浅谈雷电的选择性
- 格式:doc
- 大小:191.50 KB
- 文档页数:8
全国进入雷电高发期,浅谈雷电的五大特点距离6月还有一周时间。
每年6-8月是我国雷电活动和雷电灾害的高发期。
让我们一起看看近年来我国雷电活动和雷电灾害的五大特点。
特点1:6-8月为我国雷电活动高发期各月雷电活动分布图(2007-2013年)根据2007-2013年全国闪电定位网的监测数据分析,全年82%的雷电活动发生在6-8月。
去年全国共发生闪电约1047万次,8月达到峰值。
雷电灾害也以8月最多,去年8月发生了853起,占全年雷灾事故的25%。
但去年雷电致人员伤亡事件以6月最多,造成49人死亡、59人受伤。
特点2:北方大部分地区、华南和西南部分地区雷电活动呈增强趋势2007-2013年全国雷电活动变化趋势(次/平方公里·年)(注:红色、黄色区域表示雷电活动增加,绿色、蓝色区域表示减少)从变化趋势看,我国北方大部分地区、华南和西南两地部分地区的雷电活动呈增强趋势,平均每年每平方公里增加0.7次左右。
特点3:因雷击灾害导致的伤亡明显减少根据全国雷电灾害数据统计,自2007年以来因雷击灾害导致的人员伤亡明显减少。
其中,2013年全国共发生雷电灾害事故3380起,造成178人死亡、177人受伤,明显少于2007年及最近7年平均值;雷电灾害导致直接经济损失2.46亿元,间接经济损失3.23亿元,其中,电力和通信行业雷电灾害事故较多,分别占总雷电灾害数的14%和11%。
特点4:雷电灾害主要集中在南方从雷电灾害区域分布看,全国雷电灾害主要集中在南方地区,其中,2013年主要集中在东南部沿海,浙江、广东雷电灾害事故最多;广东、江西、浙江等地雷电造成人员伤亡较大。
特点5:农民伤亡人数是城市居民的1.9倍与往年相比,农村地区雷电造成人员伤亡所占比例明显下降,由2007年的96%降至2013年的66%,但仍高于城市地区,农民伤亡人数是城市居民的1.9倍。
提示:重点区域需加强雷电灾害防御目前夏季将至,全国各地即将进入雷电活动高发期。
浅谈雷电的危害与防护措施雷电是一种自然放电现象,具有很大的破坏性。
雷电发生后会产生危险的过电压和过电流造成电力设施设备的绝缘损坏引发短路及过电流、过电压事故的发生,还会造成人身和财产的重大损失。
因此,做好防雷电措施是非常必要的。
标签:雷电;危害;防护措施前言雷电是一种大气中的放电现象。
大气中的雷云在过程形成中,由于积累了大量的正负电子,当这些正负电子积累到了一定的程度并且发生碰撞后就会发生激烈放电现象。
同时,伴有强烈的闪光和轰鸣声。
这就是雷电形成的原因。
因此,根据雷电的产生和造成危害的特点,可采取必要的预防措施,防止雷电给电力设施设备及人身安全造成危害。
1 雷电的种类及其危害自然界中雷电按照其危害的方式分有;直击雷、感应雷及雷电侵入波。
按其形状分有线型、片型及球型三种。
雷电的危害就是雷电的破坏效应;主要有电效应、热效应和机械效应。
当雷电发生时会产生数十万甚至数百万的冲击电压,而冲击能迅速击穿电力设施设备的绝缘保护造成电力线路短路而毁坏电力设备。
甚至还会引起火灾和爆炸事故的发生。
巨大的雷电电流通过导体,在极短的时间内能转换成热能使金属物体迅速熔化,产生火花,火花飞溅引起火灾和爆炸。
遭到雷击的物体通过巨大的雷电流,能瞬间产生大量的热量,使物体内部的水分或其他液体迅速气化,以至物体剧烈膨胀而遭到破坏或爆炸。
以上雷电发生的破坏是综合出现的,其中以伴有的爆炸和火灾的出现是最为严重的。
2 防雷装置防雷电伤害的装置主要有;避雷针、避雷线、避雷网、避雷带及避雷器等。
完整的避雷置应由接闪器、引下线和接地装置组成。
避雷针主要用来保护露天的变配电设备、建筑物和构筑物。
避雷线主要用来保护电力线路。
避雷网和避雷带主要用来保护建筑物。
避雷器主要用来保护电力设施设备。
避雷针、避雷线、避雷网及避雷带实际上就是接闪器,是用来接受雷击的金属导体。
当发生雷电时,吸引雷电接受雷击放电。
接闪器一般是采用圆钢或扁钢制成,所用材料尺寸应符合技术规定的要求。
雷电的原理雷电是一种自然界中常见的现象,也是一种大家非常熟悉的自然现象。
它是由于大气中存在巨大的电荷差异而产生的放电现象。
雷电的产生需要具备一定的条件和过程,下面我将以雷电的原理为标题,详细介绍雷电的形成过程和相关知识。
一、雷电的形成过程雷电的形成需要先有云的生成,然后通过云内的电荷分离和云与地面之间的电荷分离来达到放电的目的。
1. 云的生成云是由水蒸气在大气中冷却凝结形成的,它是雷电形成的基础。
当水蒸气遇到冷空气时,会形成小水滴,这些小水滴不断地凝结并与空气中的其他水滴结合,逐渐形成云团。
2. 电荷分离云中的水滴在上升过程中会与空气中的冰晶碰撞,产生电荷分离。
由于冰晶比水滴更容易接受电荷,所以冰晶带有正电荷,而水滴带有负电荷。
这样,云的上部就带有正电荷,而云的下部则带有负电荷。
3. 云与地面之间的电荷分离当云的下部带有负电荷时,地面就会受到云的静电感应,导致地面上的物体带有正电荷。
而地面上的物体又会通过空气中的颗粒物和水分子与云中的电荷发生摩擦,进一步增加电荷分离。
这样,地面上的物体就带有更多的正电荷。
4. 放电现象当云与地面之间的电荷差异达到一定程度时,电荷会通过空气中的离子和电子形成通道,产生离子化的空气,形成闪电。
这就是我们常说的雷电。
放电时,电荷会沿着通道迅速移动,形成亮度较高的闪电,同时伴随着巨大的声响,即雷鸣。
二、雷电的危害和防范措施雷电虽然是一种自然现象,但它也给人们的生活和财产安全造成了一定的威胁。
因此,我们需要采取一些防范措施来减少雷电带来的危害。
1. 避开高大的物体雷电通常会选择高大的物体作为放电通道,所以在雷电天气中,我们要尽量避开高大的物体,如树木、高楼等,以减少被雷击的风险。
2. 室内避雷在雷电天气中,我们应尽量待在室内,避免在户外活动。
同时,我们还可以采取一些防雷措施,如安装避雷针、避雷网等,以增加建筑物的防雷能力。
3. 避免接触金属物体雷电通常会通过金属物体传导,所以在雷电天气中,我们要尽量避免接触金属物体,以减少被雷击的可能性。
雷击选择性
雷电“喜爱”在尖端放电,所以在雷暴天气时,人在旷野上行走,或扛着带铁的金属农具,或骑在摩托车上,或在电线杆、大树下躲雨,人或物体容易成为放电的对象而招来雷击。
建筑物的顶端或棱角处,也很容易遭受雷击;此外,金属物体和管线都可能成为雷电的最好通路。
因此,了解这些规律对预防雷击有很重要的意义。
易遭受雷击的地点:
(1)水面和水陆交界地区以及特别潮湿的地带(如河床、盐场、苇塘、湖沼、低洼地和地下水位高的地方)。
(2)土壤电阻率较小的地方(如有金属矿床的地区、河岸、地下水出口处和金属管线集中的交叉地点、铁路集中的枢纽、铁路终端和高架输电线路的拐角处)。
(3)土壤电阻率不连续的地点(比如岩石和土壤的交界处、岩石断层处、较大的岩体裂缝、露出地面的岩层、河沿,以及埋藏的管道的地面出口处等)。
(4)地势较高和旷野地区
易遭受雷击的建筑物和物体:
(1)高耸突出的建筑物(如水塔、电视塔、高耸的广告牌等)。
(2)排出导电尘埃、废气热气柱的厂房、管道等。
(3)内部有大量金属设备的厂房。
(4)孤立、突出在旷野的建筑物以及自然界中的树木。
(5)电视机天线和屋顶上的各种金属突出物(如旗杆等)。
(6)建筑物屋面的突出部位和物体(如烟囱、管道、太阳能热水器,还有屋脊和檐角等)。
幼儿园雷电安全教案:浅谈雷电形成原理与避难方法。
一、雷电形成原理1.1 大气电荷的分布要了解雷电的形成原理,首先需要了解大气电荷的分布。
大气电荷主要分布在地球表面和大气层之间的电离层内,其中,电离层所含的总电荷量在地球表面与大气层之间保持着电平衡。
而在大气层中,空气分子在碰撞时会产生一些自由电子和离子,这些离子不仅可以吸收了太阳辐射,同时也能吸收自然电离现象中产生的电子和正、负离子,因此大气层中电离度一定。
1.2 雷云的形成从电荷的角度来看,雷云的形成是一种电荷分离的过程。
在电离层的基础上,飞机、地面和物体所带负电荷与电离层借由空气进行感应,对大气层中的电荷状态起到了一种稳定作用。
因此,当空气显得不稳定时,这种稳定状态的断裂会引起电子、空气分子、雾滴和水珠等一系列反应,进而形成静电场。
1.3 雷电的形成当形成了一个静电场之后,如果静电场越来越强大,就有可能会产生一个强大的电弧,即俗称的闪电。
闪电是由空气和部分物体中的离子通过高压电场加速、 ion化、极化和接地而形成的。
为了保持自身的电中性,大气中的自由电子和正、负离子会在一定程度上互相补偿,以调整它们的电荷状态,从而产生云间闪电、地面闪电和云地闪电等现象。
二、避难方法2.1 室内避难在雷电天气中,首先要做的是尽量避免户外活动。
如果您正在房间内,并想知道如何保持安全,请使用以下技巧:(1)避免站在窗户或门旁边。
(2)在房间内待多一些时间,直到雷声消失后再出门。
(3)不要使用相关的电子设备或电线电话。
2.2 室外避难如果您正在户外,还可以采用以下避难方法:(1)避免站在树下、墙壁旁边以及水边。
(2)避免使用手机和公共交通工具。
(3)在举起巨大金属物体时注意保持距离。
需要提醒一下,虽然以上的方法可以有效地避免雷电带来的危害,但是只有在已完全了解雷电的形成原理的基础上,才能深入了解以上方法的作用原理,以使防雷措施变得更加有效和安全。
三、教学反思本文探讨了雷电形成原理和避难方法,为幼儿园雷电安全教育提供一定的参考和帮助。
《装备维修技术》2021年第8期—371—浅谈10kV 配电架空线路防雷措施陈创升(广东电网有限责任公司广州从化供电局)10kV 架空配电架空线路是10kV 配电网的重要组成部分,由于10kV 配电架空线路绝缘水平相对较低,对雷电过电压防护能力非常薄弱,特别是在雷电活动频繁的强雷区,雷击跳闸事故在以10kV 架空线路为主的配电网全口径跳闸事故中占有较高比重,因此,提升10kV 配电架空线路的防雷能力是降低10kV 配电网跳闸率的关键要素。
1.10kV 配电架空线路雷电过电压的特点雷电放电由带电的雷云引起,包括雷云中或雷云间异性电荷引起的放电以及雷云对大地的放电。
在10kV 配电架空线路雷电过电压分析中,主要关注雷云对大地的放电。
雷击故障点与地闪活动空间分布规律及地形地貌变化规律影响具有一定的相关性[1],受地闪时空分布规律和地形地貌等因素的影响,雷击故障点的分布在空间上具有一定规律性。
当雷电先导到达离地面物体上方一定高度时,雷电放电就会表现出对某地面物体放电的选择性,雷击地面物体(包括配电线路和设备)的选择性有以下方面:在平原等空旷地区,突出地面或高耸的物体容易遭受雷击;山顶的突出物体、山坡迎风面、山区盆地、山沟中处于风口的物体容易遭受雷击;地下有矿物质的地面物体容易遭受雷击;在湖沼、低洼地区及地下水位高地区的地面物体容易遭受雷击。
鉴于雷电放电选择性的特征,上述易受雷击区域与主要的10kV 配电架空线路走廊基本吻合,因此10kV 配电架空线路有极大的概率遭受雷击。
当雷云对大地放电时,落雷点地表周围会产生强烈的电磁场,电磁场中的10kV 配电架空线路及电力电子设备就会产生强烈的电磁感应。
当电磁感应传播至10kV 配电架空线路时,10kV 配电架空线路除静电感应外,还会产生一个感应电压。
感应电压的大小与雷电流幅值的大小、距雷云放电通道的远近、架空线路的悬挂高度因素有关,感应电压通常可达到500kV 以上[1]。
雷电防护与SPD选择一、雷电基本知识1.雷电产生雷电的产生:大气中的强对流会伴随着电荷分布的变化,大气电场也会随之发生变化,从而形成雷雨云(专业称积雨云),雷雨云团之间或雷雨云团与大地之间就可能发生剧烈的放电现象,这种强烈的放电就是闪电,又称雷电或雷击。
一个地区的雷电发生频率一般用年雷暴日来表示。
我国东部地区大部分属多雷区、高雷区和强雷区,广东、海南有些地区年平均雷暴日为100天以上。
我国平均每年因雷击灾害所造成的损失为几十亿元,广东2002年已统计的发生雷害2263起,造成损失3亿多元。
针对雷电灾害我国近年来先后出台了多部防雷标准和规范,为减少和防止雷电灾害的发生,各级政府部门,施工单位应严格按照标准、规范的要求监督实施。
2. 雷电的危害和雷电防护区2.1雷电危害直击雷:直击雷是雷雨云对大地或建筑物的放电现象。
它产生强大的脉冲电流、炽热的高温、猛烈的电动力损坏放电通道上的建筑物、输电线、室外电气、电子设备,击死击伤人员,同时产生的强烈的电磁感应和电磁辐射,对周围的电气、电子设备造成损坏或干扰。
雷击电磁脉冲(LEMP):雷击电磁脉冲是由于雷雨云之间和雷雨云与大地之间放电时,产生的电磁感应、电磁辐射以及雷雨云与输电线静电感应电荷在雷击放电瞬间泄放,产生的过电压、过电流通过连接建筑物内外的各种金属管道、电源线、信号线、电视天线等进入室内设备,使用电设备损害。
对直击雷的防护主要采用避雷针、避雷带、引下线及接地体等传统的外部避雷装置。
对雷击电磁脉冲的防护主要采用SPD。
2.2雷电防护区直击雷非防护区(LPZOA区):本区内的各类物体完全暴露在外部防雷装置的保护范围之外,都可能遭到直接雷击;本区内的电磁场未得到任何屏蔽衰减,属完全暴露的不设防区。
直击雷防护区(LPZOB区):本区的各类物体处在外部防雷装置保护范围之内,应很少能遭到大于所选滚球半径的直接雷击;但本区内电磁场未得到任何屏蔽衰减,属充分暴露的直击雷防护区。
浅谈雷雨天气电气设备的预防摘要:电力系统正常运行时,电气设备的绝缘处于电网的额定电压下。
但是,由于雷击,电力系统中某些部分的电压可能升高,引起过电压。
大气过电压可分为直击雷过电压、感应雷过电压和侵入雷电波过电压。
发电厂、变电站如果发生雷击事故,将造成大面积停电,所以发电厂、变电站必须装设防雷措施。
关键词:雷电的基本概念,防雷措施,防雷设备的运行维护,预防雷电需做的工作一、雷电的基本概念:雷电是大气中带有电荷的雷云放电的结果。
我们平时常见的雷有落地雷和空中雷,对电气设备经常造成危害的就是落地雷。
由于雷击,电力系统中某些部分的电压可能升高,产生过电压。
大气过电压可分为:直击雷过电压、感应雷过电压、侵入雷电波过电压。
1、直击雷过电压:雷电放电时,不是击中地面,而是击中输配电线路、杆塔或其他建筑物。
大量雷电流通过被击物体,经击物体的阻抗接地,在阻抗上产生电压降,使被击点出现很高的电位,被击点对地的电压叫直击雷过电压。
2、感应雷过电压:雷雨季节空中出现雷云时,雷云带有电荷,对大地及地面上的一些导电物体都会有静电感应,地面和附近输电线路都会感应出异种电荷。
当雷云对地面或其他物体放电时,雷云的电荷迅速流入大地中,输电线上的感应电荷不再受束缚而迅速流动,电荷的迅速流动产生感应雷电波,其电压也很高,这种情况下产生的就是感应雷过电压。
3、侵入雷电波过电压:线路的导线上受到雷电直击或产生感应时,电磁波沿着导线以光速向发电厂升压站或变电站传递,从而使发电厂或变电站的设备上出现过电压,这种过电压就称为侵入雷电波过电压。
二.发电厂、变电站的防雷措施发电厂、变电站如果发生雷击事故,将造成大积停电事故。
遭受雷害可能来自三个方面,一是雷直击于发电厂升压站、变电站的导线或设备上,二是避雷针上落雷时产生的过电压,三是雷击线路向发电厂、变电站入侵的雷电波。
为了防止直击雷对发电厂、变电站设备的侵害,发电厂、变电站装有避雷针。
为了防止进行波的侵害,一般装有氧化锌避雷器和与此相配合的进线保护段,在中性点不直接接地系统装设消弧线圈,可减少线路雷击次数。
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H·C·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。
B:土壤电阻率较大地区A:土壤电阻率较小地区地面雷暴云下行先导上行流光上行流光连接点图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ρA 小于B 地的土壤电阻率ρB 。
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。
CBA 雷暴云下行先导上行流光连接点:沙土 :富含金属矿藏土壤 :多岩石山地图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ρB <ρA <ρC ,所以在雷云过境时,B 地感应出的电荷最多,A 地其次,C 地最少。
同样在雷电的先驱放电阶段中,地中的电导电流主要是沿着电阻率较小的路径流通,在地面电阻率较小的B 区域因被感应了大量与雷云相反的异性电荷,雷电自然朝着这一地区发展,这就是为什么在土质不同下垫面会出现雷击选择性现象。
一些实际调查资料也证明:土壤电阻率较大的山区和平原,雷击的选择性都比较明显;雷击经常发生在有金属矿床的地区、河岸、地下水出口处、山坡与稻田接壤的地上和具有不同电阻率土壤的交界地段,在湖沼、低洼地区和地下水位高的地区也容易遭雷击。
2.2 地形面貌对雷击选择性的影响地形会影响雷云的形成和发展,改变雷云的走向和移动速度,使大气不稳定层结变化等,因此造成某一地方的雷暴日数比所在地区的偏多,这样这个地方的落雷几率自然相对于其他地方的要高,因此可以说地形也是雷电放电选择的一个重要影响因素。
2.3 地物情况对雷击选择性的影响地闪一般是由起始于雷暴云内的梯级先导开始。
当通常带负电荷的先导通道向下发展,接近地面时,电场受地面物体的影响会发生畸变,因此也会影响雷电放电的选择性。
在不规则的地表面或凸起的地面物体上电场强度增加,超过空气的击穿值。
结果,从这些点发展出向上的先导。
当从地面开始向上移动的先导中的一个与向下的梯级先导相碰,闪电的击地点就被确定。
上面介绍的是下行地闪的情况,而高大建筑物所产生的多为上行地闪(见表2),所谓上行地闪是对先导方向而言的,是由地面向云中发展的闪电。
具体定义是:具有向上先导的云中荷电中心与大地和地物间的放电过程。
先导带电向上,放电一般始于高耸的接地体(塔尖或山顶),根据云中带电极性不同又可分为向上正地闪和向上负地闪。
下面这张表反映了建筑物高度与上行闪电发生的关系:Garbagnati 等(1974)Gorin 等(1976)Gorin(1972)Berger(1972)McGann(1944)Prerec(1972)989284962489180500540350400180110400300200表2 高建筑物上行闪电的百分比。
引用于Eriksson(1978)5023150上行闪电百分比建筑物高度,m 参考由表中我们可以看出,虽然每个人得到的上行闪电百分比结果略有差异,但趋势都是相同的,即随着建筑物高度的增加,上行闪电的发生率也在逐渐增加,当建筑物的高度超过500时,上行闪电发生率达到90%以上,即我们可以认为大部分闪电都是上行闪电,这就是超高建筑物为什么会频繁遭雷击的原因。
造成这一现象的原因是多方面的,但为什么高层建筑的上行闪电发生率会如此之高呢?这就涉及接下来我们要研究的地物情况对雷击选择性的影响的三个方面:(1)近地面大气电场随高度的变化对雷击选择性的影响。
(2)地面两个不同高度金属体对雷击选择性的影响。
(3)感应电荷对雷击选择性的影响。
2.3.1 近地面大气电场随高度的变化对雷击选择性的影响由静电学可知,电场强度与电位的关系是:V E -∇= (1)而在直角坐标系里这种散度关系为:k E j E z y ++=i E E x (2)其中i 、j 、k 分别是X 轴、Y 轴、Z 轴的坐标向量,K 方向向上与重力方向相反,则k z Vj y V i x V E ∂∂-∂∂-∂∂-= (3)由以上公式可知大气等电位面是沿着电场强度方向逐渐降低的,把大地看成是零电位,则大气等电位面平行于地面。
若地面出现起伏或存在高耸建筑物时,大气等电位面将产生相应的起伏和畸变,随高度增加,这种起伏和畸变将逐渐减弱。
所以地面孤立铁塔大气等电位面的垂直剖面分布图(图3)为:地面u 0u 5u 6u 7u 4u 3u 2u 1等电位面雷暴云图3 地面孤立金属铁塔遭雷击物理过程可见,任意两个等电位u n 与u n+1之间的距离在塔尖是最小的,根据电场强度与电位之间的关系式:d UE (4)在两个等电位u n 与u n+1之间的电位差一定的前提下,距离d 越小,电场强度E 的值反而越大,即在等电位面分布越密集的地方电场强度越大。
电场在塔尖的这种畸变,同时又由于电荷的尖端分布效应,一个带负电的雷暴云过境时,电荷在积聚到一定值后就要向空间溢出,雷暴云的先驱放电自然就会朝着场强最大的方向发展,即朝着塔尖的方向发展,在达到闪击距离后与塔尖产生的向上迎面先导连接,从而把雷电能量沿着塔尖导入大地,完成一次放电过程。
所以雷电击中塔尖的概率就大大增加,就可以解释为什么金属铁塔会遭到雷击。
空旷地区,即使建筑物不高,但由于孤立突出,其顶部会具有较大的电场强度,于是也比较容易受到雷击。
实际调查表明,在田野中供休息用的凉亭、草棚,以及磨房等被雷击的情况很多。
位于高楼顶上的电梯间和金属水箱,以及附在建筑物上的突出物,如电视天线、旗杆或广告牌等,它们既是积累雷云感应电荷的部位,同时又是容易产生上升先导的尖端,因此特别容易受到雷击。
除此之外,建筑物上部的排气管、透气孔、天窗、烟道,以及工厂的烟囱与废气管等,它们冒出的热气柱或带有导电尘埃的烟气比一般空气更容易导电,这样相当于增加了它们的高度,因此也容易受到雷击。
2.3.2 地面两个不同高度金属体对雷击选择性的影响地面建筑物的高度一般是不同的,统计资料表明高的建筑物一般会比低矮的建筑物易遭雷击,建筑物相互之间具有对雷击的不同吸引能力,接下来我们分析一下其中的原因。
0yx 金属体1点电荷Q金属体2图4 地面不同高度金属体如图4所示,地面上有两个金属体1、2,且金属体1的高度h 1比金属体2的高度h 2高(h 1> h 2),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:204R QE πε=(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:Ea b +Q c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R 1和R 2且R 1>R 2,那么在距点电荷Q 为R 1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R 1>R 2那么有:b c ba a E E R Q R Q E ==<=202044πεπε (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X 1条件下的雷击范围 (m)50(0,60) ~(0,85)x 18060h 1=100h 1=50(30,0) ~(40,0)(0,90) ~(0,100)(0,40) ~(0,60)(0,100) ~(0,100)(0,90) ~(0,100)(80,0) ~(85,0)(10,0) ~(35,0)(110,0) ~(135,0)(60,0) ~(90,0)(192,0) ~(208,0)h 1=50h 1=100150200x 1(170,0) ~(180,0)100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X 1是金属体1与雷暴云的水平距离,h 1是金属体1的高度(图7)Q=-3C ,h 2=50m,X 1+X 2=400m 。