“剩磁法”雷电灾害定量检测鉴定技术的研究和应用

1、“剩磁法”雷电灾害定量检测鉴定技术的研究和应用摘 要：应用“剩磁法”定量检测技术对雷电灾害及其现场进行勘查、鉴定和评估，为防雷 设施的有效性评定提供定量的技术指标和定性的判定依据。关键词：雷电灾害；剩磁法；量化指标；判定依据引言云南是全国雷暴最多的地区之一，西双版纳的劭胎县是中国的雷都，云南特殊的地理位 置-低纬高原，一年四季均有雷暴，每年因雷电灾害造成的人员伤亡和财产损失较为严重。 雷电灾害的物理机制及防御问题一直为人们所关注，因此研究和应用科学的检测技术方法做 好雷击现场的勘察，深入分析雷击成因，加强对雷电灾害发生机理和防御技术的研究是防雷 减灾的一项重要工作。制定科学的防雷预案，采取有效

2、的防御措施，减少雷击灾害，维护公 共安全，促进经济建设和社会发展，是防雷减灾工作的重要组成部分。1雷电灾害及特点雷电灾害通常指：因大气放电产生直击雷、雷电感应对各种fi标物所产生的物理效应而 造成的直接危害和间接危害。随着全球气候变暖，极端气象事件增多。云南雷电灾害的特点及英彫响与以往相比有 一定的变化，主要表现为：（1）雷电灾害的受灾面在不断扩大，涉及领域不断增多，造成的危害和损失增大，从 电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业，特别是与高新技术关系最为密切的领域, 如：通信、计算机、信息网络等行业。（2）雷电灾害的空间范围扩大了，从二维空间侵入变为三维空间侵入，从闪电直击和 过电压波沿

3、线路传输，变为空间闪电脉冲电磁场，从三维空间侵入到任何角落，无孔不入地造成灾害。（3）雷击火灾和雷击伤亡事件大部分发生在农村空旷的野，低矮的建筑物、树木、 人、畜都成为雷击的目标，图1玉溪通海秀山公园百年古树遭雷击农村防雷形势严峻。据不完全统计：2004年全省共发生重大雷击灾害事故592起，其中造成供电故障197 起，人员死亡126人，伤88人，电子、电器设备受损2745台（套），牲畜死亡121头（只）， 直接和间接经济损失8900万元。仅2004年3至12月，昆明市及县、区发生多起电子、电 器设备遭雷击事故，昆明胜利堂、碧鸡坊这些具有城市标志性特征的低矮古建筑物均遭雷击, 成为媒体和社会关注

4、的热点，通海秀山公园（见图1）、西山森林公园、屮科院植物研究所 的古树多次遭雷击，古建筑物受损严重。农村人员遭雷击伤亡事件频频发生。这些灾情的出 现引发了我们对古建筑物和农村防雷工作的思考。因此，根据雷电灾害出现的新情况、新问题，我们必须更新传统的防雷理念，站在新的 高度来认识和研究雷电灾害。2 雷电灾害调查、鉴定和评估工作的重要性雷电灾害的调查、鉴定和评估是国家防雷减灾管理办法赋予气象防雷主管机构的工 作职责，也是防雷减灾工作的重要组成部分。由于雷电所具有的随机性、瞬变性、突发性特 征很强，而复现性很差，而雷灾现场确可为防雷工作者提供直观、生动、触目惊心的第一手 视觉资料。因此，做好雷击灾情

5、勘察，学握本行政区域雷电活动的基本现状、特征和规律性, 为我们深入分析雷击成因、研究和制定科学的防雷预案，为大型、重点建设工程、爆炸危险 坏境等建设项目的雷击风险评估、确保公共安全提供了有力的技术支持。雷击灾情分析加深 了我们对雷电学原理、防雷技术规范的研究，为科学、合理、有效地利用雷电信息资源、加 强防雷科普知识宣传，提高公众防雷减灾意识，推进防雷减灾事业的可持续性发展作了良好 铺垫。3雷电灾害调查鉴定工作中存在的问题及解决方法（1）现状及存在的问题目前对雷击现场的勘查是根据现场遗留物的物理特征，视其有无破损、过电流烧蚀、熔 化、熔珠等痕迹来判定该目标物是否遭过雷击。而大量的雷灾现场是没有任

6、何痕迹的，特别 是在一些无任何防雷设施的现场，常规检测方法无从适应。因此，对雷击灾情的鉴定只能根 据物理特征凭经验判定，没有科学的技术方法、仪器进行量化技术指标的测定，判据不充分, 凭经验，主观随意性强。特别是在一些特殊的雷击现场勘查、鉴定工作就显得很茫然，有些 特殊雷击案例的鉴定结论，是否经得起历史的检验，值得我们深思。（2）解决方法为解决雷电灾害调查鉴定工作屮所面临的上述问题，拓展防雷减灾的服务领域，切实履 行防雷减灾的工作职责，为此，我查阅大量技术文献、资料，努力探索和研究新的检测技术、 方法和原理，寻求有效的检测手段。通过近4年來对数十起雷击现场勘查、对比试验检测, 掌握了应用“剩磁法

7、”检测技术，鉴定雷击灾害的技术原理和方法，并从几十起不同类别的 雷灾事故现场屮总结出各种检测数据，为雷击灾情现场勘察分析、鉴定提供了量化的指标和 参数，填补了云南省防雷减灾工作在该领域的空白，充实了雷电灾害现场勘察、检测的技术 内涵，该项技术的应用，为我省雷击灾情鉴定及雷击风险评估拓展了广阔的服务空间。4 “剩磁法”的基本原理（1）电流的磁效应通电导体周围存在着磁场，也就是说电荷移动时，它周围的空间就会产生磁现象一一电 流的磁效应。在电流通过的路径周围产生的磁场，使处于磁场屮的铁磁体受到磁化作用，当 磁场退出后，铁磁性物质仍保持一定磁性一一剩磁。这种存在于铁磁性材料中的剩磁既看不 到、摸不着也

8、嗅不出，但却可以用仪器检测到它的存在和量值的大小。处于磁场中的铁磁体 被磁化，保持磁性的大小与雷电流和磁场的强度有关，通常导线中的电流在正常状态下，虽 然也会产生磁场，但其强度小，留在铁磁体上的剩磁也有限，通常为0.20.4mt之间。当 线路发生短路或有雷电流经过时将会产生异常大的电流，从而出现相当强度的磁场，铁磁体 也随之受到强磁化作用，保持较大的磁性。剩磁法就是对大电流产生的磁场使周围铁磁性物 质磁化，并在电流消失后仍能保留一定磁性这一特定物理现象的判定方法。（2）雷电流剩磁雷击产生强大的闪电电流引起电磁场、光幅射等物理效应，这正是我们用于探测和研究 雷电形成机制的有效信息。雷电流剩磁数值

9、高低不一，在实际现场中比较适于作定性判断。 根据实验和现场实测，剩磁量的大小与雷电流强度成正比关系。一般铁钉的剩磁为1.7mt、 铁桶的剩磁为1.2mt,当避雷针上流过20ka电流时，避雷针上的预埋支架、u型卡子等铁 附件(螺钉、螺母除外)将被磁化到2.()3.0mt,雷电流垂直通过lx2m的铁板平面，也 使铁板四角产生2.03.0mt的剩磁。但是避雷针端部的剩磁却比较低 只有约0.6l.omt, 处于雷电通道的杂散、铁件、钢筋、金属管道剩磁数据均在1.5lo.omt之间，上述数据为 实验和雷灾现场检测所得，可作判定参考使用。此项技术可用于测定：%1 引下线至接地体的泄流情况；%1 雷击现场遗

10、留物的提取及检测分析；%1 雷电科研，如：对雷电成灾规律的研究，对防雷器件有效性的测试等；%1 为雷电灾害的调查、鉴定提供量化的技术指标和定性的判定依据。5 “剩磁法”雷击灾害定量检测鉴定技术应用实例任何科学结论都是建立在科学实验和检测数据的基础上。应用“剩磁法”检测技术为雷 电灾害的鉴定提供了有效的途径。笔者带领有关科技人员，对本行政区域内的不同类别、不 同季节的建筑物、树木、户外作业人员伤亡、雷击火灾、避雷针被雷击等数十起雷击灾情现 场进行了现场勘查和实验检测，其结果为雷击灾情分析、鉴定以及防雷设施的有效性评定提 供了量化指标，验证了采用“剩磁法”检测技术的有效性、准确性、科学性。(1)昆

11、明市公安消防特勤大队警犬基地雷击现场勘查2000年9月13日晚7点30分左右，位于安宁市罐装铁路一处的昆明市消防支队农副 业生产基地附近发生强雷暴天气，4名士兵在犬舍工作时，突然一道闪电划破长空，并伴随 强烈的震撼声，强烈的声响使他们的耳朵有明显的不适感，同时身体背部有挤压感。此次雷 击造成其中一人住院一周，一只种犬被震昏，供电线路10电缆线被雷击击断，日光灯、 照明灯、配电箱、电表等被雷击损。经济损失近万元。此次遭雷击的办公楼为二层砖混结构，犬舍为砖混结构的平房，无任何直击雷和雷电感 应防护设施，应用常规检测方法，很难找到测试点。应用剩磁法检测技术，通过对遗留物提 取检测，并对各击损物逐一进

12、行检测其剩磁量，犬舍、办公楼、配电室、配电箱、变压器引 下线等区位，剩磁量为2.8mt,电源线截血、金属导线有明显的金属熔点和熔珠，从测定的 量化指标和物理特征分析，这是一起典型的雷击过电压引起的雷击事故。（2）易燃易爆场所一安宁油库避雷设施检测安宁油库位于安宁市以西3公里的一个山坡地带，整个库区共设置六支15m高的避雷 针保护库区的油罐和其它设施。在常规检测中发现1#避雷针接地电阻超标，进一步检查发 现，该避雷针引下线采用16mm由9根2mm的钢绞线绞合而成，在引下线与接地体连 接处（地表下20cm处），我们惊奇地发现引下线有明显的金属凹槽和熔迹。连接点呈针尖 对接状，雷电流烧蚀、过电流特征

13、十分明显，通过剩磁检测：避雷针引下线剩磁量为6.4mt 雷击特征显著，测试结果表明避雷针起到了接闪作用，雷电流沿引下线至接地体得到了有效 的泄放，避雷针保护了库区设施及人员的安全，同吋解除了人们对避雷设施的疑惑和争议。（3）雷击伤亡现场的勘查2004年4月27日下午4时左右，位于昆明市寻甸县金所乡栽开村的村民司存良、男、 37岁在麦田劳作时遭雷击身亡。发现死者皮带金属扣上四角边缘处有一烧蚀过电流的痕迹，应用“剩磁法”检测，在皮 带扣转轴上测得剩磁量为结果表明：死者是在空旷的田野和雷雨天气中，于奔跑途中被雷击身亡。（4）树下避雷遭雷击2004年7月30 0,昆明市金马铺乡3村民在桃园里守夜，在棚

14、内避雨遭雷击身亡两人, 一人重伤，见图2。用竹杆和塑料搭建的长3m、宽2m、高2.5左右的守夜棚内，有一块简易木板床，地 上有被雷击震碎的塑料编织袋碎片，地上一片狼藉。用于支撑守夜棚的25cm的竹杆被雷 劈开，桃树尖端树叶有很多裂纹和孔洞，塑料布上呈受高温变形和lcm的孔洞。在棚内发 现一蚊香支架，经检测其剩磁量为o.8mt,在塑料棚边缘处发现一直径2.5cm,长15cm的 金属凿子，其外侧有一明显的过电流烧蚀亮点，经检测剩磁量为1.8mto图2桃园守夜棚内遭雷击现场现场检测勘查分析：守夜棚避雨的人员，是遭到直击雷击中竹杆产生强大的机械力、过 电流作用后死亡。（5）“碧鸡坊”雷击现场勘查（图3

15、）2004年7月29日下午3时左右，位于昆明市城区的标志性建筑一一“碧鸡坊”上空雷 电交加，一道闪电之后随着一声巨响，距地而约11m的“碧鸡坊”东南方约40cm左右的屋 檐翘角被雷击断，破碎的瓦片和水泥块散落在近10m的地面，所幸未造成人员伤亡。2通过対雷击点附近吊铃及垂直和水平方向上射灯支架（l30x3扁铁）的检测，其剩磁 量最大值为2.4mt,沿雷击点下方的屋檐，其量值呈递减趋势。结果表明，剩磁量与雷击放 电路径相吻合。图3 “碧鸡坊”东南角屋檐翘角遭雷击（6）雷击火灾现场勘查一罕见的冬季雷击火灾（图4）2004年12 fl 27 h晚9时左右，位于云南省境内的曲靖市，师宗县，丹凤镇，阿令

16、村 发生了一起罕见的雷击火灾，其危害形式、破坏力度、损失情况在历次雷击灾情屮实属罕见, 此次雷击共造成全村95%的家用电器、配电设施、变压器受损，村民李志荣家5间住房 （200m）被烧毁，直接经济损失20万元左右。位于村民房后斜坡上的一棵约20m高的树 木被雷击劈开，其中一块重30炮的残骸飞出近百米。雷击点附近村民感觉到强烈的震撼， 一老人躺在床上被掀起30cm高，有10余人出现短暂的昏迷，所幸没有人员伤亡。其雷电 沿树体至根部打开一个70cm,深60cm的洞，树体被连根拔起，在树根部有一刚修建的壁 厚为15cm的沼气池被击损，厚15cm的水泥钢筋盖板被击出3m多远，通过水泥盖板6 圆钢筋的剩磁量为5.7 mt,房子窗子护栏20圆钢筋的剩磁量为4.2mt,雷击特征十分显 著。现场勘查检测、检查结果表明：此次雷击火灾是因直击雷击屮树木后，产生强大的机