的活动日的多年平均情况，更接近实际，在雷暴气候统计中常被使用。 ?雷暴小时 雷暴时:日雷暴时、月雷暴时、季雷暴时和年雷暴时。 平均雷暴时:平均日雷暴时、平均月雷暴时、平均季雷暴时、平均年雷暴时。 逐时年雷暴时:逐时年雷暴时和平均逐时年雷暴时。 ?雷暴月 雷暴月，年雷暴月，平均雷暴月 ? 雷暴季节 雷暴季节，平均雷暴季节 ? 雷暴持续时期和平均雷暴持续时期 ?闪电持续时间与雷暴日的关系 闪电引起输电线的故障与雷暴的持续时间较为密切。 Kopolansky和Laitinen(1972)根据前苏联台站9年的观测资料研究得到年雷暴时与雷暴日的关系 Th = 0.76 Td1.3 式中Th是雷暴小时数。 2、雷电的空间分布参数 地面落雷密度 对于雷电放电来说，云与云之间的放电次数多于云对地放电次数，而上述雷暴日或雷暴小时对于这一事实没有加以区分。从防雷角度，地闪发生的频数是确定地闪对人类和建筑物的最重要的参数。 雷云对地放电的频繁程度，用地面落雷密度Ng来表示。其定义是每个雷电日每平方公里上的平均落雷次数，又称闪电频数。 总的闪电密度为地闪、云闪密度之和。单位为次/km2 秒，或次/km2 年。对一个区域研究，所取面积1000 km2。 ?闪电密度与纬度间的关系 云、地闪之比随纬度减小而增加，日闪电密度随纬度减小而增大， 然而同一纬度的地理环境和气候有很大差异， 如同一纬度的沿海地区的年闪电数比内陆地区高。 Pierce(1962) 提出一个纬度与地闪密度的关系 Ng=(0.1+0.35sin )(0.40 0.20)Td 3、雷电流的波形参数 (1)雷电流的波形 [英]R.H.Golde《雷电》一的记载和近年来大量的观测表明: 雷电流具有单极性的脉冲波形， 大约有80-90%的雷电流是负极性的， 常见的负电流波形前沿呈拱形。 例如，在圣萨尔瓦托山，纽约州府大厦，意大利观测点，匹兹勒宁大教堂和其他高建筑物获得的电流示波记录都显示出相似的拱形前沿。其中在圣萨尔瓦托山测得到达电流峰值的中值时间为 5.5μs。而在意大利观测点测到的时间为7μs。 雷电放电具有重复性，一次雷电平均包括3次至4次放电，通常第一次放电的电流幅值最高，因此第一次放电它对防雷设计至关重要。 图2.9给出了一组负极性雷电第一次放电雷电流实测波形，其纵坐标是以电流最大值作为基值的比值。这里波形B(虚线)是对10次实测取平均而得到的，其时间范围取得较小，以侧重展示雷电流的波前部分;波形A则是对88次实测雷电波形取平均而求得的，其时间范围取得较大，以反映雷电流波形的全貌。 雷电的分类图示 图示 1 a 2a 3 a 4a v 4b r l r v v 1 32b l r b l l r (雷电的分类图示) (雷电的形成图示) 210631班 肖楷伦