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1.3.1 防雷机理

多年来国内外防雷专家致力于防雷研究,在传统的富兰克林避雷针、避雷带和法拉第笼的基础上,由澳大利亚E·F公司研制的system3000动力球型避雷针和放射性避雷针,以及法国依丽达(HFLITA)公司的Pular高脉冲避雷针,都以其不同的结构、不同的材质而达到共同的目的。其防雷机理均为,当避雷针的上空出现雷云时,它们就处在大气空间场中,由于针电极尺寸远小于场板极间隙长度,所以带电云团与针极间是一个极不均匀的空间电场。在放电间隙电场很不均匀的情况下,在雷云负极与地正针极空间电场中,从正针极发出初始电子在电场力的作用下,在其运动中发出碰撞电离形成初始电子崩,集中于崩头的电子成为负空间电荷区,而留在崩尾的正离子成正空间电荷区,崩中部则为正、负离子混合区,因正、负离子浓度高,是进行复合的极好条件,在复合过程中发生光子辐射,光子电离而产生二次电子,二次电子作用在崩头,使崩尾发生更强烈的碰撞电离,形成二次电子崩,汇入初崩扩大离子区,其后电子崩发速度远比初电子崩的速度快,可达光速。电子崩的长度可能小于放电间隙长度。电极正电荷附近的放电之所以仅靠气体光游离来维持,是因为场强区把阴极与气体游离区隔开的缘故,当电极是负电荷时,二次电子的产生可以来自阴极的光效应,也可以来自气体的光游离。同时,随着空气密度和电极曲率半径r o 的不同,就形成自由电子的某种机理,当N(光子的吸收系数)和r o 的乘积不大于4时,即:

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式中 N——在Pro时的光子吸收系数;

P ro ——实际条件下的气体压力;

N 0 ——P=P 0 时的光子吸收系数;

P——气体压力;

P 0 ——标准条件下气体压力。

起主要作用的是阴极光效应,当N·r o ≥4时,气体中的光游离作用迅速增长,因为当N·r o 增大时,为气体所吸收且飞不到阴极的光子数增加,或因电子崩的伸长(r o 增大时),或因N的增加(在P增大时)而增加。故放电发生在高场强的狭窄区域里,它以再生电子崩的形式出现。避雷针就是利用自身的高度,使雷云电场发生畸变,其电场强度增加到极限值,于是开始电离,并向下梯级式放电,称为下行先导放电,而避雷针在强电场作用下产生尖端放电,形成向上先导,两者会合形成雷电通路,并伴随开始主放电阶段。

通常雷击有以下几种主要形式:

(1)直击雷。是指雷电直接击在建筑物构架、动植物上,因电效应、热效应和机械效应等造成建筑物等损坏以及人员的伤亡。一般防直击雷是通过避雷装置即接闪器(针、带、网、线)、引下线、接地装置构成的完整的电气通路后将雷电流泄入大地。然而接闪器、引下线和接地装置的导通只能保护建筑物本身免受直击雷的损毁,但雷电仍会通过多种形式及途径破坏建筑物内的电子设备。

(2)感应雷。是指雷电在雷云之间或雷云对地放电时,在附近的户外传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线上产生电磁感应并侵入设备,使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。感应雷虽然没有直击雷猛烈,但其发生的概率比直击雷高得多。直击雷只在雷云对地闪击时才会对地面上的建筑物构架、动植物造成灾害,而感应雷则不论雷云对地闪击或者雷云对雷云之间闪击,都可能发生并造成灾害。此外直击雷一次只能袭击一个小范围的目标,而感应雷可在一个较大的范围内多个小局部同时产生感应雷过电压现象,并且这种感应高压可以通过电力线、信号线等传输到很远,致使雷害范围扩大。

(3)雷电波侵入。由于雷电流有极大峰值和陡度,在雷电流周围产生瞬变电磁场,处在这瞬变电磁场中的导体会感应出较高的电动势,而此瞬变电磁场又会在空间一定的范围内产生脉冲电磁波幅射,而这种空间雷电电磁脉冲波(LEMP)是在三维空间范围里对一切电子设备发生作用。由于雷电流峰值大和陡度高(变化率快),因其瞬变时间极短,在此种交变磁场中的导体感应的电压却很高,以至产生电火花,其磁脉冲往往超过2.4Gs。

(4)球雷。在国际建筑物防雷标准(IEC/TC—81)和我国的GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》中,均没有对球雷的防护做出规定。在调查统计中,球状闪电约占闪电统计总数的13.7%。尽管国内外科技人员对球状闪电的形成机理尚无一致的观点,但对其性质、状态和危害还是比较清楚的。

球雷(即球状闪电)是一种橙色或红色的类似火焰的发光球体,偶尔也有黄色、蓝色或绿色的。大多数火球的直径在10~100cm之间。球雷多在强雷暴时空中普通闪电最频繁的时候出现。球雷通常沿水平方向以1~2m/s的速度上下滚动,有时距地面0.5~1m,有时升起2~3m。它在空中漂游的时间可由几秒到几分钟。

球雷常由建筑物的孔洞、烟囱或开着的门窗进入室内,有时也通过不接地的门窗铁丝网进入室内。最常见的是沿大树滚下进入建筑物并伴有嘶嘶声。球雷有时自然爆炸,有时遇到金属管线而爆炸。球雷遇到易燃物质(如木材、纸张、衣物、被褥等)则造成燃烧,遇到可爆炸的气体或液体则造成更大的爆炸。有的球雷会不留痕迹地无声消失,但大多数均伴有爆炸声且响声震耳。爆炸后偶尔有硫磺、臭氧或二氧化碳气体。球雷可辐射出大量的热能,因此它的烧伤力比破坏力要大。

防护球雷并不困难,应该在规范或标准中规定相应的措施。就防护球雷措施而言,最好是笼式避雷网,如果达不到笼式避雷网的条件,就在建筑物的门窗上安装金属纱网并接地;堵好建筑物墙面上不必要的孔洞;烟囱与出气管口均要加装铁丝网并接地;储存易燃易爆物体的仓库和厂房的烟囱和放气管应加装阻火器并接地。对高大树木下的重要建筑物尤其要采取防护球雷的措施。

(5)地电位反击。是指雷击大地或接地体,引起地电位上升而波及附近的电子设备,对设备产生损坏。 4AuACtzxFbIgStO4CmfyXksXrRQFRvg4ZeA3TrUlL78mgOjhEW9t6JG4IyK6spyZ

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