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广州雷迅:87581312E-mail:sales@asp.com.cn广州雷迅防雷讲义[分公司代理商版]第一部分：基本理论Ⅰ、雷电的形成1、大气电离特性：根据大气的电离特性，大气圈可分为中性层、电离层和磁层。A、中性层：中性层是指从地面至60公里左右的气层，在一般情况下，此层中带电质粒较少，主要由中性气体组成。B、电离层：一般指60公里以上至500公里左右的气层。在太阳紫外线辐射的作用下，较多空气发生电离，产生大量的电子和正离子。反射无线电波，使远距离无线电通讯成为可能。电离层随昼夜、季节、太阳活动等的变化而变化。总的来说，电离层中的正离子数要大于电子，且正离子主要分布在下方。C、磁层：是指500公里以上的大气层。该层内也存在电子、正离子，但分布极不均匀，且极度稀薄，在这样高度上带电质点的运动主要受地球磁力线的控制，故称磁层。2、温度的垂直分布特点：根据这个特点，可把大气分成对流层、平流层、中间层、热成层、外层五个层次。A、对流层：从地面到空中12公里（中纬度地区）左右，极地为8公里左右，赤道为17-18公里。主要的大气现象都发生在这一层。如云、雨、雾、虹霓、风、冰雹、雷暴、沙尘暴等等。B、平流层：从对流层顶到50公里之间。10-50公里之间为臭氧层，其中20-30公里浓度最大。这一层大气的运动以平流为主，飞机在这一层飞行比较安全，一般没有颠簸。C、中间层：平流层顶到85公里左右之间的气层。D、热成层：从中间层顶到250公里的距离（太阳宁静时）或500公里左右（太阳活动强烈时）之间的气层，该层的空气受到太阳强烈的紫外线辐射作用而处于高度的电离状态。南、北极附近的极光现象就出现在该层。E、外层：一般指500公里以外的大气范围。3、威尔逊假说（Wilson）：至今尚未有一种被公认为无懈可击的完整学说，威尔逊假说被认为比较完善并经常被推荐的假说。以下是这种假说的概述：根据大量科学测试可知，地球本身就是一个电容器，通常带了稳定地带负电荷50万库仑左右，而地球上空存在一个带正电的电离层，这两者之间便形成一个已充电的电容器，它们之间的电压为300KV左右，并且场强为上正下负。当地面含水蒸气的空气受到炽热的地面烘烤受热而上升，或者较温暖的潮湿空气与冷空气相遇而被垫高都会产生向上的气流。这些含水蒸气的上升时温度逐渐下降形成雨滴、冰雹（称为水成物），这些水成物在地球静电场的作用下被极化，负电荷在上，正电荷在下，它们在重力作用下落下的速度比云滴和冰晶（这二者称为云粒子）要大，因此极化水成物在下落过程中要与云粒子发生碰撞，碰撞的结果是其中一部分云粒子被水成物所捕获，增大了水成物的体积，另一部分未被捕获的被反弹回去，而反弹回去的云粒子带走水成物前端的部分正电荷，使水成物带上负电荷。由于水成物下降的速度快，而云粒子下降的速度慢，因此带正、负两种电荷的微粒逐渐分离（这叫重力分离作用），如果遇到上升气流，云粒子不断上升，分离的作用更加明显。最后形成带正电的云粒子在广州雷迅:87581312E-mail:sales@asp.com.cn云的上部，而带负电的水成物在云的下部，或者带负电的水成物以雨或雹的形式下降到地面。当下面所讲的带电云层一经形成，就形成雷云空间电场，空间电场的方向和地面与电离层之间的电场方向是一致的，都是上正下负，因而加强了大气的电场强度，使大气中水成物的极化更厉害，在上升气流存在在情况下更加剧重力分离作用，使雷云发展得更快。从上面的分析，好像雷云总是上层带正电荷，下层带负电荷。实际上气流并不单是只有上下移动，而比这种运动更为复杂。因此雷云电荷的分布也比上面讲的要复杂得多。科学工作者的测试结果表明，大地被雷击时，多数是负电荷从雷云向大地放电，少数是雷云上的正电荷向大地放电；在一块雷云发生的多次雷击中，最后一次雷击往往是雷云上的正电荷向大地放电。从观测证明，发生正电荷向大地放电的雷击显得特别猛烈。Ⅱ、静电及电磁感应1、静电感应：由于雷云的作用，使附近的导体上感应出与雷云符号相反的电荷，雷云主放电时，先导通道中的电荷迅速中和。其它导体上的感应电荷由于失去了电场的约束得到释放，如没有被中和或不就近泄入地中就会产生很高的电位。图雷云下的静电感应当空间有带电的雷云出现时，雷云下的地面及建筑物等都由于静电感应的作用带上异性的电荷。由于从雷云的出现到发生雷击（主发电）所需要得时间相对于主放电过程的时间要长的多，因此大地可以有充分的时间积累大量电荷。同样，与雷雨云先导通道下端靠近的电力线、信号线路的长导体受到很强的电场力作用，积聚起大量异性电荷，如图（a）所示，这些异性电荷与先导通道内的电荷之间有电力线相连，是被束缚住的。当下行的梯式先导接近地面时，产生回击放电，主放电通道的电荷与地面积累的大量电荷迅速中和而消失。这时长导线上积聚的电荷就可以自由运动，其产生的高电压沿导线以近似于光速向导线两端传播，这就称为感应过电压波，是一种脉冲波形式，如图（b）所示。根据1994年水利电力出版社的原苏联的学者B·P·拉里昂诺夫著《高电压技术》一书介绍，这高压脉冲波的峰值：U≈ke·hcp/b·I对于电力线ke=30式中：hcp——长导线的平均悬挂高度b——雷击点到长导线的最短距离I——闪电电流主放电通道广州雷迅:87581312E-mail:sales@asp.com.cn这只是一个经验估计公式，但可以大概估计闪电电流对架空长导线上产生的感应过电压的强度。例如，在高压架空线路可达300-400KV，一般低压架空线路可达100KV，电信线路可达40-60KV，建筑物也可以产生相当高的有危险的电压。2、电磁感应：由于雷电流的迅速变化，在它的周围有强大的瞬变的电磁场，处在这个电磁场中的导体就会感应出较大的电动势。如果在附近存在闭合的电路，电路上的感生电动势会使开口处放电，产生火花。1989年8月12日的黄岛油库大火就是这个原因引起的。1985年7月26日，上海北蔡仓库，因棉花包捆扎的铁丝断开，打雷时产生火花引起一场大火。由于雷电流有极大峰值和陡度，在它周围的空间出现瞬变电磁场，处在这瞬变电磁场之中的导体会感应出较大的电动势。例如在避雷针引下线附近放置电子设备内有开口金属环，如图1所示，当有突发雷电流下引时，环上的感应电势足以使间隙a、b放电，损坏微电子设备内部结构或引起火灾。图1电磁感应原理图图25m×5m金属环上的开口感应电势根据分析得知，在避雷针引下线附近开口金属环上最大感应电势：Em=2×10-7l·ln（l+X）/X·dl/dt如果金属环边长l=5m，则金属环开口处的电压与金属环避雷针距离之间的关系如图3所示。图中闪击电流峰值分别选50KA、100KA（这是较常见的闪击电流峰值）。通常雷电闪击电流波形前沿为2—5μs，这里取2.5μs。从图中可以看出，一个5m×5m的开口金属框，在雷电流峰值为100KA时，距离雷击点200m处也可以感应到1KV左右的电压。机房微电子设备内一个很小的开口金属环，在紧靠避雷针引下线处放置，当有雷闪电流通过引下线入地时，在小金属环开口处可感应出高达几千伏的高电压，这高电压足以击坏附近的电子元器件，从而使这台微电子设备损坏。所以在机房内布置设备时，千万注意，设备应远离柱子，更应远离引下线放置。一些大件的具有金属柜体的电器设备（如主机、精密空调、UPS、电池等），以及通信信号柜架，甚至铝合金窗柜等必须接地良好，以策安全。。Ⅲ、雷电的选择性A、易遭雷击的地点：1、土壤电阻率较小的地方，如有金属矿床的地区、河岸、地下水出口处、湖沼、低洼地区和地下水位高的地方；2、山坡与稻田接壤处；100200方环至避雷针的距离D(m)广州雷迅:87581312E-mail:sales@asp.com.cn3、具有不同电阻率土壤的交界地段。B、易遭受雷击的建（构）筑物：1、高耸突出的建筑物，如水塔、电视塔、高楼等；2、排出导电尘埃、废气热气柱的厂房、管道等；3、内部有大量金属设备的厂房；4、地下水位高或有金属矿床等地区的建（构）筑物；5、孤立、突出在旷野的建（构）筑物。C、同一建（构）筑物易遭受雷击的部位：1、平屋面和坡度≤1/10的屋面，檐角、女儿墙和屋檐；2、坡屋度＞1/10且＜1/2的屋面；屋角、屋脊、檐角和屋檐；3、坡度＞1/2的屋面、屋角、屋脊和檐角；4、建（构）筑物屋面突出部位，如烟囱、管道、广告牌等。Ⅳ、雷击侵入设备的途径1.直击雷：所谓直击雷，是指雷电直接击在建筑物、构架、树木、动植物上，因电效应、热效应和机械力效应等造成建筑物等损坏以及人员伤亡。一般防直击雷是通过外部避雷装置即：接闪器（避雷针、避雷带、避雷网、避雷线）、引下线、接地装置构成完整的电气通路，将雷电流泄入大地。然而接闪器、引下线和接地装置的导通只能保护建筑物本身免受直击雷的损毁，但雷电仍然会透过多种形式及途径破坏电子设备。2.感应雷：所谓感应雷，是指雷云放电时，在附近导体上产生的静电感应和电磁感应等现象称之为感应雷击。雷电在雷云之间或雷云对地的放电时，会在附近的电源线路、信号线路、埋地管道、设备间连接线和铁路钢轨等等导体上产生静电和电磁感应过电压，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。感应雷虽然没有直击雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多。直击雷只在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害，而感应雷则不论雷云对地闪击或者雷云对雷云之间闪击，都可能发生并造成灾害。此外直击雷一次只能袭击一个小范围的目标，而一次雷闪击都可以在较大的范围内多个小局部同时产生感应雷过电压，并且这种感应高压可以通过电力线、电话线等传输到很远，致使雷害范围扩大。装有避雷针的建筑物，可以避免雷击损坏建筑物，但是在雷电从建筑物顶端泻放入大地或者附近发生雷击的时候，雷电电磁脉冲可以通过避雷针的引下线和接地系统地线产生很强的电场，建筑物内的所有金属物品均会产生感应电压，这些感应电压的高低随着金属形状、距地线的距离和雷击大小而变（根据IEC61312标准，当雷击击中建筑物时，即使装有避雷针，直击雷电流50%的通过引下线和接地系统入地，仍然会有大约50%的雷击能量仍会分配到各线路系统）一旦您的电源输入线、电话线、网络线或其它电子设备的金属引出、引入线感应到瞬间高压，避雷针就无能为力了。感应雷击破坏的主要对象是电子电气设备。3、球形雷：球形雷是一种特殊的雷电现象，简称球雷。一般是以橙或红色，或似红色火焰地发光球体，（也有带黄色、绿色、蓝色或紫色的），直径一般约为10-20厘米，最大的直径可达一米，存在的时间大约为百分之几秒至几分钟，一般是3至5秒，其下降时有的无声，有的发出嘶嘶声，一旦遇到物体或电气设备时会产生燃烧或爆炸，其主要是沿建筑物的孔洞或开着的门窗进入室内，有的由烟囱或通气管道滚进楼房，多数沿带电体消失。4、电磁脉冲：由于雷电电流有极大峰值和陡度，因此在它的通道周围会出现很强的瞬变电磁场，处在这广州雷迅:87581312E-mail:sales@asp.com.cn个瞬变电磁场中的导体就会感应出较大的电动势，而此瞬变电磁场，都会在空间一定的范围内产生电磁作用，也可以是脉冲电磁波辐射，而这种空间雷电电磁脉冲波（LEMP）是在三维空间范围里对一切电子设备发生作用。因瞬变时间极短或感应的电压很高，以致产生电火花，其电磁脉冲往往超过2.4高斯。现代银行、邮电、证券机房或营业柜台通常应用计算机进行货币存取、信息传递与交换等业务，