雷电的产生
空中的尘埃、冰晶等物质在云层中翻滚运动,经过运动,使这些物质分别带上了正电荷与负电荷,带上相同电荷的质量较重的物质会到达云层的下部(一般为负电荷),带上相同电荷的质量较轻的物质会到达云层的上部(一般为正电荷),这两部分带异种电荷的云层之间,或者是带电的云层对大地之间迅猛的放电(即闪电)。这种迅猛的放电过程产生强烈的闪电并伴由云间摩擦形成的巨大的响声。
当然,云层之间的放电主要对飞行器有危害,对地面上的建筑物和人、畜没有很大影响。然而,云层对大地的放电,则对建筑物、电子电气设备和人、畜危害甚大,这是我们研究的主要对象。
在大多数情况下,雷击和雨都会一并产生的。雷雨的形成总是与强烈上升的热潮湿气流的出现有关的,雷云的形成必须具备几个条件:一,空气中有足够的水蒸汽;二,天气热,能使潮湿空气上升到开始凝结成水滴的大气层;三,没有妨碍强烈持久的上升气流的情况,原因包括:地面被强烈的阳光晒热、潮湿的热空气与冷稠的空气相遇。
雷击种类
通常雷击有三种主要形式:其一是带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象,叫做“直击雷”。其二是带电云层由于静电感应作用,使地面某一范围带上异种电荷。当直击雷发生以后,云层带电迅速消失,而地面某些范围由于散流电阻大,以致出现局部高电压,或者由于直击雷放电过程中,强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压以致发生闪击的现象,叫做“二次雷”或称“感应雷”。其三是“球形雷”。
雷电的危害
随着微电子、计算机技术的迅速发展,以集成电路为核心的各种测控及网络通信系统已广泛应用于航空航天、金融、邮电、电力、石油化工、交通运输等各行业及医疗保健等现代生活各领域。这类电子系统(设备)元器件的集成度高,信息存储量大,速度和精度不断提高,但工作电压仅有几伏,信息电流仅为有微安级,对过电压、过电流、电磁脉冲等外来干扰极其敏感且耐受能力极低。当雷电等过电压和伴随的电磁场强度达到某一阀值时,轻则引起系统失灵,重则导致系统或其元器件永久损坏。
据美国的保守估计,主要由于雷电冲击导致计算机网络系统失效或损坏,平均每年约占全部故障的70%。在德国各种灾害造成的损害中,感应雷击造成的损害高居榜首,占全部灾害损失的33.8%。奥地利某地区1996-1992年间雷击保险理赔件数统计:33年中直接雷击事故每年都约100起左右,我国近年也雷害事故频繁、激增,据一些省市统计,因雷害作用电子设备的直接损失约占雷电灾害总损失的80%,造成了巨大的直接经济损失和无法估量的间接经济损失与社会影响。例如:广东地区2004年雷害事故共计2179起,其中电子电器设备雷害事故1443起;共计直接经济损失1亿8328.9万元,间接经济损失15亿2825万元。
雷电灾害被国际电工委员会(IEC)称为"电子化时代的一大公害",雷电灾害给全球造成的经济损失每年在十多亿美元以上。
多年来,国内外有关航空航天飞行器、微波站、调度通信站、气象中心、计算中心、广播电视系统等遭受雷电等冲击干扰而失效、损坏的事例屡见不鲜,造成巨大的损失。因此,加强和改进电子系统(设备)的防护,减小其造成的直接损失和间接损失(有时这可能更大更严重!),已成为当务之急。
对于雷的破坏力,我们可以通过以下几个概念来分析:
直击雷:
雷电直接击在建筑物上,产生电效应、热效应和机械力.在雷暴活动区域内,雷云直接通过人体,建筑物或设备等对地放电所产生的电击现象,称之为直接雷击。此时雷电的主要破坏力在于电流特性而不在于放电产生的高电位。雷电击中人体、建筑物或设备时,强大的雷电流转变成热能。雷击放电的电量大约为25~100C。据此估算,雷击点的发热量大约500~2000J。该能量可以熔化50~200mm3的钢材。因此雷电流的高温热效应将灼伤人体,引起建筑物燃烧,使设备部件熔化。在雷电流流过的通道上,物体水分受热汽化而剧烈膨胀,产生强大的冲击性机械力。该机械力可以达到5000~6000N,因而可使人体组织,建筑物结构、设备部件等断裂破碎,从而导致人员伤亡、建筑物破坏,以及设备毁坏等。
雷电感应:
感应雷的破坏也称为二次破坏。雷电流变化梯度很大,会产生强大的交变磁场,使得周围的金属构件产生感应电流,这种电流可能向周围物体放电,如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸,而感应到正在联机的导线上就会对设备产生强烈的破坏性
静电感应雷:
带有大量负电荷的雷云所产生的电场E将会在架空明线上感生出被电场束缚的正电荷。当雷云对地放电或对云间放电时,云层中的负电荷在一瞬间消失了(严格说是大大减弱),那么在线路上感应出的这些被束缚的正电荷也
就在一瞬间失去了束缚,在电势能的作用下,这些正电荷将沿着线路产生大电流冲击,从而对电器设备产生不同程度的影响。
电磁感应雷:
雷击发生在供电线路附近,或击在避雷针上会产生强大的交变电磁场,此交变电磁场的能量将感应于线路并最终作用到设备上(由于避雷针的存在,建筑物上落雷机会反倒增加,内部设备遭感应雷危害
的机会和程度一般来说是增加了),对用电设备造成极大危害。
雷击电磁冲:
作为干扰源的直接雷击和附近雷击所引起的效应。绝大多数是通过连接导体的干扰,如雷电流或部分雷电流、被雷电击中的装置的电位升高以及磁辐射干扰。
雷电波侵入:
由于雷电对架空线路或金属管道的作用,雷电波可能沿着这些管线侵入屋内,危及人身安全或损坏设备