对雷电的形成与发展对建筑塔吊感应高压电的影响研究分析

孙建飞

摘要：建筑塔吊因雷电感应高压电而难于防护是建筑行业中长期以来存在的突出问题，分析雷电的形成与发展对建筑塔吊的影响，认识雷电对建筑塔吊感应高压电的条件和规律，对深入研究雷电脉冲及塔吊的防护技术，从根本上提高建筑塔吊在雷电电磁场环境中工作安全性和可靠性具有重要意义和实用价值。

关键字： 雷电建筑塔吊感应电影响

中图分类号： S761.5文献标识码：A 文章编号：

Abstract: construction crane for induction lightning protection and difficult to high-voltage electric construction industry is a long-term existing prominent problems, analyzes the formation and development of lightning of the influence of construction crane, and the knowledge of the lightning of construction crane induction high-voltage conditions and rule, to further research and the lightning pulse of tower protection technology, improved fundamentally lightning electromagnetic field construction crane in environment, work safety and reliability have important significance and practical value.

Key word: lightning construction crane induction electric influence

0 引言

古时候，在我国，人们认为雷电是“雷公发怒”；而在西方，人们把雷电说成是“上帝之火”。其实，带电的云层称为雷云，雷电形成于大气运动过程，是大气中的放电现象，它主要通过感应耦合、电磁耦合或者静电耦合使主要由金属部件组成的建筑塔吊感应高压电，从而危及人身和财产安全。这种建筑塔吊因雷电感应高压电而难于防护是建筑行业中长期以来存在的突出问题，如何切实有效地消除或降低建筑塔吊因临近各种通讯发射源而感应的高压电，避免人身和财产的意外损伤，是目前建筑行业中亟待解决的问题。

分析雷电的形成与发展对建筑塔吊的影响，认识雷电对建筑塔吊感应高压电的基本条件和基本规律，对深入研究雷电脉冲及塔吊的防护技术，从根本上提高建筑塔吊在雷电电磁场环境中工作安全性和可靠性具有重要意义和实用价值。

1雷电的形成和发展机理

在大气中始终存在着大气电场，在通常情况下大气电场的强度比较弱，大气电场的分布多具有随高度增加按指数规律衰减的变化规律，而且是竖直非均匀电场，即：

E(Z)=Eoexp(一aZ) (l)

式中Eo为地面附近的电场强度，z为距离地面的高度，a为衰减常数，其单位为l。

在这种大气电场作用下，以空气和海洋、陆地上的水分蒸发形成的水汽等为主的混合气体介质将产生极化并从大气电场中吸收和储存电场能。已极化的气體介质在非均匀电场中移动时介质内的电场状态产生变化，并影响大气宏观电场状态。即当极化的空气介质在大气气流作用下竖直移动时，极化强度将发生变化。随着区域内极化强度改变量的增加，进入该区域的介质所经受的电场强度的改变量为:

△E(t)=Eoexp[一Z/t1v][exp(t/t1)一1](t

式中t1=1/av，v为介质移动速度，a为空间电场分布衰减常数。

特别是在闷热、潮湿的天气里，接近地面的水汽受热上升，由于大气运动过程中的剧烈摩擦生电以及云块切割磁感线，大气中热空气上升与高空中的冷空气产生摩擦，从而形成了带有正负电荷的小水滴。当正负电荷累积达到一定的电荷值时，会在带有不同极性的云团之间及云团对地之间形成强大的电场。即在雷云生成初期的剧烈的上升气体，导致了雷电的形成和发展；而且强烈的上升气流是雷电形成和发展的最基本的气候条件，只有在存在这种上升气流时雷云中的电场能量和电场强度才可能不断地增加，其增加速度和气体上升速度成指数规律增加。

随着雷云的持续发展，雷云中心总是伴随有十分强烈的上升气流，其最大速度可达60m/s以上。当雷云发展到一定程度后，雷云中会包含大量的水汽、水微粒、水滴和冰晶等，是一种典型的非均匀介质，在电场中将产生明显的空间极化。由于偶极子极化所储存的这种电场能量的增加使区域内的电场强度上升，存在上升气流的区域的电场总是保持增加趋势，它引起的极化强度的增加将使上升气流到地面之间的全部空间的电场强度增加。同时因为上升气流摩擦生电及云块切割磁力线，把不同电荷进一步分离。使雷云中的电场强度变化量达到104倍以上，这时不同高度的空间电场强度为:

Ez(t)=E(t)+△E （3）

其中心区的电场强度就有可能增强到大气中空气介质的击穿值，从而在电场最强的区域首先发生放电，形成雷暴时的闪电和雷鸣，放电瞬间出现耀眼的闪光和震耳的轰鸣，这就是雷电。由此可见，雷电的形成伴随大气中的气流活动，所以在雷电形成和发展的同时，伴随的最典型的大气宏观现象是大气中的气流活动，雷电总是伴随着狂风暴雨而出现的原因。

同时在电场的大气空间中，总是存在有一定的传导电流，传导电流的大小随大气中的电场变化而急剧增大，即雷电流是一个非周期性的脉冲波：

I（t）=Im（e-at一e-bt） （4）

式中Im为雷电流的幅值，a、b为由雷电流波形决定的常数，t为作用时间。据国内外实测结果表明：75%～90%的雷电流是负极性，在地面上产生雷击的雷云多为负雷云。

2雷电对建筑塔吊影响研究

以上分析可知，当正负电荷累积达到一定的电荷值时，会在带有不同极性的云团之间及云团对地之间形成强大的电场，以及云地闪电、云内闪电和云际产生的伴随雷电放电产生的雷电电磁脉冲（LEMP），影响区域遍布对流层以下至地表，那么高耸竖立的金属塔吊就常受雷电影响的器件。

2．1直击雷过电压

当雷电直接击中建筑塔吊时，强大的雷电流通过其流入大地，在塔吊上产生较高的电位降，称为直击雷过电压。有时雷云很底，周围又没有带异性的雷云，这样可能在地面凸出物上感应出异性电荷，在雷云与大地之间形成很大的雷电场，当场强到25～30kV/cm时开始放电，它以强大的冲击电流（最高电流达200～300kA，一般在20～40kA，其时间仅为10～l00us）、炽热的温度、猛烈的冲击波以及强烈的电磁辐射直接击在建筑塔吊金属框架上，因电效应、热效应和雷电冲击波等作用而造成塔吊损坏。

2．2感应雷过电压

雷云层与层之间以及雷云与大地之间放电时，雷云——大地这个大电场发生畸变，即在放电通道周围产生的电磁感应、雷电电磁脉冲的辐射以及雷云电场的静电感应，使建筑物塔吊感应出雷电高电压。

当建筑塔吊处于雷云与大地间所形成的电场中时，塔臂金属导体上就会聚集极性与雷云下部电荷极性相反的大量电荷。当雷云与放电体间的电场强度超过两者之间空气的击穿强度时，雷云对放电体放电，正、负电荷在空中电路猛烈地中和。雷云放电后，云与大地间的电场突然消失，建筑物顶部或导体上的电荷来不及立即流散，因而产生很高的对地电位差（静电感应电压）。且建筑塔吊常在空旷平坦的地方，大风容易长驱直入，与地面及地面上的塔吊快速摩擦生成许多静电，使塔吊感应高压静电。

同时雷电流具有极大的幅值和陡度（式4），在放电通道周围的空间里会产生强大的变化电磁场，处在这一电磁场中的金属塔吊会感应出较大的电动势。即当雷云在塔吊上方时，使塔吊感应出异性电荷；雷云对其他物体放电后，塔吊上的电荷被释放，形成自由电荷流向塔臂两端，产生电位很高的过电压，塔臂上感应的过电压可达几万伏，对塔吊影响很大特别是塔臂两端电阻明显不对称，据最大不匹配原理：电荷流向塔身那端电阻小、流向吊钩那端电阻大，所以流向高电阻那端感应电压很大，以至使吊钩感应过电压极大，给施工带来很大的危害性。而且塔身越高、塔臂越长，感应电压也越大。

2．3尖端放电

雷电发生伴随着强电场，在强电场作用下，物体曲率大的地方（如塔吊顶端），等电位面密集，电场强度剧增，即云与塔吊之间形成强电场，空气发生电离，从而产生尖端放电。特别是吊钩时刻往地面伸缩且又感应极高的过电压情况下尖端放电更加明显。

3结束语

感应高压电是雷电所产生的电磁场与导体之间电磁耦合或静电感应的结果，只是塔吊的结构及架设使其更容易遭受雷电的影响。所以如何有效减小雷电在塔吊上产生的感应电压，从而对塔吊进行较好保护，解决长期以来建筑塔吊在雷电电磁场环境中感应高压电难于防护的问题将是下一步主要研究工作。