麦金婵1 贺灿花2 何亮1
1.广州市气象公共服务中心 广东广州510150 2.广州市荔湾区气象局 广东广州 510150
摘要：本文从大气物理现象视角解读雷电的天气过程及3种不同角度的划分。结合工作中发生的实例，针对直击雷、感应雷的防护，总结出直击雷建筑防雷分类、设施施工规范、检测参数；感应雷预防的4大措施。为普及雷电防御知识，做好防雷工程设计、技术防护做一些基础积累。
关键词：雷电;直击雷;感应雷;屏蔽;接地;等电位连接
一 雷电知识
雷电是最常见的天气现象，远古时期人类对雷电是未知和恐惧的；公元前600年左右，人类最早发现的电现象是摩擦起电现象；直至十七世纪美国富兰克林发现了电是一种没有重量的流体，做了一个引雷实验才证实“雷电”中的“电”与普通电一致。
科学研究表明雷电过后可产生臭氧、净化空气、产生氮肥、促进原始地球有机物形成、维持全球电平衡等的有益作用。全球范围内每天有超过800万次闪电，一次闪电可以传输1兆瓦的电力，足够为一座小型城市供电。但是，全球每年雷击死亡的人数超过万人，造成的经济损失以数亿计。因此，雷电灾害已被联合国有关部门列为最严重的十种自然灾害之一，被中国电工委员会称为“电子时代的一大公害”。
二 雷电的天气过程
雷电作为一种常见的极端天气现象，大气中闪电雷鸣的出现主要是云中气流和压力的作用下，互相之间运动过程中不断摩擦使云层携带了不同程度富集的正极、负极电荷。电荷在云间高达25～30 kv/cm，会出现剧烈的电流过程，伴随有强光出现。闪电过程电荷击穿空气、云层出现了26000℃以上的高温，并伴随物质加剧膨胀爆破的轰隆声[1]。可以理解为电荷守恒定律，云层中的电荷不断积累，达到一定量时产生量变到质变的过程、可以理解为自然界大量电荷能量互相摩擦起电、摩擦生火、剧烈的轰鸣的结果。
同时，对流天气云层移动至建筑物、高大植物等的下方，由于静电效应带有与云层相反的异性电荷。可以理解为物理现象，云层中的电荷正、负电荷，相吸引或排斥。达到一定量、形成一条至上而下的通路时，产生量感应起电、接触起电，因而出现落雷。
三 雷电的3种划分
3.1按雷电的形状特征来划分，闪电可以分为：联珠状、带状、线状、火箭状、片状以及球状闪电6种。其中人肉眼可见最多的闪电是不规则线状的偶尔带有带状、火箭状等，间隔时间只有几分之一秒。这间隔人肉眼是无法识别的，所以，目前鼓励专业人士、业余爱好者转动照相机，拍下闪电的放电过程、随机落雷的过程用于闪电探测、仿真模拟等未知的探索。
3.2按雷电活动的空间分布特征来划分，闪电可以分为：在云内活动的闪电、在云和云间活动的闪电、晴天依然活动的闪电、在云间活动的闪电4种。前2种都称为云闪，是雷电探测的应用；航天航空、卫星应用等影响研究。第3种俗称的“晴天霹雳”又称为旱天雷或天闪。第4种是云对大地的剧烈、随机放电的过程，简称地闪，又叫做直击雷，是雷电防御、雷电安全与防护的研究对象。
3.3按落雷电的落雷载体来划分，闪电可以分为：直击雷；静电感应雷；电磁感应雷；电波、闪电涌侵入雷等4种。后3种都称为（电磁脉冲）感应雷。落雷位置不同会产生不同的雷电危害，第1种是面对防雷设施施工规范完善、防雷检测监督的技术方向。后3种是提高电子、电气设备防雷技术、升级抗干扰技术的研究对象。
四 雷电的危害
4.1一定能量的闪电随机自由落到云底层最接近地面的建物、空旷处、树木、金属物上等等时就会有形成落雷并泄流，当雷落到人、建筑物、其他物体、大地上，产生人员伤或亡、触电症状、闪光、轰隆声、起火等电、热效应以及机械力破坏等现象，即判断为直击雷。
2020年8月某下午，中国某加油站遭直击雷，油站人员看见耀眼闪电、巨大雷声，供电系统跳闸，检查到2号加油岛上方的1根放散管顶端呼吸阀在燃烧起火，幸亏迅速启动应急预案，未造成人员伤亡。防雷技术人员回调广州市雷电监测预警服务平台系统，油站2km范围内上午10时02分至09分时间段有9次落雷。雷灾原因：短时间、强大的雷电流击穿了非金属外壳，其高温引发外壳和呼吸阀燃烧。
4.2 球状闪电雷，俗称“滚雷”，直径从15～30cm不等产生时自身带极亮白光、红光、橙色，还有黄色、紫色、蓝色、幽绿色的光环，呈多种多样的色彩。雷暴天气时速度约5米/秒，最大的危害就是带超过100℃的等离子体，一般持续几十秒至几分钟，能自由、随机、滚动到任何角落，会灼伤人、引起火灾、损坏房屋、给人类造成危险。
1978年8月的某晚上，5名前苏联登山队员正在山上宿营，一个乒乓球大的褐红色火球突然进入帐蓬，在其漂浮于离地1m半空中，然后又突然钻进登山队员的睡袋，严重灼伤了熟睡的人员，此次雷击事故造成1人灼烧致死，其余4人烧伤严重[2]。
4.3雷在云中活动，云底附近导体（比如大树、金属旗杆）感应出与雷云相反的电荷，电荷形成暂态高电位，而沿导体快速传播，或产生瞬变的强电磁场，击穿放电、起火、甚至爆炸。泄雷电流的过程中碰到人、畜或电气设备会产生触电、跨步电压、死亡、线路跳闸、设备损毁等现象。即为静电和电磁感及应雷。
2018年5月某晚上，中国某城市某镇某彩色印务有限公司遭受雷击，造成1台CP2000电脑、1个电脑台电源逆变器损坏，直接经济损失13万元。雷灾原因：感应雷导致电子设备损坏。
4.4雷电波，引发巨大的闪电电涌，沿着输电金属管线侵入屋内、外。表现为过电压、过电流瞬态波、对线路本身及电子电器造成破坏，危及人身安全并损毁设备。低压天气系统的总雷害事故中，雷电侵入波事故占到了七成以上[3]。
2016年1-12月，中国某城市某区供电局因雷击，损坏变压器19台、SF6开关了台、低压开关柜3台、10KV避雷器36只、电缆分支钻2台、雷击断线7次，直接经济损失114.6万元。
5雷电防御技术
5.1各防雷类别建筑物均应做好防直击雷的外部防雷装置。防雷检测技术人员一般会通过经纬度定点、地理环境、土壤电阻率、云对地的闪电等参数计算划分好被检测建筑的，防雷建筑物一般划分为第一、第二、第三类。3种防雷类别的接闪杆、接闪网格、引下线有不同要求。原则是：
5.1.1第一类防雷建筑比第二类防雷建筑雷电防护要求高、第二类防雷建筑物比第三类防雷建筑雷电防护要求高；
5.1.2防雷类别越高的建筑物设计、施工、规定网格越密、引下线及间隔也越密，网格要求：一类＜5m*5m或6m*4m；二类＜10m*10m或12m*8m；三类＜20m*20m或24m*16m，引下线要求：一类＞2根，间距＜12m；二类＞2根，间距＜18m；三类＞2根，间距＜25m；
5.1.3焊接、绑扎的工艺应尽可能短，满足机械强度，耐腐蚀和热稳定的要求。
5.1.4一般要求冲击接地电阻不宜大于10Ω。
5.1.5特别是第一类建筑物中爆炸危险品场所，排放危险气体、蒸汽、粉尘接闪保证在接闪器的保护范围；
5.1.6独立避雷针、高耸的其他金属都应该接地并专门设计、铺装引下线，其他金属物体应与屋面防雷设施相连[4]。
5.2雷电感应的防护，分别为等电位连接、屏蔽、接地、安装保护器4大重要措施。
5.2.1电位连接，就是将室内的电子设备、组件、元件的金属外壳和支架连接在一起，并与建筑物的防雷接地系统相连接，形成一个电气上连续的整体，这样，就可以在发生雷击时避免不同金属外壳或支架之间出现暂态电位差，使得它们彼此间等电位，并维持在地电位的水平。其原则是：
5.2.1.1所有设计、新安装拉入建筑物导电体，比如电源线；通信、网络线路、观测仪器线路等，都要做等电位连接。并就近连接到环形接地体上。
5.2.1.2穿过防雷区界面的所有导电体都要在界面处做等电位连接，一般可采用局部等电位连接带进行等电位连接。各种屏蔽结构或设备外壳等其它局部金属物也连到该连接带上。
5.2.1.3所有金属物体、导轨、设备管道、架空管线等大尺寸的内部导电体，要铺设最短连接带至地面或与其他已做等电位连接金属物、导电体附加多次互相连接。
5.2.2屏蔽就是有效抑制雷击入侵的暂态电磁脉冲、辐射场能量传播、防止损毁电气、电子设备的手段，主要应从空间屏蔽、设备屏蔽、线路屏蔽3个方面入手，其原则是：
5.2.2.1电气、电子设备系统利用房屋建筑自身的钢筋作为主要屏蔽设施，通过钢筋的横纵交错，构建室内空间的立体化屏蔽网络。加强房间的门框和窗框也是金属材质使其均匀，屏蔽效果更佳。
5.2.2.2电磁脉冲敏感的仪器设备都应设置连续的金属层屏蔽。
5.2.2.3设备与设备之间、设备与电源之间的各种连线，也都应该穿入金属管加以综合屏蔽。
5.2.3接地是防雷技术最重要的环节，不论是直击雷还是静电感应雷、电磁感应雷、电波、闪电涌入侵雷，终将雷电流都要泄入大地。雷电流进入大地后，将以接地点为中心向四周作半球状漫散射状流动。应将各种接地共用同一接地网，避免各个地之间产生危险的电位差，对于敏感度高的设备，可以在两个接地网之间安装等电位联结器，这样平时两地之间是绝缘的，在雷电流通过的瞬间两地之间导通，不会产生危险的电位差。
5.3前面我们提到雷击入侵的暂态电磁脉冲、辐射场能量巨大，工作中，安装保护器不断在更新换代，目前的规范要求和做法是在低压供电子线路埋地或架空，如果金属外皮在进户，要处接地。在电源和电子线路上安装第一级或第二级实验标准的避雷器[5]。它工作的原理是巨大在暂态电磁、电压形成时，避雷器瞬间断开，起到保护电气、电子设备的作用。目前市场上还有防雷抗干扰器的出现，有待时间检验。
参考文献
[1]王道洪, 郄秀书, 郭昌明. 雷电与人工引雷[M]. 上海交通大学出版社, 2000.
[2]肖稳安 张小青. 雷电与防护技术基础[M]. 气象出版社, 2006.
[3]刘佼, 肖稳安, 陈红兵. 全国雷电灾害分析及雷灾经济损失预测[C]// 中国气象学会年会. 2011:21-26.
[4]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．ＧＢ５００５７－2010建筑物防雷设计规范［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２０１１．
[5]张敏锋, 刘欣生. 我国北方地区雷电活动的时空特征[J]. 高原气象, 2000, 19(3):277-284.
作者简介：麦金婵（1982-），女，本科，助理工程师，主要从事气象服务雷电防御工作。