雷電是一種自然現象,雷擊是一種自然災害。當建筑物和電氣設備等遭受雷擊時,雷電的放電電壓可達數百萬伏至數千萬伏,放電電流可達幾十至幾百千安,遠遠大于發、供電系統的正常值,其破壞性極大。雷電可造成人畜傷亡、建筑物破壞、電氣線路停電及電氣設備損壞,甚至引起火災和爆炸等嚴重事故。雷電災害已被聯合國有關部門列為*嚴重的十種自然災害之一。因此,研究雷電產生規律,進而采取有效防護措施,對于防止雷電造成的損害,防止建筑物的火災和爆炸事故具有重要意義。
雷電和靜電有許多相似之處:都是相對于觀察者靜止的電荷聚積的結果;都有放電現象;主要危害都是引起火災和爆炸等。但雷電與靜電產生和聚積的方式不同、存在的空間不同、放電能量相差甚遠,因而防護措施也有很多不同。
雷電的產生
雷云是構成雷電的基本條件。雷云的形成一般必須具備三個基本條件:
1)空氣中應有足夠的水蒸氣。
2)有使潮濕的空氣能夠上升并開始凝結為水珠的氣象條件或地形條件。
3)氣流能夠強烈、持久地上升。
云是由地面蒸發的水蒸氣形成的。水蒸氣上升過程中,遇到上部冷空氣凝成小水滴,進而聚集形成云;此外,水平移動的冷氣團或熱氣團,在其前鋒交界面上也會形成積云。云中水滴受強氣流吹襲時,分裂成較小的水滴和較大的水滴,分別帶負電和正電。較小的水滴被氣流帶走,形成帶負電的雷云。較大的水滴留在后方形成帶正電的雷云。也有人根據冰晶組成的云帶正電荷而水滴組成的云帶負電荷的發現,認為水滴結冰過程中發生電荷的轉移,冰晶帶正電,水帶負電,遇強烈氣流把水帶走后,形成帶相反電荷的雷云。由此可見,水蒸氣和強烈氣流是形成雷云的必要條件。
隨著電荷的積累,雷云的電位逐漸升高。當帶不同電荷的雷云互相接近到一定程度,或雷云與大地凸出物接近到一定程度時,發生激烈的放電,出現強烈的閃光。由于放電時溫度高達20000℃,空氣受熱急劇膨脹,發生爆炸的轟鳴聲,產生閃電和雷鳴。
雷電的活動規律
1.雷電活動的一般規律
1)氣候。濕熱地區比氣候寒冷而干燥的地區的雷擊活動多。
2)地理緯度。雷電活動與地理緯度有關,赤道一帶*高,由赤道分別向北、向南遞減。
3)地域。雷電活動是山區多于平原,陸地多于湖泊、海洋。
4)時間。強烈的雷電活動多發于七、八月份。
2.雷電活動的選擇性
1)從地質條件看,土壤電阻率越小,越利于電荷的積累。
①相對于大片土壤電阻率較大的地域,土壤電阻率較小的局部地域易遭受雷擊。
②土壤電阻率突然變化的地域*容易遭受雷擊。如巖石與土壤、山坡與稻田的交界處。
③巖石或土壤電阻率較大的山坡,雷擊點多發生在山腳,山腰次之。
④土山或土壤電阻率較小的山坡,雷擊點多發生在山頂,山腰次之。
⑤地下埋有導電礦藏(金屬礦、鹽礦等)的地區,易受雷擊。
⑥地下水位高、小河溝、礦泉水和地下水出口處容易遭受雷擊。
2)從地形上看,有利于雷云的形成與相遇處易遭雷擊。
①山的東坡、南坡多于山的北坡和西北坡,這是因為海洋潮濕空氣從東南進入大陸后,經曝曬及遇高山被抬升而出現雷雨。
②山中的局部平地受雷擊的機會大于峽谷,這是因為峽谷窄,不易曝曬和對流,缺乏形成雷擊的條件。
③湖旁、海邊遭受雷擊的機會較小,但海濱如有山岳,則靠海的一側山坡遭受雷擊的機會較多。
④雷擊的地帶與風向一致,風口或順風的河谷容易遭受雷擊。
3)從地物看,有利于雷云與大地建立良好的放電通道處易遭雷擊。
①空曠地域中間的孤立建筑物、建筑群中的高聳建筑物容易遭受雷擊。
②排放導電廢氣的管道口容易遭受雷擊。
③頂層為金屬結構、底下埋有大量金屬管道、室內安裝有大型金屬設備的場所容易遭受雷擊。
④建筑群中個別潮濕的建筑物(如冷庫等)容易遭受雷擊。
⑤尖屋頂及高聳建筑物、構筑物(如水塔、煙囪、天線和消防梯等)容易遭受雷擊。
因此,在實際防雷工作中,要根據雷擊活動的具體情況和雷擊的可能性進行綜合研究并對周圍環境作全面分析后,再制定切實可行的應對方案。
3.建筑物易受雷擊的部位
1)屋角與檐角雷擊率*高。
2)屋頂的坡度越大,屋脊的雷擊率也越大,當坡度大于40°時,屋檐一般不易遭受雷擊。
3)當屋面坡度小于27°、長度小于30m時,雷擊點多發生在山墻,而屋脊和屋檐一般不易遭受雷擊。
在具體應用時,可對易遭受雷擊的部位進行重點保護。
雷電的危害
雷電具有電流很大、電壓很高和沖擊性很強等特點,有多方面的破壞作用,破壞力很大。雷電可造成設備和設施的損壞,可造成大規模停電及人員生命財產的損失。就其破壞性質來看,雷電的破壞作用可分為電性質、熱性質和機械性質三方面的破壞作用。
1.電性質的破壞作用
雷電產生的數十萬乃至數百萬伏沖擊電壓(或外部過電壓),可能毀壞發電機、電力變壓器、斷路器、絕緣子和儀表等電氣設備的絕緣,造成大規模停電;絕緣損壞可能引起短路,導致火災或爆炸事故;二次放電(反擊)的火花也可能引起火災或爆炸;絕緣的損壞可能導致高壓竄入低壓,并由此造成嚴重的觸電事故:雷云直接對人體放電以及對人體的二次放電都可能使人致命;巨大的雷電流流入地下,會在雷擊點及其連接的金屬部分產生極高的對地電壓,可能直接導致接觸電壓或跨步電壓的觸電事故等(見圖8-1)。
2.熱性質的破壞作用
熱性質的破壞作用表現在直擊雷放電的高溫電弧能直接引燃鄰近的可燃物,從而造成火災。巨大的雷電流通過導體,在極短的時間內轉換出大量的熱能,造成易燃品的燃燒或造成金屬熔化、飛濺而引起火災或爆炸。如果雷擊在易燃物上,則更容易引起火災。輸電線、接地線及其他導體可能因發熱而燒斷,造成停電及其他故障。
3.機械性質的破壞作用
機械性質的破壞作用表現為被擊物遭到破壞,甚至爆裂成碎片。這是由于巨大的雷電通過被擊物時,在被擊物縫隙中的氣體劇烈膨脹,縫隙中的水分也急劇蒸發為大量氣體,致使被擊物破壞和爆炸。此外,同性電荷之間的靜電斥力、同方向電流或電流轉彎處的電磁作用力也有很強的破壞力,雷電時的氣浪也有一定的破壞作用。
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