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中國(guó)雷電災(zāi)害的現(xiàn)狀
雷電災(zāi)害是一種不可抗拒的自然性災(zāi)害，危害著人類的人身和財(cái)產(chǎn)。安迅電源防雷器主要通過地區(qū)分析、行業(yè)分析、時(shí)間分析、人身雷電災(zāi)害四個(gè)方面來講解中國(guó)雷電災(zāi)害的現(xiàn)狀。1998-2001年全國(guó)直接經(jīng)濟(jì)損失超過100萬(wàn)元的雷電災(zāi)害每年都在10次以上.其損失每年都大于5000萬(wàn)元。全國(guó)同期平均每年雷擊死亡379人.受傷310人。
一、雷電災(zāi)害地區(qū)分析
全國(guó)重大雷電災(zāi)害在空間上呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性分布特點(diǎn).1998-2001年這四年間.全國(guó)56次重大雷電災(zāi)害的46.4%(約一半)發(fā)生在5個(gè)省，其中山東7次、廣東6次、江西5次、河南4次、浙江4次，這5省重大雷電災(zāi)害的直接經(jīng)濟(jì)損失為8337萬(wàn)元，占全國(guó)的57.9%;其余的發(fā)生在貴州等17個(gè)地區(qū)，另外，新疆等9個(gè)省區(qū)沒有重大雷電災(zāi)害的記錄。圖6.1給出了1998-2001年中國(guó)重大雷電災(zāi)害空間分布(各省用省會(huì)城市來表示).全國(guó)重大雷電災(zāi)害主要分布在東南地區(qū)和華北地區(qū).形成一南一北的兩個(gè)明顯的雷災(zāi)中心區(qū)。雷災(zāi)在南方集中在浙江——江西——廣東，呈帶狀分布。在北方集中在山東和河南，呈圓形分布。這兩個(gè)雷災(zāi)中心區(qū)在地形上具有很好的代表性，北區(qū)以平原為主。南區(qū)以山地為主。在直接經(jīng)濟(jì)損失方面，北區(qū)的損失強(qiáng)度為235萬(wàn)元/次，比北區(qū)更嚴(yán)重的南區(qū)為383萬(wàn)元/次，其原因主要是南區(qū)發(fā)生了3次損失都在1000萬(wàn)元以上的重大
雷電災(zāi)害.其中1998年2月和6月江西兩次棉麻儲(chǔ)備庫(kù)遭雷擊引發(fā)火災(zāi)分別造成1800萬(wàn)元和1200萬(wàn)元的損失，2001年5月廣東某廠房遇雷擊并引發(fā)爆炸造成1000萬(wàn)元的損失并有人員傷亡。這3次雷電災(zāi)害都與倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)有關(guān)，和下面所做的雷災(zāi)行業(yè)分析的結(jié)果是吻合的.從整體來看，全國(guó)重大雷電災(zāi)害在東部比西部更嚴(yán)重，其原因主要是社會(huì)狀況尤其是經(jīng)濟(jì)水平存在差異，經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的東部地區(qū)發(fā)生重大雷電災(zāi)害的可能性較大。西南地區(qū)的雷電災(zāi)害也比較嚴(yán)重，成為僅次于兩大雷災(zāi)中心區(qū)的第三雷災(zāi)區(qū)。整個(gè)廣大的西北地區(qū)是全國(guó)雷電災(zāi)害輕的地區(qū)。
圖6.1 1998-2001年中國(guó)重大雷電災(zāi)害空間分布圖(單位:次)
二、雷電災(zāi)害行業(yè)分析
1998-2001年全國(guó)重大雷電災(zāi)害56次分布在采礦、倉(cāng)儲(chǔ)、電力、紡織、旅游、農(nóng)業(yè)、石化、通、冶金、醫(yī)藥等10個(gè)行業(yè).其中雷災(zāi)嚴(yán)重的三大行業(yè)是通、電力和倉(cāng)儲(chǔ)，雷災(zāi)次數(shù)(指重大雷電災(zāi)害次數(shù)，下同)分別為15次、14次和9次，占全部的67. 9%。這三大行業(yè)的直接經(jīng)濟(jì)損失為10757.8萬(wàn)元，占全部的74.7%。圖6.2給出了1998-2001年中國(guó)重大雷電災(zāi)害行業(yè)分布，實(shí)線代表雷災(zāi)直接經(jīng)濟(jì)扭失，虛線代表雷災(zāi)次數(shù)，行業(yè)損失和雷災(zāi)次數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.6965，存在一定的相關(guān)性。通和倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)具有代表性，通行業(yè)的重大雷電災(zāi)害發(fā)生頻繁，而倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。通行業(yè)自身的特點(diǎn)以及伴隨電子化的發(fā)展是導(dǎo)致雷電災(zāi)害日益頻繁的根本原因，特別是雷電電磁脈沖(LEMP)的危害變得越來越嚴(yán)重，這也是雷電災(zāi)害的發(fā)展趨勢(shì)之一。通行業(yè)的雷電災(zāi)害往往有一個(gè)明顯的特點(diǎn)，就是其經(jīng)濟(jì)損失不僅存在嚴(yán)重的直接經(jīng)濟(jì)損失，而且伴有更嚴(yán)重的間接經(jīng)濟(jì)損失如服務(wù)中斷和數(shù)據(jù)丟失等。而倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)的重大雷電災(zāi)害的發(fā)生有兩個(gè)顯著的特點(diǎn):一是雷災(zāi)損失強(qiáng)度很大，即單次雷電災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失很高，全國(guó)9次重大雷電災(zāi)害的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)5470萬(wàn)元，平均607. 8萬(wàn)元/次;二是雷災(zāi)的后續(xù)危害很嚴(yán)重，容易發(fā)生雷擊火災(zāi)和雷擊爆炸等，尤其是當(dāng)雷電襲擊存放棉麻、火藥、糧食等易燃易爆物品的倉(cāng)庫(kù)或廠房時(shí).對(duì)重大雷電災(zāi)害單次直接經(jīng)濟(jì)損失按行業(yè)進(jìn)行比較，高的是倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè).其次為農(nóng)業(yè)、采礦和石化行業(yè)，居中的是電力、醫(yī)藥和冶金行業(yè)，而通、紡織和旅游行業(yè)低。
圖6.2 1998 -2001年中國(guó)重大雷電災(zāi)害行業(yè)分布圖
(實(shí)線代表雷災(zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失，單位:萬(wàn)元.坐標(biāo)左軸;虛線代表雷災(zāi)
次數(shù),單位:次,坐標(biāo)右抽)三、雷電災(zāi)害時(shí)間分析
全國(guó)1998-2001年56次重大雷電災(zāi)害分布在各年分別為21次、17次、8次和10次，其中52次發(fā)生在4-8月的時(shí)間段內(nèi)，占全部的92.9%. 4-8月的重大雷電災(zāi)害在很大程度上可以代表全年的同類災(zāi)害，這一點(diǎn)在下面的雷電災(zāi)害預(yù)測(cè)中將會(huì)得到應(yīng)用。全部56次雷災(zāi)按月統(tǒng)計(jì)。8月多為18次，其次7月為14次，1、3、11、12月為0次。圖6.3給出了1-12月的重大雷電災(zāi)害次數(shù)的季節(jié)指數(shù)，顯著表明雷災(zāi)集中發(fā)生在4-8月，尤其是7月和8月。雷電災(zāi)害次數(shù)和直接經(jīng)濟(jì)損失之間的相關(guān)系數(shù)r為0.9284，具有良好
的相關(guān)性，因此，下面的雷電災(zāi)害分析與預(yù)測(cè)將以雷災(zāi)次數(shù)為主，其直接經(jīng)濟(jì)損失可以用雷災(zāi)次數(shù)乘以單次雷災(zāi)損失而得到.按月的距平百分率分析結(jié)果表明，重大雷電災(zāi)害每月平均發(fā)生1.167次。1998年的7月與8月和1999年的7月與8月是主要的正偏移月份，而每年的1,2,3月和9,10,11,12月幾乎沒有重大雷電災(zāi)害的發(fā)生，為主要的負(fù)偏移月份。雷災(zāi)的發(fā)生呈現(xiàn)周期性，集中在每年的4-8月，并且有逐漸遞減的趨勢(shì)，重大雷電災(zāi)害次數(shù)1998-2001年的48個(gè)月中平均每月遞減0.027次.但由于年度數(shù)據(jù)太少，并不能得出確切的雷災(zāi)年際周期及年際趨勢(shì)。
圖6.3重大雷電災(zāi)害次數(shù)的季節(jié)指數(shù)
四、人身雷電災(zāi)害
雷電災(zāi)害的危害不僅體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)損失方面，也多造成人身傷亡。1998-2001年雷擊死亡人數(shù)每年分別為421,227,451和417人，四年共死亡1516人，平均每年379人；同期雷擊受傷分別為192,194,372和483人，四年共受傷1241人.平均每年310人.其中嚴(yán)重的1998年8月發(fā)生在湖北的庫(kù)雷災(zāi)，一次性造成197人死傷。造成人身傷亡的雷擊多發(fā)生在海邊、河邊、樹下、農(nóng)村田間和山坡等易受雷擊的地方。全國(guó)雷電典型災(zāi)害造成人身傷亡多的是廣東省，其次為廣西、貴州、福建、云南等4省區(qū)，這5個(gè)省區(qū)每年的雷擊人身傷亡人數(shù)占全國(guó)的60%左右，其中廣東約占全國(guó)的1/4。這類災(zāi)害主要發(fā)生在廣大的農(nóng)村，具有很大的不確定性.很難得到根本的防治.有效的防治方法就是加強(qiáng)雷電災(zāi)害的宜傳和教育，提高人們的防雷意識(shí)，讓人們主動(dòng)避開易受雷擊的時(shí)候和遠(yuǎn)離易受雷擊的地方。
對(duì)于雷電災(zāi)害，開展災(zāi)害預(yù)測(cè)是必要的，可以對(duì)未來雷電災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供重要的指導(dǎo).鐘萬(wàn)強(qiáng)等人對(duì)中國(guó)的雷電災(zāi)害做過初步的預(yù)測(cè)，雷電災(zāi)害的預(yù)測(cè)主要根據(jù)雷災(zāi)與時(shí)間的關(guān)系，分別采用時(shí)間序列平滑法和季節(jié)變動(dòng)預(yù)測(cè)法，預(yù)測(cè)結(jié)果表明，在2002-2005年期間全國(guó)將分別發(fā)生重大雷電災(zāi)害14,12,11,11次，四年合計(jì)47次，平均每年12次，每年將造成直接經(jīng)濟(jì)損失約3000萬(wàn)元，平均每年人身傷亡580人左右。
雷云對(duì)大地的電壓低則幾百萬(wàn)伏，高則數(shù)千萬(wàn)伏，甚至更高，雷云對(duì)大地一次閃擊放電的峰值電流平均為30多千安，它的瞬時(shí)功率很高，由于瞬時(shí)功率很大，所以它的破壞力是相當(dāng)大的。
到現(xiàn)在為止.直擊雷的防護(hù)都是采用避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)作為接閃器，把雷電流引下來，然后通過良好的接地裝置迅速而地引入大地。
常用的接閃裝置，如避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)等，它們都是用金屬做成，安裝在建筑物的高點(diǎn)，如屋脊或尾角等易受雷擊的地方。避雷網(wǎng)是用金屬線、帶做成的網(wǎng)格，架在建筑物頂部空間或者利用建筑物屋面板筋連接成網(wǎng)格狀，然后與大地可靠地連接。
當(dāng)高空出現(xiàn)雷云的時(shí)候，大地上由于靜電感應(yīng)作用，必然帶上與雷云相反的電荷，然而接閃設(shè)備(避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)等)都處于地面上建筑物的高處.與雷云的距離近，而且與大地有良好的電氣連接，所以它與大地有相同的電位、以致接閃設(shè)備附近空間電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)比較大.比較容易吸引需電先導(dǎo)，使主放電集中到地面，因而在它附近尤其是比它低的物體受雷擊的幾率就大大減少。而接閃器被雷擊的幾率卻大大提高，所以就接閃器本身而言.它不但不能避免雷擊.相反是招來更多的雷擊，它以自身多受雷擊而使周圍免受雷擊.
由于接閃器都與大地有良好的電氣連接，使大地積存的電荷能量迅速與雷云的電荷中和。這樣由雷擊而造成的過電壓的時(shí)間大大地縮短.雷擊危害性就
大大減少。
雷擊的時(shí)候，雷云通過接閃器向大地放電的過程，可以近似用RC放電過程來模擬。因?yàn)榇蟮睾屠自浦g相當(dāng)于一個(gè)充了電的電容器，如圖1.5所示。圖中雷云與大地之間的電容用電容器C表示.雷云內(nèi)部和雷電流通道的電阻用R1表示，接閃器和它與大地之間連接的電阻(包括連接線的電阻和接地體的散流電
阻)用R2來表示。
由等效電路圖可知，雷擊時(shí)電流i與R及接閃器上的高電壓相互關(guān)系適合
RC放電方程:
iR-Uc=0
R=R1+R2
式中:R1-雷云內(nèi)部和雷電流通道的電阻;
R2-接閃器和它與大地之間的連接電阻。
雷電流源的電阻包括主放電通道的電阻，大約幾千歐，如果把帶電的雷云當(dāng)作電源，接閃器到大地看作是負(fù)載。那么，放電的時(shí)候就相當(dāng)于一個(gè)有幾千歐內(nèi)阻的電源，與一個(gè)僅有幾歐接地電阻和少許引線的阻抗的負(fù)載連接(如圖1.5所示)，這電源一般為幾百萬(wàn)伏和幾千萬(wàn)伏，甚至更高。雷擊時(shí)接閃器對(duì)大地的電壓就是雷云的電壓，在雷云內(nèi)阻(包括通道電阻)與接地電阻(包括引線電阻)的分壓，接地電阻越小.其分壓值越小，相對(duì)來講就越。所以，理論上要求避雷裝置接地電阻越小越好，但是如果要求做到接地電阻很小，勢(shì)必造價(jià)很高。工程上往往只要求做到足夠的范圍即可。以上說明避雷裝置必須有足夠可靠和足夠小接地電阻的接地裝置，否則它不但起不到避雷的作用，反而增加雷擊的危險(xiǎn)。
需要指出的是,大氣變化是大規(guī)模的，雷云的發(fā)生也是大規(guī)模的，而且雷云的移動(dòng)受很多可變因素支配.很多條件是隨機(jī)的，因此，認(rèn)為有了避雷裝置就萬(wàn)無(wú)一失的想法是錯(cuò)誤的。避雷裝置只能大大地減少被雷擊的可能性。
（a）雷擊時(shí)雷云與大地的示意圖
（b）雷擊時(shí)的等效電路圖
圖1.5 雷擊時(shí)的電氣原理圖
防雷技術(shù)術(shù)語(yǔ)或定義屬于基本的防雷理論.作為防雷基本工作的防雷工程檢測(cè)、審核與驗(yàn)收的技術(shù)人員，應(yīng)能深刻理解并牢記。
3. 1 IEC62305,61312,61643等規(guī)定的防雷設(shè)備的構(gòu)成框圖見圖1-1.應(yīng)注意防雷裝置除了明顯的、專用的、為大家所熟知的接閃器、引下線、接地裝置、電涌保護(hù)
器(SPI))外，還有許多可以兼作防雷用的其他金屬裝置。例如剪力墻中的鋼筋，接了地的金屬門窗及其他所有連接導(dǎo)體，它們的作用往往不被人們所認(rèn)識(shí)，但實(shí)際上它們
同樣重要，不可或缺.再如在建筑物玻璃幕墻的設(shè)計(jì)中，應(yīng)將玻瑞幕墻的金屬豎向龍骨、橫向龍骨和建筑物的框架柱、梁內(nèi)鋼筋等防雷網(wǎng)接通，連成一個(gè)格姍更密的整體
防雷法拉第籠，把可能施加于玻璃幕墻的巨大雷電能量.通過建筑物的接地系統(tǒng)，迅速地泄放到大地，保護(hù)玻璃幕坡和建筑物免遭雷電破壞.在這里，玻瑞幕堵的金屬龍
骨自然也就具備了接閃器的功能，可以有效防止側(cè)擊雷的危害，同時(shí)還加強(qiáng)了電磁屏蔽3.2外部防雷裝置由子可能直接截收直擊雷擊.需要承受強(qiáng)大雷電流帶來的電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等.所以.強(qiáng)調(diào)使用的導(dǎo)體的規(guī)格尺寸.與上一條一樣，要注
意用作接閃、引下的金屬屋面和金屬構(gòu)件等同樣是外部防雷裝置的一部分.例如:金屬的廣告架、旗桿、欄桿、水箱、放散管、爬梯等。
3. 3內(nèi)部防雷裝置利用的主要防雷技術(shù)措施是屏蔽、分流、等電位、接地、合理布線等，用來減小和防止雷電流在需防護(hù)空間所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)。所以.甚至連重要
設(shè)備的安放位置都屬于內(nèi)部防雷技術(shù)中的一部分。
3.4接地是重要的防雷技術(shù)措施之一它是雷電防護(hù)技術(shù)中基礎(chǔ)的技術(shù)環(huán)節(jié)。同時(shí).良好的接地也是電工技術(shù)中電氣設(shè)備和人員的基本保障措施之一接地裝置的好壞不能簡(jiǎn)單地用接地電阻值來衡量.例如.同樣的接地電阻但不同的接地體規(guī)格尺寸.或者同樣的接地體規(guī)格尺寸但不同的接地線，都會(huì)影響到雷電流散流入地的效果。
接地按電流頗率可分為直流接地、交流接地(工頗)和沖擊接地(雷電、投切操作、核電磁脈沖等)。它們的功能有所差異.在設(shè)計(jì)施工時(shí)就有所不同。例如:交流接地
(工頻)的工頗接地電阻主要決定于土壤電阻率和接地網(wǎng)的面積。因此，變電所和發(fā)電廠的大地網(wǎng)常常主要由水平接地帶組成面積很大的網(wǎng)格狀接地。在發(fā)生工頻故降
短路電流時(shí)，網(wǎng)格式地網(wǎng)接地電阻與地網(wǎng)面積的平方根成正比，這是因?yàn)殡娢环植季鶆颍康鼐W(wǎng)的導(dǎo)體都起散流作用，整個(gè)接地網(wǎng)都起到泄流的作用。對(duì)于沖擊接地裝置，由于雷電流的沖擊特性.接地電限與工頗接地電阻不同.其主要原因是沖擊電流的幅值可能很大.會(huì)引起土城放電，而且沖擊電流的等效頻率又比工頻高得多.當(dāng)沖
擊電流進(jìn)人接地體時(shí)，會(huì)引起一系列復(fù)雜的過渡過程，每一瞬間接地體呈現(xiàn)的等效電阻值都可能有所不同，而且接地體上大電壓出現(xiàn)的時(shí)刻不一定就是電流大的時(shí)
刻。網(wǎng)格式地網(wǎng)在沖擊電流作用下，由于電感作用，電位分布很不均勻.遠(yuǎn)處電位很低，只有在接閃處電流注人附近小范圍內(nèi)的導(dǎo)體起散流作用。也就是說，沖擊接地裝
置中的接地體不宜過長(zhǎng)，GB50057-94規(guī)定沖擊接地裝置中的接地體長(zhǎng)度不應(yīng)大于
有效長(zhǎng)度。
接地還是提高電子電氣設(shè)備電磁兼容有效性的重要手段之一。正確的接地既能抑制外部電磁干擾的影響，又能防止電子電氣設(shè)備向外部發(fā)射電磁波;而錯(cuò)誤的接地
常常會(huì)引入非常嚴(yán)重的干擾，甚至?xí)闺娮与姎庠O(shè)備無(wú)法正常工作.尤其是成套控制設(shè)備和自動(dòng)化控制系統(tǒng)，因?yàn)橛卸喾N控制裝置分散布置在許多地方.所以它們各自
的接地往往會(huì)形成十分復(fù)雜的接地網(wǎng)絡(luò).不僅需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)周密考慮.而且在安裝調(diào)試時(shí)也要仔細(xì)檢查和做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。
接地裝置由接地體和接地線組成.接地體的關(guān)鍵指標(biāo)是接地體的規(guī)格尺寸大小、接地電阻大小以及耐腐蝕程度.它們關(guān)系到泄流效果、穩(wěn)定性和使用壽命。接地
導(dǎo)體也稱接地線.對(duì)于一個(gè)聯(lián)合接地的大地網(wǎng)來說，可能需要多個(gè)接地線從接地網(wǎng)不同的部位引出，以滿足不同的功能需要.其關(guān)鍵指標(biāo)是接地線的截面積和各聯(lián)結(jié)處
的連接電阻。
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