雷电的产生与危害方式

雷电产生与危害方式
1 背景
雷电是自然界中极为普遍而又蔚为壮观的声、光、电现象，这不仅是由于它那特有的划破长空的耀眼闪电和震耳欲聋的霹雳声，更重要的还在于它给人类生存和生产活动带来巨大影响。

雷电促成的有机物合成可能对地球的生命形成起到过一定的作用，雷电引起的森林火灾可能启发了远古人类对火的发现和利用。

在现代生活中，雷电仍然对人畜的生命安全有所威胁，对航空，通讯，电力，建筑等国防和国民经济的许多部门造成重大的危险影响。

上世纪80年代以来，雷电灾害出现新特点。

随着通讯信息技术和微电子技术高度发展和广泛应用于各个领域，使雷害对象发生了转移，从对建筑物本身的损害转移到对室内网络设备、电子设备等信息设备的损害，随之防雷对象和防雷重点也由强电向弱电转移。

2 雷电现象
能够产生雷电的云，称之为雷雨云，通常又称雷暴。

1752年，美国科学家富兰克林首先揭开了“雷暴”的本质，认为它实际上是一种大气电现象，此后人们对雷电活动进行了大量的观察研究。

为了说明雷电的形成和发展的规律和机理，提出过许多的起电机制，从微观的物理过程到宏观的大气物理对雷云的形成和发展过程中的电荷产生、电荷分离、电荷聚焦、雷云电场生成等现象进行分析和推测，力图对雷电的形成和发展机理进行解释。

其中最具代表性的起电机制有Elster和Geitel的感应起电机制、Brook的温差起电机制、Lenard的破碎起电机制、Workman和Reynolds的融化、冻结起电机制。

图1 感应起电机理
与起电一样，雷暴云的放电也是一十分复杂的物理过程。

当雷云中的电荷负值增加到一定数量时，使空气中的电场强度增加，达到使空气足以电离，产生游离态离子时，就产生了雷云的放电。

按照闪电的外观形状，可将其分为：线状闪电、带状闪电、片状闪电、连珠闪电和球状闪电等，其中以线状闪电最为常见。

按闪电发生的空间位置可将其分为：云内闪电、云际闪电、云地闪电等。

云地闪电简称地闪，俗称落地雷，其走向多垂直于地面，危害大，是防雷设计应该注意的重点。

云闪定义为所有没有到达地面的闪电放电，它的危害主要体现在雷击电磁脉冲。

通常，地闪放电可以划分为以下几个过程：预击穿过程（Preliminary breakdown process）、梯级先导（stepped leader）、回击（return stroke）等。

预击穿过程是在地闪通道伸延出云底之前发生于云内的弱电离过程和放电过程。

其持续时间从几毫秒到几百毫秒不等，典型值为几十毫秒。

梯级先导是地闪放电的初始阶段，它为回击过程开辟通道，是地闪中的主要物理过程之一，闪电放电电流的路径是电阻最小的路径。

在地闪的对地放电过程中，先导与回击之间的过程被称为连接过程（attachment process）。

回击过程是地闪中对地面输送大量电荷因而产生大电流和强电磁辐射的阶段。

回击常常形成很大的电流，发出很强的光，并形成光柱。

所以回击常被称为主放电或主闪击。

回击的推进速度比先导要快得多，平均约为，变化范围为s cm /1059×()s cm /102~102109××。

回击通道的直径为，平均为几厘米，峰值电流可达以上。

电流很大，通道的温度迅速升高，可达数量级，空气骤然膨胀因而产生了雷声。

()cm 23~1.0A 410K 410
云电荷分布
t = 0
预击穿过程
t = 1.00ms 梯级先
导t = 1.10ms t = 1.15ms
t = 1.20ms
t = 19.00ms
t = 20.00ms
t = 20.10ms
t = 20.15ms
t = 20.20ms
图2 一次负地闪所包含的各种物理过程随时间的发展示意图
3 雷电的主要危害途径
从浪涌的产生渠道出发，雷电的危害方式有：直击雷、感应雷，感应雷又可以分为静电感应脉冲、雷击电磁脉冲和冲击地电位反击三种。

当地闪由梯级先导向下发展，地面的尖凸物上聚集与云层极性相反的大量电荷，发展到一定程度，当两者之间的距离近到它们之间的空气被强电场电离，就会产生连接，发生首次回击，此种雷云放电过程被称之为直击雷，具有能量大、破坏性强等特点。

对于直击雷的防护主要是依靠建筑物本身的外部防雷系统，它将建筑物整体置于其保护范围内，并把巨大的雷电流很快泻放进入大地。

外部防雷系统的好坏将直接影响到室内敏感设备的安全，增加内部防雷的防护成本与防护难度。

当有积雨云形成时，积雨云下层的电荷将较为集中，电位较高，致使局部静电场强度远大于大气在稳态下的静电场。

在积雨云与大地之间形成的强电场中，在地面的物体表面将感应出大量的异性电荷，其电荷密度和电位随着附近的场强变化，电场强度以地面的尖凸物附近为甚。

例如地面上10m 处的架空线，可感应出的电位。

落雷的瞬间，大气静电场急剧减小，地面物体表面因感应生成的大量自由电荷失去束缚，将沿电阻最低的通路流向大地，形成瞬时的大电流、高电压就叫做静电感应脉冲。

kV 300~100
图3 静电感应脉冲的形成 地电流冲击是由落雷点附近区域的地面电荷中和过程形成的。

主放电通道建立以后，产生回击电流，即积雨云中的负电荷会流向大地，同时地面的感应正电荷也流向落雷点与负电荷中和，形成地电流脉冲。

地电流流过的地方，会出现瞬态高压电位，如果设备的接地点与之连接一起，就可能导致地电位抬高，此时如果供电系统的电位没有变化，就可能形成很大的电位差，从而使设备损坏。

埋于地下的金属管道、电缆或其它导体，构成电荷流动的低阻
通道，在雷击时其表面将有瞬变大电流流过，造成导体两端出现电压冲击；对屏蔽线而言，地电流只流经屏蔽层表面，根据互感原理，其内芯导线上会感应出暂态电压。

由于地电流上升沿很陡峭，故感应电压峰值可能极大，形成浪涌，不但会干扰信息传输，还可能造成电路硬件损伤。

主放电通道形成后，云层电荷迅速与大地或云层异性感应电荷中和，回击电流急剧上升，受电荷电量、电位和通道阻抗的影响，其上升的速率最大值可以达到s kA µ500。

此时，放电通道构成等效天线，产生强烈的电磁脉冲辐射。

无论闪电在空间的先导通道或回击通道中产生瞬变电磁场，还是闪电电流流入建筑物的避雷系统以后由引下线所产生的瞬变电磁场，都会在一定范围内对各种信息电子设备产生干扰和破坏作用。

由于LEMP 是脉冲大电流产生的，其磁场部分危害不容忽视。

它能在导体环路中感应生成浪涌电流，或者在环形导体的断开处感应出高电压，甚至击穿空气出现火花放电，引发火灾、爆炸等灾害。

1989年的黄油岛油库火灾事故，起因就是电磁脉冲引起混泥土内钢筋断头处的火花放电。

雷电形成的电磁脉冲包括从雷雨云形成到预击穿、梯级先导、回击、箭先导、后续回击以及云内和云间闪电中的所有放电过程所发出的地磁波，其传播受到大地电导率以及电离层多次反射的影响。

由于回击电流产生的LEMP 具有峰值高、影响范围广等特征。

通常认为干扰源把干扰噪声能量耦合到被干扰对象有两种方式：传导方式和辐射方式，可细分为如下图所示的几种方式。

图4 噪声干扰的耦合方式
因此从设备防护角度出发，雷电对通信设备可能的危害出现在以下端口：
图5 雷电对通信设备的危害渠道分析
解决EMC问题就是要像对待传染病一样，控制传染病可以通过消灭病原体、切断传播途径、保护易感染人群的办法来解决，同时，通过加强锻炼，增强身体免疫力或者尽量远离病原体也是不错的选择。

防雷亦是如此，它是一个复杂的问题，不可能依靠一、两种单一的方法，要采取综合治理，将各种雷电可能产生危害的渠道了解清楚，对症下药，才能将雷电损失降到最低。