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1、防雷知识系列雷电形成与防雷机理莱芜钢铁集团设计院 271104 周志敏摘要本文对雷电的形成及防雷机理进行论述，分析富兰克林避雷针存在的问题，并对 防雷技术和“消雷”技术的探讨中，提出从古人的自然消雷系统及地磁场、空间电场及大 气空间场去研究和完善防雷技术。关键词雷云、引雷、消雷、探讨 概述雷电这一自然现象，瞬变万千。古人以阴阳平衡之理论来认识这一自然现象，其理论 与之千年的实践，与现代实证性科学相比，有着相当的科学内涵。随着人类社会的进步， 科学技术的发展，人们对雷电这一自然现象有了新的认识，其理论和防雷实践都在不断的 完善。自从 240 年前富兰克林避雷针问世，其顺应雷云放电规律，创造优先放
2、电条件，使 防雷实用技术进入一个崭新的阶段。在几百年的应用中，均取得了良好的效果，但随着科 学技术的进步，富兰克林避雷针在实际应用中，因其自身仍存在不完善和难以解决的诸多 问题。针对其存在的问题，国内外的防雷专家进行了大量的研究工作，研制诸多种防雷装 置去完善富兰克林避雷针的不足，就其实用性和可靠性，仍需在今后的实践中去完善。因 此国内外部分防雷专家从“消雷”这一课题入手去研究防雷技术，并进行了一定的工程实 验，取得大量的技术数据，也为该项技术的研究起到一定的推动作用，但至今其仍是一种 研究中的技术，仍有待在今后工作中从理论和实践中去研究和探索，以创新和发展防雷技 术。1雷电形成在讨论雷电形成
3、之前，首先讨论雷云的产生。当太阳把地面晒得很热时，地面水份部 分转化为蒸汽，同时地面空气受热变轻而上升，上升汽流中的水蒸汽在上空遇冷凝成小水 滴。此外，当水平移动的冷暖气流相遇时，冷气团下降，暖气团上升，水汽在高空中凝成 水滴，形成宽度达几公里的锋面积云。这种积云易形成较大范围的雷害，当云中悬浮的水 滴很多时便成为乌云。乌云的起电机理有三种理论，各能解释一定的现象。其三种理论分 别为，水滴破裂效应，水滴冻冰效应，吸收电荷效应。笔者认为前两种解释有其一定的局 限性，而从火花放电发展机理去解释，乌云起电机理采用吸收电荷效应理论来阐述更容易 理解。由于宇宙射线或地面大气层的放射使气体分子游离，在大气
4、中存在着两种离子，由 于大气空间场的作用，使云层上部积聚正电荷，下部积聚负电荷，在空间场的作用下云层 分离从而带电。雷云中电荷的分布是不均匀的，而是形成许多堆积中心。因而不论是在云中或是在云 对地之间，电场强度是不一致的，当云中电荷密集处的电场强度达到 25-30kv/cm 时，就会 由云向地开始先导放电（对于高层建筑，雷电先导可由地面向上发出，称为上行雷） ，当先 导通道的顶端接近地面时，可诱发迎面先导（通常起自地面的突出部分） ，当先导与迎面先 导会合时，即形成了从云到地面的强烈电离通道，这时即出现极大的电流，这就是雷电的 主放电阶段，此时雷呜和电闪都伴随着出现。主放电存在的时间极短，约
5、50-100/us，主放 电过程是逆着先导通道发展的，速度约为光速的 1/211/2,主放电的电流可达数十万安， 是全部雷电电流中最主要部分。主放电到达云端时就结束了，然后云中的残余电荷经过主 放电通道流下来称为余光阶段，由于云中电阻较大，余光阶段对应的电流不大（约数百安） ， 持续时间却较长（0.03-0.15s） 。由于云中可能同时存在几个电荷中心，所以第一个电荷中 心的上述放电完成之后，可能引起第二个、第三个中心向第一通道放电。因此雷电往往是 多重性的，每次放电相隔 600us-800us，放电的数目平均为 2-3 次。防雷知识系列2 防雷机理国内外防雷专家致力于防雷研究，在传统的富兰克
6、林避雷针， 、避雷带和法拉第笼的基 础上，由澳大利亚 EF 公司研制的 system3000 动力球型避雷针和放射性避雷针，以及法国 依丽达（HFLITA）公司的 Pular 高脉冲避雷针，都以其不同的结构，不同的材质而达到共 同的目的。其防雷机理均为，当避雷针的上空出现雷云时，它们就处在大气空间场中，由 于针电极尺寸，远小于场板极间隙长度，所以带电云团与针极间是一个极不均匀的空间电 场。在放电间隙电场很不均匀的情况下，若负电荷雷云而感生正针极,在雷云负极板与地正 针极空间电场中，从正针极发出初始电子在电场力的作用下，在其运动中发出碰撞电离形 成初始电子崩，集中于崩头的电子成为负空间电荷区，而
7、留在崩尾的正离子成正空间电荷 区，崩中部则为正负离子混合区，因正负离子浓度高，是进行复合的极好条件，在复合过 程中发生光子辐射，光致电离而产生二次电子，二次电子作用在崩头，崩尾发生更强烈的 碰撞电离，形成二次电子崩，汇入初崩扩大离子区，其后崩发速度远比初崩快，可达光速。 电子崩的长度可能小于放电间隙长度。电极正电荷附近的放电之所以仅靠气体光游离来维 持，是因为场强区把阴极与气体游离区隔开的缘故，当电极是负电荷时，二次电子的产生 即可以来自阴极的光效应，也可以来自气体的光游离。同时，随着空气密度和电极曲率半 径 ro 的不同，就形成自由电子的某种机理，当 N（光子的吸收系数）和 ro 的乘积不大
8、时， 即：起主要作用的是阴极光效应，当 Nro4 时，气体中的光游离作用迅速增长，因为当 Nro 增大时，为气体所吸收且区不到阴极的光子数，或因电子崩的伸长（ro 增大时） ，或因 N 的增加（在 P 增大时）而增加。故放电发生在高场强的狭窄区域里，它以再生电子崩的 形式出现。避雷针就是利用自身的高度，使雷云电场发生畸变，其电场强度增加到极限值， 于是开始电离，并向下梯级式放电，称为下行先导放电，而避雷针在强电场作用下产生尖 端放电，形成向上先导，并朝向向下先导发展，两者会合形成雷电通路，并伴随之开始的 主放电阶段。3避雷针应用中存在的问题随着科学技术的进步，避雷针作为现代化的防雷手段，有其不
9、完善的方面，对在实际 应用中存在的问题归纳如下： 3.1 保护范围国内外不少防雷专家，对避雷针能向被保护物有多大的保护距离做了系统的研究得出 的结论是：“对一根垂直避雷针无法获得十分肯定的保护区域” 。英国的 BS6551 法规曾指 出：“经验显示不能依赖避雷针提供任何保护区内的完整保护” 。而德国防雷法规则有意识 地不引入避雷针保护范围的概念。从避雷针因侧击雷、绕击雷，造成事故的实例来分析， 其保护范围是不十分肯定的。 3.2 感应过电压由于避雷针的引雷作用，所以雷击次数就会提高，当雷电被吸引到针上，在强大的雷 电流沿针而流入大地过程中，雷电流周围形成的磁场会产生截应过电压，它与雷电流的大
10、小及变化速度成正比，与雷击的距离成反比。而被保护物的自然屏蔽装置对电磁感应或电 磁干扰的屏蔽作用，不能达到有效屏蔽，使被保护区内的弱电设备因感应过电压而损坏。 3.3 反击问题当雷电被吸引到针上，将有数千安的高频电流通过避雷针及其接地引下线和接地装置， 此时针和引线的电压很高，若针对被保护物之间的距离小于安全距离时，会由针及引下线 向被保护物发生反击，损坏被保护物。我国国标规定针距被保护物的空气中距离5 米， 针距被保护物的接地装置间的地中距离 Sd3 米，针对这一要求，微波塔和电视发射塔的 各种天线上的避雷针是难以满足规范的要求。防雷知识系列3.4 其它受雷击的针及引线，在高频雷电流作用下，
11、将从接触点至地面产生一个较高的接触电 压。当雷电流流入大地扩散时，在入地点沿半径各点形成不同的电位，若跨入该区域会产 生很高的跨步电压。在测避雷针不适用于对弱电设备的保护，更不易用于易燃易爆品的防 雷保护。因它引来强大的雷电流在接地引线断线卡处易产生火花，还会在附近的金属开口 环处产生火花，从而引起事故。4问题探讨国内外防雷专家关于“消雷技术”之争，已成为防雷领域最大争论的焦点。因为“消 雷技术”是一发展中的防雷技术，是对传统的防雷理论的创新，就其理论仍有待于进一步 的去研究、完善和探讨。 “消雷技术”在我国的防雷学术界从理论研究和实验，都作了大量 的工作，并于 70 年代末分别在西昌卫星发射
12、场和武汉水利电力学院两地进行了实验工作， 并取得了大量的实验数据，在其试验总结报告中对“消雷器”作出定性的结论。因雷电是 一自然现象，而引雷防雷和“消雷”防雷都必须遵循雷电规律，顺应客观规律，实事求实 的去研究和完善防雷技术，因规范对“消雷器”不规范的宣传，因引雷防雷技术在实际应 用中，存在诸多不足，故在改善和完善传统的防雷技术是势在必行，创新发展防雷技术， 以满足现代科技对防雷保护提出的更高要求。古人在防雷理论及应用虽与现代科学对防雷 保护的认识有所不同，但其自然消雷系统均达到良好的防雷效果，都需要我们去研究，采 用现代的科技手段，去研究古人的防雷理论，是很有现实意义的。因防雷理论涉及到地磁 场、空间电场、空间气流场，地理，地质、气象等多学科的综合科学。研究我国多发雷击 区的分布及季节、气候的关系。从中去理解雷电发生于自然而消除于自然中的科学内涵， 科学的引导探索自然规律。故防雷技术的理论仍需在实践中进一步的去完善，而“消雷技 术”的理论和实用性更有待进一步的去探索，深信在广大防雷学者的共同努力下，完善和 创新防雷技术。
