雷电防护技术的应用与发展

段弢，李鑫（湖北省防雷中心，湖北武汉，430074）

雷电防护技术的应用与发展

段弢，李鑫
（湖北省防雷中心，湖北武汉，430074）

进入电子信息时代后，雷电灾害的防护与以往相比受到人们更多的关注和重视，在电子信息、航空航天等高科技领域，雷电防护技术得到了快速发展，本文对雷电现象及其引起的灾害进行了详细介绍，并对雷电防护技术的应用和发展进行了探讨，希望有助于雷电防护技术的发展。

雷电破坏；雷电防护；发展趋势

0 引言

作为一种常见的自然现象，雷电十分频繁地出现在我们的日常生活中，具有出现范围广泛、发生频率高、以及破坏强度大等显著特点。在世界范围内，雷电现象引起的自然灾害数量位居前十，每年由于雷电灾害造成的直接经济损失高达数十亿美元之巨[1]。作为一种独特的自然现象，雷电现象发生时产生的强大瞬时电磁脉冲，会对建筑物等地面设施造成严重破坏。

随着计算机信息技术的快速发展，信息产业成为现代社会的支柱产业，自动控制设备、计算机通信设备等各种各样的电子设备和系统在各产业中得到了广泛应用，雷电现象对社会生产造成的破坏和影响越发严重[2]。因此，如何有效防范和减少雷电现象造成的破坏和损失成为现代社会关注的重点内容。近年来，我国在雷电灾害防护方面通过采取积极有效的措施，取得了明显成效。在本文中，笔者将对雷电防护技术的应用和发展情况进行探讨。

1 雷电活动的特征

雷电现象是指在强对流天气情况下出现的在雷雨云层之间或者在雷雨云层和地面之间出现的瞬间放电过程。通常在雷电现象发生时，会产生巨大的瞬间放电电流，形成猛烈的高温冲击波，雷雨云层内部的电磁场瞬间产生剧烈变幻，伴随而至的还有强大的电磁辐射等一系列的物理变化，造成严重破坏，属于典型的自然气象灾害。

雷电通常可以分为三种，即直击雷、感应雷和球形雷。直击雷通常指的是在带电云层和大地局部区域之间发生的剧烈放电现象。感应雷，又称二次雷，是由于电磁感应和静电感应的作用，带电云层会使与之相对应的地面局部区域内携带相反的电荷，通常来说，直击雷发生时，放电云层所携带的电荷会在放电过程中迅速消失，但是地面局部范围内由于电阻较大，电荷的散流速度较慢，会出现局部范围内的高电位，产生电击现象；或者在直击雷放电过程中产生的电磁脉冲会对其影响区域内的导线或金属结构物产生电磁感应现象，从而出现高电位，产生的电击现象。在雷电天气过程中，雷电云层内部或者雷电云层和地面之间产生放电现象时，在放电通道周边区域会产生强烈的电磁感应和雷电云层电场而导致的静电感应现象，致使地面建筑物上的金属结构内出现雷电高电压，当雷电高电压通过建筑物内的电源线引入室内则会发生室内放电，产生的瞬间高电流会严重破坏室内的电子设备、计算机网络系统设备等装置。感应雷发生时虽然没有直击雷那么猛烈，但是发生概率却远高于直击雷。球形雷产生时，通常会形成一个发光的球体，比较常见的颜色是橙色或者红色，偶尔也会出现黄色、绿色或者蓝色。统计结果表明，球形雷的发生比例占全部类型雷电现象中的13.7%，且一般多出现在强雷暴天气情况中普通闪电发生最为频繁的时段[3]。

2 雷电活动引起的灾害分析

雷电活动引起的灾害通常可以分为直接效应和间接效应两种，直接效应是由于雷电现象直接造成的破坏损失灾害，而间接效应则是由于雷电现象发生时产生的电磁效应而导致的电子设备等装置的破坏。本文从直击雷和感应雷两种不同雷电现象作为切入点，对雷电活动引起的灾害进行分析。

直击雷引起的灾害通常是由于雷电活动产生的热效应、电效应以及机械力所造成的。直击雷发生时，会产生强大的瞬间电流，其电流值可以达到数十甚至上百安培，如此之高的雷电电流会导致雷电点击部位产生高温，可将金属融化、易燃物点燃[4]。因此，当雷电电流进入到室内的供电线路中时，其产生的高温会使室内电源线路融化、烧坏用电设备、甚至有可能将室内的易燃物品点燃，以上均属于典型的由于直击雷热效应引起的灾害。在直击雷产生时，雷电云层放电过程的雷电电流经过载流导体时会产生电动力，造成破坏。经典电磁学理论表明，在通电导体周围存在着电磁场，而电磁场内的通电导体则会受到电磁力的作用。在电磁力的作用下，两根通电导体之间或出现相互吸引、不断靠近的现象，或出现相互排斥、彼此分离的现象。因此，在雷电现象发生过程中，两根导线之间会出现变形，严重时甚至会出现折断。当载流导体通过雷电电流时，若产生的电磁力足够大，将会对载流导体产生严重破坏。直击雷所引起的机械力造成的破坏通常是指雷电过程中产生的雷电流在建筑物或者树木内部造成的内部破坏压力或者其产生的冲击力而导致的破坏。

感应雷所引起的灾害通常是由于电磁感应或静电感应现象造成的。雷电引起的电磁感应和静电感应造成的破坏是雷电间接效应的典型表现，其通常会造成建筑物内的电子设备或者电子电路破坏，严重时甚至会产生人员伤亡，与直接效应相比，具有更大范围的破坏性。在雷电现象产生时，如果一些建筑物顶部覆盖有大面积的金属，由于静电感应的作用，会在金属表面产生与云层带点电荷电性相反电荷。一般来说，云层所带电荷为负电荷，而建筑物顶部覆盖金属所携带的电荷为正电荷，如果建筑物顶部金属与大地绝缘，或者某个接地位置断开或电阻过大，极容易造成局部高压放电，危及建筑物内的设备及人员安全。此外在雷电放电过程中，雷电电流会在建筑物内的电源线路中产生感应电流，如果此时电源线路内部某些区域出现接触不良或者局部电阻值过大，则会产生局部高温，可能会引燃电线线路周边堆放的易燃物品，造成安全事故。

3 雷电防护技术的研究与应用

3.1 直击雷防护技术

电子系统的许多设备通常安装在室外，发生直击雷灾害的概率较大。而电子系统一旦发生直击雷灾害，轻则造成电子设备损坏，数据灭失，重则造成人员伤亡，因此，对于直击雷灾害的防护技术是雷电防护研究的首要内容。

直击雷的防护通常通过外部防护的方式实现，即需要借助安装外部防护装置系统，其一般由避雷针、引下线、接地装置等若干部分组成。工作原理为通过避雷针将雷电电流引入下引线和接地装置，最终将雷电电流引入大地，从而避免造成对建筑物及其内部电子设备的破坏。直击雷防护的前提是基于被保护建筑物的实际情况，依据国家相关防雷规范进行科学分类，并在此基础上，根据本地区雷电灾害发生情况，选择类型合适的避雷针，科学测算下引线的长度、横截面积以及接地装置的结构。

3.2 感应雷防护技术

感应雷电技术的防护关键在于如何有效减少电磁感应和静电感应现象对建筑结构物内部的电子设备、电子线路等的影响和破坏，依据电磁学理论，可以采取在建筑物外部加装笼式避雷网的方式，达到防护目的。笼式避雷网可以有效降低雷电过程中产生的电磁波对建筑结构物内部的影响，从而达到保护建筑物内部电子设备的目的，同事还具有分流和均压的效果。

3.3 等电位连接技术

等电位连接技术采用阻断雷电电流通路的方式，实现对建筑物内部设施的保护。等电位连接技术使用等电位连接导体将建筑物内的各种电子设备和分开的导电装置连接，通过减少导电装置和内部电子设备之间在雷电现象发生时的电位差，达到保护目的。

4 发展趋势

近年来，大规模电子集成电路系统在计算机网络、电子设备等信息产业得到了越来越广泛的应用，因此，如何有效避免雷电灾害造成的经济财产损失变得更为重要，建立全国范围内的雷电防护网络体系对于防雷减灾具有十分重要的现实意义。

预防雷电灾害更重要的环节在于如何对雷电现象的发生进行有效预报。未来可以通过采用雷电监测仪器，对雷电发生的具体位置、雷电强度、作用时间等雷电现象关键信息进行有效监测，通过雷电理论等相关气象学知识对未来可能产生的雷电现象进行预测，为雷电灾害的重点防护单位提供科学预警服务。此外，还可通过对本地区雷电现象的实际发生情况进行观测记录，对相关的雷电预报分析系统内所采用的预报数值模型进行修正，不断提高雷电灾害预报的准确度。

5 结论

雷电防护技术作为一项系统工程，其关键在于如何有效的防止和抑制雷电现象造成的各种破坏。在实际生活中，应当重视雷电防护理论和实际应用的有效融合。本文中对雷电活动的特征及其产生的灾害进行了详细阐述，对雷电防护技术及应用情况进行了介绍，分析了雷电防护技术未来的发展趋势，希望通过对雷电防护技术的探讨，能够对实际生活中雷电防护工作有所帮助。

[1]石亚宁.浅析雷电灾害的影响以及预防[J].科技情报开发与经济,2008,23:156-158.

[2]李文选.雷电及其灾害的预防[J].现代农业科技,2009,02:292+294.

[3]廖锡源,李敬源.雷电的危害及预防措施[J].气象研究与应用,2009,S1:159+161.

[4]袁立新.雷电的生成、运行和避雷[J].吉林师范大学学报(自然科学版),2011,04:132-136+140.

Application and development of lightning protection technology

Duan Tao, Li Xin
(Hubei Provincial Lightning Protection Center, Wuhan Hubei,430074)

After entering the era of electronic information, lightning protection compared with previous get more attention and importance to people, in the field of electronic information, aerospace and other high-tech, lightning protection technology obtained the rapid development, in this paper, the phenomenon of lightning disasters and its cause are introduced in detail, and the application and development of lightning protection technology are discussed in this paper, in the hope of contributing to the development of lightning protection technology.

thunder and lightning; Lightning protection; The development trend