浅谈雷电的选择性.doc

浅谈雷击的选择性摘要：本文从雷击的选择性与地质条件、地形面貌，以及地物情况几个方面之间的关联性进行分析，分析雷击的选择性的物理过程，旨在为有效采取防雷减灾针对性措施提供科学依据。关键词：雷电灾害；雷电防护；雷击选择性；1 引言雷电是一种宏伟壮观的又富有神秘色彩的自然现象，同时又是威胁人类生命和财产安全的大自然灾害。人类对这一自然现象进行了长期的系统的观察和研究，在无数惨痛的雷击事故的基础上积累和总结出雷击选择性的客观规律，对于雷电灾害的防御工作具有积极的指导意义。2 雷击选择性雷云在地面上空形成并对地放电，但在地面同一区域内发生雷击并不是均匀的，这种落雷分布不均匀的现象，称之为雷电放电的选择性。历史资料统计与实验研究表明，落雷的地方及遭受雷击的地面目标是有一定规律的，掌握这些规律对于防雷说来具有十分重要的意义。一般说来，落雷与地质条件、地形面貌，以及地物情况等有着密切的关系，这是因为在雷云形成、发展和先导放电的过程中，相应的地面上都会被感应而积累起与雷云极性相反的异性电荷，在土壤电阻率分布不均匀的区域，凡是土壤电阻率较小的地方，容易感应出和积累起较多的异性电荷。同时，这个地方的导电性能也相对较好，这样就为先导放电提供了良好的条件，因此雷云的下行先导就自然朝着这个地方发展，从而造成落雷。本文只从这些主要方面来论述产生雷击选择性的内在原因。2.1 地质条件对雷击选择性的影响根据瑞典诺林德、沙卡和前苏联科学家HC斯捷科里尼科夫等人模拟试验结果与实际调查资料证明，如地面土壤电阻率分布不均匀，则在电阻率小的地区，雷击的概率较大。下面我们来分析其中的物理过程。图1 不同土壤电阻率地区雷电发展模型如图1所示，某一区域理想的下垫面，A区域与B区域的土壤电阻率不同，且A地的土壤电阻率A小于B地的土壤电阻率B。图中所示的是常见的负地闪的情况，当雷云过境时，由于静电感应，它下方的地面就会因此感应出与雷暴云极性相反的电荷，由于A、B两地的土壤电阻率的不同，雷云不容易在B地感应出较多的异性电荷，而且即使感应出一些异性电荷，也不容易集中起来形成上行先导，因此当雷云的下方与地面或地面上的物体之间的电场强度达到25- 30kV/cm 时，雷云与大地间的空气绝缘层被击穿，发生局部放电，雷电先导逐级向地面发展，而在发展过程中由于A地比B地感应出更多的电荷，且能为雷电提供阻抗较低的放电通道，因此雷电朝着场强较大的A地发展，最后与A地所产生的向上迎面先导汇合，接闪的瞬间把能量沿该路径释放给大地,完成一次雷击过程。研究还表明：雷击于高电阻率地方时的雷电流较小,而击于低电阻率地方的雷电流较大,危害性也较强。图2 存在明显差异下垫面雷电发展过程上面所提到的是理想的下垫面情况时雷击选择性的物理过程，而实际的情况下垫面一般都是凹凸不平的，就像图2中所示。A、B、C3种不同土质,土壤电阻率的关系式BA h2),常见的负地闪的雷暴云带大量负电荷，在先驱放电过程中，先导头部聚集较多电荷，Hutzler用在先导头部增放等效电荷的方法来表示这种情况，即把先导发展时的全部电荷等效成一个全部在先导头部球形电荷，这样我们根据点电荷在空间电场公式: （5）在电荷量Q一定的条件下，影响电场强度的因素就只有距离R，为了更形象的表示电场强度与距离的关系，我们用正电荷代替实际雷暴云的负电荷，模拟出的点电荷产生的电场平面图（图5）如下：图5 点电荷产生的电场可见正点电荷产生的电场是向空间均匀发散的，在电场中的两点a与b，距点电荷的距离分别是R1和R2且R1R2,那么在距点电荷Q为R1的等电位面上，b点与c点的电场强度在大小上是相等的，所以只要比较a点与c点的电场大小即可，又R1R2那么有： （6） 离点电荷近的b点的电场强度大于a点的电场强度，即离点电荷越近，点电荷在该点处的场强越大，而雷电先导的发展总是朝着场强最大的方向，故离等效电荷较近的点，遭雷击的概率较大。王巨丰根据该原理，分别确定模拟电荷密度和空间电场强度，同时在模拟过程中以流注长度Z为试探半径画圆弧，算出圆弧上场强最大点，再以此点为圆心以同样半径画圆弧，算出圆弧上的场强最大点，从而确定雷电走向，进而算出可能的雷击范围，得到的数据如下表所示： 表3 不同X1条件下的雷击范围 (m)表3中得到的雷击范围是以坐标的形式表示的，其中坐标原点是金属体1与地面的交点，y轴是以沿金属体1的方向向上，x轴是以沿地面方向向右，其中X1是金属体1与雷暴云的水平距离，h1是金属体1的高度（图7）Q=-3C ,h2=50m,X1+X2=400m。通过上表我们可以得到如下结论：（1）当h1保持为100m，随着金属体1距等效电荷越来越近，同时也是金属体2距等效电荷越来越远时，雷击范围逐渐从金属体1周围地面转移到金属体1本身，当X1=80m雷电就会击到金属体上，而当X1=50m时，模拟结果显示雷击会100%击到金属体1顶端，可见地面不等高金属体，高的金属体越靠近雷暴云，它遭雷击的概率就越大。（2）h2起对照作用。当地面两个金属体的高度相同，即X1=X2=200m时，雷击范围为(192,0)(208,0)，雷电会大致均等的击在雷暴云的垂直下方地面。同样，在金属体等高的情况下，当金属体逐渐靠近等效电荷，它遭受雷击的范围逐渐转到金属体本身，即金属体本身遭受雷击的概率会大大增加。实验结果只是说明金属体越高、离雷暴云越近，它遭雷击的概率就越大，并不是说雷电只会击中高的金属体而不会击中低矮的金属体，这是因为雷电存在绕击18现象。要说明雷电的绕击现象，就要知道闪击距离的概念，RHGolde提出的闪击距离是指：先导向下发展最后一跃的距离。所以这最后一跃的距离才是与地面建筑物发生影响的阶段，如果某次闪电的闪击距离有40m，而此时闪电与接闪器的水平距离为60m，则闪电还要向下发展，就会与低一点的建筑物发出的迎面先导会合，从而击中底层建筑物。所以并不是说当高低层建筑物同时存在，闪电一定会击中高层建筑物而不击中底层建筑物，只是说击中高层建筑物的概率更大而已。所以对一幢高层建筑物做防雷保护时，只对天面做防雷而不考虑雷电的绕击是不对的。2.3.3 感应电荷对雷击选择性的影响最后，从其他地物条件来看，在铁路集中的枢纽或车站，在高压输电线路或架空金属管道转弯处，由于容易产生大量的感应电荷，因此它们及其附近都容易受到雷击。建筑物的结构和内部设施情况，对于雷电放电的选择性也有较大的影响。在建筑群中个别较潮湿的建筑物，如冷冻库、供水房。浴室等；建筑物结构，如墙壁、楼板和基础内钢筋较多，以及建筑物内安装了大型金属设施，或屋顶为金属结构等，都会因为容易感应和积累起大量电荷而吸引雷电，成为雷击的目标。以上我们分析的雷击选择性，是为了更好的实现防雷优化设计服务的。所谓优化，就是在原有的设计方案的基础之上“去其糟粕，取其精华”，把原来好的东西留下来，不好的、冗余的甚至是错误的通通去掉，取其优者。我们选择广州市一个很有代表性的工厂作为分析案例，对其进行防雷优化设计，在我们常见的防雷设计方法上，考虑各种影响雷击选择性的因素，同时加入组合建筑物16