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从雷电监测预警和雷电防护探讨地滚雷应对

作者: 来源: 日期:2014-09-25 22:10人气:

  【摘要】:本文通过阐述地滚雷的产生原因、生成现象、物理作用及危害,并与雷暴进行对比分析研究,提出了雷电监测预警的方法和雷电防护的措施,对地滚雷进行全面综合的防范。

  【关键词】:地滚雷;监测预警;雷电防护;

  引言

  雷电是一种自然现象,其巨大能量所造成的轰鸣、强光和破坏,从古至今令人生畏而又难以预测。雷电能造成人员伤亡,能使建筑物起火、击毁,能对电力、电话、计算机及其网络等设备造成严重破坏。而且随着城市高楼大厦的崛起,雷电危害造成的损失越来越坏的情况有日益严重的趋势,中国每年有三四千人因雷击伤亡,造成财产损失50亿至100亿元。而地滚雷在雷击破坏中约占14%左右,尤其对建在高山上的通信、雷达、气象站,更应重点作好对地滚雷的防范。

  一、成因分析

  地滚雷也叫球形闪电、电光火球、球形雷等。球形雷是由某种特殊的带电流体形成的,它以一种发光球形出现,直径一般不超过30厘米,随着地面形状在低空滚动呈漂浮状态,持续时间大多只有几秒种,但它常会具有上千摄氏度的高温火焰,有数百万伏的电压,数千安培的电流。球形雷的发生概率较低,但其危害破坏作用大,而且无孔不入,可通过烟囱、门窗缝隙入室或沿线路穿孔进入室内,这种火球碰到人会造成人员严重的烧伤或死亡,对用电设备、电子产品极具破坏力。当它接触到某些可燃物体或可燃气体的时候,能够引起火灾爆炸,当它接触到某些金属物体时,甚至可以将金属部件熔化,造成严重破坏。

  雷雨云中大量带有正负电荷的微粒分离,在云中形成若干个正负电荷中心。随着电场的增大,就会产生云层间和云地间的放电,使电介质-空气击穿,随即产生强大的电流,电流经过的通道产生高温等离子体,并将等离子激发至高能态放出强光,强电流传导通道就形成闪电,随着高温而产生的高压等离子体因急剧膨胀而消散,产生强烈的纵波向周围扩散造成巨大的雷声,这就是雷电产生的机理。

  枝状闪电较为平常,而奇特的球状闪电则很少见。从目击者的描述来看,球形雷有许多奇异的特征。球形雷一般为球状,也有环状、柱状的,从拳头到脸盆大小的都有,往往呈橙黄色,像气球一样飘忽不定,但能逆风飘移,常伴有嘶嘶的响声;有的能量非常大,有热辐射效应,能灼伤人体、破坏建筑或引起燃烧;少部分能量很小,没有热感,像冷的物体一样;常有电磁效应,它喜欢沿着导体运动,能使电器设备烧毁短路。

  球形雷既神秘又令人费解,目前有化学燃烧论、核反应论、射频论、等离子论等各种解释,由于球形雷比较罕见,目前难以进行实验研究验证,这些解释也只能是一些假说。但从大多数球闪有较强的电磁效应(比如仅使非金属中的金属熔化,容易使其所经之处停电)来看,这说明球形雷是等离子体的观点更为合理些。下面我们就运用电磁学理论结合等离子体特点分析球形雷形成的原因。

  雷雨天气中积雨云层底部一般会积累大量的负电荷,并在地面感应出等量的正电荷,因此形成强大的电场。当电场强度达到能电离空气中的大量分子时,空气就不再是绝缘体,放电就要产生,地面和云层分别伸出带有正负电荷的火舌迅速汇合,在电火舌交汇之处产生强大的放电电流。根据安培环路定律该强放电电流必然同时产生强大的磁场。

  闪电发生时主闪放电可达1万~10万安培,闪道半径一般为1~5厘米,闪电通道边缘的磁场强度最大,磁感应强度为2000~4000高斯,闪道内的磁场是内弱外强的,起到对等离子体的箍缩作用。

  强大的电流使得闪道内的温度可达20000℃,必然使闪道内的空气形成腊肠等离子体,由于电火舌交汇处放电电流最为强大,此处的腊肠等离子体的截面最宽,根据等离子体的腊肠截断效应,腊肠截面较窄的等离子体容易消散,在火舌交汇点的等离子体最易存留。同闪电电流同时产生的磁场先于等离子体存在,磁场就固化在等离子体中。由于闪电电流是瞬间的放电电流,放电后电流必然很快消失,这时如果没有等离子体,其周围的磁场也必然同时消失,但由于等离子体的电磁特性,即便原磁场消失等离子体内也会产生环形感应电流,以保持原来体内的磁场分布,感应电流相当于环形螺线管电流,在内部产生磁场,此磁场应等于原磁场。由最大感应电流总和的数量关系式可知,球闪的内部电流最大可达16万~32万安培!由此可见等离子体内的环形感应电流总和可能十分强大,每个环形电流对其流经的等离子体都有箍缩作用,相邻的环形电流也有相互吸引作用,相当于两个N极S极相邻的小磁针,产生对整体的箍缩作用,箍缩力显然与感应电流强度成正比关系,由于感应电流强度很大,箍缩力就十分巨大,足以同等离子体内的高温膨胀力相平衡,形成天然的球状磁瓶式的等离子约束体,一般来说球闪直径应为闪道直径的2倍,当箍缩力较大时球闪体积就会变小些,当内部膨胀力较大时,球闪的体积就会变大些。由于感应电流的自然减弱,其对等离子体的箍缩力也会降低,但由于热辐射等离子体的压强也会随温度降低而下降,球闪在一定时间内是能够维持动态平衡的,因而体积不会发生明显变化,因此由高温等离子体组成的球形雷可存在10秒钟甚至更长时间。

  球形雷很轻并有磁场,根据楞次定律,当有物体接近它时,它易使该物体产生有排斥力的微弱感应电流,当有物体离它远去时,它易使物体产生有吸引力的微弱感应电流,因此球形雷有排斥同实物物体接触的能力。如果目击者试图接近它,它会躲避;如果目击者想躲避它,它还会跟随而来;有时球形雷也会沿着导体或烟道飞行,它的磁场会给其临近的金属造成涡型感应电流而使金属融化,它的磁场可以随着等离子体伸缩而伸缩,有时它可能安然挤过窄缝。球闪是电磁体,飘忽不定,在电磁场的作用下可能逆风飘移,能够严重干扰和破坏电器设备,有时会造成导线融化、电路短路,导致严重的停电事故。球闪表面的电流同外部空气摩擦或轻微放电而产生嘶嘶的声音,其体内感应电流也能长时间激发等离子体发光,由于感应电流分散和自耗,其激发等离子发光已不如放电发光的强度大,一般球闪呈现不十分耀眼的橙黄色。有的球闪内部等离子体的温度较低,较弱的电流就能约束其形成球形闪电,这种球闪能量低,属于冷球闪。

  当然由于热辐射和焦耳热最终将使球闪熄灭,随着感应电流的减弱其磁场也会减弱,其排斥同其他物体接触的能力就会降低,如果球闪带有一定的净电荷,它就同周围形成电势差,就有可能因同周围物体放电而解体,由于感应电流约束解除,内部的高温等离子体喷出而伴随有较大的爆裂声。如果球闪净电荷为零且内部温度较低,它就可能悄悄地消逝。

  从以上论述可以看出,等离子理论能够解释球形雷的产生和其行为表现特性,在高压设备尤其是高压开关,有时也会放电产生电火球,这同球闪产生的机制是一样的,只不过由于电压和电流没有雷电那么强大,产生的电火球一般都较小,存在寿命也较短,但一般寿命也可达1秒钟。

  由于火球产生的条件并不完全相同,所表现的性质也有差异,因此存在着两种甚至多种产生机制的可能性。更完善的、科学的球状闪电的产生和稳定机制理论,还有待于进一步的实验和理论研究。最可靠的方法是用实验模拟多种可能产生球状闪电的条件,探索球闪产生的机理和方法。

  二、监测预报

  随着我国现代化建设速度的加快,雷电对城市发展建设的破坏影响也在不断加剧。雷电具有持续时间短、放电快、突发性的特点,一旦发生雷害,一切救援措施和补救方法都会来不及。因此,一些重要设施、危险区域等都需要雷电的监测和预报,特别是一些户外重大活动更需要雷电和空间雷电环境的监测和短时、邻近预报。

  由于国内的雷电监测起步较晚,目前还主要是从雷电的电学特性上探测雷电,对雷电的预测也主要是运用经验对雷暴的雷达回波进行分析从而进行雷电预警,预报准确率并不高,预报产品形式单一、质量欠佳。因此目前还没有成熟的可供预报服务实际使用的业务产品,也就是说,我国在雷电预警预报方面的工作相当薄弱,尤其是针对地滚雷的预警预报,目前基本没有开展这方面的业务。

  目前的雷暴预警技术往往只关注到雷暴本身的发生发展规律,而忽略了雷电防护对象本身特性以及历史雷暴数据对雷电防灾减灾的重要性,造成其预报产品过于单一,深度不够,不能有效的指导雷电的防灾减灾工作。

  在现有监测手段下可以通过建立雷电数据库,尝试提供一种更为实用的雷灾预警方法。为便于精细化雷暴预警服务,可以以行政区域内的不同功能规划分区,如居民区、工业区等,尤其是对于重点防护对象,如大型石化企业、机场等宜单独分区。

  雷电数据库应基于地理信息系统,并包含如下内容:

  1)区域历史雷暴数据统计分析。在某城市或行政区域内按地闪密度分布、雷电流强度、雷暴时空分布规律等,进行分区块分等级,并确定一个与之相应的雷暴影响因子以及雷暴高发区和高发时段。该因子可预测雷电发展趋势及其概率。

  2)历史雷灾数据统计分析。根据过往雷灾发生的时间、地点、对象特性、后果等进行雷灾易损区域划分,确定易损因子,评价易损性。

  还可以通过雷电定位系统和雷电监测仪等探测设备,记录雷击发生的时间、地点、风向、风速、湿度、电磁场强度、雷电流强度等数据,把有关数据存入数据库,通过采集不同的数据,分析相关的预报因子,比较得出各种雷电发生的电场强度和气象条件特征,努力探索雷电的致灾机理并掌握其规律,指导预警预报产品的生成,可有效避免同类型的雷灾事件再次发生。

  3)对象特性分析统计。对行政区域内的大型项目、重点项目、易燃易爆场所的分布及其特性进行分析统计,并与项目前期的雷电风险评价有机结合,找出项目各环节的雷电敏感点,并建立项目特性资料档案。通过分析统计,可以充分考虑防护对象本身的特点,从而分析比较出各防护对象在相同的雷电条件下造成不同的后果,体现雷电预警服务在不同对象上的差异性。

  通过建立雷电数据库,并经过采集归纳多年数据和综合资料进行分析,可以掌握雷电时空发生规律,进一步指导雷电预警的研究和开发,这样不但在电力系统雷击故障点的查巡、森林雷击火灾的定点监测、民航航线的选择、石化项目选址等方面都有很高的经济效益,也可对雷害的分析确定、保险理赔等提供科学依据。更重要的是,若雷电数据库显示某区域的雷击可能性非常高且破坏性巨大,则可以根据有关数据向相关部门反映,彻底做好综合防雷工程设计。

  三、防护措施

  (一)、现有防雷系统存在的问题主要包括以下几个方面:

  (1)直击雷防护装置的接地电阻值较大,雷电流没有较好泄流点及时泄流,易形成球形雷并沿馈线进入室内,造成雷电电流击坏设备,这是典型的球形雷击事故;

  (2)共用接地系统不完善,设备及屏蔽层等各种接地无处可接,天线馈线屏蔽层在进入室内之前,其屏蔽层首尾未做接地,未安装相应的SPD,造成了球形雷电沿馈线长驱直入进入室内,造成设备损坏;

  (3)人们通常以为安装了避雷针的建筑物,就不会遭受雷击了,其实不尽然。雷电形态影响避雷针的保护功能,因球形雷常呈飘浮状态,往往不会被避雷针吸引,它常向建筑物的孔、洞、窗等缝隙钻入,造成事故和损失。

  (二)、为加强对球形雷的防护,应采取以下具体措施:

  (1)根据球形雷的特性,建筑物最好采用笼式避雷网,,如果达不到笼式避雷网条件,就在建筑物的通风孔道、烟囱等其他缝隙处进行再防雷。具体方法是在孔洞或缝隙上加装网眼<4 cm2、线径为2~2·5 mm的接地铁丝网。堵好建筑物墙面上不必要的孔洞,对高大树木下的重要建筑物尤其要采取防护球雷的措施。

  (2)在高山台站,应在建筑物四周设隔离避雷网带,网高>3米。在建筑物的门窗上安装金属纱网并接地;堵好建筑物墙面上不必要的孔洞;(网眼不大于4平方厘米)。

  (3)采取直击雷防护措施时要求在金属杆支撑的上部做符合要求的接闪器,使天线处于LPZOB区内,避免天线遭受直接雷击。利用金属管做引下线与接地设施电气连接贯通,使接地电阻≤10Ω(作为共用接地地网时接地电阻≤4Ω)。

  (4)在安装天线时,应利用金属管的屏蔽作用,将馈线穿入钢管内腔,并在馈线下端引出钢管孔部位将馈线屏蔽层与钢管做等电位连接,形成较好的自然屏蔽及等电位连接。

  (5)当地网的接地电阻值达不到要求时,可扩大地网的面积,即在地网外围增设1圈或2圈环形接地装置。环形接地装置由水平接地体和垂直接地体组成,水平接地体周边为封闭式,水平接地体与地网宜在同一水平线上,环形接地装置与地网之间以及环形接地装置之间应每隔3~5m相互焊接连通一次;也可在铁塔、雷达天线四角设置辐射式延伸接地体,延伸接地体的长度宜限制在10~30m以内。

  四、结论

  对地滚雷的防范是综合各个领域进行防雷的一项专门技术,它牵涉面广,技术性强,要求防雷技术人员必须熟练掌握各种防雷规范和标准,应用各种先进的防雷技术。在设计时,必须认真仔细勘察所处的地理环境条件,全面了解设备的技术参数,根据需要,采用分流、均压、屏蔽、搭接、接地等保护措施进行综合治理,层层设防,提出一个合理的、完善的综合防雷设计方案。工程实施期间应严格按照设计方案的要求,采购合格的防雷设备和材料,进行严格施工、监督和管理,只有这样才能使地滚雷的防范系统达到令人满意的防雷效果。

  参考文献

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