一次典型的雷击事件分析

康庄

摘要通过对2012年9月19日商丘市睢阳区文化路小学雷灾事故勘查计算分析，结果表明此次人员伤亡为典型的雷击事故，雷击的原因是：该教学楼属第三类防雷建筑物，未安装防雷装置，在有利的天气背景和影响系统下，雷击大树造成击穿空气，对附近人体发生闪络电弧，跨步电压Us1为24.1（kV），大于雷击时最大允许电压，因此，可以判定此次人员伤亡事故为雷电流流经大地的旁侧闪络和雷击跨步电压所致。建议政府进一步完善学校防雷装置，加强雷电科普教育，建立完善的雷电监测预警、预报系统，预防和减少雷电事故的发生，保障师生生命安全和学校财产安全。

关键词雷击；天气系统；跨步电压；旁侧闪击

中图分类号S166文献标识码A文章编号0517-6611（2015）07-197-02

雷电是发生于大气中的一种瞬时高电压、大电流、强电磁辐射的灾害性天气现象。雷电灾害有两类： 一类为直接雷击灾害，另一类为感应雷击灾害。前者会直接击死、击伤人畜，击坏输电线、建筑物，甚至引发火灾；后者悄悄发生，不易察觉，主要以电磁感应和过电压波的形式对微电子设备构成危害。2种形式的雷击尽管表现形式不同，但对人民生命财产均构成严重威胁[1]。近年来，随着我国社会经济的发展和现代化水平的提高，特别是由于信息技术的快速发展，雷电灾害的危险程度和造成的经济损失及社会影响越来越大。据保守估计，我国每年因雷电灾害造成的直接经济损失达数亿元，而由此造成的间接经济损失则难以估计，产生的社会影响也越来越大[2]。笔者在此对2012年9月19日商丘市睢阳区文化路小学雷击事故进行勘查计算分析，探讨此次雷击事故的成因。

1雷击基本情况

2012年9月19日13：45，在商丘市睢阳区文化路小学，有4名学生同时被雷电击中，其中一名10岁男孩经抢救无效不幸死亡，一名9岁的孩子眼部受皮外伤、鼻骨骨折，另外2个孩子伤势轻微。据现场人员描述，雷击时先是看到一道强烈的白光，紧接着听到一声雷声，4名行走的学生应声而倒，一名倒地的小男孩伤势严重，喉咙被击穿，衣服被烧焦，120急救中心赶到时已停止呼吸，另外3名学生伤势较轻，倒地后片刻自己爬了起来，但对倒地原因均无记忆。此次雷击事件严重影响了学校的正常教学，在社会上产生强烈反响。

2 现场勘查

经现场勘查（图1），事故地点位于校园内一排十几米高的大树底下，距最近一棵树的树干约有2.5 m，事故地点东侧25 m是学校四层教学楼，南侧45 m是学校两层办公楼，西侧50 m是学校大门口，北侧35 m越过学校围墙是六层居民楼，教学楼及居民楼均未安装防雷装置，场地为混凝土路面，有积水。

图12012年9月19日雷击事故现场

3雷击事件成因分析

3.1天气背景和影响系统

9月19日14：00 T639高空分析综合图（图2）显示，河南上空受西北气流控制，河南省北部、东部地区受下滑槽和辐合线影响有上升运动，温度场上，高层有冷槽影响河南省北中部地区，除西部、西南部外其他地区K指数>30 ℃，北部和东部处于上干下湿的不稳定环境场中，北部、东部部分地区有雷电活动。根据雷达回波显示，“9.19”雷暴天气是一条典型的飑线系统，自西向东移动，雷击事故发生时，雷达回波中心强度为45 dBz。

图2 2012年9月19日14：00 T639高空分析综合图

3.2 闪电监测资料分析

雷电监测记录显示，9月19日13：25～13：50期间共有4次闪电发生，其中在事故发生1 km范围内有2次闪电发生，最大雷电流强度为-26.6 kA，闪电定位监测资料的雷击记录在时间上和地点上与现场人员调查记录反应的时间和GPS定位的时间基本吻合（表1）。

表1 2012年9月19日闪电定位资料

序号时间经度∥°E纬度∥°N电流∥kA回击

12012-09-19 13：25114.085 135.544 60-56.817 31

22012-09-19 13：34114.094 736.803 30125.437 81

32012-09-19 13：42114.052 235.950 15-15.795 61

42012-09-19 13：44114.085 635.874 60-26.592 71

3.3 剩磁数据分析

在雷击现场，技术人员用剩磁仪测量有关金属构件，可以做判据的有单杠、臂力训练器、肋力架、宣传牌等，测量的剩磁数据分别为1.57、2.14、2.20、1.62 mT，其中肋力架最大，剩磁达2.20 mT（毫特斯拉），说明在事故发生点附近出现过较强的雷电流（表2）。

表2剩磁测量记录

测量器具材料数值∥mT是否做判据

单杠（东）铁1.57是

臂力训练器铁2.14是

肋力架铁2.20是

单杠（西）铁1.23参考

监控摄像头支撑柱铁1.10参考

金属罩棚铁0.44否

宣传牌铁1.62是

篮球架铁0.44否

4 雷击伤亡人员原因分析

4.1雷击现场危险性分析

根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010（以下简称防雷规范）第三章第3.0.1条“建筑物应根据建筑物的重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为三类”[3]。学校属于人员密集场所，雷击事故事发地点附近教学楼（校园内最高建筑）长、宽、高分别为50.2、6.8、12.5 m，按照规范计算，该建筑物年预计雷击次数N为0.016次/a，规范3.0.4条“2 预计雷击次数大于或等于0.01，且小于或等于0.05的部、省级办公建筑物和其他重要或人员密集的公共建筑物，以及火灾危险场所”应划为第三类防雷建筑物，根据计算分析及防雷规范对应的条款要求，该教学楼防雷类别应判定为三类。

4.2 雷电流流经大地的旁侧闪络

雷击大树时，雷电流通过大树树干流经大地，由于大树是不良导体，雷电流不能及时泄入大地，树干电压突然骤升，由于人站在大地，与大地等电位，树干便对人体闪络。

树干的接地电阻值很大，均超过1 200 Ω，与人等高处树干的电压降为：

U=iR+L0Hdi/dt，

式中，H为树干顶端距离人头的距离，i为雷电流幅值，L0为树干单位电感di/dt瞬间变化率。

人体靠近大树时，人体与树干的电场磁场强度可达几千到几万千伏，而空气被击穿的强度为500 kV（防雷规范），因此，雷击大树能够造成击穿空气，会对附近人体发生闪络电弧，从而造成人员伤亡。

4.3跨步电压

对现场勘查情况、现场人调查记录、闪电定位监测资料分析、剩磁测量记录、法医检查资料等进行综合分析，认定此次事故为雷击所致。为了进一步分析有雷击跨步电压所致的原因，现在进行如下定量分析。

雷电流经接地体流入大地后在均匀电阻率的土壤中引起的跨步电压如（1）式计算：

Us=∫Idu=ρIS/2πr（r+S） （1）

式中，ρ为土壤电阻率，I为雷电流，S为人体两脚间的距离即跨步步幅，r为距离雷电流入地点处的径向距离。

事实上，作用于人体间的电压并不是单纯的跨步电势。这是因为人的两脚与土壤间有接触电阻存在的缘故，当人在地面行走时，两脚和土壤间有接触电阻Rb串联。

此时人体两脚间受的实际电压，即跨步电压Us1为：

Us1=Rb Us/（Rb+2R0）=Rb Us/（Rb+6ρ） （2）

式中，ρ为土壤电阻率，R0为两只脚和土壤中的接触电阻，Rb为人体的电阻。

根据美国电击工程学会的意见，确定对心脏有害的通过人体的最低电流值是：

Ik=0.165/t1/2

式中，Ik为允许流过人体的电流值（A），t为电流延续时间（s）。

这一安全电流值，可用于计算允许的跨步电压Uk，

即Uk= IkRb=0.165/t1/2Rb，

设人体的电阻Rb为1 000 Ω，雷电流的延续时间为350 μs时，Uk=8.8（kV），

事故瞬间路面有积水，混凝土被打湿后的电阻率ρ=100 Ω·m。

以上这些计算式中主要参数设定如下：

雷击电流I为25 kA（取规范中三类防雷建筑物的雷电流幅值），设人体两脚间的距离即跨步步幅S=0.8 m、ρ=1 000 Ω·m，实测事故地点离雷击大树的距离r=2.5 m，事故地点的土壤电阻率（混凝土被打湿）ρ=100 Ω·m。

则不考虑两只脚和地面接触电阻时的均匀土壤电阻率的跨步电压由（1）式计算得：

Us=38.6（kV）；

考虑两只脚和地面接触电阻时的均匀土壤电阻率的跨步电压由（2）式计算得：

Us1=24.1（kV）。

由于Us1大于雷击时最大允许电压的计算值，因此，可以判定此次人员伤亡事故为雷击跨步电压所致。

5 结论与建议

此次人员伤亡为典型的雷击事故，雷击的原因是：该教学楼属第三类防雷建筑物，未安装防雷装置，在有利的天气背景和影响系统下，雷击大树造成击穿空气，对附近人体发生闪络电弧，跨步电压Us1为24.1（kV），大于雷击时最大允许电压，因此，可以判定此次人员伤亡事故为雷电流流经大地的旁侧闪络和雷击跨步电压所致。建议政府进一步完善学校防雷装置，加强雷电科普教育，建立完善的雷电监测预警、预报系统[4]，预防和减少雷电事故的发生，保障师生生命安全和学校财产安全。

参考文献

[1]

梅卫群，江燕如.建筑防雷工程与设计[M].北京：气象出版社，2004.

[2] 陈先禄，刘渝根，黄勇.接地[M].重庆：重庆大学出版社，2002.

[3] 机械工业部. GB50057-94（2010年版）建筑物防雷设计规范[S].北京：中国计划出版社，2010.

[4] 朱月霞，张丽，周宏健.“9.23”望江县雷击灾害分析及野外雷击防护[J].安徽农业科学，2014，42（4）：1121-1122.