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第6章 雷霆之怒——可怕的雷电灾害(2)

(3)感应毫安形式:靠近线路近处,未与线路有任何接触的某处发生雷击产生感应过电压,一边小于300千伏,对于输配电线而言,不是主要威胁;但对于安装了复杂电气和电子检测和控制仪器的输配电控制中心(室)来说,对雷电电磁脉冲的防护是不可疏忽的。

地下电缆的雷击危害形式:目前有很多城市地区的配电线路是利用埋设地下电缆进行输配电的。地面雷击点通常只有10厘米或更小,但该点附近土地内形成击穿电场,若土壤电导率为0.001西门子/米,回击峰值电流30千安,击穿半径大约4m,产生的非均匀电弧半径还要大,例如在地面上留下几米至几十米长的非均匀电弧和烧蚀痕迹。由于雷电流脉冲能量主要分布在10千赫兹以下,雷电流穿透深度可以达到几十米甚至100米以上,地下闪电弧能够使得电导率小的沙质土壤变成融岩状玻璃管就是雷击在地面以下威力的表现。埋设于雷击点附近的地下电缆将吸引电弧,把雷击效应传播到更大范围,1960年以前西欧一些国家在山区开挖隧道时屡屡发生隧道内电雷管爆炸的事故便起因于此。地下闪电弧可能造成电缆绝缘层局部或大面积穿孔,甚至导致中性线的熔化,立即导致供电中断或留下隐患;由此产生的浪涌电压可能损坏变电设备或危害居民用电安全,所以处在雷击点下方的地下作业,不能不考虑潜在的雷击危害。

配电室和输变电中心要重视直接雷击危害,更要重视其内部的电子和电器设备的雷击电磁感应危害。

4.微电子设备的雷击危害形式

高速大容量集成电路功能飞速提高的同时,其可承受的极限功率呈指数下降,50年前分立电子元件的毁坏功率是毫瓦量级。今天,高速大容量微电子设备对于雷电电磁干扰和影响已经极其敏感,其毁坏功率已经降至万分之一毫瓦以下。

耐压很低,一般微电子设备经受不了正负5伏的电压波动。我们认识一下雷击危害形式是:

(1)暴露在雷电电磁场作用下静电感应和脉冲电流的电磁感应以及闪电辐射场的影响导致微电子设备的扰乱和破坏;(2)直接雷击或通过电磁感应在外部各种强电、弱电架空线路或电缆内产生雷电波,再经过这些线路传来,直接侵入和危及微电子设备;(3)建筑物防雷装置接闪时,强大的雷电流通过建筑物的混凝土内钢柱结构,产生快变的磁场,在计算机系统或其他微电子系统的环形线和电缆上感应浪涌电流,造成与直接雷击电流入侵类似的危险和干扰。

5.飞行器的雷击危害形式

根据美国商业飞机1950~1974年间遭雷击事件统计,大体每飞行3000小时遭雷击一次,或每年遭雷击一次。据南非1948~1974年统计,大部分雷击飞机事件多发生在3~5千米高度范围,每1万小时遭雷击1~4次。目前主要客货运飞机的飞行高度提高,接近云顶或在云顶以上飞行,大大减少了飞行中遭受雷击的可能性,但在起飞和着陆以及驻留机场期间的雷电防护问题仍然不可回避。

雷击飞机的后果是:闪电灾害后果包括飞机表皮上的烧蚀斑和熔洞,或由电阻热升温或磁作用力效应导致非金属构件的撕裂,如飞机头部雷达天线罩,活动机翼,尾舵和翼尖处的指示灯等毁坏,以及因为雷击导致连接,铰链和关节部的电弧和火花,或油箱蒸汽的点燃爆炸,酿成飞机解体和机毁人亡;电磁感应效应在飞机内产生的有害电压和电流,包括扰乱或破坏飞机的许多电子系统,同样可能造成严重事故。通常分为直接效应和间接效应(或感应)。现代飞机设计和制造中越来越多地采用非金属合成材料,可以大大减少飞机自身重量,但却可能降低对雷电直接和间接危害的屏蔽和防护能力,在这一工程领域内面临着如何保证雷击防护设计可靠性的新课题。

各种飞机遭雷击频数随高度分布形式是类似的,高频数在0℃~5℃温度区;以现代喷气飞机巡航高度虽然在9千米,遭雷击可能性较小,但它常在起飞爬升或降落遭遇雷击;绝大部分雷击发生于云内,只有百分之几的雷击事件发生在云下和云外。绝大多数雷击飞机事件与湍流和降雨现象相伴随,其中70%事件发生时有降雨,12%的的事件发生时有雨、雪、雨夹雪或冰雹。

雷击区的分布

雷击区与地质结构有密切关系。

科学家曾经通过模拟实验来说明,如果地面土壤电阻率的分布不均匀,那么电阻率小的地区雷击率大。这说明了同一地区也有不同的雷击分布,所以将这种现象称为“雷击选择性”。

试验结果证明,雷击位置经常在土壤电阻率较小的土壤上,而电阻率较大的多岩石土壤被击中的机会很小。这是因为在雷电先驱放电阶段中,地中的电导电流主要是沿着电阻率较小的路径流通,使地面电阻率较小的区域被感应而积累了大量与雷云相反的异性电荷,雷电自然就朝这些地区发展。

土壤电阻率较大的山区和平原有着较为明显的雷电选择性;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是雷击的多发区。

雷击也多发在湖沼、低洼地区和地下水位高的地方。除此之外,雷击选择性与地面上的设施也有重要关系。

当放电通道发展到离地面不远的空中时,电场受地面物体影响而发生畸变。如果地面上有一座较高的尖顶建筑物,因为建筑物的尖顶具有较大的电场强度,雷电自然会被吸引向这些建筑物,所以更容易遭受雷击。

在旷野,即使建筑物并不高,但是由于它是比较孤立、突出,因此也比较容易遭受雷击。调查结果表明,在田野里供休息的凉亭、草棚、水车棚等遭受雷击的事故是很多的。

从烟囱冒出的热气柱和烟囱常含有大量导电微粒和游离分子气团,它们比一般空气易于导电,这就等于加高了烟囱的高度,这也是烟囱易于遭受雷击的原因之一。因此,在一座较高的烟囱附近,如果有一座较低的烟囱,在高烟囱不冒烟而低烟囱冒烟的情况下,雷电往往直接击在低烟囱上。所以在高低两条烟囱并排时,即使低烟囱在高烟囱雷电保护范围之内,但仍然要求两条烟囱都要装避雷装置。

建筑的结构、内部设备情况和状态也会影响雷击选择性。金属结构的建筑物、内部有大型金属体的厂房,或者内部经常潮湿的房屋,因为具有很好的导电性,所以遭受雷击的概率比较大。

相关资料表明,雷击的地点以及遭受雷击的部位是有一定规律的,所以为了防止雷击,需要掌握这些规律。

雷电灾害的危害

从国际范围来看,相关统计表明,雷电灾害是联合国“国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一,为此造成了严重的经济损失,死亡人数也较多。除此之外,雷电也带来了很多其他问题,如火灾、爆炸、建筑物损毁等事故频繁发生。因为雷电无孔不入,所以几乎全球范围内的很多东西都不可避免遭到雷电灾害的严重威胁。

1.雷电灾害对人身安全的影响

雷灾严重损害人体健康。雷击致死的第一个重要生理效应是人的心脏停止供血。人的心脏有两个心室,左心室使血液流经全身,右心室使血液流经肺部,正常人的两个心室的肌肉都是同时收缩和同时舒张以产生规律性的压力造成血液循环。当电流通过心肌时,破坏了这种协调性,各心室独立动作,不做有规律的收缩(即所谓“心脏跳动”),而是做软弱的不规则颤动,医学上称为纤维性颤动,出现这种生理效应时,血液停止循环,约4分钟即可导致死亡。

我国雷电灾害每年造成近千人伤亡,尤其很多受害者或春秋正盛或为莘莘学子和天真活泼的儿童,使很多家庭支离破碎,给这些受害者及其家庭带来不可挽回的伤害和损失,减轻雷电对人民群众生命的威胁是建设和谐社会的一部分。从英、美、荷兰、澳大利亚等国长期的科学统计数据来看,死于雷击事故的人数在稳步下降,例如对于英国,在一个半世纪里整个人员伤亡数有明显的逐步下降,从1870年的23人下降到1990年的3人。这与防雷技术和急救医疗的进步密切相关,同时也受当地人口从农村到城市迁移的影响。因为雷击严重威胁着人民的生命财产安全,所以要加强雷电防御,提高人民的生存安全感。

随着改革开放的不断推进,有越来越多的外国游客来中国旅游,而随之而来的就是中国旅游项目的增多,特别是户外活动,因此一定要关注雷电对于这些户外人群的威胁,一旦雷电造成一定的人员伤亡,其必然会有损中国形象。除此之外,因为人民群众的工作和生活越来越离不开电气、电子设备,而这些设备中集成电路的耐过电压过电流能力极为脆弱,所以可能被雷电干扰甚至损坏,引发人员伤亡。在这一方面也一定要引起相关部门的注意。

2.雷电灾害对经济建设的影响

雷电灾害的严重性首先表现在它具有破坏性上,其破坏性特别大。

在现有条件下,雷电灾害的发生是人类无法控制和阻止的,这种灾害的特点是雷电放电电压高,电流幅值大,变化快,放电时间短,电流波形陡度大。另外,雷电产生强大破坏作用的原因是强大的电流、炽热的高温、猛烈的冲击波、剧变的电磁场,以及强烈的电磁辐射等物理效应,容易造成人员伤亡、巨大破坏、起火爆炸等严重损失。雷电灾害波及面非常广,涉及人类社会活动、农业、林业、牧业、建筑、电力、通信、航空航天、交通运输、石油化工、金融证券……随着高科技的发展,雷电灾害显得越来越严重。雷灾的严重性更表现在,雷电通过多种渠道侵害地面物。除直接雷击外,还有雷电的静电感应作用,闪电放电时的电磁感应作用;闪电放电时产生的强烈电磁脉冲;雷电反击以及雷电过电压波可能沿各种架空线、无线电天线、天线馈线、电缆外皮和金属管线等传入仪器设备,酿成祸患,并由此而引发的其他灾害所造成的直接和间接经济损失是无法估量的。

雷电对我们国家许多部门的安全生产有严重威胁。我国大部分地区属雷电多发区,雷电既是威胁一些高科技领域的重要灾害,也是对化工、石油、矿山开采、高层建筑、加油站、输电线、森林等易燃易爆场所安全生产的主要威胁因素之一。

例如1989年,我国青岛市黄岛油库于8月12日遭雷击起火,燃烧104小时才勉强扑灭。伤亡人员近百名,烧毁原油3.6万吨,整个油库毁坏殆尽,变成一片废墟。又如某数据中心,集全体技术人员历时三年的研究成果和宝贵数据也因一次雷灾而化为乌有。各项损失都特别大。

这种例子数不胜数。20世纪80年代之后,雷灾出现新的特点,因为一些高大建筑的兴起及其上面的设施都会吸引落雷,这必然导致建筑物遭到破坏。增设的各种架空长导线也会引雷入室,即使有避雷设置也不会发生作用。除此之外,随着微电子技术的广泛普及,这也导致了雷害对象的转移,同时导致人身伤亡事故发生的可能性也增加。鉴于这些方面,人们应当采取措施来预防和降低这些雷电危害的产生程度。

1977年7月13日:雷电击中电线,导致纽约900万人断电25小时。随后发生的趁火打劫导致1700多家店铺遭抢劫或破坏,370多人被捕,财产损失高达1.5亿美元。

2003年14日,包括纽约在内的美国东北部和加拿大部分地区的突然发生大面积停电事故,也是由纽约一个电厂遭雷击起火,导致一个主要电网供电中断所引起,停电事故造成数百万纽约市民“无家可归”,纽约的许多商店关闭,全球游客的旅行计划搁浅。因此雷电灾害的防护不仅与经济建设紧密相关,更是关系到确保工农业生产和人民生命财产安全,维护社会稳定的大事。

3.雷电灾害对信息技术的影响

在现代社会中,信息技术发挥着越来越重要的作用。它不仅关系着国民经济的发展,对人民生活水平的提高也发挥了重要作用。信息技术的核心是微电子技术、通信技术、计算机技术和网络技术。近些年来,随着电子技术的高速发展,各行各业对计算机信息系统的依赖程度越来越高,计算机系统已经成为信息资源的重要载体和储存库。

然而,雷电电磁辐射干扰直接影响着计算机系统的稳定性,可靠性和安全性。电磁辐射对计算机系统及其数据存储所产生的干扰、破坏的危险性与日剧增,成为严重的社会化问题。雷电产生的电磁辐射干扰所造成的信息丢失,结果不仅使计算机受损,造成严重的经济损失,更重要的是它所造成的间接影响和由此引起的安全问题。雷电侵入计算机,主要是通过电网之供电电源而产生的。

4.雷电灾害对航天安全的影响

众所周知,航空航天是汇集了人类最新高科技的尖端领域。虽然防雷技术并不突出,然而却不能忽视。液氢燃料的加注过程、火箭的发射升空都不能在有雷电的情况下执行。雷电除对航天飞行器、发射塔等造成直接破坏外,还可引爆火箭的点火装置,使火箭自行升空,或使发射过程中的火箭爆炸,因此火箭上的主要电子仪器必须有极强的抗雷电辐射和静电干扰的能力。

一方面发射场高耸的发射架和耸立在发射台上的运载火箭都是良好的尖端放电物,极易遭受雷击;另一方面航天器发射后,会迅速改变周围环境的电场分布,使电场强度剧增,严重时会引起诱发雷电;火箭发射升空的过程中,起电的云层,甚至没有明显自然闪电的云,也可能袭击飞行中的航天飞行器。雷电一旦击中航天飞行器,将造成巨大的经济损失,而由此产生的间接经济损失和社会影响更是不可估量。

1987年3月26日美国国家航天局利用大力神火箭从美国卡纳维拉尔角基地发射海军通信卫星时曾遭受雷击而使发射失败,当时火箭发射约1分钟后受雷电干扰突然失控,浪涌电压破坏了制导控制计算机,导致星箭俱毁,损失高达1.7亿美元。

1987年6月9日美国航天局在瓦罗普斯发射场实施航天发射前,一阵暴风雨突然降临,3枚火箭被雷电击中,雷电触发火箭自行点火启动,结果两枚火箭升空后在预定轨道上仅飞行了4km,另一枚飞出100米左右坠入大西洋,导致发射彻底失败。因为我国发射任务相对较少,另外又考虑到了必要的防雷措施并选择100%避开雷雨天气进行发射,所以到目前为止还没有出现因雷电而引起的航天发射事故,但这并不意味着航天事业就不需要改进了。

而是对我国航天发展提出了更高的要求,需要采取更有力的措施来保障夏季雷暴频发季节进行航天发射的安全。

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