地面上人体遭雷电旁侧闪络的初探

黄克俭 柴 健 刘先春

（1.中国气象局气象干部培训学院湖北分院 2.湖北省防雷中心）

0 引言

人站在被雷击的直击雷防护装置旁可能遭受跨步电压、接触电压和旁侧闪络的伤害风险。GB21714.2—2015中指出人站在被雷击的直击雷防护装置旁，在3m范围内，存在因跨步电压和接触电压造成人体伤害的风险［1］，但未指出存在对人体旁侧闪络的风险。是不存在旁侧闪络的伤害风险？还是该风险很小？许多学者在跨步电压、接触电压对人体伤害方面进行了一些研究，并取得了不少的研究成果［2-16］，但未见有雷击旁侧闪络对人体伤害的定量研究方面的文献。为了弄清这一问题，本文通过建立等效电路模型，对其风险进行了仿真计算分析，以期为地面上人体遭雷电旁侧闪络危害分析提供参考。

1 地面上人体遭雷电旁侧闪络的计算分析

雷击旁侧闪络是一种非接触放电现象，主要由雷电流通道与人体之间的电位差造成空气击穿所引起，击穿后部分雷电流通过人体入地，造成伤害。雷击旁侧闪络的本质是空气间隙击穿，由空气中接地引下线和人体之间的电位差诱发。人体作为导体，因闪络前没有电流流过，所以人体各部位压降为零。因此，接地引下线和人体之间空气间隙所承受的电压，即为接地引下线上的压降和地表电位差两部分之和。下面我们将接地引下线压降和地表电位差两部分分别进行计算。

（1）接地引下线电位差计算

接地引下线可等效为阻抗电路模型，由引下线电感和引下线电阻组成。

接地引下线电阻可用式（1）表达：

接地引下线电感可用式（2）表达：［17］

那么，接地引下线压降可用式（3）表达：

其中，接地引下线电阻率取9.78×10-8Ω·m，单位长度电感量为962nH（μ0＝4π×10-7H／m，l＝1m，d＝12mm时由式（2）计算所得），雷电流等效频率取105Hz。

（2）地表电位差计算

地表电位差即为地网电位升高（GPR）差值，我们使用CDEGS进行仿真计算。CDEGS软件是Current Distribution、Electromagnetic field、Grounding and Soil structure Analysis（电流分布、电磁场、接地和土壤结构分布）的缩写，由加拿大SES公司（Safe Engineering Services＆Technologies Ltd.，安全技术工程服务有限公司）出品，目前是国际上成熟的、商业化的通用接地分析软件。

由于土壤放电电压低于空气放电电压，因此土壤放电只会限制在土壤中或表面，不会引起空气击穿，理论上对人体不仅不会构成伤害，并且还对限制地表电位梯度有帮助。

在研究垂直和水平接地极的地表电位差时，考虑了土壤放电效应，通过仿真计算修正土壤中任何两点之间电压梯度均不超过300kV／m，使计算结果更接近实际情况。以下为垂直接地极仿真模型（见图1）、水平接地极仿真模型（见图2）和不同土壤电阻率条件下地表GPR分布计算结果（见图3）。

图1 垂直接地极仿真模型图

图2 水平接地极仿真模型图

图3 不同土壤电阻率条件下地表电位差分布图（实线代表垂直接地极，虚线代表水平接地极）

2 空气间隙击穿判据与计算分析

接地引下线和人体之间构成一个非均匀电场间隙。其击穿电压具有一定波动范围，并与空气间隙距离呈正比关系，取击穿判据为500kV／m［18］。

视人体为可活动对象，人体与接地引下线之间距离并不固定，如考虑雷雨天气打伞等因素会使问题复杂化。因此，我们考虑人员朝向接地引下线伸展手臂后形成的空气间隙为最恶劣情况，即在一个手臂距离以内认为人员可接触到接地引下线的条件下进行仿真计算，取人体身高1.8m，肩高1.6m，臂长0.7m。其计算结果如图4、图5所示。

图4 垂直接地极在不同雷电流和土壤电阻率条件下临界危险范围计算结果

图5 水平接地极在不同雷电流和土壤电阻率条件下临界危险范围计算结果

由图4和图5可知，随着雷电流的增大，两种接地极的临界危险范围总体呈现出增大趋势。随着土壤电阻率的增大，两个临界危险范围也逐渐增大，100Ω·m情况下垂直接地极临界危险范围相对更大，当电流大于60kA时，土壤开始放电，致使水平接地极的临界危险范围随着电流的增大而减小。在500Ω·m时出现部分安全距离相等，当电流大于60kA时，两个临界危险范围完全相等。当土壤电阻率大于1000Ω·m时，不同接地极形式下临界危险范围的差异消失，这主要是由于土壤放电出现饱和效应。

比较两种接地极在不同土壤电阻率条件下的危险距离可知：土壤电阻率是雷击旁侧闪络距离的关键影响因素，接地体结构在低土壤电阻率条件下对雷击旁侧闪络距离才有一定影响，但闪络距离远小于高土壤电阻率地区。因此，防止雷击旁侧闪络安全问题应首先注意降低接地体周围的土壤电阻率，可采用换土或降阻剂等方法；另外，接地引下线入地段应做好绝缘防护，也可有效防止人员接触和反击闪络事故。

3 结束语

根据上述的计算分析，我们可以得出如下结论：

1）人站在被雷击的直击雷防护装置旁存在旁侧闪络的伤害风险，临界危险范围会随着电流和土壤电阻率的增大而增大。

2）土壤电阻率是雷击旁侧闪络距离的关键影响因素，接地体结构在低土壤电阻率条件下对雷击旁侧闪络距离才有一定影响，但闪络距离远小于高土壤电阻率地区。在土壤电阻率100Ω·m情况下，垂直接地极较水平接地极临界危险范围相对更大，土壤电阻率越大，电极形式导致的临界危险范围差异越小，临界危险范围具有饱和效应。