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浅谈雷电监测及其预防

时间:2016-07-14 15:26:08 来源

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  雷电,是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的现象。雷电灾害是联合国国际减灾十年公布的最严重的十种自然灾害之一。全世界平均每分钟发生雷暴二千次,每年因雷击造成的人员伤亡超过一万人,导致火灾、爆炸、信息系统瘫痪等事故频繁发生,每年因雷击造成的直接损失达20亿美元以上。
  我国是雷电高发的国家之一,每年遭受雷电都会生成人员的伤亡和经济损失。雷电的发生有明显的季节性,一年四季均有发生,但多出现在夏季。
  当人类社会进入信息时代后,受灾行业面从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业,特点是与高新技术关系最密切的领域,如航天航空、国防、邮电通信、电子、石油化工等。
  提高对雷电灾害的认识、加强对雷电及防雷措施的研究、以及建立雷电监测及预报系统都是亟待解决的问题,许多学者和家都在致力于雷电监测和防护的研究,无论是从雷电产生原理上还是雷电监测预警和防护仪器设备上都取得了明显的成效。
  一、雷电产生的原理
  雷电是一种大气中规模巨大的火花放电现象,主要产生于积雨云中。积雨云(也称雷雨云)是一种在强烈垂直对流过程中形成的云。因此雷电常伴有强烈的阵风和暴雨,有时还伴有冰雹和龙卷。
  由于地面吸收太阳的辐射热量远大于空气层,白天地面温度升高较多,夏日这种升温更为明显,近地面的大气的温度由于热传导和热辐射也跟着升高,气体温度升高必然膨胀,密度减小,压强也随着降低,就要上升,上方的空气层密度相对说来就较大,就要下沉。热气流在上升过程中膨胀降压,同时与高空低温空气进行热交换,于是上升气团中的水汽凝结而出现雾滴,就形成了云。积雨云形成过程中,在大气电场以及温差起电效应、摩擦起电效应等原因的同时作用下,就会使得某些云团带正电荷,某些云团带负电荷。在静电感应的作用下,他们使大地地面或建筑物表面产生异性电荷,从而使得这些云团与云团之间、云团与大地或云团与建筑物就形成了一个大的电容器,当电荷积累到一定程度时,不同云团之间、或者云与大地之间的电场强度可以击穿空气,开始游离放电,称之为先导放电 云对地的先导放电是云向地面跳跃式逐渐的,当到达地面(或地面上的建筑物、架空输电线)时,便会产生由地面向云团的逆导主放电,在主放电阶段里,由于异性电荷的剧烈中和,会出现很大的电流,电流做功的结果,可使电流通过地方的气体瞬间温度急剧升高到30000摄氏度左右,这比太阳表面的温度还要高从而呈现强烈的火光!闪电的平均电流是3万安培,最大电流可达30万安培。闪电的电压很高,约为1亿至10亿伏特。一个中等强度雷暴的功率可达一千万瓦,相当于一座小型核电站的输出功率。放电过程中,由于闪道中温度骤增,使空气体积急剧膨胀,形成爆炸的冲击波,爆炸时产生的声音就是轰隆的雷声。
  二、雷电的分类
  按照雷云对地放电的方式可分为直击雷、感应雷和球雷等,最常见的是直击雷和感应雷。
  直击雷是带电积雨云接近地面至一定程度时,与地面目标之间的强烈放电。直击雷的每次放电含有先导放电、主放电、余光三个阶段。
  感应雷也称作雷电感应,分为静电感应雷和电磁感应雷。静电感应雷是由于带电积云在架空线路导线或其他导电凸出物顶部感应出大量电荷,在带电积云与其他客体放电后,感应电荷失去束缚,以大电流、高电压冲击波的形式,沿线路导线或导电凸出物的传播。
  球形雷是雷电放电时形成的发红光,橙光、自光或其他颜色光的火球。从电学角度考虑,球形雷是一团处在特殊状态下的带电气体。
  三、雷电监测预警方法
  雷电监测系统通过对闪电回击辐射的声、光、电磁场信息的测量和分析,进而确定闪电放电的空间位置和放电参数。

  云闪和云地闪发生时辐射频谱范围极大的电磁场,在初始击穿和通道建立过程中(对应先导和流光过程)主要产生甚高频辐射VHF(very HighFrequency),当在电离后的通道中产生强电流时(对应云地闪回击过程和云间活动态)主要产生低频辐射L F(Low Frequency)和甚低频辐射VLF(very LowFrequency)。在地一电离层波导中,VHF以射线方式传播,辐射范围较小,一般为百公里量级。LF/vL F以地波方式传播,可以传播到较大的范围,一般为千公里以内,特别是VLF借助于电离层的反射可以传播到很远的地方(数千公里),甚至全球。因此可以在不同的距离上,采用不同的频带探测闪电过程。另外,闪电发生时还辐射很强的可见光,可以在空间利用卫星探测;闪电通道的电离和空气的膨胀产生隆隆雷声,还可以用声学传感器探测。
  闪电定位系统是用于闪电测量和预警的新型探测设备。 进入90年代,由于GPS技术的使用,雷电监测在测向系统的基础上增加GPS,形成时差测向混合系统,同时采用数字波形处理技术(DsP),对波形作相关性分析、定位处理,使雷电定位精度和探测效率都有明显提高。近年来则通过以双曲时差技术为主,辅以磁方向定向算法、定向时差的混合交汇算法进行,这种方法不仅可探测每一个闪电回击,而且定位的精度也明显提高。
  目前广泛应用的雷电定位系统,主要有磁方向定位、时差定位和时差测向混合定位。其中,混合定位系统同时利用各探测子站探测闪电回击发生的方位角和回击电磁脉冲到达的精确时间等数据,采用多站方位汇交和到达时间差综合算法进行定位,它比单独使用测向定位或时差定位的定位精度要高。目前单纯使用单磁定向的技术已不多见。
  四、雷电防护措施
  雷电具有电流大、电压高、冲击性强等特点,产生电性质、热性质和机械性质等三方面的破坏作用。雷电的破坏效应主要体现为:1、对人体的生理效应,可致人死亡。2、电动力效应,雷电流峰值大,作用时间短,造成的电动力很大,导致电气设备损坏。3、冲击波效应,雷电回击的瞬时温度和气压均很高,巨大的瞬时功率可产生爆炸式的冲击波。4、热效应和机械效应,雷电电流峰值很高,能产生局部瞬时高温,容易使树
  雷电防护主要通过合理,有效的手段将雷电流的能量尽可能安全地引入大地,防止其进入被保护的建筑物、构筑物等被保护设施。建筑物、构筑物直击雷的防护已经是一个很早就被重视的问题。现在的防护手段基本采用有效的避雷针、避雷带或避雷网作为接闪器,通过引下线使直击雷能量泻放入地。
  雷雨天气,人、畜应避免在空旷日高处站立或行走。如有条件可以进入有宽大金属构架或有防雷设施的建筑物、以及汽车、船只内。避雨时,还应注意脚下地面的干燥程度,尽量站在离墙壁、树干8m10m以外的地方,以防止发生跨步电压电击事故。如遇紧急情况,处于跨步电压区域内的人应尽量靠拢两脚,不要随意行走,以减轻跨步电压的伤害。
  五、雷电研究的意义
  对雷电进行研究除了可以进行正常的雷电预警和预报外,还可以应用到广泛的灾害性天气预报、电力系统防护、森林火警以及民航、空间发射等领域。
  总之,随着人类社会的,充分认识到雷电防护的重要性、迫切性和复杂性,进行深入而全面地雷电研究,来进一步提高人类对雷灾防御的综合能力。