雷击和静电防护技术

雷击和静电防护技术

第一节雷击和静电危害因素及事故种类

一、雷电危害

1. 雷电的种类、危害形式和事故后果

(1) 雷电的种类

1) 直击雷。雷云与大地目标之间的一次或多次放电称为耐地闪击。闪击直接击于建筑物、其他物体、大地或外部防雷装置上，产生电效应、热效应和机械力者称为直击雷。直击雷的每次放电过程包括先导放电、主放电、余光三个阶段。大约50％的直击雷有重复放电特征。每次雷击有三四个冲击至数十个冲击。一次直击雷的全部放电时间一般不超过500ms。

2) 闪电感应。又称作雷电感应。闪电发生时，在附近导体上产生的静电感应和电磁感应，它可能使金属部件之间产生火花放电。

①闪电静电感应。是由于带电积云在架空线路导线或其他高大导体上感应出大量与雷云带电极性相反的电荷，在带电积云与其他客体放电后，感应电荷失去束缚，如没有就近泄入地中就会以大电流、高电压冲击波的形式，沿线路导线或导体传播。

②闪电电磁感应。是由于雷电放电时，迅速变化的雷电流在其周围空间产生瞬变的强电磁场，使附近导体上感应出很高的电动势。

3) 球雷。球雷是雷电放电时形成的发红光、橙光、白光或其他颜色光的火球。从电学角度考虑，球雷应当是一团处在特殊状态下的带电气体。

此外，直击雷和闪电感应都能在架空线路、电缆线路或金属管道上产生沿线路或管道的两个方向迅速传播的闪电电涌(即雷电波)侵入。

(2) 雷电的危害形式。雷电是大气中的一种放电现象。雷电具有雷电流幅值大、雷电流陡度大、冲击性强、冲击过电压高的特点。

雷电具有电性质、热性质和机械性质等三方面的破坏作用。

1) 电性质的破坏作用。破坏高压输电系统。毁坏发电机、电力变压器等电气设备的绝缘，烧断电线或劈裂电杆，造成大规模停电事故；绝缘损坏可能引起短路，导致火灾或爆炸事故；二次放电的电火花也可能引起火灾或爆炸，二次放电也可能造成电击，伤害人命；形成接触电压屯击和跨步电压导致触电事故；雷击产生的静电场突变和电磁辐射，干扰电视电话通讯，甚至使通讯中断；雷电也能造成飞行事故。

2) 热性质的破坏作用。直击雷放电的高温电弧能直接引燃邻近的可燃物；巨大的雷电流通过导体能够烧毁导体；使金属熔化、飞溅引发火灾或爆炸。球雷侵入可引起火灾。

3) 机械性质的破坏作用。巨大的雷电流通过被击物，使被击物缝隙中的气体剧烈膨胀，缝隙中的水分也急剧蒸发汽化为大量气体，导致被击物破坏或爆炸。雷击时产生的冲击波也有很强的破坏作用。此外，同性电荷之间的静电斥力、同方向电流的电磁作用力也会产生很强的破坏作用。

(3) 雷电危害的事故后果。雷电能量释放所形成的砬坏力可带来极为严重的后果。

1) 火灾和爆炸。直击雷就电的高温电弧、二次放电、巨大的雷电流、球雷侵入可直接引起火灾和爆炸，冲击电压击穿电气秘备的绝缘等可间接引起火灾和爆炸。

2) 触电。积云直接对人体放电、二次放电、球雷打击、雷电流产生的接触电压和跨步电压可直接使人触电；电气设备绝缘因雷击而损坏，也可使人遭到电击。

3) 设备和设施毁坏。雷击产生的高电压、大电流伴随的汽化力、静电力、电磁力可毁坏重要电气装置和建筑物及其他设施。

4) 大规模停电。电力设备或电力线路破坏后可能导致大规模停电。

2. 雷电参数

雷电参数主要有雷暴日、雷电流幅值、雷电流陡度、冲击过电压等。

1) 雷暴日。只要一天之内能听到雷声的就算一个雷暴日。年雷暴日数用来衡量雷电活动的频繁程度。雷暴日通常指一年内的平均雷暴日数，即年平均雷暴日，单位d／a。

雷暴日数愈大，说明雷电活动愈频繁。例如：我国广东省的雷州半岛和海南岛一带雷暴日在80d ／a以上，北京一些地区、上海约为40d／a，天津、济南约为30d／a等。我国把年平均雷暴日不超过15d／a的地区划为少雷区，超过40d／a划为多雷区。在防雷设计时，需要考虑当地雷暴日条件。

2) 雷电流幅值。指雷云主放电时冲击电流的最大值。雷电流幅值可达数十千安至数百千安。

3) 雷电流陡度。指雷电流随时间上升的速度。

雷电流冲击波波头陡度可达50 kA／s，平均陡度约为30 kA／s。雷电流陡度越大，对电气设备造成的危害也越大。

4) 雷电冲击过电压。直击雷冲击过电压很高，可选数千千伏。

二、静电危害

1. 静电的危害形式和事故后果

静电危害是由静电电荷或静电场能量引起的。在生产工艺过程中以及操作人员的操作过程中，某些材料的相对运动、接触与分离等原因导致了相对静止的正电荷和负电荷的积累，即产生了静电。由此产生的静电其能量不大，不会直接使人致命。但是其电压可能高达数十千伏以上容易发生放电，产生放电火花。静电的危害形式和事故后果有以下几个方面：

(1) 在有爆炸和火灾危险的场所，静电放电火花会成为可燃性物质的点火源，造成爆炸和火灾事故。

(2) 人体因受到静电电击的刺激，可能引发二次事故，如坠落、跌伤等。此外，对静电电击的恐惧心理还对工作效率产生不利影响。

(3) 某些生产过程中，静电的物理现象会对生产产生妨碍，导致产品质量不良，电子设备损坏。

2. 静电的特性

(1) 静电的产生

实验证明，只要两种物质紧密接触而后再分离时，就可能产生静电。静电的产生是同接触电位差和接触面上的双电层直接相关的。

1) 静电的起电方式

①接触——分离起电。两种物体接触，其间距离小于25×10-8cm时，由于不同原子得失电子的能力不同，不同原子外层电子的能级不同，其间即发生电子的转移。因此，界面两侧会出现大小相等、极性相反的两层电荷。这两层电荷称为双电层，其间的电位差称为接触电位差。根据双电层和接触电位差的理论，可以推知两种物质紧密接触再分离时，即可能产生静电。

②破断起电。材料破断后能在宏观范围内导致正、负电荷的分离，即产生静电。这种起电称为破断起电。固体粉碎、液体分离过程的起电属于破断起电。

③感应起电。例举一种典型的感应起电过程。假设一导体A为带有负电荷的带电体，另有一导体B与一接地体相连时，在带电体A的感应下，B的端部出现正电荷，B由于接地，其对地电位仍然为零，而当B离开接地体时，B成为了带正电荷带电体。

④电荷迁移。当一个带电体与一个非带电体接触时，电荷将发生迁移而使非带电体带电。例如：当带电雾滴或粉尘擅击导体时，便会产生电荷迁移；当气体离子流射在不带电的物体上时，也会产