（一）雷電機(jī)理

1、雷云的形成

由于大氣的劇烈運(yùn)動(dòng)，引起靜電摩擦和其他電離作用，使云團(tuán)內(nèi)部產(chǎn)生了大量的帶正、負(fù)電荷的帶電離子，又因空間電場力的作用，這些帶電離子定向垂直移動(dòng)，使云團(tuán)上部積累正電荷，下部積累負(fù)電荷（情況也可以相反），云團(tuán)內(nèi)產(chǎn)生分層電荷，形成產(chǎn)生雷電的雷云。雷云的成因主要來自于大氣的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)雷云在天空移動(dòng)時(shí)，在其下方的地面上會(huì)靜電感應(yīng)出一個(gè)帶相反電荷的地面陰影。如圖：2、尖端放電與雷擊

如果有一個(gè)帶尖鋒的金屬球，讓它帶上負(fù)電，由于電荷同性相斥的作用，球體尖鋒部分的電子受到同性電荷排斥力最強(qiáng)，最容易被排斥而離開金屬球，這就是“尖端放電”。

地面上相對較高的建筑物，有時(shí)是避雷針，就好比金屬球上的尖鋒。雷擊最容易在這些地方發(fā)生。

如圖所示:3、雷云放電著名的雷云放電理論是“長間隙放電”理論，該理論認(rèn)為雷云對地放電的過程可以分為四個(gè)階段：即云中放電、對地先導(dǎo)、定向閃擊和回閃四個(gè)階段。具體過程是這樣的：雷云形成前，首先是云內(nèi)放電和云間放電頻繁，云中放電造成云中電荷的重新分布和電場畸變，當(dāng)云中電荷密集處的電場強(qiáng)度達(dá)到25-30KV/cm的，就會(huì)由云團(tuán)向地開始先導(dǎo)放電。先導(dǎo)放電是步進(jìn)的，發(fā)展的平均速度為105~106m/s，各脈沖間隔約30~90s，每階段推進(jìn)約50m，跳躍著逐步向下延伸，當(dāng)先驅(qū)放電距地50m左右，可誘發(fā)迎面先導(dǎo)，通常迎面先導(dǎo)來自地面上最突出的部分（尖端放電最易發(fā)生處），當(dāng)對地先導(dǎo)和地面的迎面先導(dǎo)會(huì)合時(shí)，就形成了從云團(tuán)到地面的強(qiáng)烈電離通道。步進(jìn)放電轉(zhuǎn)為定向閃擊。定向閃擊是沿最短路徑進(jìn)行的，緊接著回閃，這時(shí)出現(xiàn)極大的電流，開始雷電的主放電階段，即雷擊，在主放電中雷云與大地之間所聚集的大量電荷，通過先驅(qū)放電所開辟的狹小電離通道發(fā)生猛烈的電荷中和，放出能量，引發(fā)強(qiáng)烈的閃光和雷鳴。主放電的時(shí)間極短，約50~100s，主放電過程是逆著先導(dǎo)通道發(fā)展的，速度約為光速的1/20~1/2，主放電電流可達(dá)數(shù)十KA，是全部雷電流的主要部分。主放電到達(dá)云端時(shí)就結(jié)束。然后殘余電荷經(jīng)過主放電通道流過來，產(chǎn)生短暫的余光。由于云中電阻較大，余光階段的電流只有數(shù)百安培。持續(xù)時(shí)間0.03~0.15秒之間通常一次雷電過程包括3~4次放電。重復(fù)放電都是沿著第一次放電通路發(fā)生的。4、雷電的波形及參數(shù)雷電波形及參數(shù)是防雷工程設(shè)計(jì)中的重要依據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)才可能正確估算電子系統(tǒng)頻帶范圍內(nèi)雷電沖擊的幅度和能量大小，進(jìn)而確定避雷措施。

圖1是標(biāo)準(zhǔn)雷電流波型圖?？梢赃@樣描述一個(gè)雷電波，幅值為Im，波頭為T1，波長為T2的電流波，記為T1/T2s。

圖1是標(biāo)準(zhǔn)雷電流波型圖。圖2標(biāo)準(zhǔn)雷電壓波形圖圖2標(biāo)準(zhǔn)雷電壓波形圖

與標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形圖不同之處為,圖中A點(diǎn)在0.3倍Vm處，且T1=1.67T也可以這樣描述一個(gè)雷電波，幅值為Vm，波頭為T1，波長為T2的電壓波，記為T1/T2s。

（二）雷電的危害

1、雷電熱效應(yīng)的破壞作用

閃電表面上看只閃一次，實(shí)際上是一系列閃光，在閃光發(fā)生的瞬間，雷電流在極短的時(shí)間內(nèi)，以連續(xù)的、尖峰脈沖形式通過強(qiáng)大電流。尤其是直擊雷，它的放電電流平均達(dá)2.5萬到4.5萬安培間，大雷暴時(shí)最高達(dá)20萬安培。如果雷電擊在樹木或建筑物件上，被雷擊的物體瞬間將產(chǎn)生大量熱能，由于雷電流很大，通過的時(shí)間又極短（50~100s），根本來不及散發(fā)，以致物體內(nèi)部的水份大量變成蒸氣，并迅速膨脹，產(chǎn)生巨大的爆炸力，造成破壞。與雷電通道直接接觸的金屬因高溫而熔化的可能性很大，因?yàn)橥ǖ赖臏囟瓤筛叽?000~10000℃，甚至更高。因此在雷電流通道上遇到易燃物質(zhì)，會(huì)引起火災(zāi)。3、雷電流電動(dòng)力的破壞作用

如果雷擊的瞬間兩根平行架設(shè)的導(dǎo)線的電流I1和I2都等于100KA。兩導(dǎo)線的間距為50cm，計(jì)算結(jié)果表明，這兩根導(dǎo)線每米要受到408kg的電動(dòng)力。408kg/m的力完全有可能將導(dǎo)線折斷。

折成銳角的導(dǎo)體間也受電動(dòng)力作用。4、雷電的靜電感應(yīng)作用當(dāng)空間有帶電的雷云時(shí)，雷云下的架空導(dǎo)線等處會(huì)由于靜電感應(yīng)的作用而帶上相反的電荷。當(dāng)閃電發(fā)生后，由于架空導(dǎo)線與大地間的電阻較大，導(dǎo)線上積累的大量電荷不能與大地的異種電荷迅速中和，這就形成了局部地區(qū)的感應(yīng)高電壓。這類高電壓在高壓架空線上可達(dá)300~400KV，一般低壓架空線路可達(dá)100KV，電信線路可達(dá)40~60KV，建筑物也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)高的危險(xiǎn)高壓。

這種過電壓對接地不良的電氣系統(tǒng)有很大的破壞作用，它可以在其路徑上的任何金屬間隙中產(chǎn)生電弧打火，如果電弧打火發(fā)生于易燃場所中（如汽油庫、瓦斯廠、火藥庫等場所），會(huì)引起火災(zāi)和爆炸，如果電弧打火發(fā)生在電路板上，則電路板將被破壞。4、雷電的靜電感應(yīng)作用6、地電位變化

如果工作場所中各類地極是分開設(shè)置的，那么當(dāng)雷擊時(shí)，會(huì)引起某個(gè)雷擊點(diǎn)附近地極電位的劇增，形成這個(gè)地極與其他地極間的電位差U，進(jìn)而引起不同地極系統(tǒng)之間的電位不平衡，產(chǎn)生有害過電壓，壓差達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，由地極向上形成反擊電流，會(huì)擊穿或損壞電子設(shè)備。7、雷電反擊和引入高電位

閃電時(shí)，接閃裝置（包括接閃器、接地引下線和接地體）在接閃瞬間與大地間存在很高的電壓，這種高壓能引起與大地相連的其它金屬物品的閃擊，這就是雷電反擊。雷電反擊會(huì)使室內(nèi)人或物受到雷電直接傷害。雷電引入高電位是指雷電流沿輸電線，通信電纜，接收天線等通道竄入室內(nèi)，發(fā)生閃擊而造成雷擊事故。二、直擊雷與感應(yīng)雷概念

1、直擊雷與感應(yīng)雷的區(qū)別在雷電防護(hù)領(lǐng)域，我們一般將雷電直接擊中建筑物，傳輸線路、計(jì)算機(jī)設(shè)備并經(jīng)設(shè)備入地的雷擊現(xiàn)象稱為直擊雷。這種雷擊形成的放電電流高達(dá)數(shù)百千安（我國工程計(jì)算中采用平均60KA的數(shù)值），電壓則達(dá)百萬伏以上，它的破壞作用極大，但發(fā)生的機(jī)率不太大。真正對電子設(shè)備造成危害的是感應(yīng)雷，感應(yīng)雷產(chǎn)生與兩種機(jī)制有關(guān)，一種是雷云靜電場對地面物的“靜電感應(yīng)”作用。另一種是閃電引發(fā)的強(qiáng)大“電磁感應(yīng)”作用。無論是“靜電感應(yīng)”或是“電磁感應(yīng)”，都能在地面線路上感應(yīng)出過電壓、過電流，經(jīng)傳輸通道進(jìn)入計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備，感應(yīng)雷通常產(chǎn)生1萬伏左右的瞬變過電壓，過電壓峰值一般在1000A左右，這對耐壓程度才數(shù)百伏甚至數(shù)十伏的電子設(shè)備的破壞作用很大。由于感應(yīng)雷發(fā)生的機(jī)率很高，使得電子時(shí)代雷擊事故頻繁發(fā)生。一個(gè)30KA的雷擊所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓：

Vj=2.2(Ln1000/a－1/2)di/dt×10-6(kv/m)

式中：a—雷電流引線與被感應(yīng)體間的平均距離；di/dt+30/2.6=11.5kA/s

與雷電流引線平行的導(dǎo)體上感應(yīng)電壓Vj值列表如下:a(m)10100200300400500Vj(Kv/m)9.54.22.51.60.90.2由此表見，一個(gè)30KA的中等雷擊，其引下線內(nèi)數(shù)百米范圍，都是感應(yīng)雷的破壞對象。三、電子時(shí)代的防雷問題

1、電子時(shí)代雷擊事故增多三、電子時(shí)代的防雷問題

1、電子時(shí)代雷擊事故增多感應(yīng)雷使電子時(shí)代的雷擊事故的發(fā)生機(jī)會(huì)大大增加，它能引起一萬伏左右的雷電電磁脈沖，這種脈沖的波型為突峰型，持續(xù)時(shí)間在50納秒之間。時(shí)間短而電壓高，從而形成危害性很大的浪涌過電壓。因?yàn)殡S著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們運(yùn)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、自控設(shè)備和通訊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量和規(guī)模都在不斷擴(kuò)大，這些敏感的電子設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度集成化。目前普遍使用的微機(jī)的CPU芯片最多集成有750萬個(gè)晶體管，每兩個(gè)晶體管之間的距離（這個(gè)距離稱為線寬），目前在0.18微米至0.25微米之間，其耐流程度在毫安級。這就使得設(shè)備的耐過壓/過流水平很低，而雷電電磁脈沖引起的浪涌電壓，一般都在萬伏左右，最小的雷電脈沖引起的電壓級別也在千伏左右。此種過壓會(huì)沿各種不同的線路通道引入電子設(shè)備，它可能引起整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中斷，造成難以估算的巨額經(jīng)濟(jì)損失。雷電電磁脈沖引起的浪涌過電壓已成為電子時(shí)代的一大公害。據(jù)德國Wurttembergische保險(xiǎn)公司統(tǒng)計(jì)，1994年間，在全部各種災(zāi)害造成的損害中，感應(yīng)雷擊造成的損害占全部災(zāi)害損失的33.8%。我國也有許多這方面的統(tǒng)計(jì)資料，從各種資料中可以看出，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器、集線器最容易遇到感應(yīng)雷傷害。2、微電子設(shè)備的耐雷能力有限感應(yīng)雷的頻譜雖然很寬，但從能量積累分布來看，大多集中在低頻段，如10/700s沖擊波，總能量95%以上分布在3KHZ頻率以下,而1.2/50s沖擊波，大約總能量90%以上分布在18KHZ頻率以下。這類波形對工作在低頻和直流狀態(tài)的電子設(shè)備危害極大,當(dāng)輸入至集成電路任一端口上的能量達(dá)到10-6焦耳左右時(shí)，集成電路芯片便會(huì)遭到永久性破壞，磁場強(qiáng)度超過2.4高斯時(shí)，計(jì)算機(jī)的CPU將永久性損壞，當(dāng)磁場強(qiáng)度超過0.07高斯時(shí)會(huì)引起計(jì)算機(jī)失效。某權(quán)威機(jī)構(gòu)對計(jì)算機(jī)通信接口中常用的集成電路芯片，用10/700s波形作了沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見下表：集成電路型號施加沖擊位置沖擊耐壓平均值MC1488P輸出端60VMC1489P輸出端22VJ274輸出端對地32VJ274輸出端子之間50VJ275輸出端子對地31VJ275輸出端子之間30VTIL117二極管反向90VTIL117三極管反向25V可以說，一方面微電子設(shè)備的耐雷能力很弱，另一方面感應(yīng)雷引入通道增多。因此，電子時(shí)代的防雷問題日益突出。

4、雷電打擊電子系統(tǒng)的形式

雷電入侵電子系統(tǒng)主要有三種形式。

第一種是直擊雷直接擊中線路，雷電沿線路直接入侵設(shè)備。在雷雨期間，閃電直接落在電源入室線路和通訊線路上，這種情況在高山通訊站、天線發(fā)射臺、農(nóng)村空曠區(qū)較常發(fā)生，其雷擊的能量非常大，可使導(dǎo)線熔化，設(shè)備炸裂。第二種是感應(yīng)雷引發(fā)的雷電電磁脈沖（簡稱LEMP），雷擊時(shí)在閃電通道幾公里范圍內(nèi)，通過靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)的形式，在各種線路導(dǎo)線中感應(yīng)出幾千伏到幾萬伏的浪涌過電壓，感應(yīng)高壓沿線路進(jìn)入設(shè)備，這種情況發(fā)生的機(jī)會(huì)非常大。特別是在城市，各種線路分布密度大，幾乎每次雷擊都有成片地區(qū)產(chǎn)生感應(yīng)高電壓（感應(yīng)雷），此感應(yīng)雷損壞設(shè)備的現(xiàn)象最常見。雖然感應(yīng)雷能量比直擊雷要小得多，但其事故率直接上升。從大量受損現(xiàn)場的檢測結(jié)果看，電子設(shè)備受感應(yīng)雷襲擊后，雖然元器件外觀是沒有明顯損壞痕跡的，用儀表測量就會(huì)發(fā)現(xiàn)是內(nèi)部已擊穿，這種情況表現(xiàn)最為突出的是一些脆弱的集成器件、晶體管等。第三種是建筑物避雷針接閃后，數(shù)萬安的雷電流在泄入大地的同時(shí)，引發(fā)建筑物附近地電位急劇上升，又通過各種接地通道反擊設(shè)備，造成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等電子設(shè)備的損壞，這種情況相對前兩種情況為少，但它對設(shè)備損害最為嚴(yán)重。四、現(xiàn)代防雷技術(shù)

現(xiàn)代防雷的技術(shù)原則強(qiáng)調(diào)全方位防護(hù)、綜合治理、重點(diǎn)解決，把防雷看作是一個(gè)系統(tǒng)工程。這是因?yàn)槔纂姷奈：ψ饔脽o孔不入，在整個(gè)空間范圍內(nèi)侵襲電子設(shè)備，防范難度很大。我公司從多年的防雷實(shí)踐過程中，總結(jié)出了一套切實(shí)可行的綜合防雷措施，應(yīng)用于各項(xiàng)工程中，已取得了很好的防雷效果。1、基于綜合防護(hù)的七點(diǎn)防雷措施每一個(gè)綜合防雷系統(tǒng)，應(yīng)該包括三部直擊雷防護(hù)、感應(yīng)雷引發(fā)的過壓抑制及接地等三個(gè)子系統(tǒng)。按照上述的原則要求，綜合多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，借鑒國內(nèi)外的技術(shù)精華，我公司逐漸成熟了一套“綜合防雷技術(shù)”。它主要包括以下七個(gè)要點(diǎn)：

綜合防雷系統(tǒng)──七點(diǎn)防雷措施①：選取適宜的接閃方式根據(jù)德國專家的計(jì)算，雷電能量有50%可直接流入大地，還有50%的能量將通過各種感應(yīng)方式，平均流入外露的各電氣通道（如電源線、信號線和金屬管道等）。我們將根據(jù)實(shí)際情況，決定采取避雷針主動(dòng)接閃，這是采用“躲”的辦法，僅用避雷帶、避雷網(wǎng)或避雷線，降低防區(qū)高設(shè)，爭取用躲的辦法，少接閃。減少雷電的電磁效應(yīng)。②：安全引導(dǎo)雷電入地完全依照國家的有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，作好雷擊電流引下工作，避免雷擊電流旁向閃擊，最大限度的消除雷電流對電子設(shè)備的感應(yīng)作用。③：完善的共地措施首先是由降阻劑、接地棒和銅帶的配合使用，達(dá)到更低的地電阻。然后利用地極間的瞬態(tài)連接技術(shù)，達(dá)到電源地、防雷地、保護(hù)地和信號地之間的電位平衡，形成共地系統(tǒng)，防止雷電通過接地系統(tǒng)對設(shè)備的反擊，在有條件的施工場所，堅(jiān)持“一點(diǎn)接地”技術(shù)。減少感應(yīng)雷擊對弱電設(shè)備的感應(yīng)損壞。④：對重要的電子系統(tǒng)構(gòu)造“等電位”電位浮島在對電子設(shè)備的電源、數(shù)據(jù)、通訊及信號線路進(jìn)行感應(yīng)雷防護(hù)時(shí)，使用直接電氣聯(lián)結(jié)或避雷器進(jìn)行等電位連接，形成水漲船高式的等電位浮島，雷電侵入時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的電位同時(shí)升降。其目的是防止強(qiáng)大雷電流流經(jīng)之處的局部高電位與周圍設(shè)備發(fā)生雷電反擊（旁側(cè)閃絡(luò)放電），同時(shí)可消除因地電位驟然升高而產(chǎn)生的“地電位反擊”事故。⑤：迅速分流雷電流把通過各種線路引入電子系統(tǒng)的雷擊電流，通過精心安裝的分流系統(tǒng)，安全迅速的分流入地，降