2.3 雷電的靜電感應與電磁感應

2.3.1 雷電的靜電感應

2.3.1.1 雷電靜電感應的產生

當雷云出現時，雷云附近的導體，如雷云下的地面和建筑物等，由于靜電感應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，相應的感應電荷區域稱為雷云感應電荷區或電陰影區，如圖2-3所示。由于從雷雨云的出現到發生雷擊（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相應消失，這樣就會形成局部地區感應高電壓。這種對地電壓一般稱為靜電感應電壓。發生雷擊之后，導體上的束縛電荷變成自由電荷，向周圍流散，靜電感應電壓從雷擊開始隨時間的推移而下降，它符合RC電路放電的規律，即

式中　UC——雷擊發生后，局部高電壓地區與大地之間瞬間的電壓，V；

U——雷擊發生時的瞬間電壓，即初始電壓，V；

R——高電壓局部地區對大地的散流電阻，Ω；

C——局部高電壓的地區對雷云之間的電容，F；

Q——局部高電壓地區積累的電荷量，C；

t——以發生閃擊瞬間為零，閃擊發生后延續的時間，s。

2.3.1.2 雷電靜電感應的危害

1．雷電靜電感應在日常生活中的危害

靜電感應產生的過電壓對接地不良的電氣系統有破壞作用，對于建筑物內部的金屬構架與接地不良的金屬器件之間容易發生火花放電，尤其易發生于相距較近的帶電金屬導體間。這種由靜電感應產生的高電壓往往高達幾萬伏，可以擊穿數十厘米的空氣間隙，發生火花放電。導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——導體的等效電容，F；

U——導體間的電位差，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等有引起爆炸的危險。

現代生活中，大面積的金屬不但被用作當屋頂，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產生電場，極有可能會造成感應雷擊。要減少這種災害，就必須迅速減少金屬面的感應電荷，為此可以在金屬與大地之間架設合適大小的金屬導體，把它們與金屬表面焊接后良好接地，以泄放電荷。另外，當感應過電壓波沿傳輸直線或電話線傳播至工廠或住宅內，就會擊穿絕緣、損壞配電系統、損害電器設備及電子設備，甚至有時會產生電弧、電火花引起火災。

2．雷電靜電感應在電力系統中的危害

雷電靜電效應在電力系統中產生的破壞主要體現在架空線上產生感應雷過電壓，感應雷過電壓也是造成電力系統線路跳閘的主要原因之一。因配網線路受建筑物屏蔽，雷直擊到線路的概率小，運行部門統計數據顯示，配電架空線路感應雷過電壓引起的故障率超過90%。以1987年7月京廣沿線的雷災為例：當年的7月12日14:00—18:00發生強雷電，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備先后被雷電擊穿，造成通信中斷、燈光熄滅、火車晚點數小時，其經濟損失無法計算。

感應過電壓是由雷云的靜電感應而產生的，雷電先導中的電荷形成的靜電場及主放電時雷電流產生的磁效應是感應過電壓的兩個主要組成部分。雷擊線路附近的地面時，先導通道充滿負電荷，由于靜電感應，導線上的正電荷被吸引到最靠近先導通道的導線上，也就是束縛電荷。主放電階段，通道中的負電荷被迅速中和，相應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，形成電壓波向兩側傳播，產生幅值很高的過電壓，如圖2-4所示。這樣形成的感應過電壓在高壓架空線路可達300～400kV，一般低壓架空線路可達100kV，電信線路可達40～60kV。

2.3.2 雷電的電磁感應

由于雷電流在極短的時間內從0上升到數萬安培，再降低到接近0，從而使靜電場和磁場發生變化，引起很強的電磁輻射。一方面，它既會在周圍的物體內部產生很高的感應電動勢，干擾著無線電通信和各種遙控設備的工作，成為無線電噪聲的重要來源，同時也對微電子設備造成了不同程度的損壞；另一方面，雷電產生的電磁場又是雷電探測的重要信息，從測量到的閃電產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參量，以便進行雷電定位和預警。

2.3.2.1 雷電電磁感應的產生

當測站離閃電的距離遠遠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）——雷電通道內電荷引起的靜電場分量；

Ei（t）——雷電電流變化而產生的感應場分量；

Er（t）——雷電發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；

——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）——地閃所中和的負電荷中心的電荷隨時間的變化；

H——負電荷的中心高度。

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。當離閃電距離較近時，靜電場分量是主要的；當離閃電距離較遠時，感應分量和輻射分量的作用相對加強；當離閃電距離更遠時，輻射分量起主要作用，而靜電電場分量和感應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。

大氣磁感應強度與大氣磁場關系為

其中

式中　μa——大氣磁導率；

εa——大氣介電常數。

將式（2-13）代入式（2-16），且假定εa≈ε0，則得大氣磁感應強度為

式中假定大氣介電常數與自由空間的介電常數近似相等。

2.3.2.2 雷電電磁感應的危害

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生強大的交變電磁場，處在這電磁場中的導體會感應出較大的電動勢。導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熱產生電火花，引起易燃物品燃燒，釀成火災。這種電磁感應雷擊的電能雖然遠小于直接雷擊，卻比靜電感應雷擊的電能大很多，雷電的電磁感應引起火災的例子也不少。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，當時在現場沒有找到縱火線索也沒有發現遭受雷擊的明顯跡象。后來經過各方面的專家仔細分析才弄明真相，是閃電的電磁感應效應造成這次事故。雷擊產生了電磁場，在電磁場中，捆扎棉花包的鐵絲上有強大的感應電流通過，鐵絲接觸點發熱，產生火花，引起棉包著火，釀成了這次火災。

然而，相比直擊雷，感應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防感應雷擊的措施，一般情況下可簡單采取將金屬物體接地的措施。另外，因感應雷擊起火較慢，只是出于陰燃狀態，如及早發現較易撲滅不致釀成大災。在一些受雷電的電磁感應影響比較大的局部地區，如建筑物的金屬設備、金屬管道結構鋼筋等，為防止電磁感應予以接地，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”這一術語具有多個含義，嚴格來講，天電是閃電或其次要放電所產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。通信系統中，信號是在一定頻率內傳輸的，當大量瞬時變化的信號接連不斷地到達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的影響隨時隨地存在，影響通電系統的功能。

閃電危害的對象除了通信系統本身，還包括通信局內部的電源設備、通信設備和監控系統等設備。當通信大樓的電力電纜以某種走線方式經過感應雷擊產生的強電磁場區時，將會在電纜上感應出很高的共模電壓。如果沒有過電壓保護裝置，感應過電壓將會造成交流系統與地之間的縱向擊穿。

3．產生電磁脈沖

當云地之間形成的雷電回擊通道是一個電阻極低的導電通路時，伴隨著回擊過程的進行，數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擊通道阻抗、云中電荷分布以及地質條件有關。瞬間變化的雷電流就像一個巨大的行波天線，產生著強烈的電磁脈沖，它可以傳播到很遠的距離，影響到很廣的區域。電磁脈沖能量通過各種耦合途徑進入系統后，加至設備輸入、輸出端口，在元器件上產生感應電壓、感應電流。如果感應電壓、感應電流超過了該元器件的損傷閾值，程度輕則使系統的正常運行受到干擾，嚴重的會造成元器件的永久性損傷，使設備停止運行，造成設備的永久性損傷。

當雷擊避雷針時，附近導線的感應過電壓如圖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生靜電過電壓Ui，同時避雷針附近的金屬開口環的開口處會產生電磁感應過電壓Uci。該感應過電壓有時高達數萬伏，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，內部設備遭感應雷災害的機會和程度也隨之增加，對用電設備造成了極大的危害。因此，即使安裝了避雷針，也不能忽視感應雷產生的危害。