認(rèn)識雷電的高電壓本質(zhì)

1、梅忠恕認(rèn)識雷電的高電壓本質(zhì)1、 前言雷電的物理本質(zhì)是什么 ？這是每一個從事防雷工作的人必須了解的首要的問題。雷電的物理本質(zhì)就是高電壓。認(rèn)識雷電的高電壓本質(zhì)，認(rèn)識雷電高電壓的產(chǎn)生與來源，認(rèn)識雷電高電壓的屬性，我們才能正確的認(rèn)識和分析防雷問題，分析防雷保護(hù)的要點和防雷保護(hù)的內(nèi)容，才能做好防雷方案，才能設(shè)計正確的和合理的防雷保護(hù)措施。一句話，只有正確認(rèn)識雷電高電壓的本質(zhì)，才能做好防雷。認(rèn)識了雷電的本質(zhì)，我們才能正確地分析雷害事件的原因與結(jié)果，才能合理的和恰當(dāng)?shù)奶岢霰Ｗo(hù)人身安全的措施與方法。不了解雷電的本質(zhì)，在做防雷措施、防雷方案或分析雷害事件時就把握不到防雷的核心與關(guān)鍵。在防雷工程上要么保護(hù)不到位，

2、要么造成工程的浪費(fèi)。在分析雷害事件上，就容易提出一些錯誤的觀點或解釋。我國防雷界，為何那么多錯誤，如諸如“手機(jī)引雷”、“絕緣避雷”、“電荷避雷”、“等離子避雷”，等等，這些都是沒有搞清雷電的高電壓本質(zhì)而出現(xiàn)的錯誤。2、 雷電的本質(zhì)雷電的本質(zhì)，就是高電壓。雷電高電壓就是大氣高電壓。雷電放電的本質(zhì)，就是高電壓的放電。雷電擊傷人，擊死人，以及雷電擊毀設(shè)備，襲擊房屋，導(dǎo)致的各種災(zāi)害，等，都是雷電高電壓對人或目標(biāo)物的襲擊造成的結(jié)果。我們知道，雷電有一次雷與二次雷之分。一次雷就是直擊雷，二次雷是感應(yīng)雷。它們都是高電壓，只是數(shù)值的高低有所不同。雷電放電，就是高電壓放電。直擊雷的放電的主要形式是擊穿。在高電壓

3、工程中，擊穿是指在空氣（間隙）中的放電。擊穿后強(qiáng)大的雷電電流通過空氣，形成強(qiáng)烈的電弧，同時伴隨著劇烈的光亮與聲響。感應(yīng)雷電壓比直擊雷電壓低很多，感應(yīng)雷的放電除擊穿外，還有沿面閃絡(luò)、滑閃以及火花放電等形式。雷電的擊穿又分在空氣中的擊穿，和在物體中的擊穿?？諝獗焕纂姄舸┖?，其絕緣強(qiáng)度很快又會恢復(fù)；物體被雷電擊穿后就會受到了永久性破壞而不能恢復(fù)。認(rèn)識了雷電的本質(zhì)是高電壓后，我們就知道，如果出現(xiàn)了雷電放電，那就必然是高電壓的放電。3、 雷電高電壓的來源雷電高電壓的來源有三。3.1、電荷產(chǎn)生主要的，大量的雷電高電壓的產(chǎn)生根源為一堆電荷。天上的雷電，即一次雷電，其高電壓是源于雷云中的電荷，各種線路里的感應(yīng)

4、雷，即二次雷電，其高 1梅忠恕電壓大多數(shù)也是源于線路里的感應(yīng)電荷。1電荷如何產(chǎn)生電壓呢？在電磁場理論或電工基礎(chǔ)里都有詳細(xì)的講解與介紹。電荷產(chǎn)生了周圍的電場，電場中的各點表現(xiàn)出了電位。對一段距離的電位進(jìn)行積分就可得到這段距離之間的電位差，即電壓。只有當(dāng)電荷的分布很簡單時，才能用解析的方法計算出電壓。當(dāng)電荷的分布比較復(fù)雜時，就很難用解析的方法計算電壓。但我們可以用電容來表達(dá)電荷的電壓。電荷總有它的載體，此載體可是金屬，也可是非金屬，或其它形式的物質(zhì)，例如雷云（含云中的水氣粒子或粒子團(tuán)）就是不規(guī)則、無定形的非金屬。如果將整個電荷的載體看成是一個電極，則此電極與大地之間就的電容。此載體對地的電壓U取決

5、于電荷量Q與此電容C的大小之比，可表示為： （1）即是說，電荷所表現(xiàn)出的對地的電壓U是與電荷量的大小Q成正比，與存儲它的電容C成反比。在天空中形成的雷云對地電壓，其數(shù)量級可達(dá)千kV，或萬kV以上。當(dāng)雷電下行先導(dǎo)接近輸電線路時，在輸電線的導(dǎo)線上也將感應(yīng)出電荷。在先導(dǎo)放電以前，這些感應(yīng)電荷是一種束搏電荷，并不表現(xiàn)出對地的電壓來。當(dāng)下行先導(dǎo)實現(xiàn)對大地，或地上某物體的放電后，這些感應(yīng)電荷從束搏狀態(tài)瞬間轉(zhuǎn)變成自由狀態(tài)，于是就要表現(xiàn)出對地的電壓來了。其電壓的大小也取決于感應(yīng)的電荷量和導(dǎo)線的對地電容，仍可按公式（1）計算。在輸電導(dǎo)線上感應(yīng)出的二次雷電壓的數(shù)量級可從幾百伏到幾kV，甚至達(dá)幾十kV以上。筆者兩年

6、前撰寫的文章感應(yīng)雷的生成機(jī)制、幅值大小及防護(hù)1就詳細(xì)地介紹了感應(yīng)雷電壓的生成機(jī)制。3.2、雷電流的電磁感應(yīng)生成雷電流的感應(yīng)，或稱雷電電磁輻射干擾，也會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。在文1中對這種電壓的產(chǎn)生機(jī)制也有詳細(xì)的介紹。若有一個導(dǎo)線組的成開口環(huán)路處于雷電電磁輻射場中，當(dāng)電磁場的磁通穿過此回路時，就會在回路中感應(yīng)生成電磁感應(yīng)電壓，或稱電磁干擾電壓。1詳細(xì)介紹了這種電壓產(chǎn)生的機(jī)制，并用公式導(dǎo)出了其數(shù)值的大小。例如，當(dāng)一個長度這b，寬度為a的開口線圈處于離雷電流引下線s遠(yuǎn)的距離（圖1），在此線圈的開口c,d處就會感應(yīng)生成電壓：UL=-bs+ai(t)=-0ln (2) dt2sdt從式（2）可見，感應(yīng)電壓也是隨

7、時間而變化的，它與雷電流的陡度di/dt成正比，與線圈的長度b成正比，線圈寬度a越大，線圈越靠近雷電流（S越?。r，感應(yīng)電壓越大。式中0=4×10-7H/m為空氣的導(dǎo)磁系數(shù)。假設(shè)雷電流陡度的最大值（di/dt）max=100kA/S，S=20m， b=2m，a=1m，代入式（2），計算得感應(yīng)電壓最大值（Uk）max= 2kV 。如果線圈的開口間隙cd較小，只有12mm ，2kV的電壓足以擊穿它。如果線圈是處于可燃或可爆炸氣體中，此間隙的擊穿就將導(dǎo)致危險可怕的事故。1989年我國黃島油庫的惡性事故就是緣于這種感應(yīng)電壓在小間隙上的放電產(chǎn)生火花，引爆貯油罐中的油氣的結(jié)果。在半導(dǎo)體器件中，有

8、成千上萬的電子元件和電氣回路。在雷電電磁輻射（即雷電電磁感應(yīng)）作用下，在這些電氣回路中都將 2梅忠恕感應(yīng)出電壓，雖然半導(dǎo)體中的電氣回路很小，感應(yīng)電壓也不大，但半導(dǎo)體本身的工作電壓與絕緣水平都很低，感應(yīng)電壓會不會對半導(dǎo)體器件產(chǎn)生危害，這就是我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)真考慮和關(guān)心的問題。3.3、雷電電磁輻射對長線路的感應(yīng)與干擾在室外的實際問題中，更多遇到的是一對一對的長導(dǎo)線遭受雷電電磁輻射干擾的問題。為簡捷，我們只考慮一對長線路的情況，如圖2所示。在這種情況下，由于導(dǎo)線的長度b，以及線路的走向變化多多，不可能完全與雷電流平行，線路與雷電流之間的距離也不可能保持為一個固定的值，因此還要用公式（2）來計算感應(yīng)電壓就困

9、難了。從定性來講，線路與雷電流之間的磁場，即區(qū)間A的磁場，沒有鏈著線路，對線路沒有感應(yīng)和干擾作用。在兩條線路之間的區(qū)間B的磁場，僅鏈著其中一根導(dǎo)線，將在線路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，這就是我們在上節(jié)公式（2）表示的電壓，我們稱這個感應(yīng)電壓為差模干擾電壓。這個電壓表現(xiàn)為兩條導(dǎo)線之間的電位差。而在導(dǎo)線以外的廣大區(qū)間C的磁場，同時鏈著兩條導(dǎo)線，這些磁通將同時在兩條導(dǎo)線中感應(yīng)生成電壓，我們稱這個電壓為共模干擾電壓。共模干擾電壓對兩條導(dǎo)線來說是相等的，是對地的電壓。為了減小差模干擾電壓，就要盡可能減小兩條導(dǎo)線之間的間距，即使a0，以減小兩條導(dǎo)線之間的面積，從而盡可能減少穿過此面積的磁通。在實踐中，常將兩條導(dǎo)線相互

10、扭結(jié)，可使差模干擾電壓大大降低。如果將兩條導(dǎo)線穿入金屬管道，由于金屬管道的對磁場的屏蔽作用，不僅差模干擾電壓，甚至共模干擾電壓也可大大降低。需要指出，對信號線路來講，差模干擾電壓出現(xiàn)在兩條信號線路之間，它和有用信號是串聯(lián)的，成為干擾信號。對于信號線路來說，將造成信號的雜音干擾；對于測量線路來說，將引起測量誤差；對于控制線路來說，將可能造成誤動作。在對稱工作的兩條線路上，共模干擾電壓是出現(xiàn)于線路的電中性點和接地點之間，信號的兩條導(dǎo)線具有相同的干擾電壓。在不稱對工作的兩條信號線上，共模干擾電壓出現(xiàn)于單根導(dǎo)線與地之間，它是不對稱電壓。在來去的兩條信號線上的干擾電壓的大小是不相同的。共模干擾電壓不形成

11、與有用信號的串聯(lián)，但是，它在信號線與儀器外殼或線路中性點之間引起電壓升高和反擊。差模干擾電壓會對信號的測量產(chǎn)生誤差或誤動作。而共模干擾電壓會對線路的絕緣和與它們連接的設(shè)備構(gòu)成危害，特別是集成電路元件，使其脆弱的絕緣擊穿；此電壓也可能使導(dǎo)線之間或金屬接縫之間的間隙擊穿，在具有易爆易燃?xì)怏w的場所，將可能引起氣體的爆炸，導(dǎo)致災(zāi)難性后果。對導(dǎo)線采用金屬管道屏蔽并在兩端接地，可使這類干擾電壓大大減低。3.4、雷電流的壓降當(dāng)雷擊于接閃器后，雷電流將流經(jīng)引下線，再通過接地網(wǎng)流入大地中，雷電流將在引下線上，在接地網(wǎng)上產(chǎn)生電壓降。此電壓降也是二次雷電壓。3.4.1 接觸電壓接觸電壓是指引下線上的某個電壓。它是根

12、據(jù)人身體的特點來定義的。人站在接地網(wǎng)里，引下線旁，腳步離引下線0.8m，人的手伸出在離地高度為1.8m的地方接觸引下線，則在人手與腳步之間的電壓稱為“接觸電壓”。接觸電壓不僅與雷電流的大小有關(guān)，還與人體的電阻和腳底與地之間的電阻 3梅忠恕有關(guān)。需要指出，接觸電壓是加在人的手與腳之間，接觸電壓產(chǎn)生的電流將流過人體軀干，對人來說是很危險的。如果是一側(cè)的手與腳遭受接觸電壓，雷電流流過一側(cè)身體，那又稍好，如果遭受接地觸電壓的手與腳不在同側(cè)，那雷電流就要流過心臟，危險就大了。3.4.2 跨步電壓跨步電壓是指接地網(wǎng)上相距0.8m兩點之間的電壓，因為人走路的步距平均為0.8m。跨步電壓不僅與雷電流的大小有關(guān)

13、，還與離開引下線（即電流注入點）的距離有關(guān)。離引下線越近，跨步電壓越大；離引下線越遠(yuǎn)，跨步電壓也越小。具體分析人（畜）的跨步電壓時，還與跨步的大小有關(guān)。人的跨步稍小，就是0.8m左右吧，而畜的跨步就大多了，因此牲畜受到有跨步電壓的傷害比人大很多。此外，人遭受跨步電壓的襲擊時，雷電流是從一支腳底進(jìn)，而從另一支腳底出，只是人的下胯受到傷害，但雷電流不流過軀體與心臟，因此對生命的威脅又稍輕。但對于牲畜來說，一方面由于它們的跨步大于0.8m，另一方面，雷電流將流過心臟，因此跨步電壓對牲畜的傷害更嚴(yán)重，往往導(dǎo)致它們的死亡。3.4.3 地電位分布不均與地電位的反擊當(dāng)雷電流通過接地網(wǎng)擴(kuò)散到大地中去時，由于接

14、地網(wǎng)有接地電阻，因此接地網(wǎng)與大地?zé)o窮遠(yuǎn)之間會有電壓降；同時由于接地網(wǎng)自身也有電阻和電感，因此在接地網(wǎng)上還將有電壓降與電壓分布不均。筆者撰寫的雷電沖擊電壓下接地裝置的電壓升高和反擊2與雷電沖擊電壓下接地裝置的電壓分布不均3詳細(xì)介紹了電壓分布不均與反擊的產(chǎn)生機(jī)制與防范。4、 雷電壓與雷電流雷擊建筑物，雷電擊傷（死）人，是雷電流的襲擊，還是雷電壓的襲擊？是雷電流傷人?還是雷電壓傷人？了解了這點，就有利于分析雷害事件的原因。廣義來說，受到電擊的人（不一定是雷擊，而是包括受到民用電的襲擊，如觸電），究竟是電流傷人，還是電壓傷人呢？有很多介紹，在書里也能找到，說流過人們心臟的電流超過mA時就有可能致人于死

15、地。看起來這是電流傷人，其實，我們知道，電流何以產(chǎn)生，乃是因為有電壓的作用。我們都知道歐姆定律：，沒有電壓，何來電流呢！有人可能反問到，電流也可產(chǎn)生電壓，把歐姆定律改寫一下：，就看到電壓是電流產(chǎn)生的。在這里似乎這一個“先有雞，還是先有蛋”的問題。 究竟先有電壓，還是先有電流呢？在電流與電壓的關(guān)系中，究竟是電壓起主導(dǎo)作用，還是電流起主導(dǎo)作用呢？我們說，誰起主導(dǎo)作用，誰就是傷害人們的主因。在討論誰起主導(dǎo)作用時，我們只要看這點：電壓可以在沒有電流時單獨(dú)存在，而電流不可能在沒有電壓時單獨(dú)存在。因此，電壓與電流的關(guān)系，與“雞和蛋”的關(guān)系不一樣?！跋扔须u，還是先有蛋”是一個哲學(xué)問題，要追朔到幾億年以前，從

16、遺傳學(xué)來解釋。而電壓與電流的關(guān)系，可以立即回答，是先有電壓，電流是在電壓下建立起來的。明確了電壓與電流的關(guān)系，就好回答我們的問題了。當(dāng)受到雷擊時，是雷電壓傷人的，雷電壓產(chǎn)生了雷電流，流過身體，致人于傷害的。梅忠恕5、 如何分析雷害事件雷害，就是雷電高電壓造成的危害，因此，在分析雷害的原因時，應(yīng)首先抓住高電壓這個關(guān)鍵。離開了高電壓，就不能正確的分析雷害事件，如果應(yīng)是要分析，那只能想當(dāng)然地講一些違反科學(xué)的胡言亂語了。雷害事件分析的思路應(yīng)該是堅持嚴(yán)格的因果關(guān)系，從可見的傷害結(jié)果推導(dǎo)其原因。在分析過程中，應(yīng)保持嚴(yán)格的邏輯思維，科學(xué)的判斷，不得以猜測，估計代替科學(xué)的判斷。5.1 雷擊人（畜）死傷事件的分

17、析雷擊人（畜）死傷事件的調(diào)查，首先應(yīng)從死傷者身上著手，從他們身體上的傷情開始進(jìn)行。通過身體上的傷情觀察，主要是皮膚和衣服的損壞和損傷，顏色的變化等現(xiàn)象的觀察，找到受雷擊點（部位）在哪里，雷電流流出點（部位）在哪里。進(jìn)一步觀察雷電流如何從受擊點進(jìn)入身體，如何流過身體，再如何從身體的流出點流出來。再進(jìn)一步觀察受擊點和流出點與周圍墻壁、電線、家具以及地面等物件之間的關(guān)系。判斷雷電壓是從什么物體或地方襲擊到人體的受擊點的。雷電流從流出點又擊到什么地方和物件。即是說，調(diào)查分析首先要找到和弄清雷電高電壓的來龍去脈。以下用一個雷擊致人死亡的實例來介紹如何進(jìn)行調(diào)查和分析的。2007年5月31日筆者與潘森和夏紅

18、偉三人去重慶開縣義和鎮(zhèn)小學(xué)調(diào)查分析那次致七個學(xué)生死亡，四十多學(xué)生受傷的雷害事件時，意外地又遇到另一次雷害致一人死一人傷的事件。這就是發(fā)生在羅興萬家的雷害事件。我們是第一批到達(dá)羅家的調(diào)查者。 雷害事件的調(diào)查，首先是對受害人受雷電襲擊情況的調(diào)查，次之是對雷電電壓侵入的路徑進(jìn)行的分析。對死者的調(diào)查，就是要從死者身上找尋雷電高電壓的襲擊點和雷電流的流出點。我們到羅家時，羅的兒子已給他死去的父親穿好新的干凈的衣服，平躺在地面上。我當(dāng)即請羅的兒子把死者扶起來，成座位。我檢查了死者的頭部和背部，由于有很多斑點和疤痕，很難辨別雷電流的進(jìn)入點（即雷電壓的襲擊點）。我們又脫去死者的鞋襪，在死者的右腳底找到了一個蠶

19、豆大小的紫色斑點。再檢查死者死前穿的鞋，是一雙塑料涼鞋。細(xì)看塑料涼鞋，發(fā)現(xiàn)在它的底部也有一個擊穿的痕跡。再細(xì)細(xì)觀察塑料涼鞋，發(fā)現(xiàn)擊穿痕跡的地方，在原來厚厚的鞋底上有一個約5 mm深的凹陷坑。估計是什么時候死者生前踩到了一個熾熱的碳渣，碳渣將塑料涼鞋底燒成了這個后來致人于死地的深坑。因為雷電放電正是從這個深坑進(jìn)行的。即是說，羅受到的雷擊電壓，是二次雷電壓，二次雷電壓比一次雷（即直接雷擊）電壓小很多。因此，在羅的身體上只留下很小的雷擊通道的痕跡。如果是受到的直接雷擊，由于雷壓很高，雷電流很大，被擊人肯定會皮開肉綻。羅受雷擊后，只有很小的雷電流通過身體，從羅的頭或背部進(jìn)入身體，而從腳底出來，再通過（

20、擊穿）鞋底，進(jìn)入地面。羅的身體上沒有顯著的傷痕，只留下很小的放電痕跡。不注意，或無經(jīng)驗，往往難于發(fā)現(xiàn)。而羅的妻子，只被雷擊昏，頭痛。四肢無力。我們檢查了她穿的鞋，是一雙皮涼鞋。皮涼鞋底厚，沒有破裂和缺陷，沒有擊穿痕跡。就是說，皮涼鞋底的絕緣承受住了雷電壓的襲擊，沒有穿，雷電流沒有在她的身體內(nèi)形成放電的通道， 5梅忠恕這才保護(hù)了羅興萬妻子的生命。雖然羅妻沒死，但仍受到雷電壓導(dǎo)致的電容電流的襲擊，而感到頭昏和難受。對雷電電壓的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這次事件，屋脊上的裝飾物猴頭受雷擊，雷電壓通過二樓水泥板中的鋼筋傳達(dá)到堂屋，而沿堂屋的墻壁下行。坐在堂屋吃飯的羅興萬，背靠墻壁，離他不遠(yuǎn)處還有一個電源插座，而插座的

21、電源線則是從二樓水泥板走向的。雷擊發(fā)生時，潮濕的墻壁與插座都帶有雷電高電壓。羅興萬受此電壓的襲擊，當(dāng)場斃命，在他身旁的妻子受傷。5.2建筑物雷害事件的分析建筑物受到的雷擊一般來說是直接雷擊。直接雷擊的電壓很高，對建筑物的破壞也比較明顯，對受雷擊點的觀察和判斷比較容易確定。對雷擊事件的分析主要在于建筑物在防護(hù)直接雷擊的方法與措施上有無缺陷，并據(jù)此進(jìn)行改進(jìn)。5.3 設(shè)備的雷害事件分析對室內(nèi)設(shè)備的雷擊損壞事件的分析比較復(fù)雜一些。首先應(yīng)觀察與分析有些什么設(shè)備受損，受損的部位在哪里，受損程度如何等。通常室內(nèi)設(shè)備受雷擊損壞主要有三種可能：（1）沿線路傳入的感應(yīng)雷高電壓，受損的部位主要在線路的入口處。設(shè)備中

22、的電路有短路，開關(guān)跳閘，并伴有電弧燒灼痕跡，（2）電磁輻射干擾的襲擊。有的電子設(shè)備，如電腦，整天工作很好，可第二天開機(jī)就發(fā)現(xiàn)不行?？蓮耐庥^上又難找到損壞的痕跡。這有可能是頭天晚上打雷，雷電電磁輻射干擾損壞了設(shè)備中的微電子部件。（3）電氣設(shè)備的電源變壓器燒毀，可明顯看到受損的變壓器及與它的接線的燒灼痕跡。這多是接地系統(tǒng)因電壓升高造成的反擊。6、 如何做防雷工程無論是做一座建筑物的防雷工程，還是做一個大單位的防雷工程，首先要收集和了解的情況包括：（1） 此單位的長寬地域范圍；（2） 此單位周圍的地理、地貌，氣候、土壤以及森林植被情況；（3） 供電電源線路的電壓等級，供電方式，線路走向，特別要注意是

23、否是電纜供電，或架空線供電；（4） 通向內(nèi)部的低壓通信線路走向，也要注意通信線路是電纜，還是架空線；（5） 本地區(qū)每年的雷電日數(shù)和雷電活動情況等等。根據(jù)以上情況分析雷電高電壓可能侵入的種類和途徑。包括：（1） 判斷有無直擊雷襲擊的可能。對可能遭受直擊雷襲擊的建筑物與部位，需要安裝直擊雷防護(hù)裝置，如避雷針、避雷帶與避雷網(wǎng)等。同時設(shè)計并做好接地網(wǎng)。（2） 有無通過架空電線侵入感應(yīng)雷電壓的可能。如果用電電源是通過電纜供電，電纜有足夠長度（50m），那只需要在電纜的兩端安裝電力避雷器，接好地，就可避免感應(yīng)雷高電壓的侵入6。如果供電電源是采用架空電線供電，還要觀察此架空電線暴露于天空的部分有多長，有多高，以此估計產(chǎn)生感應(yīng)雷高電壓的機(jī)率和大小。對于有感應(yīng)