认识雷电的高电压本质

1、梅忠恕认识雷电的高电压本质1、 前言雷电的物理本质是什么 ？这是每一个从事防雷工作的人必须了解的首要的问题。雷电的物理本质就是高电压。认识雷电的高电压本质，认识雷电高电压的产生与来源，认识雷电高电压的属性，我们才能正确的认识和分析防雷问题，分析防雷保护的要点和防雷保护的内容，才能做好防雷方案，才能设计正确的和合理的防雷保护措施。一句话，只有正确认识雷电高电压的本质，才能做好防雷。认识了雷电的本质，我们才能正确地分析雷害事件的原因与结果，才能合理的和恰当的提出保护人身安全的措施与方法。不了解雷电的本质，在做防雷措施、防雷方案或分析雷害事件时就把握不到防雷的核心与关键。在防雷工程上要么保护不到位，

2、要么造成工程的浪费。在分析雷害事件上，就容易提出一些错误的观点或解释。我国防雷界，为何那么多错误，如诸如“手机引雷”、“绝缘避雷”、“电荷避雷”、“等离子避雷”，等等，这些都是没有搞清雷电的高电压本质而出现的错误。2、 雷电的本质雷电的本质，就是高电压。雷电高电压就是大气高电压。雷电放电的本质，就是高电压的放电。雷电击伤人，击死人，以及雷电击毁设备，袭击房屋，导致的各种灾害，等，都是雷电高电压对人或目标物的袭击造成的结果。我们知道，雷电有一次雷与二次雷之分。一次雷就是直击雷，二次雷是感应雷。它们都是高电压，只是数值的高低有所不同。雷电放电，就是高电压放电。直击雷的放电的主要形式是击穿。在高电压

3、工程中，击穿是指在空气（间隙）中的放电。击穿后强大的雷电电流通过空气，形成强烈的电弧，同时伴随着剧烈的光亮与声响。感应雷电压比直击雷电压低很多，感应雷的放电除击穿外，还有沿面闪络、滑闪以及火花放电等形式。雷电的击穿又分在空气中的击穿，和在物体中的击穿。空气被雷电击穿后，其绝缘强度很快又会恢复；物体被雷电击穿后就会受到了永久性破坏而不能恢复。认识了雷电的本质是高电压后，我们就知道，如果出现了雷电放电，那就必然是高电压的放电。3、 雷电高电压的来源雷电高电压的来源有三。3.1、电荷产生主要的，大量的雷电高电压的产生根源为一堆电荷。天上的雷电，即一次雷电，其高电压是源于雷云中的电荷，各种线路里的感应

4、雷，即二次雷电，其高 1梅忠恕电压大多数也是源于线路里的感应电荷。1电荷如何产生电压呢？在电磁场理论或电工基础里都有详细的讲解与介绍。电荷产生了周围的电场，电场中的各点表现出了电位。对一段距离的电位进行积分就可得到这段距离之间的电位差，即电压。只有当电荷的分布很简单时，才能用解析的方法计算出电压。当电荷的分布比较复杂时，就很难用解析的方法计算电压。但我们可以用电容来表达电荷的电压。电荷总有它的载体，此载体可是金属，也可是非金属，或其它形式的物质，例如雷云（含云中的水气粒子或粒子团）就是不规则、无定形的非金属。如果将整个电荷的载体看成是一个电极，则此电极与大地之间就的电容。此载体对地的电压U取决

5、于电荷量Q与此电容C的大小之比，可表示为： （1）即是说，电荷所表现出的对地的电压U是与电荷量的大小Q成正比，与存储它的电容C成反比。在天空中形成的雷云对地电压，其数量级可达千kV，或万kV以上。当雷电下行先导接近输电线路时，在输电线的导线上也将感应出电荷。在先导放电以前，这些感应电荷是一种束搏电荷，并不表现出对地的电压来。当下行先导实现对大地，或地上某物体的放电后，这些感应电荷从束搏状态瞬间转变成自由状态，于是就要表现出对地的电压来了。其电压的大小也取决于感应的电荷量和导线的对地电容，仍可按公式（1）计算。在输电导线上感应出的二次雷电压的数量级可从几百伏到几kV，甚至达几十kV以上。笔者两年

6、前撰写的文章感应雷的生成机制、幅值大小及防护1就详细地介绍了感应雷电压的生成机制。3.2、雷电流的电磁感应生成雷电流的感应，或称雷电电磁辐射干扰，也会产生感应电压。在文1中对这种电压的产生机制也有详细的介绍。若有一个导线组的成开口环路处于雷电电磁辐射场中，当电磁场的磁通穿过此回路时，就会在回路中感应生成电磁感应电压，或称电磁干扰电压。1详细介绍了这种电压产生的机制，并用公式导出了其数值的大小。例如，当一个长度这b，宽度为a的开口线圈处于离雷电流引下线s远的距离（图1），在此线圈的开口c,d处就会感应生成电压：UL=-bs+ai(t)=-0ln (2) dt2sdt从式（2）可见，感应电压也是随

7、时间而变化的，它与雷电流的陡度di/dt成正比，与线圈的长度b成正比，线圈宽度a越大，线圈越靠近雷电流（S越小）时，感应电压越大。式中0=4×10-7H/m为空气的导磁系数。假设雷电流陡度的最大值（di/dt）max=100kA/S，S=20m， b=2m，a=1m，代入式（2），计算得感应电压最大值（Uk）max= 2kV 。如果线圈的开口间隙cd较小，只有12mm ，2kV的电压足以击穿它。如果线圈是处于可燃或可爆炸气体中，此间隙的击穿就将导致危险可怕的事故。1989年我国黄岛油库的恶性事故就是缘于这种感应电压在小间隙上的放电产生火花，引爆贮油罐中的油气的结果。在半导体器件中，有

8、成千上万的电子元件和电气回路。在雷电电磁辐射（即雷电电磁感应）作用下，在这些电气回路中都将 2梅忠恕感应出电压，虽然半导体中的电气回路很小，感应电压也不大，但半导体本身的工作电压与绝缘水平都很低，感应电压会不会对半导体器件产生危害，这就是我们应当认真考虑和关心的问题。3.3、雷电电磁辐射对长线路的感应与干扰在室外的实际问题中，更多遇到的是一对一对的长导线遭受雷电电磁辐射干扰的问题。为简捷，我们只考虑一对长线路的情况，如图2所示。在这种情况下，由于导线的长度b，以及线路的走向变化多多，不可能完全与雷电流平行，线路与雷电流之间的距离也不可能保持为一个固定的值，因此还要用公式（2）来计算感应电压就困

9、难了。从定性来讲，线路与雷电流之间的磁场，即区间A的磁场，没有链着线路，对线路没有感应和干扰作用。在两条线路之间的区间B的磁场，仅链着其中一根导线，将在线路中产生感应电压，这就是我们在上节公式（2）表示的电压，我们称这个感应电压为差模干扰电压。这个电压表现为两条导线之间的电位差。而在导线以外的广大区间C的磁场，同时链着两条导线，这些磁通将同时在两条导线中感应生成电压，我们称这个电压为共模干扰电压。共模干扰电压对两条导线来说是相等的，是对地的电压。为了减小差模干扰电压，就要尽可能减小两条导线之间的间距，即使a0，以减小两条导线之间的面积，从而尽可能减少穿过此面积的磁通。在实践中，常将两条导线相互

10、扭结，可使差模干扰电压大大降低。如果将两条导线穿入金属管道，由于金属管道的对磁场的屏蔽作用，不仅差模干扰电压，甚至共模干扰电压也可大大降低。需要指出，对信号线路来讲，差模干扰电压出现在两条信号线路之间，它和有用信号是串联的，成为干扰信号。对于信号线路来说，将造成信号的杂音干扰；对于测量线路来说，将引起测量误差；对于控制线路来说，将可能造成误动作。在对称工作的两条线路上，共模干扰电压是出现于线路的电中性点和接地点之间，信号的两条导线具有相同的干扰电压。在不称对工作的两条信号线上，共模干扰电压出现于单根导线与地之间，它是不对称电压。在来去的两条信号线上的干扰电压的大小是不相同的。共模干扰电压不形成

11、与有用信号的串联，但是，它在信号线与仪器外壳或线路中性点之间引起电压升高和反击。差模干扰电压会对信号的测量产生误差或误动作。而共模干扰电压会对线路的绝缘和与它们连接的设备构成危害，特别是集成电路元件，使其脆弱的绝缘击穿；此电压也可能使导线之间或金属接缝之间的间隙击穿，在具有易爆易燃气体的场所，将可能引起气体的爆炸，导致灾难性后果。对导线采用金属管道屏蔽并在两端接地，可使这类干扰电压大大减低。3.4、雷电流的压降当雷击于接闪器后，雷电流将流经引下线，再通过接地网流入大地中，雷电流将在引下线上，在接地网上产生电压降。此电压降也是二次雷电压。3.4.1 接触电压接触电压是指引下线上的某个电压。它是根

12、据人身体的特点来定义的。人站在接地网里，引下线旁，脚步离引下线0.8m，人的手伸出在离地高度为1.8m的地方接触引下线，则在人手与脚步之间的电压称为“接触电压”。接触电压不仅与雷电流的大小有关，还与人体的电阻和脚底与地之间的电阻 3梅忠恕有关。需要指出，接触电压是加在人的手与脚之间，接触电压产生的电流将流过人体躯干，对人来说是很危险的。如果是一侧的手与脚遭受接触电压，雷电流流过一侧身体，那又稍好，如果遭受接地触电压的手与脚不在同侧，那雷电流就要流过心脏，危险就大了。3.4.2 跨步电压跨步电压是指接地网上相距0.8m两点之间的电压，因为人走路的步距平均为0.8m。跨步电压不仅与雷电流的大小有关

13、，还与离开引下线（即电流注入点）的距离有关。离引下线越近，跨步电压越大；离引下线越远，跨步电压也越小。具体分析人（畜）的跨步电压时，还与跨步的大小有关。人的跨步稍小，就是0.8m左右吧，而畜的跨步就大多了，因此牲畜受到有跨步电压的伤害比人大很多。此外，人遭受跨步电压的袭击时，雷电流是从一支脚底进，而从另一支脚底出，只是人的下胯受到伤害，但雷电流不流过躯体与心脏，因此对生命的威胁又稍轻。但对于牲畜来说，一方面由于它们的跨步大于0.8m，另一方面，雷电流将流过心脏，因此跨步电压对牲畜的伤害更严重，往往导致它们的死亡。3.4.3 地电位分布不均与地电位的反击当雷电流通过接地网扩散到大地中去时，由于接

14、地网有接地电阻，因此接地网与大地无穷远之间会有电压降；同时由于接地网自身也有电阻和电感，因此在接地网上还将有电压降与电压分布不均。笔者撰写的雷电冲击电压下接地装置的电压升高和反击2与雷电冲击电压下接地装置的电压分布不均3详细介绍了电压分布不均与反击的产生机制与防范。4、 雷电压与雷电流雷击建筑物，雷电击伤（死）人，是雷电流的袭击，还是雷电压的袭击？是雷电流伤人?还是雷电压伤人？了解了这点，就有利于分析雷害事件的原因。广义来说，受到电击的人（不一定是雷击，而是包括受到民用电的袭击，如触电），究竟是电流伤人，还是电压伤人呢？有很多介绍，在书里也能找到，说流过人们心脏的电流超过mA时就有可能致人于死

15、地。看起来这是电流伤人，其实，我们知道，电流何以产生，乃是因为有电压的作用。我们都知道欧姆定律：，没有电压，何来电流呢！有人可能反问到，电流也可产生电压，把欧姆定律改写一下：，就看到电压是电流产生的。在这里似乎这一个“先有鸡，还是先有蛋”的问题。 究竟先有电压，还是先有电流呢？在电流与电压的关系中，究竟是电压起主导作用，还是电流起主导作用呢？我们说，谁起主导作用，谁就是伤害人们的主因。在讨论谁起主导作用时，我们只要看这点：电压可以在没有电流时单独存在，而电流不可能在没有电压时单独存在。因此，电压与电流的关系，与“鸡和蛋”的关系不一样。“先有鸡，还是先有蛋”是一个哲学问题，要追朔到几亿年以前，从

16、遗传学来解释。而电压与电流的关系，可以立即回答，是先有电压，电流是在电压下建立起来的。明确了电压与电流的关系，就好回答我们的问题了。当受到雷击时，是雷电压伤人的，雷电压产生了雷电流，流过身体，致人于伤害的。梅忠恕5、 如何分析雷害事件雷害，就是雷电高电压造成的危害，因此，在分析雷害的原因时，应首先抓住高电压这个关键。离开了高电压，就不能正确的分析雷害事件，如果应是要分析，那只能想当然地讲一些违反科学的胡言乱语了。雷害事件分析的思路应该是坚持严格的因果关系，从可见的伤害结果推导其原因。在分析过程中，应保持严格的逻辑思维，科学的判断，不得以猜测，估计代替科学的判断。5.1 雷击人（畜）死伤事件的分

17、析雷击人（畜）死伤事件的调查，首先应从死伤者身上着手，从他们身体上的伤情开始进行。通过身体上的伤情观察，主要是皮肤和衣服的损坏和损伤，颜色的变化等现象的观察，找到受雷击点（部位）在哪里，雷电流流出点（部位）在哪里。进一步观察雷电流如何从受击点进入身体，如何流过身体，再如何从身体的流出点流出来。再进一步观察受击点和流出点与周围墙壁、电线、家具以及地面等物件之间的关系。判断雷电压是从什么物体或地方袭击到人体的受击点的。雷电流从流出点又击到什么地方和物件。即是说，调查分析首先要找到和弄清雷电高电压的来龙去脉。以下用一个雷击致人死亡的实例来介绍如何进行调查和分析的。2007年5月31日笔者与潘森和夏红

18、伟三人去重庆开县义和镇小学调查分析那次致七个学生死亡，四十多学生受伤的雷害事件时，意外地又遇到另一次雷害致一人死一人伤的事件。这就是发生在罗兴万家的雷害事件。我们是第一批到达罗家的调查者。 雷害事件的调查，首先是对受害人受雷电袭击情况的调查，次之是对雷电电压侵入的路径进行的分析。对死者的调查，就是要从死者身上找寻雷电高电压的袭击点和雷电流的流出点。我们到罗家时，罗的儿子已给他死去的父亲穿好新的干净的衣服，平躺在地面上。我当即请罗的儿子把死者扶起来，成座位。我检查了死者的头部和背部，由于有很多斑点和疤痕，很难辨别雷电流的进入点（即雷电压的袭击点）。我们又脱去死者的鞋袜，在死者的右脚底找到了一个蚕

19、豆大小的紫色斑点。再检查死者死前穿的鞋，是一双塑料凉鞋。细看塑料凉鞋，发现在它的底部也有一个击穿的痕迹。再细细观察塑料凉鞋，发现击穿痕迹的地方，在原来厚厚的鞋底上有一个约5 mm深的凹陷坑。估计是什么时候死者生前踩到了一个炽热的碳渣，碳渣将塑料凉鞋底烧成了这个后来致人于死地的深坑。因为雷电放电正是从这个深坑进行的。即是说，罗受到的雷击电压，是二次雷电压，二次雷电压比一次雷（即直接雷击）电压小很多。因此，在罗的身体上只留下很小的雷击通道的痕迹。如果是受到的直接雷击，由于雷压很高，雷电流很大，被击人肯定会皮开肉绽。罗受雷击后，只有很小的雷电流通过身体，从罗的头或背部进入身体，而从脚底出来，再通过（

20、击穿）鞋底，进入地面。罗的身体上没有显著的伤痕，只留下很小的放电痕迹。不注意，或无经验，往往难于发现。而罗的妻子，只被雷击昏，头痛。四肢无力。我们检查了她穿的鞋，是一双皮凉鞋。皮凉鞋底厚，没有破裂和缺陷，没有击穿痕迹。就是说，皮凉鞋底的绝缘承受住了雷电压的袭击，没有穿，雷电流没有在她的身体内形成放电的通道， 5梅忠恕这才保护了罗兴万妻子的生命。虽然罗妻没死，但仍受到雷电压导致的电容电流的袭击，而感到头昏和难受。对雷电电压的调查发现，这次事件，屋脊上的装饰物猴头受雷击，雷电压通过二楼水泥板中的钢筋传达到堂屋，而沿堂屋的墙壁下行。坐在堂屋吃饭的罗兴万，背靠墙壁，离他不远处还有一个电源插座，而插座的

21、电源线则是从二楼水泥板走向的。雷击发生时，潮湿的墙壁与插座都带有雷电高电压。罗兴万受此电压的袭击，当场毙命，在他身旁的妻子受伤。5.2建筑物雷害事件的分析建筑物受到的雷击一般来说是直接雷击。直接雷击的电压很高，对建筑物的破坏也比较明显，对受雷击点的观察和判断比较容易确定。对雷击事件的分析主要在于建筑物在防护直接雷击的方法与措施上有无缺陷，并据此进行改进。5.3 设备的雷害事件分析对室内设备的雷击损坏事件的分析比较复杂一些。首先应观察与分析有些什么设备受损，受损的部位在哪里，受损程度如何等。通常室内设备受雷击损坏主要有三种可能：（1）沿线路传入的感应雷高电压，受损的部位主要在线路的入口处。设备中

22、的电路有短路，开关跳闸，并伴有电弧烧灼痕迹，（2）电磁辐射干扰的袭击。有的电子设备，如电脑，整天工作很好，可第二天开机就发现不行。可从外观上又难找到损坏的痕迹。这有可能是头天晚上打雷，雷电电磁辐射干扰损坏了设备中的微电子部件。（3）电气设备的电源变压器烧毁，可明显看到受损的变压器及与它的接线的烧灼痕迹。这多是接地系统因电压升高造成的反击。6、 如何做防雷工程无论是做一座建筑物的防雷工程，还是做一个大单位的防雷工程，首先要收集和了解的情况包括：（1） 此单位的长宽地域范围；（2） 此单位周围的地理、地貌，气候、土壤以及森林植被情况；（3） 供电电源线路的电压等级，供电方式，线路走向，特别要注意是

23、否是电缆供电，或架空线供电；（4） 通向内部的低压通信线路走向，也要注意通信线路是电缆，还是架空线；（5） 本地区每年的雷电日数和雷电活动情况等等。根据以上情况分析雷电高电压可能侵入的种类和途径。包括：（1） 判断有无直击雷袭击的可能。对可能遭受直击雷袭击的建筑物与部位，需要安装直击雷防护装置，如避雷针、避雷带与避雷网等。同时设计并做好接地网。（2） 有无通过架空电线侵入感应雷电压的可能。如果用电电源是通过电缆供电，电缆有足够长度（50m），那只需要在电缆的两端安装电力避雷器，接好地，就可避免感应雷高电压的侵入6。如果供电电源是采用架空电线供电，还要观察此架空电线暴露于天空的部分有多长，有多高，以此估计产生感应雷高电压的机率和大小。对于有感应