2.3 雷電的靜電感應(yīng)與電磁感應(yīng)

2.3.1 雷電的靜電感應(yīng)

2.3.1.1 雷電靜電感應(yīng)的產(chǎn)生

當(dāng)雷云出現(xiàn)時，雷云附近的導(dǎo)體，如雷云下的地面和建筑物等，由于靜電感應(yīng)的作用而帶上與雷云電荷極性相反的電荷，這種電荷就是束縛電荷，相應(yīng)的感應(yīng)電荷區(qū)域稱為雷云感應(yīng)電荷區(qū)或電陰影區(qū)，如圖2-3所示。由于從雷雨云的出現(xiàn)到發(fā)生雷擊（主放電）所需要的時間相對于主放電過程的時間要長很多，因此大地可以積累大量電荷。雷擊發(fā)生后，雷云上所帶的電荷通過閃擊與地面的異種電荷迅速中和，云和大地之間的電場消失。但在局部，如一些金屬物上感應(yīng)聚積的電荷由于與大地之間的電阻較大，卻不能在同樣短的時間內(nèi)相應(yīng)消失，這樣就會形成局部地區(qū)感應(yīng)高電壓。這種對地電壓一般稱為靜電感應(yīng)電壓。發(fā)生雷擊之后，導(dǎo)體上的束縛電荷變成自由電荷，向周圍流散，靜電感應(yīng)電壓從雷擊開始隨時間的推移而下降，它符合RC電路放電的規(guī)律，即

式中　UC——雷擊發(fā)生后，局部高電壓地區(qū)與大地之間瞬間的電壓，V；

U——雷擊發(fā)生時的瞬間電壓，即初始電壓，V；

R——高電壓局部地區(qū)對大地的散流電阻，Ω；

C——局部高電壓的地區(qū)對雷云之間的電容，F(xiàn)；

Q——局部高電壓地區(qū)積累的電荷量，C；

t——以發(fā)生閃擊瞬間為零，閃擊發(fā)生后延續(xù)的時間，s。

2.3.1.2 雷電靜電感應(yīng)的危害

1．雷電靜電感應(yīng)在日常生活中的危害

靜電感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓對接地不良的電氣系統(tǒng)有破壞作用，對于建筑物內(nèi)部的金屬構(gòu)架與接地不良的金屬器件之間容易發(fā)生火花放電，尤其易發(fā)生于相距較近的帶電金屬導(dǎo)體間。這種由靜電感應(yīng)產(chǎn)生的高電壓往往高達(dá)幾萬伏，可以擊穿數(shù)十厘米的空氣間隙，發(fā)生火花放電。導(dǎo)體間的靜電放電能量可按式（2-6）計算，即

式中　W——放電能量，W；

C——導(dǎo)體的等效電容，F(xiàn)；

U——導(dǎo)體間的電位差，V。

火花放電釋放能量比較集中，引燃能力很強，這對存放易燃物品的建筑物，如汽油、瓦斯、火藥庫以及有大量可燃性微粒飛揚的場所，如亞麻及糧食加工企業(yè)等有引起爆炸的危險。

現(xiàn)代生活中，大面積的金屬不但被用作當(dāng)屋頂，有時還會作為各種儲氣罐、儲油罐的板殼。在雷雨降臨時，大面積的金屬和地面之間也會因為靜電效應(yīng)產(chǎn)生電場，極有可能會造成感應(yīng)雷擊。要減少這種災(zāi)害，就必須迅速減少金屬面的感應(yīng)電荷，為此可以在金屬與大地之間架設(shè)合適大小的金屬導(dǎo)體，把它們與金屬表面焊接后良好接地，以泄放電荷。另外，當(dāng)感應(yīng)過電壓波沿傳輸直線或電話線傳播至工廠或住宅內(nèi)，就會擊穿絕緣、損壞配電系統(tǒng)、損害電器設(shè)備及電子設(shè)備，甚至有時會產(chǎn)生電弧、電火花引起火災(zāi)。

2．雷電靜電感應(yīng)在電力系統(tǒng)中的危害

雷電靜電效應(yīng)在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的破壞主要體現(xiàn)在架空線上產(chǎn)生感應(yīng)雷過電壓，感應(yīng)雷過電壓也是造成電力系統(tǒng)線路跳閘的主要原因之一。因配網(wǎng)線路受建筑物屏蔽，雷直擊到線路的概率小，運行部門統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，配電架空線路感應(yīng)雷過電壓引起的故障率超過90%。以1987年7月京廣沿線的雷災(zāi)為例：當(dāng)年的7月12日14:00—18:00發(fā)生強雷電，從南到北沿著京廣線移動，咸寧、賀勝橋、山坡、土地堂、烏龍泉、紙坊、大花嶺火車站的低壓設(shè)備先后被雷電擊穿，造成通信中斷、燈光熄滅、火車晚點數(shù)小時，其經(jīng)濟損失無法計算。

感應(yīng)過電壓是由雷云的靜電感應(yīng)而產(chǎn)生的，雷電先導(dǎo)中的電荷形成的靜電場及主放電時雷電流產(chǎn)生的磁效應(yīng)是感應(yīng)過電壓的兩個主要組成部分。雷擊線路附近的地面時，先導(dǎo)通道充滿負(fù)電荷，由于靜電感應(yīng)，導(dǎo)線上的正電荷被吸引到最靠近先導(dǎo)通道的導(dǎo)線上，也就是束縛電荷。主放電階段，通道中的負(fù)電荷被迅速中和，相應(yīng)電場強度迅速減弱并消失。于是輸電線路上的正電荷脫離電場的束縛變成自由電荷，形成電壓波向兩側(cè)傳播，產(chǎn)生幅值很高的過電壓，如圖2-4所示。這樣形成的感應(yīng)過電壓在高壓架空線路可達(dá)300～400kV，一般低壓架空線路可達(dá)100kV，電信線路可達(dá)40～60kV。

2.3.2 雷電的電磁感應(yīng)

由于雷電流在極短的時間內(nèi)從0上升到數(shù)萬安培，再降低到接近0，從而使靜電場和磁場發(fā)生變化，引起很強的電磁輻射。一方面，它既會在周圍的物體內(nèi)部產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動勢，干擾著無線電通信和各種遙控設(shè)備的工作，成為無線電噪聲的重要來源，同時也對微電子設(shè)備造成了不同程度的損壞；另一方面，雷電產(chǎn)生的電磁場又是雷電探測的重要信息，從測量到的閃電產(chǎn)生的電磁場變化可以獲得閃電電流、閃電電矩和云中電荷分布等各種電學(xué)參量，以便進行雷電定位和預(yù)警。

2.3.2.1 雷電電磁感應(yīng)的產(chǎn)生

當(dāng)測站離閃電的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于積雨云云中荷電中心高度，而電離層對閃電輻射的傳播的影響又可以忽略時，地閃或云閃所引起的地面垂直大氣電場E（t）隨時間的變化可以表示為

式中　Es（t）——雷電通道內(nèi)電荷引起的靜電場分量；

Ei（t）——雷電電流變化而產(chǎn)生的感應(yīng)場分量；

Er（t）——雷電發(fā)射時的電磁輻射分量。

Es（t）、Ei（t）、Er（t）可以分別表示為

式中　c——光速，m/s；

R——雷電距離，m；

ε0——自由空間的介電常數(shù)；

——雷電電矩隨時間的變化，考慮到電磁場的延遲，所以閃電電矩采用時刻的值。

地閃閃電隨時間的變化Mg（t）表示為

式中　Qg（t）——地閃所中和的負(fù)電荷中心的電荷隨時間的變化；

H——負(fù)電荷的中心高度。

對于云中電荷分布為云上部正電荷、云下部正電荷的情況下，云閃閃電電矩隨時間的變化Mc（t）為

式中　Qc（t）——云閃所中和電荷隨時間的變化；

ΔH——云中正負(fù)電荷的垂直間距。

由式（2-8）可知，閃電引起的地面垂直大氣電場變化的靜電場分量，正比于閃電電矩，反比于閃電距離的立方；由式（2-9）可知，閃電所引起地面垂直大氣電場隨時間變化的感應(yīng)分量正比于對閃電電矩的一次微商，反比于閃電距離平方；由式（2-10）可知，閃電所引起的地面垂直大氣電場變化的輻射分量，正比于閃電電矩對時間的二次微商，反比于閃電距離的一次方。因此，閃電引起的地面三個分量隨閃電距離的變化而異。當(dāng)離閃電距離較近時，靜電場分量是主要的；當(dāng)離閃電距離較遠(yuǎn)時，感應(yīng)分量和輻射分量的作用相對加強；當(dāng)離閃電距離更遠(yuǎn)時，輻射分量起主要作用，而靜電電場分量和感應(yīng)場分量的作用相對減弱。

閃電所引起的地面磁場強度的變化稱為地面大氣磁場變化，大氣磁場方向垂直于大氣電場方向，所以因地閃或云閃引起的地面水平大氣磁場隨時間的變化表示為

式中　Hi（t）——大氣感應(yīng)磁場分量；

Hr（t）——輻射分量。

與閃電引起的大氣電場相類似，閃電引起的地面垂直大氣電場隨時間變化的感應(yīng)分量正比于閃電電矩對時間的一次微商，反比于閃電距離的平方。而地面水平大氣磁場隨時間變化的幅值正比于閃電電矩對時間的二次微商，反比于閃電距離的一次方。

大氣磁感應(yīng)強度與大氣磁場關(guān)系為

其中

式中　μa——大氣磁導(dǎo)率；

εa——大氣介電常數(shù)。

將式（2-13）代入式（2-16），且假定εa≈ε0，則得大氣磁感應(yīng)強度為

式中假定大氣介電常數(shù)與自由空間的介電常數(shù)近似相等。

2.3.2.2 雷電電磁感應(yīng)的危害

1．引起電火花

雷電流不僅有較大的幅值而且變化時間短，因此會在它周圍空間產(chǎn)生強大的交變電磁場，處在這電磁場中的導(dǎo)體會感應(yīng)出較大的電動勢。導(dǎo)體如果形成閉合回路還會有感生電流，這種情況下在回路上某處接觸不良就會因電阻大而發(fā)熱產(chǎn)生電火花，引起易燃物品燃燒，釀成火災(zāi)。這種電磁感應(yīng)雷擊的電能雖然遠(yuǎn)小于直接雷擊，卻比靜電感應(yīng)雷擊的電能大很多，雷電的電磁感應(yīng)引起火災(zāi)的例子也不少。1985年7月26日，上海北蔡棉麻倉庫失火，造成近百萬元的損失，當(dāng)時在現(xiàn)場沒有找到縱火線索也沒有發(fā)現(xiàn)遭受雷擊的明顯跡象。后來經(jīng)過各方面的專家仔細(xì)分析才弄明真相，是閃電的電磁感應(yīng)效應(yīng)造成這次事故。雷擊產(chǎn)生了電磁場，在電磁場中，捆扎棉花包的鐵絲上有強大的感應(yīng)電流通過，鐵絲接觸點發(fā)熱，產(chǎn)生火花，引起棉包著火，釀成了這次火災(zāi)。

然而，相比直擊雷，感應(yīng)雷擊對一般的易燃物威脅比較小，所以只有在特別危險的場合才會采取預(yù)防感應(yīng)雷擊的措施，一般情況下可簡單采取將金屬物體接地的措施。另外，因感應(yīng)雷擊起火較慢，只是出于陰燃狀態(tài)，如及早發(fā)現(xiàn)較易撲滅不致釀成大災(zāi)。在一些受雷電的電磁感應(yīng)影響比較大的局部地區(qū)，如建筑物的金屬設(shè)備、金屬管道結(jié)構(gòu)鋼筋等，為防止電磁感應(yīng)予以接地，而平行管道相距不到0.1m時，每20～30m須用金屬線跨接，交叉管道相距不到0.1m時，也應(yīng)該用金屬線跨接。其接地裝置也可以與其他接地裝置共用，接地電阻不得大于5～10Ω。

2．天電噪聲

“天電”這一術(shù)語具有多個含義，嚴(yán)格來講，天電是閃電或其次要放電所產(chǎn)生的瞬變電場或磁場，但通常也表示無線電接收時任何大于原噪聲背景的外來瞬變信號。通信系統(tǒng)中，信號是在一定頻率內(nèi)傳輸?shù)模?dāng)大量瞬時變化的信號接連不斷地到達(dá)時常常會引起信號混淆，這就是“無線電噪聲”。無線電噪聲除了來自人為噪聲和銀河噪聲，還有一個重要來源就是天電（主要由閃電引起）。通過頻譜分析可以知道，閃電是由高能的低頻成分與極具滲透性的高頻成分組成，在各個頻率上都有分量，所以閃電對通電系統(tǒng)的影響隨時隨地存在，影響通電系統(tǒng)的功能。

閃電危害的對象除了通信系統(tǒng)本身，還包括通信局內(nèi)部的電源設(shè)備、通信設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備。當(dāng)通信大樓的電力電纜以某種走線方式經(jīng)過感應(yīng)雷擊產(chǎn)生的強電磁場區(qū)時，將會在電纜上感應(yīng)出很高的共模電壓。如果沒有過電壓保護裝置，感應(yīng)過電壓將會造成交流系統(tǒng)與地之間的縱向擊穿。

3．產(chǎn)生電磁脈沖

當(dāng)云地之間形成的雷電回?fù)敉ǖ朗且粋€電阻極低的導(dǎo)電通路時，伴隨著回?fù)暨^程的進行，數(shù)量巨大的電荷從云中輸送到地面或從地面輸送到云中，雷電流從零開始上升。雷電流上升速率與回?fù)敉ǖ雷杩埂⒃浦须姾煞植家约暗刭|(zhì)條件有關(guān)。瞬間變化的雷電流就像一個巨大的行波天線，產(chǎn)生著強烈的電磁脈沖，它可以傳播到很遠(yuǎn)的距離，影響到很廣的區(qū)域。電磁脈沖能量通過各種耦合途徑進入系統(tǒng)后，加至設(shè)備輸入、輸出端口，在元器件上產(chǎn)生感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流。如果感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流超過了該元器件的損傷閾值，程度輕則使系統(tǒng)的正常運行受到干擾，嚴(yán)重的會造成元器件的永久性損傷，使設(shè)備停止運行，造成設(shè)備的永久性損傷。

當(dāng)雷擊避雷針時，附近導(dǎo)線的感應(yīng)過電壓如圖2-5所示。以雷擊避雷針頂端為例，則避雷針上各點（N點）的電位UN為

式中　L0——單位長度電感，μH/m；

h——N點高度，m；

i——雷電流，kA；

R——接地電阻，Ω。

避雷針遭受雷擊時，在沿針體存在的高電位影響下，其附近的線路上將產(chǎn)生靜電過電壓Ui，同時避雷針附近的金屬開口環(huán)的開口處會產(chǎn)生電磁感應(yīng)過電壓Uci。該感應(yīng)過電壓有時高達(dá)數(shù)萬伏，可使空氣間隙擊穿，造成事故。避雷針的存在，雖然減小直擊雷的危害，但是建筑物上落雷機會反而增加了，內(nèi)部設(shè)備遭感應(yīng)雷災(zāi)害的機會和程度也隨之增加，對用電設(shè)備造成了極大的危害。因此，即使安裝了避雷針，也不能忽視感應(yīng)雷產(chǎn)生的危害。