研究雷电和开发人工引雷技术除了可深化对雷电过程及相关现象的认识外。上述方面的知识与技术积累必然地会应用于防雷及可能的人工影响。
本章简述防雷的基本原理及原则,并运用现有的对雷电过程的认识,对某些“新型”建筑物的防雷系统作一些分析。人工引雷则可以作为鉴别防雷系统有效性的一种重要实验手段。事实上,国外已进行过模拟雷击汽车、模型人、不同避雷针、消雷器、模型导弹甚至真实导弹的试验(见彩图插页图9-1a,b)。国内,也已对半导体消雷器进行了人工引雷试验(见彩图插页图9-2a,b,c)。有关现行防雷技术,可参阅有关专著(如:潘忠林,1997;苏邦礼等,1996)及有关国际和中国国家标准(如:有关建筑物防雷的国际电了委员会的标准IEC1024;美国标准NEPA780及中国标准GB50057-94),本章将不作详述。
雷害的分类
对于雷击所造成的破坏可能有多种方式分类。在这里我们不涉及它在高空可能产生的破坏,并将只考虑落地雷的破坏。我们也不按雷害本身的物理性质来分类,而按比较常见的分类法,即直接(击)雷害与间接雷害其实它们都是落地雷造成的。一个落地雷可同时产生直接和间接雷害这种分类的优点是,一般讲,它们的防护技术不一样,前者一般在室外,而后者一般与电气系统相关联并且在室内。常有用感应雷(害)这一术语含糊地或部分地代替间接雷害。实际上,感应一词,按一般已有约定的定义,主要是指电与磁场在导体上的作用,涉及电荷与电流(即电荷的速度),是间接作用的一种并不是全部。为避免混淆,本书不用感应雷也不用感应雷害。还要再次说明,世上并无感应雷,有的是云闪和地闪,而一般说来,除了对长传输线外,云闪引起的雷害较少。
直接(击)雷害
所谓直接(击)雷害指的是在雷击点处直接由落地雷引起的雷害。在该点以外空间的雷害就是该落地雷造成的间接雷害,需注意,是落地雷本身产生直接、间接两种雷害,而非两种雷各自产生一种雷害。这种直接由落地雷主放电通道接触而产生的破坏,可导致人员作废、物体燃烧、爆炸、腐蚀、变形和其他因强电流磁力(电动力)、高气压冲击波引起的结构性破坏。这类破坏一般留下十分明显的痕迹。它所涉及的能量为雷放电的电能直接转换而来,能量密度较高。要避免这类破坏只有使受击物体能抗拒一定的电流加热及受力效应等,来达到安全而无损地消耗及泄放雷电能量。如有可能,希望它也能够有力量减弱除直接雷害以外的存在于一定范围内的间接雷害。但是,直接雷害的防御至今仅能解决直接雷害本身。本章后面的分析将说明,现今的种种有关努力在一这点上并无真正的突破。
250年前,富兰克林发明了避雷针,其原理和技术如今仍被广泛应用,以防直接雷害。
间接雷害
一次对地雷击,由于是脉冲放电,占有很宽频带(见第四章)的强脉冲电流通过主通道。同时,这个强电流脉冲还必须会产生其他一些电磁效应,除了前面提到过的静电、磁感应效应外,还有传导效应(如入地电流引起的电位差产生的电流)以及因电荷的加速度造成的电磁辐射。这些效应可远离放电通道。在第四章中我们已经知道静电场随源区距离的3次方反比衰减,电流的电磁场(一般称为感应场)则随距离平方反比衰减,而辐射场只随距离反比衰减。在远处,辐射场将起主导作用。产生这种电磁脉冲场辐射(有称闪电电磁脉冲LEMP)的落地雷,它会产生传导型电流、感应电压及放电、感应电流等等。这些电磁现象作用在电气系统上有可能造成永久性破坏或搅乱正常工作。由于有可能产生火花,可在易烯易爆环境中引发灾难。而且,往往所涉及的电系统本身因其受破坏还会引起强大得多的能量的介入(如电源短路),导致更大的灾害。这就是间接雷害。虽然它从上述过程吸入的雷电能量远小于直接雷害,但它可以波及雷电源区外几公里甚至更远,所以,间接雷害有时会造成远大于直接雷害的损失。
第一章中列举的几个雷害个例中,仓库着火、飞机被击是直接雷害,而国家气象中心、上海奥林匹克俱乐部的雷害就难以说是直接雷害了,虽然雷击点也许离雷害处不远。