探讨雷电成因以及对弱电设备影响

　　[摘要]随着科技的不断发展，大量电子设备在电力系统中得到广泛应用。各种信息系统中使用的弱电设备经常遭受到直击雷、感应雷以及雷电瞬间过电压、过电流的侵袭和危害。本文首先对雷电的形成和特点进行了简要介绍，进而重点研究雷电对弱电设备的影响。
　　[关键词]感应雷，防雷保护，影响
　　雷电造成的危害无孔不入，尤其是对电子信息系统等弱电设备的危害是极大的。因为一些电子设备工作电压只有几伏，传递信息的电流也非常小，对外界的干扰及其敏感。而雷电的电压可高达数十万伏，瞬间电流可高达数十万安，所以具有极大的破坏性。有效地防止雷电对电子信息系统等弱电设备所产生的危害，是保证变电站安全、稳定运行的重要前提。因此，我们对雷电的形成和对雷电过电压的危害进行深入研究是很有必要。
　　一、雷电的形成分析
　　地球上空有一层电离层，它是由正电粒子组成的，该电离层起着防止太阳和宇宙空间各种有杀害生命作用的射线进入地面。由于雷电不断补充电离层放电失去的电荷，保持电离层总电荷量大体平衡，使这层生命的保护屏障得以保存，使地球上的生命不致被宇宙射线灭绝。因此，可以说是雷电促使地球成为文明的星球。由于雷击会给人类带来灾害，所以人类很早就与雷害进行斗争了。
　　不管是直击雷还是感应雷，都与带电的云层分不开。带电的云层称为雷云。有关雷云的假说很多，但至今尚未有一种被公认为无懈可击的完整学说，这里介绍其中被认为比较完整并经常被推荐的假说。科学工作者的测试结果表明，大地被雷击时，多数是负电荷从雷云向大地放电，少数是雷云上的正电荷向大地放电。在一块雷云发生的多次雷击中，最后一次雷击往往是雷云上的正电荷向大地放电。从观测证明，发生正电荷向大地放电的雷击显得特别猛烈。
　　雷电的成因是摩擦生电及云块切割磁力线，把不同电荷进一步分离。由此可见，雷电的主要能源来自于大气的运动。没有这些运动，是不会有雷电的，这也说明了为什么雷电总是伴随着狂风暴雨而出现。为了便于数学和工程上的讨论分析，有必要对雷电放电进行模型的建立。雷电放电的物理过程很复杂，国际上都习惯把雷击低接地阻抗物体时流过该物体的电流定义为雷电流。因而在防雷保护计算的彼得逊等值电路中，等值雷电流通常就直接用雷电流来表示。
　　二、雷电对弱电设备的影响
　　雷电有两个放电参数：一个是起主要破坏作用的雷电流，常达几十安到几十万安，其作用时间极短；另一个是雷电流的上升速度，通常称陡度，其值在1~80kv/us之间。雷电对弱电设备的影响是由以上两个放电特性引起的，具体可分为以下几类。
　　（一）直击雷的影响。直击雷是指雷雨云对大地和建筑物放电的现象。它以强大的冲击电流、炽热的温度、猛烈的冲击波以及强烈的电磁辐射损坏放电通道，其最高电流达200~300kv，一般在20~40kv，其时间甚短，一般仅为10~100us。直接击在建筑物构架上，因电效应、热效应和雷电冲击波等作用而造成电力线路、电力系统弱电设备等损坏。其对弱电设备的影响主要表现在以下几个方面：
　　1.电效应的破坏作用。根据安培定律，当A、B平行导体上分别通以电流i1，i2(kv)，A、B的距离为d(m)时,每米导线所受的作用力按下式计算:
　　式中，平行导体的长度10为1m。
　　假定雷击的瞬间两导体的电流i1和i2都等于100kv，两导体的距离d为50cm。计算结果表明，这两根导体每米都受到408kg的力。因此雷击的时候，由于电动力的作用，也有可能使弱电设备导线折断。
　　同样对拐弯的导体或金属构件，在拐弯部分也将受到电动力作用，它们之间的夹角越小，受到的电动力越大。当拐角的夹角为锐角时受到的作用力最大，钝角最小。所以接闪器及其引下线不应出现锐角的拐弯，在不得已采用直角拐弯时应加强构件强度。
　　2.热效应的破坏作用。如果雷电击在电弱电设备上，由于雷电流很大，通过的时间极短，被击得物体瞬间产生巨大热量，又来不及散发，将产生巨大的爆炸力。当雷电流通过金属体时，如果金属体的截面积不够大时，甚至可使其熔化。因为通道的温度可高达6000°C~10000°C,甚至更高。因此在雷电流通道上遇到易燃物质，可能引起火灾。
　　3.雷电流冲击波的破坏作用。雷电通道的温度高达几千度至几万度，空气受热急剧膨胀，并以超声速度向四周扩散，其外围附近的空气被强烈压缩，形成“激波”。被压缩空气层的外界称为“激波波前”。“激波波前”到达的地方，空气的密度力和温度都会突然增加。“激波波前”过去后，该区压力下降，直到低于大气压力。这种“激波”在空气中传播，会使其附近的电力线路、电气设备受到破坏。
　　（二）感应雷的影响。感应雷对弱电设备的影响主要是指在雷云之间放电或雷云对地之间放电时，在附近的户外传输信号线路、埋地电缆线路、设备连接线上产生电磁感应并侵入设备，使串联在线路之间或线路末端的电子设备受到损坏。感应雷虽不如直击雷猛烈，但其发生的概率比直击雷高得多。当雷云层与层之间以及雷云与大地之间放电时，在放电通道周围产生的电磁感应、雷电电磁脉冲的辐射以及雷云电场的静电感应，使建筑物上的金属部件、管道、钢筋和由室外进入室内的电源线、信号传输线、天线馈线等感应出雷电高电压，并通过这些线路以及进入室内的管道、电缆等引入室内造成电子设备损坏。显然感应雷危害是大面积的，危害电子设备的主要干扰源。
　　1.静电感应。当建筑物顶部或其他导体处于雷云与大地间所形成的电场中时，建筑物顶部或导体上就会聚集极性与雷云下部电荷极性相反的大量电荷。当雷云与放电体间的电场强度超过两者之间空气的击穿强度时，雷云对放电体放电，正、负电荷在电路中猛烈地中和。雷云放电后，云与大地间的电场突然消失，建筑物顶部或导体上的电荷来不及立即流散，因而产生很高的对地电位差。这个对地电位差称为静电感应电压。如果楼顶不采取良好的接地措施，室内的设备即有可能因静电感应电压而受损。
　　2.电磁感应。由于雷电流具有极大的幅值和陡度，在放电通道周围的空间里会产生强大的变化电磁场。处在这一电磁场中的导体会感应出较大的电动势如果回路中有些地方接触不良，就会产生局部发热或放电现象。电磁感应现象还可以使构成闭合回路的金属物体产生感应电流，对设备或建筑物造成损害。事实上，在生产实践中雷击的静电感应破坏力数倍于电磁感应。静电感应还可用雷击的二次效应理论来解释。带电雷云飘浮在地表上空，地表带上极性与雷云极性相反的等量电荷。当雷击过后，雷击点地表变为电荷的相对空穴，周围高电荷区域与地电位相对绝缘的导体上的电荷，将导致设备打火、绝缘受损和电子设备失效。
　　综上所述，雷电对弱电设备的影响是由雷电流和陡度两个放电特性引起的，其破坏作用主要体现在电效应、磁效应和热效应等方面。其中感应雷的危害是大面积的，是危害电子设备的主要干扰源。因此，我们在进行防雷保护工作时，要重点完善对感应雷的静电感应和电磁感应的屏蔽。