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中國雷電災(zāi)害的現(xiàn)狀
雷電災(zāi)害是一種不可抗拒的自然性災(zāi)害，危害著人類的人身和財產(chǎn)。安迅電源防雷器主要通過地區(qū)分析、行業(yè)分析、時間分析、人身雷電災(zāi)害四個方面來講解中國雷電災(zāi)害的現(xiàn)狀。1998-2001年全國直接經(jīng)濟損失超過100萬元的雷電災(zāi)害每年都在10次以上.其損失每年都大于5000萬元。全國同期平均每年雷擊死亡379人.受傷310人。
一、雷電災(zāi)害地區(qū)分析
全國重大雷電災(zāi)害在空間上呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性分布特點.1998-2001年這四年間.全國56次重大雷電災(zāi)害的46.4%(約一半)發(fā)生在5個省，其中山東7次、廣東6次、江西5次、河南4次、浙江4次，這5省重大雷電災(zāi)害的直接經(jīng)濟損失為8337萬元，占全國的57.9%;其余的發(fā)生在貴州等17個地區(qū)，另外，新疆等9個省區(qū)沒有重大雷電災(zāi)害的記錄。圖6.1給出了1998-2001年中國重大雷電災(zāi)害空間分布(各省用省會城市來表示).全國重大雷電災(zāi)害主要分布在東南地區(qū)和華北地區(qū).形成一南一北的兩個明顯的雷災(zāi)中心區(qū)。雷災(zāi)在南方集中在浙江——江西——廣東，呈帶狀分布。在北方集中在山東和河南，呈圓形分布。這兩個雷災(zāi)中心區(qū)在地形上具有很好的代表性，北區(qū)以平原為主。南區(qū)以山地為主。在直接經(jīng)濟損失方面，北區(qū)的損失強度為235萬元/次，比北區(qū)更嚴重的南區(qū)為383萬元/次，其原因主要是南區(qū)發(fā)生了3次損失都在1000萬元以上的重大
雷電災(zāi)害.其中1998年2月和6月江西兩次棉麻儲備庫遭雷擊引發(fā)火災(zāi)分別造成1800萬元和1200萬元的損失，2001年5月廣東某廠房遇雷擊并引發(fā)爆炸造成1000萬元的損失并有人員傷亡。這3次雷電災(zāi)害都與倉儲行業(yè)有關(guān)，和下面所做的雷災(zāi)行業(yè)分析的結(jié)果是吻合的.從整體來看，全國重大雷電災(zāi)害在東部比西部更嚴重，其原因主要是社會狀況尤其是經(jīng)濟水平存在差異，經(jīng)濟相對發(fā)達的東部地區(qū)發(fā)生重大雷電災(zāi)害的可能性較大。西南地區(qū)的雷電災(zāi)害也比較嚴重，成為僅次于兩大雷災(zāi)中心區(qū)的第三雷災(zāi)區(qū)。整個廣大的西北地區(qū)是全國雷電災(zāi)害輕的地區(qū)。
圖6.1 1998-2001年中國重大雷電災(zāi)害空間分布圖(單位:次)
二、雷電災(zāi)害行業(yè)分析
1998-2001年全國重大雷電災(zāi)害56次分布在采礦、倉儲、電力、紡織、旅游、農(nóng)業(yè)、石化、通、冶金、醫(yī)藥等10個行業(yè).其中雷災(zāi)嚴重的三大行業(yè)是通、電力和倉儲，雷災(zāi)次數(shù)(指重大雷電災(zāi)害次數(shù)，下同)分別為15次、14次和9次，占全部的67. 9%。這三大行業(yè)的直接經(jīng)濟損失為10757.8萬元，占全部的74.7%。圖6.2給出了1998-2001年中國重大雷電災(zāi)害行業(yè)分布，實線代表雷災(zāi)直接經(jīng)濟扭失，虛線代表雷災(zāi)次數(shù)，行業(yè)損失和雷災(zāi)次數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.6965，存在一定的相關(guān)性。通和倉儲行業(yè)具有代表性，通行業(yè)的重大雷電災(zāi)害發(fā)生頻繁，而倉儲行業(yè)的經(jīng)濟損失嚴重。通行業(yè)自身的特點以及伴隨電子化的發(fā)展是導(dǎo)致雷電災(zāi)害日益頻繁的根本原因，特別是雷電電磁脈沖(LEMP)的危害變得越來越嚴重，這也是雷電災(zāi)害的發(fā)展趨勢之一。通行業(yè)的雷電災(zāi)害往往有一個明顯的特點，就是其經(jīng)濟損失不僅存在嚴重的直接經(jīng)濟損失，而且伴有更嚴重的間接經(jīng)濟損失如服務(wù)中斷和數(shù)據(jù)丟失等。而倉儲行業(yè)的重大雷電災(zāi)害的發(fā)生有兩個顯著的特點:一是雷災(zāi)損失強度很大，即單次雷電災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失很高，全國9次重大雷電災(zāi)害的直接經(jīng)濟損失高達5470萬元，平均607. 8萬元/次;二是雷災(zāi)的后續(xù)危害很嚴重，容易發(fā)生雷擊火災(zāi)和雷擊爆炸等，尤其是當(dāng)雷電襲擊存放棉麻、火藥、糧食等易燃易爆物品的倉庫或廠房時.對重大雷電災(zāi)害單次直接經(jīng)濟損失按行業(yè)進行比較，高的是倉儲行業(yè).其次為農(nóng)業(yè)、采礦和石化行業(yè)，居中的是電力、醫(yī)藥和冶金行業(yè)，而通、紡織和旅游行業(yè)低。
圖6.2 1998 -2001年中國重大雷電災(zāi)害行業(yè)分布圖
(實線代表雷災(zāi)直接經(jīng)濟損失，單位:萬元.坐標(biāo)左軸;虛線代表雷災(zāi)
次數(shù),單位:次,坐標(biāo)右抽)三、雷電災(zāi)害時間分析
全國1998-2001年56次重大雷電災(zāi)害分布在各年分別為21次、17次、8次和10次，其中52次發(fā)生在4-8月的時間段內(nèi)，占全部的92.9%. 4-8月的重大雷電災(zāi)害在很大程度上可以代表全年的同類災(zāi)害，這一點在下面的雷電災(zāi)害預(yù)測中將會得到應(yīng)用。全部56次雷災(zāi)按月統(tǒng)計。8月多為18次，其次7月為14次，1、3、11、12月為0次。圖6.3給出了1-12月的重大雷電災(zāi)害次數(shù)的季節(jié)指數(shù)，顯著表明雷災(zāi)集中發(fā)生在4-8月，尤其是7月和8月。雷電災(zāi)害次數(shù)和直接經(jīng)濟損失之間的相關(guān)系數(shù)r為0.9284，具有良好
的相關(guān)性，因此，下面的雷電災(zāi)害分析與預(yù)測將以雷災(zāi)次數(shù)為主，其直接經(jīng)濟損失可以用雷災(zāi)次數(shù)乘以單次雷災(zāi)損失而得到.按月的距平百分率分析結(jié)果表明，重大雷電災(zāi)害每月平均發(fā)生1.167次。1998年的7月與8月和1999年的7月與8月是主要的正偏移月份，而每年的1,2,3月和9,10,11,12月幾乎沒有重大雷電災(zāi)害的發(fā)生，為主要的負偏移月份。雷災(zāi)的發(fā)生呈現(xiàn)周期性，集中在每年的4-8月，并且有逐漸遞減的趨勢，重大雷電災(zāi)害次數(shù)1998-2001年的48個月中平均每月遞減0.027次.但由于年度數(shù)據(jù)太少，并不能得出確切的雷災(zāi)年際周期及年際趨勢。
圖6.3重大雷電災(zāi)害次數(shù)的季節(jié)指數(shù)
四、人身雷電災(zāi)害
雷電災(zāi)害的危害不僅體現(xiàn)在經(jīng)濟損失方面，也多造成人身傷亡。1998-2001年雷擊死亡人數(shù)每年分別為421,227,451和417人，四年共死亡1516人，平均每年379人；同期雷擊受傷分別為192,194,372和483人，四年共受傷1241人.平均每年310人.其中嚴重的1998年8月發(fā)生在湖北的庫雷災(zāi)，一次性造成197人死傷。造成人身傷亡的雷擊多發(fā)生在海邊、河邊、樹下、農(nóng)村田間和山坡等易受雷擊的地方。全國雷電典型災(zāi)害造成人身傷亡多的是廣東省，其次為廣西、貴州、福建、云南等4省區(qū)，這5個省區(qū)每年的雷擊人身傷亡人數(shù)占全國的60%左右，其中廣東約占全國的1/4。這類災(zāi)害主要發(fā)生在廣大的農(nóng)村，具有很大的不確定性.很難得到根本的防治.有效的防治方法就是加強雷電災(zāi)害的宜傳和教育，提高人們的防雷意識，讓人們主動避開易受雷擊的時候和遠離易受雷擊的地方。
對于雷電災(zāi)害，開展災(zāi)害預(yù)測是必要的，可以對未來雷電災(zāi)害的風(fēng)險評估提供重要的指導(dǎo).鐘萬強等人對中國的雷電災(zāi)害做過初步的預(yù)測，雷電災(zāi)害的預(yù)測主要根據(jù)雷災(zāi)與時間的關(guān)系，分別采用時間序列平滑法和季節(jié)變動預(yù)測法，預(yù)測結(jié)果表明，在2002-2005年期間全國將分別發(fā)生重大雷電災(zāi)害14,12,11,11次，四年合計47次，平均每年12次，每年將造成直接經(jīng)濟損失約3000萬元，平均每年人身傷亡580人左右。
高電壓引入是指雷電高電壓通過金屬線引導(dǎo)到其他地方和室內(nèi)造成破壞的雷害現(xiàn)象。這種雷害現(xiàn)象占雷害的絕大部分，所以按《建筑物防雷規(guī)范》的規(guī)定，凡是有用電設(shè)備的建筑物都要考慮防高電壓引入的措施。
高電壓引入的高電壓源有三種:其一是直擊雷直接擊中金屬導(dǎo)線，讓高壓雷電以波的形式沿著導(dǎo)線兩邊傳播而引入室內(nèi);第二種是來自感應(yīng)雷的高電壓脈沖，即由于雷云對大地放電或雷云之間迅速放電形成的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng).它們在各種電線中感生幾千伏到幾十千伏的高電位，以波的形式沿著導(dǎo)線傳播而引入室內(nèi)的;第三種是由于直擊雷在房子或房子附近入地，因其通過地網(wǎng)入地時，在地網(wǎng)上會發(fā)生數(shù)十千伏至數(shù)百千伏的高電位.這種高電位通過電力系統(tǒng)的零線、保安接地線和通系統(tǒng)的地線，也是以波的形式傳人室內(nèi)，并沿著導(dǎo)線傳播到遠處，殃及更大的范圍。
高電壓雷電脈沖的電壓到底有多高?這是讀者關(guān)心的問題。由直擊雷直接擊中電力線，線等金屬導(dǎo)線時，雖然直接被擊中點的電位與雷云的電位相等.即具有數(shù)百萬伏至數(shù)千萬伏甚至更高的電位。但是當(dāng)雷電流沿著導(dǎo)線向兩邊傳播的時候，高電壓每經(jīng)過一根電線桿，電桿上的瓷瓶就會對地發(fā)生閃絡(luò).這樣就把雷電的高電位降落成瓷瓶的閃絡(luò)電壓，這電壓一般只有30~40kV.一般低壓架空線的波限抗為300~600歐姆。假設(shè)線路的波阻抗為500歐姆，那么它在終端入地的電流為40000/500=80A，所以只要距離雷擊點有3桿以上(即I000m以上)，其終端入地電流峰值不會大于20OA，但是，如果雷擊點很近.在三根電桿之內(nèi)，入地峰值電流可能達到10 kA以上。由感應(yīng)雷引起的高壓源。理論上也可以達到100 kV，但是它的實際電壓和電流值不可能大于上面所講的直擊雷高壓源的數(shù)值。
第三種高壓源是指直擊雷直接擊中大樓或附近時所形成的高壓源。這時，高壓源的電壓由沖擊電流峰值和地網(wǎng)的沖擊接地電阻決定。根據(jù)資料報道.按50%概率統(tǒng)計.直擊雷的峰值電流為30 kA，如果接地網(wǎng)接地電阻以4歐姆計，則接地網(wǎng)接引線端與大地間的電壓為30 kA×4=120 kV，即達到120000V。也就是說，零線與相線間的電壓有120000V(以上都是以低壓電網(wǎng)和通架空電線計)。這樣高的電壓對于低壓電器和一般通設(shè)備都是無法承受的。
由于高壓雷電脈沖是雷害中年損害設(shè)備多的，所以對高壓雷電引人的設(shè)備必須予以足夠重視，在工程上往往要根據(jù)設(shè)備的重要性和其對高電壓的耐受能力采用一級或多級設(shè)防。其中級設(shè)防，往往是把高電壓雷電脈沖的幅值降低，其辦法有下列三種。1. 輸電網(wǎng)金具接地法
如果電源輸入是明線輸入，應(yīng)把入室前三根電桿的線碼鐵腳用金屬線引下接地，以便降低閃擊電壓。并且進房屋前后一根電桿的零線(或接地系統(tǒng)的地線)重復(fù)接地，接地電限不應(yīng)大于10歐姆(見圖1)。并在相線與地之間留有2 mm的空氣間隙，把從相線引來的過電壓降下來，可能的悄況下，進戶線應(yīng)盡量采用有金屬屏蔽層的電纜直接埋地或穿金屬管進線。在雷電高發(fā)區(qū)，房尾前為開闊地，或房子內(nèi)有精密電子設(shè)備和電子計算機的情況更應(yīng)該是這樣.并且埋地的電纜其長度不應(yīng)小于15m。并要求從架空線轉(zhuǎn)電纜的進線端，和電纜入屋的輸出端，都接避雷器。避雷器的接地端、電纜的金屬屏蔽層、鋼管都必須接到防雷電感應(yīng)的接地裝置上。按供電部門要求.供電零線進人鋼筋水泥大樓后，仍必須與從大樓、梁、柱內(nèi)引出的一條主鋼筋作電氣連接，無鋼筋連接的建筑物應(yīng)做接地極，把零線重復(fù)接地。
圖1 接零系統(tǒng)在架空線路上零線重復(fù)接地做法圖
當(dāng)雷電波到達電纜首端(輸人端)時，避雷器被擊穿，電纜外皮導(dǎo)體與電纜芯接通。一部分雷電流經(jīng)電纜首端接地電阻入地;另一部分雷電流流經(jīng)電纜芯。由于雷電流高頻諧波相當(dāng)豐富.產(chǎn)生集膚效應(yīng)，流經(jīng)電纜芯的電流被排擠到外皮導(dǎo)體去。同時，流經(jīng)外皮導(dǎo)體的電流在芯中產(chǎn)生感生反電勢.使流經(jīng)電纜芯的雷電流就被抑制到很小。2. 相線與地線間并聯(lián)電容器法
架空電線引入的地方裝設(shè)保護電容器對感應(yīng)雷有良好的保護效果，但對直擊雷則無能為力，原因是直擊雷能量太大.電容器承受不了。裝設(shè)保護電容器能對感應(yīng)雷高電壓引入起到良好保護作用的原因是;
當(dāng)天空出現(xiàn)雷云的時候，地面即感應(yīng)出與它相反的電荷.顯然架空電線上也感應(yīng)到與地面大致密度相同的電荷.設(shè)其電量為Q。當(dāng)閃擊使雷云與大地之間的電荷迅速中和而使雷云與大地之間的電場，由于架空線與大地之間有較大的電阻而不能及時使它上面的電荷，這就使架空線與大地之間形成感應(yīng)高電壓，該電壓為
V感=Q/C
式中:
C-架空線對大地之間的電容，該電容很小，通常只有百分之幾法;
Q-導(dǎo)線與大地間存儲的電荷。
如果在架空線引入房尾端與大地之間接入一個電容器，即使只有很小.也可以使架空線路的引入高電壓降低到原來的幾十分之一。
如果接人電容的容量再大些，感應(yīng)電壓將可以降到更低。
在架空電線裝電容器防止感應(yīng)雷的優(yōu)點是時間響應(yīng)為零，因為電容的瞬變電流是超前于電壓的;其次是使雷電壓波形變鈍.鈍波形比尖波形危害要小.并聯(lián)電容器對直擊雷無能為力，但將電容器與保護間隙合并使用會得到更好的效果。因為放電間隙電流通流容量很大，從幾千安到幾十千安。但它有時間滯后，它們并聯(lián)使用互補其短.對防止高電壓引人能起到很好的作用。架空電線引入和電纜輸入、輸出端接口也可以用氧化鋅避雷器來防止高電壓引入。它的時間響應(yīng)小于50ns。當(dāng)采用電容器與其他器件并聯(lián)避雷時，電容器的耐受電壓應(yīng)高于所并聯(lián)器件的殘壓。3.變壓器隔離法
在電源線和號傳輸線上裝變壓器可以對雷電高電壓引入起很有效的限制作用.當(dāng)強大的雷電波輸入變壓器時，由于雷電波電壓比變壓器正常的電壓高很多倍，使得激勵的磁感應(yīng)強度遠遠大于鐵芯允許通過的大磁感應(yīng)強度，因而變壓器鐵芯飽和，變壓器的磁-電變換暫時失效，雷電高電壓不能傳輸?shù)阶儔浩鞯母边?從而保護了用電設(shè)備。所以，凡是裝了變壓器的電子儀器比未裝變壓器的電子器被雷擊損壞的概率小得多。
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對防雷器的檢驗包括在專業(yè)防雷器檢驗中心進行的型式檢驗和各級防雷質(zhì)量檢驗機構(gòu)對安裝完成的防雷器進行的驗收與運行的現(xiàn)場檢驗。防雷裝置檢測技術(shù)規(guī)范針對的是后者。對防雷器進行的驗收與運行檢驗主要內(nèi)容包括:根據(jù)不同的電源制式或通線路選取的防雷器型號規(guī)格是否合理;防雷器外觀質(zhì)量檢查;防雷器的安裝位置是否合理;防雷器的安裝工藝、選取的導(dǎo)線和接地線的截面積,防雷器兩端連接線長度等是否合適，多級 防雷器的布置與能量配合問題有無考慮;防雷器正常或故障時，表示其狀態(tài)的標(biāo)志或指示燈的檢查；可以進行的壓敏電壓、泄漏電流、限制電壓(規(guī)定波形下的殘壓)、絕緣電阻等參數(shù)的測試。防雷器內(nèi)置或外接脫離器的測試；二端口防雷器的電壓降等.檢測使用的檢測原始記錄和檢測技術(shù)報告等制表時應(yīng)包括以上內(nèi)容。
防雷器的接線端子除應(yīng)符合GB17464的要求外.其連接導(dǎo)線的能力還應(yīng)符合表3.1或表3.2的要求，表3.1.端口防雷器接線端子允許連接銅導(dǎo)線的標(biāo)稱截面積
表3.2二端口防雷器接線端子允許連接銅導(dǎo)錢的標(biāo)稱截面積
注:1.對于額定負載電流小于或等于50A的防雷器.要求接線端子的結(jié)構(gòu)能緊固實心導(dǎo)體及硬性多股絞合導(dǎo)體.允許使用軟導(dǎo)體。2.二端口防雷器接線端于連接導(dǎo)線的能力除應(yīng)符合本表的要求外，還應(yīng)根據(jù)其標(biāo)稱放電電流的大小，同時符合表3.1的要求.防雷器在按正常使用條件安裝和連接時，其非帶電的易觸及的金屬部件(用于固定基座、罩蓋、鉚釘、銘牌等以及與帶電部件絕緣的小螺釘除外)，應(yīng)連接成一個整體后與保護接地端子可靠連接。保護接地端子螺釘?shù)某叽鐟?yīng)不小于M4，保護接地應(yīng)采用符合國標(biāo)的標(biāo)記加以識別.如:文字符號PE，圖形符號等.二端口防雷器的L-N之間通過電阻性的額定負載電流時，在穩(wěn)定條件下，同時測量的輸人端口與輸出端口之間的電壓降應(yīng)不大于2%.二端口直流防雷器的+-之間通過電阻性的額定負載電流Ir時.在穩(wěn)定條件下，同時測量的輸人端口與輸出端口之間的電壓降，應(yīng)不大于0.5%。按照IEC《連接至低壓配電系統(tǒng)的電涌保護器第二部分性能要求和試驗方法》.電涌保護器應(yīng)清晰地附有下列標(biāo)志.標(biāo)志應(yīng)是容易識別和不可擦掉的，標(biāo)志不應(yīng)位于螺釘、墊圈或其他可拆卸的零件上。①制造廠的名稱或商標(biāo)、產(chǎn)品型號和生產(chǎn)型號②大持續(xù)運行電壓Uc(一種保護模式一個值)③電壓保護水平UP(一種保護模式一個值)④每一保護模式的試驗類別及放電參數(shù)一類試驗的Iimp和In二類試驗的Imax合In三類實驗的Uoc⑤接線端子標(biāo)識⑥應(yīng)用系統(tǒng)，交流、直流或交直均可⑦額定負載電流IR(二端口防雷器)⑧后備過流保護裝置的大額定值
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