雷电对计算机网络及机房的危害n直击雷n雷电波侵入n雷电电磁脉冲n地电位反击n传播途径n网络及机房设备抗干扰分析n雷电灾害实例分析n随着现代化进程的加快，特别是信息产业的 迅猛发展，自动控制、通信和计算机网络等 微电子设备和电子系统在气象行业内外得到 日益增加的广泛应用，雷击事故带来的损失 和影响也越来越大，尤其是在经济发达国家 和地区，雷击造成的电子设备直接经济损失 达雷电灾害总损失的80%以上。雷电灾害已 成为联合国公布的10种最严重的自然灾害之 一。 n据有关部门估计，全世界平均每分钟发生雷 暴2000次，全球每年因雷击造成的人员伤亡 超过1万人，所导致的火灾、爆炸等时有发 生。1995年，德国一保险公司雷电灾害赔款 是火灾和水灾的近10倍，高居首位。2003年 8月14日，美国东北部和加拿大发生大面积 停电，其原因可能是闪电击中美国纽约州北 部一家电厂并引起火灾。雷电灾害被列为“电 子时代的一大公害”。n雷电灾害，也是目前中国十大自然灾害之一。据统 计，我国有21个省、区、市雷暴日在50天以上，最 多的可达134天。雷暴给人们生活带来了极大的安 全隐患。尤其是近年来，中国社会经济、信息技术 特别是计算机网络技术发展迅速，城市高层建筑日 益增多，雷电危害造成的损失也越来越大。仅1998 年和1999年两年的统计，中国因雷击造成的直接经 济损失达百万元以上的有38起。每年因雷电灾害伤 亡的人员约为3000-5000人，造成的财产损失在 70100亿元左右 n我国的雷电灾害损失80%以上涉及电子、通 讯和配电系统。如，2000年8月18日12时56 分，一次闪电造成上海证劵交易所卫星地面 站机房遭雷击，致使股票交易行情传输中断 54分钟。总之雷电可以通过各种途径危害地 面的物体和人畜，雷电事故，既造成巨大的 经济损失，也给社会带来难以估量的间接损 失，对社会影响很大。 n归纳起来，雷电的危害如图3.1所示，它包 括直接雷击的危害和雷击电磁脉冲的危害。n 第一节 直击雷的危害n一、直击雷又叫直接雷击 n当雷云较低，且周围又没有带异性电荷的云层，则雷云就 会通过距离其最近的物体以波速向大地放电，这就是直接 雷击。n二雷电流的热效应及其危害n在雷云对地放电时，强大的雷电流从雷击点注入被击物体，由 于雷电流幅值高达数十至数百千安，其热效应可以在雷击点局 部范围内产生高达600010000 C，甚至更高的温度，能够使 金属熔化，树木、草堆引燃；当雷电波侵入建筑物内低压供配 电线路时，可以将线路熔断。这些由雷电流的巨大能量使被击 物体燃烧或金属材料熔化的现象都属于典型的雷电流的热效应 破坏作用，如果防护不当，就会造成灾害。 n1.雷击点处的热量n 现代建筑、高层、金属结构，兼作防雷装置， 引导雷电流。雷电流作用，对金属物体的破坏作 用必须考虑，雷击金属物时，雷电放电通道直接 与金属物接触，在雷击点产生的热量可以通过在 雷电流持续时间内的积分来计算，即n（3.1）n 式中W热量，J； nUAR金属物体上雷击点处电弧压降，其经验值 取为2030V；ni从雷击点注入金属物体的雷电流，A；n上式中，考虑到UAR近似取为常数，并代入 电荷表达式式n式中Q电荷量，C。n由上式可知：在雷击 点处产生的热量n与雷电放电通道注入 的电荷量成正比。雷n云对地放电具有随机 性，雷击时放电通道n注入地面被击物体的 电荷量也是个随机量n，其概率分布如图 3.3所示。 图3.3 注入电荷的概率分布量 全部雷击过程；-仅首次雷 击 1正雷；2负雷n雷电流热效应的计算n由于雷电流的作用时间很短，在计算 （3.2）n雷击点处的温升以及雷电流通过金属物体所产生的 温升时，均可以忽略散热的影响，于是雷击点处的 温度升高可表示为n式中 T温升，； nm金属物体质量，；n 比热，J /（）。n当温升值过高时，就会造成金属的熔化。由试验和 理论计算，可估计出注入单位电荷作用下几种常用 金属的熔化体积当量为：铝：12mm3/c；铜： 5.4mm3/c；钢：4.4mm3/c。 n在通常情况下，雷电流幅值虽然很高，但其作用时 间却很短，只能产生局部瞬时的高温，使雷击点处 局部小面积的金属发生熔化，对于大面积的金属物 体，雷电流热效应的熔化能力是相当有限的。如果 金属屋面和金属罐等大型物体的钢板壁厚超过4mm 时，则可直接承受雷击，即可用于接受直击雷电流 。n 在建筑物遭受雷击后，雷电流会沿建筑体内各种金 属导体通路流入大地，由于金属体自身存在着电阻 ，雷电流流过它们时也会产生热量，这种热量可表 示为n（3.3）n式中 R金属式中 R金属导体电阻，；ni雷电流，A。n在防雷分析中，常用单位欧姆热量这一参数，其表 达式为n式中W/R单位欧姆热量，J/ W。n由于雷电流具有随机性，W/R也是n个随机量， n图3.3给出了它的概率分布。 图3.3 W/R的概率分布1正雷；2负雷 n实际上，当雷电流流过建筑体内的金属物体 （如各种结构钢筋或铝合金导条等）时，所 产生的热效应温升常不足以使这些导体熔化 ，这是因为从雷击点经过分流后，流过各导 体通路的雷电流将减小，而导体通路的尺寸 又较大。但如果雷电流侵入建筑物内电气或 电子线路时，往往会使它们熔断，因为这些 线路的导体截面较小，难以耐受雷电流的热 效应。 n另外，从式（3.3）还可以看出，严重的热 效应还会出现在雷电流通路上有较高电阻的 地方，特别是那些引流导体之间的接触不良 处，在这些地方常可能出现金属熔化，有时 甚至出现熔体飞溅。这种飞溅熔体产生的火 花对存储易燃易爆物品的建筑物来说，是极 具危害性的。2雷电流的电效应及其危害n雷电的直接破坏作用除了热效应外，还有电 效应和冲击波。在雷云对地放电时，这种效 应与热效应一样，均能被击物体造成严重损 害。但从危害的方式来看，与前者有所不同 ，主要是不是雷击时，雷电流通过载流导体 产生电动力的破坏作用，下面将讨论雷电流 的电效应的产生机理及其破坏作用。n由电磁学可知，在载流导体周围的空 间存在着磁场，而在磁场中的载流导 体又会受到电磁力的作用。图3.5给 出两根载有相同方向雷电流的长直导 体，导体A上的电流在其周围空间产 生磁场，而导体B在这一磁场中将受 到一个电磁力的作用（，其方向垂直 指向导体A。同样，导体B上的电流 也会在其周围空间产生磁场，得处在 该磁场中的载流导体A也受到一个电 磁力的作用,其方向垂n直指向导体B。于是，在这两根平行 载流导体之间就存在着n电磁力的相互作用，这种作用力称为 电动力。图3.5 两根平行导 体之间的电动力作用n按安培定律，n不难推导出图3.5所示两根长直平行载流导体之间 的电动n（3.4）n 力计算公式：n图3.5 两根平行导体之间的电动力作用n 间的电动力作用n式中 i1、i2两根平行导体上的电流。kA；n d导体之间的距离，m；n F单位长度导体的电动力，kg/m。 n 由图3.5可见，在电动力作用下，两根导体 之间将相互吸引，有靠拢的趋势。同理，如 果i1与i2反向，则两根导体在电动力的作用 下就会相互排斥，有分离的趋势。因此，在 雷电流的作用下，载流导体就有可能会变形 ，甚至会被折断。 图3.6 载有雷电 流的弯曲导体受力 示意 图3.7 引下线的走 线方式（a）正确 （b ）不正确n另外，对于同一根载有雷电流的弯曲导体或金属个 构件，如图3.6所示，其中AP段的电流i所产生的磁 场可使PB段受到电动力的作用，同样PB段电流i所 产生的磁场也会使AP段受到电动力的作用，当这 种电动力足够大时，就可能会使导体或构件受到破 坏。由安培定律可知，凡含有拐弯部分的载流导体 或金属构件，其拐弯部分都将受到电动力的作用， 拐弯处的夹角越小，受到的电动的作用，拐弯处的 夹角越小，受到的电动力就越大。所以当拐弯夹角 为锐角时，所受到的电动力相对较大；而当拐弯处 的夹角为钝角时，所受到的电动力相对较小。n因此，在防雷设计与施工中，避雷引下线的 走线方式应尽可能走直线路径，在必须拐弯 的情况下，应采取钝角并带圆弧向下走线， 而应避免采用锐角或绕直角向下走线，如图 3.7所示。当避雷引下线非要走锐角路径不 可时，应在线路的锐角拐弯处采取牢固的机 械固定措施，以防被电动力拉动。 图3.8是一飞机被雷击坏的例子。 3雷击产生的内压力和冲击波效应 及其危害n雷电的机械效应所产生的破坏作用主要表现 为两种形式：一是雷电流注入树木或建筑构 件时在它们内部产生的内压力；二是雷电流 的冲击波效应。在雷云对地放电时，这两种 效应亦能对地面被击物体造成严重损害。（1）雷击产生的内压力及其危害n在被击物体内部产生内压力是雷电流机械效应破坏 作用的一种表现形式。由于雷电流n幅值很高，且作用时间又很短，当雷击于树木或建 筑构件时，在它们的内部将瞬时地产生大n量热量。在短时间内热量来不及散发出去，以致使 这些内部的水分被大量蒸发成水蒸气，并n迅速膨胀，产生巨大的内压力。这种内压力是一种 爆炸力，能够使被击树木劈裂和使建筑构n件崩塌。有关这类现象，国内外均时有报道。 n图3.9a，b，是最近（2005年7月）在江苏扬 州市石塔附近文昌中路拍摄的两长照片，据 扬州老人介绍，路中间绿化带中的一棵百年 古银杏树是在抗日战争时期被雷击，从地面 起树身被雷击为两半，但没有引起燃烧，显 然这是雷击产生的内压力对这棵古树的损害 ，图3.9a被雷击劈裂树的全貌，图3.9b被雷 击裂树的一半，这棵古树至今还活着，成为 美化环境、供人们观赏一个景观。 图3.9a被雷击劈裂树的全貌 图3.9b被雷击裂树的一半，这棵古树至今还活着 ，成为美化环境、供人们观赏一个景观。 图3.10是另外为两棵树被雷击劈裂 和折断的典型实例。（2）雷击产生的冲击波效应及其危害n雷云对地放电过程中的回击阶段，放电通道中既有 强烈的空气游离又有强烈的异性电荷中和，通道中 瞬时温度非常高，这使得通道周围的空气急剧膨胀 ，以超声波速度向四周扩散，从而形成冲击波。同 时，通道外围附近的冷空气被严重 压缩，在冲击 波波前到达的地方，空气的密度、气压和温度都会 突然增大，产生剧烈振动，这种冲击波与爆炸时产 生的冲击波是类似的，可以使其附近的建筑物、人 、畜受到破坏或伤害。冲击波向外传播的速度远大 于声速，但很快就会衰减，转化为声波，于是人们 就能够听到雷鸣声。冲击波的强度与回击时雷电流 的大小有关，其破坏作用与波阵面气压和环境大气 压有关。 图3.11建筑物的崩塌 第二节 雷电波侵入n一、直接雷击过电压n直接雷击放电电流可达几十至几百千安， 由于被击物与大地之间都有一定的电阻， 雷电电流通过被击物泄入大地时，必然在 这个电阻上产生极大的电压降，这种因直 接雷击而在物体上产生电压升高的现象就 被称为直接雷击过电压。二、雷电直接袭击架空线路的方式n电气设备遭雷击主要是通过架空电力线路或 通信线路传入的，因而架空线路是雷电侵入 的重要渠道，雷电直接袭击架空线路主要有 三种方式，即：远点雷击、近点雷击和错相 位雷击1.远点雷击n由于我国的电压基本波形是每秒50Hz的正弦波形曲线，在电 力线上形成每秒50次的交变磁场。如遇到雷雨天气时，在雷电 未击穿大气时，将呈现出高压电场形式。根据电学基本原理， 磁场与电场之间是相互共存可逆变化的，那么，雷电高压电场 通过静电吸收原理，向大地方向运动。假设电力线杆有5米高 ，那么在相对湿度25%时，要击穿5米空气，需要15106V雷 击高压 （3000V/mm）。如果在相对湿度95%（下雨时），击 穿5米空气需要5106V雷击高压（1000V/mm）。电力线上的 交变磁场对雷云的吸引小于大地的静电吸引。如果，雷云击穿 5米空气入地，需要很高的电压，雷电首先击在电力线上，并 从电力线的负载保护地线入地释放，这