“剩磁法”雷電災害定量檢測鑒定技術的研究和應用

1、“剩磁法”雷電災害定量檢測鑒定技術的研究和應用摘 要：應用“剩磁法”定量檢測技術對雷電災害及其現(xiàn)場進行勘查、鑒定和評估，為防雷 設施的有效性評定提供定量的技術指標和定性的判定依據(jù)。關鍵詞：雷電災害；剩磁法；量化指標；判定依據(jù)引言云南是全國雷暴最多的地區(qū)之一，西雙版納的劭胎縣是中國的雷都，云南特殊的地理位 置-低緯高原，一年四季均有雷暴，每年因雷電災害造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失較為嚴重。 雷電災害的物理機制及防御問題一直為人們所關注，因此研究和應用科學的檢測技術方法做 好雷擊現(xiàn)場的勘察，深入分析雷擊成因，加強對雷電災害發(fā)生機理和防御技術的研究是防雷 減災的一項重要工作。制定科學的防雷預案，采取有效

2、的防御措施，減少雷擊災害，維護公 共安全，促進經(jīng)濟建設和社會發(fā)展，是防雷減災工作的重要組成部分。1雷電災害及特點雷電災害通常指：因大氣放電產(chǎn)生直擊雷、雷電感應對各種fi標物所產(chǎn)生的物理效應而 造成的直接危害和間接危害。隨著全球氣候變暖，極端氣象事件增多。云南雷電災害的特點及英彫響與以往相比有 一定的變化，主要表現(xiàn)為：（1）雷電災害的受災面在不斷擴大，涉及領域不斷增多，造成的危害和損失增大，從 電力、建筑這兩個傳統(tǒng)領域擴展到幾乎所有行業(yè)，特別是與高新技術關系最為密切的領域, 如：通信、計算機、信息網(wǎng)絡等行業(yè)。（2）雷電災害的空間范圍擴大了，從二維空間侵入變?yōu)槿S空間侵入，從閃電直擊和 過電壓波沿

3、線路傳輸，變?yōu)榭臻g閃電脈沖電磁場，從三維空間侵入到任何角落，無孔不入地造成災害。（3）雷擊火災和雷擊傷亡事件大部分發(fā)生在農(nóng)村空曠的野，低矮的建筑物、樹木、 人、畜都成為雷擊的目標，圖1玉溪通海秀山公園百年古樹遭雷擊農(nóng)村防雷形勢嚴峻。據(jù)不完全統(tǒng)計：2004年全省共發(fā)生重大雷擊災害事故592起，其中造成供電故障197 起，人員死亡126人，傷88人，電子、電器設備受損2745臺（套），牲畜死亡121頭（只）， 直接和間接經(jīng)濟損失8900萬元。僅2004年3至12月，昆明市及縣、區(qū)發(fā)生多起電子、電 器設備遭雷擊事故，昆明勝利堂、碧雞坊這些具有城市標志性特征的低矮古建筑物均遭雷擊, 成為媒體和社會關注

4、的熱點，通海秀山公園（見圖1）、西山森林公園、屮科院植物研究所 的古樹多次遭雷擊，古建筑物受損嚴重。農(nóng)村人員遭雷擊傷亡事件頻頻發(fā)生。這些災情的出 現(xiàn)引發(fā)了我們對古建筑物和農(nóng)村防雷工作的思考。因此，根據(jù)雷電災害出現(xiàn)的新情況、新問題，我們必須更新傳統(tǒng)的防雷理念，站在新的 高度來認識和研究雷電災害。2 雷電災害調查、鑒定和評估工作的重要性雷電災害的調查、鑒定和評估是國家防雷減災管理辦法賦予氣象防雷主管機構的工 作職責，也是防雷減災工作的重要組成部分。由于雷電所具有的隨機性、瞬變性、突發(fā)性特 征很強，而復現(xiàn)性很差，而雷災現(xiàn)場確可為防雷工作者提供直觀、生動、觸目驚心的第一手 視覺資料。因此，做好雷擊災情

5、勘察，學握本行政區(qū)域雷電活動的基本現(xiàn)狀、特征和規(guī)律性, 為我們深入分析雷擊成因、研究和制定科學的防雷預案，為大型、重點建設工程、爆炸危險 壞境等建設項目的雷擊風險評估、確保公共安全提供了有力的技術支持。雷擊災情分析加深 了我們對雷電學原理、防雷技術規(guī)范的研究，為科學、合理、有效地利用雷電信息資源、加 強防雷科普知識宣傳，提高公眾防雷減災意識，推進防雷減災事業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展作了良好 鋪墊。3雷電災害調查鑒定工作中存在的問題及解決方法（1）現(xiàn)狀及存在的問題目前對雷擊現(xiàn)場的勘查是根據(jù)現(xiàn)場遺留物的物理特征，視其有無破損、過電流燒蝕、熔 化、熔珠等痕跡來判定該目標物是否遭過雷擊。而大量的雷災現(xiàn)場是沒有任

6、何痕跡的，特別 是在一些無任何防雷設施的現(xiàn)場，常規(guī)檢測方法無從適應。因此，對雷擊災情的鑒定只能根 據(jù)物理特征憑經(jīng)驗判定，沒有科學的技術方法、儀器進行量化技術指標的測定，判據(jù)不充分, 憑經(jīng)驗，主觀隨意性強。特別是在一些特殊的雷擊現(xiàn)場勘查、鑒定工作就顯得很茫然，有些 特殊雷擊案例的鑒定結論，是否經(jīng)得起歷史的檢驗，值得我們深思。（2）解決方法為解決雷電災害調查鑒定工作屮所面臨的上述問題，拓展防雷減災的服務領域，切實履 行防雷減災的工作職責，為此，我查閱大量技術文獻、資料，努力探索和研究新的檢測技術、 方法和原理，尋求有效的檢測手段。通過近4年來對數(shù)十起雷擊現(xiàn)場勘查、對比試驗檢測, 掌握了應用“剩磁法

7、”檢測技術，鑒定雷擊災害的技術原理和方法，并從幾十起不同類別的 雷災事故現(xiàn)場屮總結出各種檢測數(shù)據(jù)，為雷擊災情現(xiàn)場勘察分析、鑒定提供了量化的指標和 參數(shù)，填補了云南省防雷減災工作在該領域的空白，充實了雷電災害現(xiàn)場勘察、檢測的技術 內(nèi)涵，該項技術的應用，為我省雷擊災情鑒定及雷擊風險評估拓展了廣闊的服務空間。4 “剩磁法”的基本原理（1）電流的磁效應通電導體周圍存在著磁場，也就是說電荷移動時，它周圍的空間就會產(chǎn)生磁現(xiàn)象一一電 流的磁效應。在電流通過的路徑周圍產(chǎn)生的磁場，使處于磁場屮的鐵磁體受到磁化作用，當 磁場退出后，鐵磁性物質仍保持一定磁性一一剩磁。這種存在于鐵磁性材料中的剩磁既看不 到、摸不著也

8、嗅不出，但卻可以用儀器檢測到它的存在和量值的大小。處于磁場中的鐵磁體 被磁化，保持磁性的大小與雷電流和磁場的強度有關，通常導線中的電流在正常狀態(tài)下，雖 然也會產(chǎn)生磁場，但其強度小，留在鐵磁體上的剩磁也有限，通常為0.20.4mt之間。當 線路發(fā)生短路或有雷電流經(jīng)過時將會產(chǎn)生異常大的電流，從而出現(xiàn)相當強度的磁場，鐵磁體 也隨之受到強磁化作用，保持較大的磁性。剩磁法就是對大電流產(chǎn)生的磁場使周圍鐵磁性物 質磁化，并在電流消失后仍能保留一定磁性這一特定物理現(xiàn)象的判定方法。（2）雷電流剩磁雷擊產(chǎn)生強大的閃電電流引起電磁場、光幅射等物理效應，這正是我們用于探測和研究 雷電形成機制的有效信息。雷電流剩磁數(shù)值

9、高低不一，在實際現(xiàn)場中比較適于作定性判斷。 根據(jù)實驗和現(xiàn)場實測，剩磁量的大小與雷電流強度成正比關系。一般鐵釘?shù)氖４艦?.7mt、 鐵桶的剩磁為1.2mt,當避雷針上流過20ka電流時，避雷針上的預埋支架、u型卡子等鐵 附件(螺釘、螺母除外)將被磁化到2.()3.0mt,雷電流垂直通過lx2m的鐵板平面，也 使鐵板四角產(chǎn)生2.03.0mt的剩磁。但是避雷針端部的剩磁卻比較低 只有約0.6l.omt, 處于雷電通道的雜散、鐵件、鋼筋、金屬管道剩磁數(shù)據(jù)均在1.5lo.omt之間，上述數(shù)據(jù)為 實驗和雷災現(xiàn)場檢測所得，可作判定參考使用。此項技術可用于測定：%1 引下線至接地體的泄流情況；%1 雷擊現(xiàn)場遺

10、留物的提取及檢測分析；%1 雷電科研，如：對雷電成災規(guī)律的研究，對防雷器件有效性的測試等；%1 為雷電災害的調查、鑒定提供量化的技術指標和定性的判定依據(jù)。5 “剩磁法”雷擊災害定量檢測鑒定技術應用實例任何科學結論都是建立在科學實驗和檢測數(shù)據(jù)的基礎上。應用“剩磁法”檢測技術為雷 電災害的鑒定提供了有效的途徑。筆者帶領有關科技人員，對本行政區(qū)域內(nèi)的不同類別、不 同季節(jié)的建筑物、樹木、戶外作業(yè)人員傷亡、雷擊火災、避雷針被雷擊等數(shù)十起雷擊災情現(xiàn) 場進行了現(xiàn)場勘查和實驗檢測，其結果為雷擊災情分析、鑒定以及防雷設施的有效性評定提 供了量化指標，驗證了采用“剩磁法”檢測技術的有效性、準確性、科學性。(1)昆

11、明市公安消防特勤大隊警犬基地雷擊現(xiàn)場勘查2000年9月13日晚7點30分左右，位于安寧市罐裝鐵路一處的昆明市消防支隊農(nóng)副 業(yè)生產(chǎn)基地附近發(fā)生強雷暴天氣，4名士兵在犬舍工作時，突然一道閃電劃破長空，并伴隨 強烈的震撼聲，強烈的聲響使他們的耳朵有明顯的不適感，同時身體背部有擠壓感。此次雷 擊造成其中一人住院一周，一只種犬被震昏，供電線路10電纜線被雷擊擊斷，日光燈、 照明燈、配電箱、電表等被雷擊損。經(jīng)濟損失近萬元。此次遭雷擊的辦公樓為二層磚混結構，犬舍為磚混結構的平房，無任何直擊雷和雷電感 應防護設施，應用常規(guī)檢測方法，很難找到測試點。應用剩磁法檢測技術，通過對遺留物提 取檢測，并對各擊損物逐一進

12、行檢測其剩磁量，犬舍、辦公樓、配電室、配電箱、變壓器引 下線等區(qū)位，剩磁量為2.8mt,電源線截血、金屬導線有明顯的金屬熔點和熔珠，從測定的 量化指標和物理特征分析，這是一起典型的雷擊過電壓引起的雷擊事故。（2）易燃易爆場所一安寧油庫避雷設施檢測安寧油庫位于安寧市以西3公里的一個山坡地帶，整個庫區(qū)共設置六支15m高的避雷 針保護庫區(qū)的油罐和其它設施。在常規(guī)檢測中發(fā)現(xiàn)1#避雷針接地電阻超標，進一步檢查發(fā) 現(xiàn)，該避雷針引下線采用16mm由9根2mm的鋼絞線絞合而成，在引下線與接地體連 接處（地表下20cm處），我們驚奇地發(fā)現(xiàn)引下線有明顯的金屬凹槽和熔跡。連接點呈針尖 對接狀，雷電流燒蝕、過電流特征

13、十分明顯，通過剩磁檢測：避雷針引下線剩磁量為6.4mt 雷擊特征顯著，測試結果表明避雷針起到了接閃作用，雷電流沿引下線至接地體得到了有效 的泄放，避雷針保護了庫區(qū)設施及人員的安全，同吋解除了人們對避雷設施的疑惑和爭議。（3）雷擊傷亡現(xiàn)場的勘查2004年4月27日下午4時左右，位于昆明市尋甸縣金所鄉(xiāng)栽開村的村民司存良、男、 37歲在麥田勞作時遭雷擊身亡。發(fā)現(xiàn)死者皮帶金屬扣上四角邊緣處有一燒蝕過電流的痕跡，應用“剩磁法”檢測，在皮 帶扣轉軸上測得剩磁量為結果表明：死者是在空曠的田野和雷雨天氣中，于奔跑途中被雷擊身亡。（4）樹下避雷遭雷擊2004年7月30 0,昆明市金馬鋪鄉(xiāng)3村民在桃園里守夜，在棚

14、內(nèi)避雨遭雷擊身亡兩人, 一人重傷，見圖2。用竹桿和塑料搭建的長3m、寬2m、高2.5左右的守夜棚內(nèi)，有一塊簡易木板床，地 上有被雷擊震碎的塑料編織袋碎片，地上一片狼藉。用于支撐守夜棚的25cm的竹桿被雷 劈開，桃樹尖端樹葉有很多裂紋和孔洞，塑料布上呈受高溫變形和lcm的孔洞。在棚內(nèi)發(fā) 現(xiàn)一蚊香支架，經(jīng)檢測其剩磁量為o.8mt,在塑料棚邊緣處發(fā)現(xiàn)一直徑2.5cm,長15cm的 金屬鑿子，其外側有一明顯的過電流燒蝕亮點，經(jīng)檢測剩磁量為1.8mto圖2桃園守夜棚內(nèi)遭雷擊現(xiàn)場現(xiàn)場檢測勘查分析：守夜棚避雨的人員，是遭到直擊雷擊中竹桿產(chǎn)生強大的機械力、過 電流作用后死亡。（5）“碧雞坊”雷擊現(xiàn)場勘查（圖3

15、）2004年7月29日下午3時左右，位于昆明市城區(qū)的標志性建筑一一“碧雞坊”上空雷 電交加，一道閃電之后隨著一聲巨響，距地而約11m的“碧雞坊”東南方約40cm左右的屋 檐翹角被雷擊斷，破碎的瓦片和水泥塊散落在近10m的地面，所幸未造成人員傷亡。2通過対雷擊點附近吊鈴及垂直和水平方向上射燈支架（l30x3扁鐵）的檢測，其剩磁 量最大值為2.4mt,沿雷擊點下方的屋檐，其量值呈遞減趨勢。結果表明，剩磁量與雷擊放 電路徑相吻合。圖3 “碧雞坊”東南角屋檐翹角遭雷擊（6）雷擊火災現(xiàn)場勘查一罕見的冬季雷擊火災（圖4）2004年12 fl 27 h晚9時左右，位于云南省境內(nèi)的曲靖市，師宗縣，丹鳳鎮(zhèn)，阿令

16、村 發(fā)生了一起罕見的雷擊火災，其危害形式、破壞力度、損失情況在歷次雷擊災情屮實屬罕見, 此次雷擊共造成全村95%的家用電器、配電設施、變壓器受損，村民李志榮家5間住房 （200m）被燒毀，直接經(jīng)濟損失20萬元左右。位于村民房后斜坡上的一棵約20m高的樹 木被雷擊劈開，其中一塊重30炮的殘骸飛出近百米。雷擊點附近村民感覺到強烈的震撼， 一老人躺在床上被掀起30cm高，有10余人出現(xiàn)短暫的昏迷，所幸沒有人員傷亡。其雷電 沿樹體至根部打開一個70cm,深60cm的洞，樹體被連根拔起，在樹根部有一剛修建的壁 厚為15cm的沼氣池被擊損，厚15cm的水泥鋼筋蓋板被擊出3m多遠，通過水泥蓋板6 圓鋼筋的剩磁量為5.7 mt,房子窗子護欄20圓鋼筋的剩磁量為4.2mt,雷擊特征十分顯 著?，F(xiàn)場勘查檢測、檢查結果表明：此次雷擊火災是因直擊雷擊屮樹木后，產(chǎn)生強大的機