廣州雷迅防雷講義
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第一部分：基本理論
ⅰ、雷電的形成
1、大氣電離特性：
根據大氣的電離特性，大氣圈可分為中性層、電離層和磁層。
a、中性層
：中性層是指從地面至60公里左右的氣層，在一般情況下，此層中帶電質粒較少，主要由中性氣體組成。
b、電離層
：一般指60公里以上至500公里左右的氣層。在太陽紫外線輻射的作用下，較多空氣發生電離，產生大量的電子和正離子。
反射無線電波，使遠距離無線電通訊成為可能。電離層隨晝夜、季節、太陽活動等的變化而變化。總的來說，電離層中的正離子數要大於電子，且正離子主要分布在下方。
c、磁層：是指500公里以上的大氣層。該層內也存在電子、正離子，但分布極不均勻，且極度稀薄，在這樣高度上帶電質點的運動主要受地球磁力線的控制，故稱磁層。
2、溫度的垂直分布特點：根據這個特點，可把大氣分成對流層、平流層、中間層、熱成層、外層五個層次。
a、對流層：從地面到空中12公里（中緯度地區）左右，極地為8公里左右，赤道為17-18公里。主要的大氣現象都發生在這一層。
如雲、雨、霧、虹霓、風、冰雹、雷暴、沙塵暴等等。b、平流層：從對流層頂到50公里之間。
10-50公里之間為臭氧層，其中20-30公里濃度最大。這一層大氣的運動以平流為主，飛機在這一層飛行比較安全，一般沒有顛簸。c、中間層：
平流層頂到85公里左右之間的氣層。d、熱成層：從中間層頂到250公里的距離（太陽寧靜時）或500公里左右（太陽活動強烈時）之間的氣層，該層的空氣受到太陽強烈的紫外線輻射作用而處於高度的電離狀態。
南、北極附近的極光現象就出現在該層。e、外層：一般指500公里以外的大氣範圍。
3、威爾遜假說（wilson）：至今尚未有一種被公認為無懈可擊的完整學說，威爾遜假說被認為比較完善並經常被推薦的假說。以下是這種假說的概述：
根據大量科學測試可知，地球本身就是乙個電容器，通常帶了穩定地帶負電荷50萬庫侖左右，而地球上空存在乙個帶正電的電離層，這兩者之間便形成乙個已充電的電容器，它們之間的電壓為300kv左右，並且場強為上正下負。
當地面含水蒸氣的空氣受到熾熱的地面烘烤受熱而上公升，或者較溫暖的潮濕空氣與冷空氣相遇而被墊高都會產生向上的氣流。這些含水蒸氣的上公升時溫度逐漸下降形成雨滴、冰雹（稱為水成物），這些水成物在地球靜電場的作用下被極化，負電荷在上，正電荷在下，它們在重力作用下落下的速度比雲滴和冰晶（這二者稱為雲粒子）要大，因此極化水成物在下落過程中要與雲粒子發生碰撞，碰撞的結果是其中一部分雲粒子被水成物所捕獲，增大了水成物的體積，另一部分未**獲的被**回去，而**回去的雲粒子帶走水成物前端的部分正電荷，使水成物帶上負電荷。
由於水成物下降的速度快，而雲粒子下降的速度慢，因此帶正、負兩種電荷的微粒逐漸分離（這叫重力分離作用），如果遇到上公升氣流，雲粒子不斷上公升，分離的作用更加明顯。最後形成帶正電的雲粒子在雲的上部，而帶負電的水成物在雲的下部，或者帶負電的水成物以雨或雹的形式下降到地面。當下面所講的帶電雲層一經形成，就形成雷雲空間電場，空間電場的方向和地面與電離層之間的電場方向是一致的，都是上正下負，因而加強了大氣的電場強度，使大氣中水成物的極化更厲害，在上公升氣流存在在情況下更加劇重力分離作用，使雷雲發展得更快。
從上面的分析，好像雷雲總是上層帶正電荷，下層帶負電荷。實際上氣流並不單是只有上下移動，而比這種運動更為複雜。因此雷雲電荷的分布也比上面講的要複雜得多。
科學工作者的測試結果表明，大地被雷擊時，多數是負電荷從雷雲向大地放電，少數是雷雲上的正電荷向大地放電；在一塊雷雲發生的多次雷擊中，最後一次雷擊往往是雷雲上的正電荷向大地放電。從觀測證明，發生正電荷向大地放電的雷擊顯得特別猛烈。
圖雷雲下的靜電感應
當空間有帶電的雷雲出現時，雷雲下的地面及建築物等都由於靜電感應的作用帶上異性的電荷。由於從雷雲的出現到發生雷擊（主發電）所需要得時間相對於主放電過程的時間要長的多，因此大地可以有充分的時間積累大量電荷。同樣，與雷雨雲先導通道下端靠近的電力線、訊號線路的長導體受到很強的電場力作用，積聚起大量異性電荷，如圖（a）所示，這些異性電荷與先導通道內的電荷之間有電力線相連，是被束縛住的。
當下行的梯式先導接近地面時，產生回擊放電，主放電通道的電荷與地面積累的大量電荷迅速中和而消失。這時長導線上積聚的電荷就可以自由運動，其產生的高電壓沿導線以近似於光速向導線兩端傳播，這就稱為感應過電壓波，是一種脈衝波形式，如圖（b）所示。
根據2023年水利電力出版社的原蘇聯的學者b·p·拉里昂諾夫著《高電壓技術》一書介紹，這高壓脈衝波的峰值： u ≈ke·hcp/b·i 對於電力線ke = 30
式中：hcp——長導線的平均懸掛高度
b——雷擊點到長導線的最短距離
i——閃電電流
由於雷電流有極大峰值和陡度，在它周圍的空間出現瞬變電磁場，處在這瞬變電磁場之中的導體會感應出較大的電動勢。例如在避雷針引下線附近放置電子裝置內有開口金屬環，如圖1所示，當有突發雷電流下引時，環上的感應電勢足以使間隙a、b放電，損壞微電子裝置內部結構或引**災。
圖1 電磁感應原理圖圖2 5m×5m金屬環上的開口感應電勢
根據分析得知，在避雷針引下線附近開口金屬環上最大感應電勢：
em = 2×10-7l·ln（l + x）/x·d l /dt
ⅲ、雷電的選擇性
a、易遭雷擊的地點：
1、土壤電阻率較小的地方，如有金屬礦床的地區、河岸、地下水出口處、湖沼、低窪地區和地下水位高的地方；
2、山坡與稻田接壤處；
3、具有不同電阻率土壤的交界地段。
b、易遭受雷擊的建（構）築物：
1、高聳突出的建築物，如水塔、電視塔、高樓等；
2、排出導電塵埃、廢氣熱氣柱的廠房、管道等；
3、內部有大量金屬裝置的廠房；
4、地下水位高或有金屬礦床等地區的建（構）築物；
5、孤立、突出在曠野的建（構）築物。
c、同一建（構）築物易遭受雷擊的部位：
1、平屋面和坡度≤1/10的屋面，簷角、女兒牆和屋簷；
2、坡屋度＞1/10且＜1/2的屋面；屋角、屋脊、簷角和屋簷；
3、坡度＞1/2的屋面、屋角、屋脊和簷角；
4、建（構）築物屋面突出部位，如煙囪、管道、廣告牌等。
ⅳ、雷擊侵入裝置的途徑
1. 直擊雷：所謂直擊雷，是指雷電直接擊在建築物、構架、樹木、動植物上，因電效應、熱效應和機械力效應等造成建築物等損壞以及人員**。
一般防直擊雷是通過外部避雷裝置即：接閃器（避雷針、避雷帶、避雷網、避雷線）、引下線、接地裝置構成完整的電氣通路，將雷電流洩入大地。然而接閃器、引下線和接地裝置的導通只能保護建築物本身免受直擊雷的損毀，但雷電仍然會透過多種形式及途徑破壞電子裝置。
2. 感應雷：所謂感應雷，是指雷雲放電時，在附近導體上產生的靜電感應和電磁感應等現象稱之為感應雷擊。
雷電在雷雲之間或雷雲對地的放電時，會在附近的電源線路、訊號線路、埋地管道、裝置間連線線和鐵路鋼軌等等導體上產生靜電和電磁感應過電壓，使串聯**路中間或終端的電子裝置遭到損害。
感應雷雖然沒有直擊雷猛烈，但其發生的機率比直擊雷高得多。直擊雷只在雷雲對地閃擊時才會對地面造成災害，而感應雷則不論雷雲對地閃擊或者雷雲對雷雲之間閃擊，都可能發生並造成災害。此外直擊雷一次只能襲擊乙個小範圍的目標，而一次雷閃擊都可以在較大的範圍內多個小區域性同時產生感應雷過電壓，並且這種感應高壓可以通過電力線、**線等傳輸到很遠，致使雷害範圍擴大。
裝有避雷針的建築物，可以避免雷擊損壞建築物，但是在雷電從建築物頂端瀉放入大地或者附近發生雷擊的時候，雷電電磁脈衝可以通過避雷針的引下線和接地系統地線產生很強的電場，建築物內的所有金屬物品均會產生感應電壓，這些感應電壓的高低隨著金屬形狀、距地線的距離和雷擊大小而變（根據iec 61312標準，當雷擊擊中建築物時，即使裝有避雷針，直擊雷電流50%的通過引下線和接地系統入地，仍然會有大約50%的雷擊能量仍會分配到各線路系統）一旦您的電源輸入線、**線、網路線或其它電子裝置的金屬引出、引入線感應到瞬間高壓，避雷針就無能為力了。感應雷擊破壞的主要物件是電子電氣裝置。
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