淺談實(shí)際工作中的雷電防御

淺談實(shí)際工作中的雷電防御

Summary：本文從大氣物理現(xiàn)象視角解讀雷電的天氣過程及3種不同角度的劃分。結(jié)合工作中發(fā)生的實(shí)例，針對直擊雷、感應(yīng)雷的防護(hù)，總結(jié)出直擊雷建筑防雷分類、設(shè)施施工規(guī)范、檢測參數(shù)；感應(yīng)雷預(yù)防的4大措施。為普及雷電防御知識，做好防雷工程設(shè)計(jì)、技術(shù)防護(hù)做一些基礎(chǔ)積累。Keys：雷電;直擊雷;感應(yīng)雷;屏蔽;接地;等電位連接一雷電知識雷電是最常見的天氣現(xiàn)象，遠(yuǎn)古時期人類對雷電是未知和恐懼的；公元前600年左右，人類最早發(fā)現(xiàn)的電現(xiàn)象是摩擦起電現(xiàn)象；直至十七世紀(jì)美國富蘭克林發(fā)現(xiàn)了電是一種沒有重量的流體，做了一個引雷實(shí)驗(yàn)才證實(shí)“雷電”中的“電”與普通電一致?？茖W(xué)研究表明雷電過后可產(chǎn)生臭氧、凈化空氣、產(chǎn)生氮肥、促進(jìn)原始地球有機(jī)物形成、維持全球電平衡等的有益作用。全球范圍內(nèi)每天有超過800萬次閃電，一次閃電可以傳輸1兆瓦的電力，足夠?yàn)橐蛔⌒统鞘泄╇?。但是，全球每年雷擊死亡的人?shù)超過萬人，造成的經(jīng)濟(jì)損失以數(shù)億計(jì)。因此，雷電災(zāi)害已被聯(lián)合國有關(guān)部門列為最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一，被中國電工委員會稱為“電子時代的一大公害”。二雷電的天氣過程雷電作為一種常見的極端天氣現(xiàn)象，大氣中閃電雷鳴的出現(xiàn)主要是云中氣流和壓力的作用下，互相之間運(yùn)動過程中不斷摩擦使云層攜帶了不同程度富集的正極、負(fù)極電荷。電荷在云間高達(dá)25～30kv/cm，會出現(xiàn)劇烈的電流過程，伴隨有強(qiáng)光出現(xiàn)。閃電過程電荷擊穿空氣、云層出現(xiàn)了26000℃以上的高溫，并伴隨物質(zhì)加劇膨脹爆破的轟隆聲[1]?？梢岳斫鉃殡姾墒睾愣?，云層中的電荷不斷積累，達(dá)到一定量時產(chǎn)生量變到質(zhì)變的過程、可以理解為自然界大量電荷能量互相摩擦起電、摩擦生火、劇烈的轟鳴的結(jié)果。同時，對流天氣云層移動至建筑物、高大植物等的下方，由于靜電效應(yīng)帶有與云層相反的異性電荷。可以理解為物理現(xiàn)象，云層中的電荷正、負(fù)電荷，相吸引或排斥。達(dá)到一定量、形成一條至上而下的通路時，產(chǎn)生量感應(yīng)起電、接觸起電，因而出現(xiàn)落雷。三雷電的3種劃分3.1按雷電的形狀特征來劃分，閃電可以分為：聯(lián)珠狀、帶狀、線狀、火箭狀、片狀以及球狀閃電6種。其中人肉眼可見最多的閃電是不規(guī)則線狀的偶爾帶有帶狀、火箭狀等，間隔時間只有幾分之一秒。這間隔人肉眼是無法識別的，所以，目前鼓勵專業(yè)人士、業(yè)余愛好者轉(zhuǎn)動照相機(jī)，拍下閃電的放電過程、隨機(jī)落雷的過程用于閃電探測、仿真模擬等未知的探索。3.2按雷電活動的空間分布特征來劃分，閃電可以分為：在云內(nèi)活動的閃電、在云和云間活動的閃電、晴天依然活動的閃電、在云間活動的閃電4種。前2種都稱為云閃，是雷電探測的應(yīng)用；航天航空、衛(wèi)星應(yīng)用等影響研究。第3種俗稱的“晴天霹靂”又稱為旱天雷或天閃。第4種是云對大地的劇烈、隨機(jī)放電的過程，簡稱地閃，又叫做直擊雷，是雷電防御、雷電安全與防護(hù)的研究對象。3.3按落雷電的落雷載體來劃分，閃電可以分為：直擊雷；靜電感應(yīng)雷；電磁感應(yīng)雷；電波、閃電涌侵入雷等4種。后3種都稱為（電磁脈沖）感應(yīng)雷。落雷位置不同會產(chǎn)生不同的雷電危害，第1種是面對防雷設(shè)施施工規(guī)范完善、防雷檢測監(jiān)督的技術(shù)方向。后3種是提高電子、電氣設(shè)備防雷技術(shù)、升級抗干擾技術(shù)的研究對象。四雷電的危害4.1一定能量的閃電隨機(jī)自由落到云底層最接近地面的建物、空曠處、樹木、金屬物上等等時就會有形成落雷并泄流，當(dāng)雷落到人、建筑物、其他物體、大地上，產(chǎn)生人員傷或亡、觸電癥狀、閃光、轟隆聲、起火等電、熱效應(yīng)以及機(jī)械力破壞等現(xiàn)象，即判斷為直擊雷。2020年8月某下午，中國某加油站遭直擊雷，油站人員看見耀眼閃電、巨大雷聲，供電系統(tǒng)跳閘，檢查到2號加油島上方的1根放散管頂端呼吸閥在燃燒起火，幸虧迅速啟動應(yīng)急預(yù)案，未造成人員傷亡。防雷技術(shù)人員回調(diào)廣州市雷電監(jiān)測預(yù)警服務(wù)平臺系統(tǒng)，油站2km范圍內(nèi)上午10時02分至09分時間段有9次落雷。雷災(zāi)原因：短時間、強(qiáng)大的雷電流擊穿了非金屬外殼，其高溫引發(fā)外殼和呼吸閥燃燒。4.2球狀閃電雷，俗稱“滾雷”，直徑從15～30cm不等產(chǎn)生時自身帶極亮白光、紅光、橙色，還有黃色、紫色、藍(lán)色、幽綠色的光環(huán)，呈多種多樣的色彩。雷暴天氣時速度約5米/秒，最大的危害就是帶超過100℃的等離子體，一般持續(xù)幾十秒至幾分鐘，能自由、隨機(jī)、滾動到任何角落，會灼傷人、引起火災(zāi)、損壞房屋、給人類造成危險。1978年8月的某晚上，5名前蘇聯(lián)登山隊(duì)員正在山上宿營，一個乒乓球大的褐紅色火球突然進(jìn)入帳蓬，在其漂浮于離地1m半空中，然后又突然鉆進(jìn)登山隊(duì)員的睡袋，嚴(yán)重灼傷了熟睡的人員，此次雷擊事故造成1人灼燒致死，其余4人燒傷嚴(yán)重[2]。4.3雷在云中活動，云底附近導(dǎo)體（比如大樹、金屬旗桿）感應(yīng)出與雷云相反的電荷，電荷形成暫態(tài)高電位，而沿導(dǎo)體快速傳播，或產(chǎn)生瞬變的強(qiáng)電磁場，擊穿放電、起火、甚至爆炸。泄雷電流的過程中碰到人、畜或電氣設(shè)備會產(chǎn)生觸電、跨步電壓、死亡、線路跳閘、設(shè)備損毀等現(xiàn)象。即為靜電和電磁感及應(yīng)雷。2018年5月某晚上，中國某城市某鎮(zhèn)某彩色印務(wù)有限公司遭受雷擊，造成1臺CP2000電腦、1個電腦臺電源逆變器損壞，直接經(jīng)濟(jì)損失13萬元。雷災(zāi)原因：感應(yīng)雷導(dǎo)致電子設(shè)備損壞。4.4雷電波，引發(fā)巨大的閃電電涌，沿著輸電金屬管線侵入屋內(nèi)、外。表現(xiàn)為過電壓、過電流瞬態(tài)波、對線路本身及電子電器造成破壞，危及人身安全并損毀設(shè)備。低壓天氣系統(tǒng)的總雷害事故中，雷電侵入波事故占到了七成以上[3]。2016年1-12月，中國某城市某區(qū)供電局因雷擊，損壞變壓器19臺、SF6開關(guān)了臺、低壓開關(guān)柜3臺、10KV避雷器36只、電纜分支鉆2臺、雷擊斷線7次，直接經(jīng)濟(jì)損失114.6萬元。5雷電防御技術(shù)5.1各防雷類別建筑物均應(yīng)做好防直擊雷的外部防雷裝置。防雷檢測技術(shù)人員一般會通過經(jīng)緯度定點(diǎn)、地理環(huán)境、土壤電阻率、云對地的閃電等參數(shù)計(jì)算劃分好被檢測建筑的，防雷建筑物一般劃分為第一、第二、第三類。3種防雷類別的接閃桿、接閃網(wǎng)格、引下線有不同要求。原則是：5.1.1第一類防雷建筑比第二類防雷建筑雷電防護(hù)要求高、第二類防雷建筑物比第三類防雷建筑雷電防護(hù)要求高；5.1.2防雷類別越高的建筑物設(shè)計(jì)、施工、規(guī)定網(wǎng)格越密、引下線及間隔也越密，網(wǎng)格要求：一類＜5m*5m或6m*4m；二類＜10m*10m或12m*8m；三類＜20m*20m或24m*16m，引下線要求：一類＞2根，間距＜12m；二類＞2根，間距＜18m；三類＞2根，間距＜25m；5.1.3焊接、綁扎的工藝應(yīng)盡可能短，滿足機(jī)械強(qiáng)度，耐腐蝕和熱穩(wěn)定的要求。5.1.4一般要求沖擊接地電阻不宜大于10Ω。5.1.5特別是第一類建筑物中爆炸危險品場所，排放危險氣體、蒸汽、粉塵接閃保證在接閃器的保護(hù)范圍；5.1.6獨(dú)立避雷針、高聳的其他金屬都應(yīng)該接地并專門設(shè)計(jì)、鋪裝引下線，其他金屬物體應(yīng)與屋面防雷設(shè)施相連[4]。5.2雷電感應(yīng)的防護(hù)，分別為等電位連接、屏蔽、接地、安裝保護(hù)器4大重要措施。5.2.1電位連接，就是將室內(nèi)的電子設(shè)備、組件、元件的金屬外殼和支架連接在一起，并與建筑物的防雷接地系統(tǒng)相連接，形成一個電氣上連續(xù)的整體，這樣，就可以在發(fā)生雷擊時避免不同金屬外殼或支架之間出現(xiàn)暫態(tài)電位差，使得它們彼此間等電位，并維持在地電位的水平。其原則是：5.2.1.1所有設(shè)計(jì)、新安裝拉入建筑物導(dǎo)電體，比如電源線；通信、網(wǎng)絡(luò)線路、觀測儀器線路等，都要做等電位連接。并就近連接到環(huán)形接地體上。5.2.1.2穿過防雷區(qū)界面的所有導(dǎo)電體都要在界面處做等電位連接，一般可采用局部等電位連接帶進(jìn)行等電位連接。各種屏蔽結(jié)構(gòu)或設(shè)備外殼等其它局部金屬物也連到該連接帶上。5.2.1.3所有金屬物體、導(dǎo)軌、設(shè)備管道、架空管線等大尺寸的內(nèi)部導(dǎo)電體，要鋪設(shè)最短連接帶至地面或與其他已做等電位連接金屬物、導(dǎo)電體附加多次互相連接。5.2.2屏蔽就是有效抑制雷擊入侵的暫態(tài)電磁脈沖、輻射場能量傳播、防止損毀電氣、電子設(shè)備的手段，主要應(yīng)從空間屏蔽、設(shè)備屏蔽、線路屏蔽3個方面入手，其原則是：5.2.2.1電氣、電子設(shè)備系統(tǒng)利用房屋建筑自身的鋼筋作為主要屏蔽設(shè)施，通過鋼筋的橫縱交錯，構(gòu)建室內(nèi)空間的立體化屏蔽網(wǎng)絡(luò)。加強(qiáng)房間的門框和窗框也是金屬材質(zhì)使其均勻，屏蔽效果更佳。5.2.2.2電磁脈沖敏感的儀器設(shè)備都應(yīng)設(shè)置連續(xù)的金屬層屏蔽。5.2.2.3設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與電源之間的各種連線，也都應(yīng)該穿入金屬管加以綜合屏蔽。5.2.3接地是防雷技術(shù)最重要的環(huán)節(jié)，不論是直擊雷還是靜電感應(yīng)雷、電磁感應(yīng)雷、電波、閃電涌入侵雷，終將雷電流都要泄入大地。雷電流進(jìn)入大地后，將以接地點(diǎn)為中心向四周作半球狀漫散射狀流動。應(yīng)將各種接地共用同一接地網(wǎng)，避免各個地之間產(chǎn)生危險的電位差，對于敏感度高的設(shè)備，可以在兩個接地網(wǎng)之間安裝等電位聯(lián)結(jié)器，這樣平時兩地之間是絕緣的，在雷電流通過的瞬間兩地之間導(dǎo)通，不會產(chǎn)生危險的電位差。5.3前面我們提到雷擊入侵的暫態(tài)電磁脈沖、輻射場能量巨大，工作中，安裝保護(hù)器不斷在更新?lián)Q代，目前的規(guī)范要求和做法是在低壓供電子線路埋地或架空，如果金屬外皮在進(jìn)戶，要處接地。在電源和電子線路上安裝第一級或第二級實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的避雷器[5]。它工作的原理是巨大在暫態(tài)電磁、電壓形成時，避雷器瞬間斷開，起到保護(hù)電氣、電子設(shè)備的作用。目前市場上還有防雷抗干擾器的出現(xiàn)，有待時間檢驗(yàn)。Reference[1]王道洪,郄秀書,郭昌明.雷電與人工引雷[M].上海交通大學(xué)出版社,2000.[2]肖穩(wěn)安張小青.雷電與防護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)[M].氣象出版社,2006.[3]