2.3 雷电的静电感应与电磁感应

2.3.1 雷电的静电感应

2.3.1.1 雷电静电感应的产生

当雷云出现时，雷云附近的导体，如雷云下的地面和建筑物等，由于静电感应的作用而带上与雷云电荷极性相反的电荷，这种电荷就是束缚电荷，相应的感应电荷区域称为雷云感应电荷区或电阴影区，如图2-3所示。由于从雷雨云的出现到发生雷击（主放电）所需要的时间相对于主放电过程的时间要长很多，因此大地可以积累大量电荷。雷击发生后，雷云上所带的电荷通过闪击与地面的异种电荷迅速中和，云和大地之间的电场消失。但在局部，如一些金属物上感应聚积的电荷由于与大地之间的电阻较大，却不能在同样短的时间内相应消失，这样就会形成局部地区感应高电压。这种对地电压一般称为静电感应电压。发生雷击之后，导体上的束缚电荷变成自由电荷，向周围流散，静电感应电压从雷击开始随时间的推移而下降，它符合RC电路放电的规律，即

式中　UC——雷击发生后，局部高电压地区与大地之间瞬间的电压，V；

U——雷击发生时的瞬间电压，即初始电压，V；

R——高电压局部地区对大地的散流电阻，Ω；

C——局部高电压的地区对雷云之间的电容，F；

Q——局部高电压地区积累的电荷量，C；

t——以发生闪击瞬间为零，闪击发生后延续的时间，s。

2.3.1.2 雷电静电感应的危害

1．雷电静电感应在日常生活中的危害

静电感应产生的过电压对接地不良的电气系统有破坏作用，对于建筑物内部的金属构架与接地不良的金属器件之间容易发生火花放电，尤其易发生于相距较近的带电金属导体间。这种由静电感应产生的高电压往往高达几万伏，可以击穿数十厘米的空气间隙，发生火花放电。导体间的静电放电能量可按式（2-6）计算，即

式中　W——放电能量，W；

C——导体的等效电容，F；

U——导体间的电位差，V。

火花放电释放能量比较集中，引燃能力很强，这对存放易燃物品的建筑物，如汽油、瓦斯、火药库以及有大量可燃性微粒飞扬的场所，如亚麻及粮食加工企业等有引起爆炸的危险。

现代生活中，大面积的金属不但被用作当屋顶，有时还会作为各种储气罐、储油罐的板壳。在雷雨降临时，大面积的金属和地面之间也会因为静电效应产生电场，极有可能会造成感应雷击。要减少这种灾害，就必须迅速减少金属面的感应电荷，为此可以在金属与大地之间架设合适大小的金属导体，把它们与金属表面焊接后良好接地，以泄放电荷。另外，当感应过电压波沿传输直线或电话线传播至工厂或住宅内，就会击穿绝缘、损坏配电系统、损害电器设备及电子设备，甚至有时会产生电弧、电火花引起火灾。

2．雷电静电感应在电力系统中的危害

雷电静电效应在电力系统中产生的破坏主要体现在架空线上产生感应雷过电压，感应雷过电压也是造成电力系统线路跳闸的主要原因之一。因配网线路受建筑物屏蔽，雷直击到线路的概率小，运行部门统计数据显示，配电架空线路感应雷过电压引起的故障率超过90%。以1987年7月京广沿线的雷灾为例：当年的7月12日14:00—18:00发生强雷电，从南到北沿着京广线移动，咸宁、贺胜桥、山坡、土地堂、乌龙泉、纸坊、大花岭火车站的低压设备先后被雷电击穿，造成通信中断、灯光熄灭、火车晚点数小时，其经济损失无法计算。

感应过电压是由雷云的静电感应而产生的，雷电先导中的电荷形成的静电场及主放电时雷电流产生的磁效应是感应过电压的两个主要组成部分。雷击线路附近的地面时，先导通道充满负电荷，由于静电感应，导线上的正电荷被吸引到最靠近先导通道的导线上，也就是束缚电荷。主放电阶段，通道中的负电荷被迅速中和，相应电场强度迅速减弱并消失。于是输电线路上的正电荷脱离电场的束缚变成自由电荷，形成电压波向两侧传播，产生幅值很高的过电压，如图2-4所示。这样形成的感应过电压在高压架空线路可达300～400kV，一般低压架空线路可达100kV，电信线路可达40～60kV。

2.3.2 雷电的电磁感应

由于雷电流在极短的时间内从0上升到数万安培，再降低到接近0，从而使静电场和磁场发生变化，引起很强的电磁辐射。一方面，它既会在周围的物体内部产生很高的感应电动势，干扰着无线电通信和各种遥控设备的工作，成为无线电噪声的重要来源，同时也对微电子设备造成了不同程度的损坏；另一方面，雷电产生的电磁场又是雷电探测的重要信息，从测量到的闪电产生的电磁场变化可以获得闪电电流、闪电电矩和云中电荷分布等各种电学参量，以便进行雷电定位和预警。

2.3.2.1 雷电电磁感应的产生

当测站离闪电的距离远远大于积雨云云中荷电中心高度，而电离层对闪电辐射的传播的影响又可以忽略时，地闪或云闪所引起的地面垂直大气电场E（t）随时间的变化可以表示为

式中　Es（t）——雷电通道内电荷引起的静电场分量；

Ei（t）——雷电电流变化而产生的感应场分量；

Er（t）——雷电发射时的电磁辐射分量。

Es（t）、Ei（t）、Er（t）可以分别表示为

式中　c——光速，m/s；

R——雷电距离，m；

ε0——自由空间的介电常数；

——雷电电矩随时间的变化，考虑到电磁场的延迟，所以闪电电矩采用时刻的值。

地闪闪电随时间的变化Mg（t）表示为

式中　Qg（t）——地闪所中和的负电荷中心的电荷随时间的变化；

H——负电荷的中心高度。

对于云中电荷分布为云上部正电荷、云下部正电荷的情况下，云闪闪电电矩随时间的变化Mc（t）为

式中　Qc（t）——云闪所中和电荷随时间的变化；

ΔH——云中正负电荷的垂直间距。

由式（2-8）可知，闪电引起的地面垂直大气电场变化的静电场分量，正比于闪电电矩，反比于闪电距离的立方；由式（2-9）可知，闪电所引起地面垂直大气电场随时间变化的感应分量正比于对闪电电矩的一次微商，反比于闪电距离平方；由式（2-10）可知，闪电所引起的地面垂直大气电场变化的辐射分量，正比于闪电电矩对时间的二次微商，反比于闪电距离的一次方。因此，闪电引起的地面三个分量随闪电距离的变化而异。当离闪电距离较近时，静电场分量是主要的；当离闪电距离较远时，感应分量和辐射分量的作用相对加强；当离闪电距离更远时，辐射分量起主要作用，而静电电场分量和感应场分量的作用相对减弱。

闪电所引起的地面磁场强度的变化称为地面大气磁场变化，大气磁场方向垂直于大气电场方向，所以因地闪或云闪引起的地面水平大气磁场随时间的变化表示为

式中　Hi（t）——大气感应磁场分量；

Hr（t）——辐射分量。

与闪电引起的大气电场相类似，闪电引起的地面垂直大气电场随时间变化的感应分量正比于闪电电矩对时间的一次微商，反比于闪电距离的平方。而地面水平大气磁场随时间变化的幅值正比于闪电电矩对时间的二次微商，反比于闪电距离的一次方。

大气磁感应强度与大气磁场关系为

其中

式中　μa——大气磁导率；

εa——大气介电常数。

将式（2-13）代入式（2-16），且假定εa≈ε0，则得大气磁感应强度为

式中假定大气介电常数与自由空间的介电常数近似相等。

2.3.2.2 雷电电磁感应的危害

1．引起电火花

雷电流不仅有较大的幅值而且变化时间短，因此会在它周围空间产生强大的交变电磁场，处在这电磁场中的导体会感应出较大的电动势。导体如果形成闭合回路还会有感生电流，这种情况下在回路上某处接触不良就会因电阻大而发热产生电火花，引起易燃物品燃烧，酿成火灾。这种电磁感应雷击的电能虽然远小于直接雷击，却比静电感应雷击的电能大很多，雷电的电磁感应引起火灾的例子也不少。1985年7月26日，上海北蔡棉麻仓库失火，造成近百万元的损失，当时在现场没有找到纵火线索也没有发现遭受雷击的明显迹象。后来经过各方面的专家仔细分析才弄明真相，是闪电的电磁感应效应造成这次事故。雷击产生了电磁场，在电磁场中，捆扎棉花包的铁丝上有强大的感应电流通过，铁丝接触点发热，产生火花，引起棉包着火，酿成了这次火灾。

然而，相比直击雷，感应雷击对一般的易燃物威胁比较小，所以只有在特别危险的场合才会采取预防感应雷击的措施，一般情况下可简单采取将金属物体接地的措施。另外，因感应雷击起火较慢，只是出于阴燃状态，如及早发现较易扑灭不致酿成大灾。在一些受雷电的电磁感应影响比较大的局部地区，如建筑物的金属设备、金属管道结构钢筋等，为防止电磁感应予以接地，而平行管道相距不到0.1m时，每20～30m须用金属线跨接，交叉管道相距不到0.1m时，也应该用金属线跨接。其接地装置也可以与其他接地装置共用，接地电阻不得大于5～10Ω。

2．天电噪声

“天电”这一术语具有多个含义，严格来讲，天电是闪电或其次要放电所产生的瞬变电场或磁场，但通常也表示无线电接收时任何大于原噪声背景的外来瞬变信号。通信系统中，信号是在一定频率内传输的，当大量瞬时变化的信号接连不断地到达时常常会引起信号混淆，这就是“无线电噪声”。无线电噪声除了来自人为噪声和银河噪声，还有一个重要来源就是天电（主要由闪电引起）。通过频谱分析可以知道，闪电是由高能的低频成分与极具渗透性的高频成分组成，在各个频率上都有分量，所以闪电对通电系统的影响随时随地存在，影响通电系统的功能。

闪电危害的对象除了通信系统本身，还包括通信局内部的电源设备、通信设备和监控系统等设备。当通信大楼的电力电缆以某种走线方式经过感应雷击产生的强电磁场区时，将会在电缆上感应出很高的共模电压。如果没有过电压保护装置，感应过电压将会造成交流系统与地之间的纵向击穿。

3．产生电磁脉冲

当云地之间形成的雷电回击通道是一个电阻极低的导电通路时，伴随着回击过程的进行，数量巨大的电荷从云中输送到地面或从地面输送到云中，雷电流从零开始上升。雷电流上升速率与回击通道阻抗、云中电荷分布以及地质条件有关。瞬间变化的雷电流就像一个巨大的行波天线，产生着强烈的电磁脉冲，它可以传播到很远的距离，影响到很广的区域。电磁脉冲能量通过各种耦合途径进入系统后，加至设备输入、输出端口，在元器件上产生感应电压、感应电流。如果感应电压、感应电流超过了该元器件的损伤阈值，程度轻则使系统的正常运行受到干扰，严重的会造成元器件的永久性损伤，使设备停止运行，造成设备的永久性损伤。

当雷击避雷针时，附近导线的感应过电压如图2-5所示。以雷击避雷针顶端为例，则避雷针上各点（N点）的电位UN为

式中　L0——单位长度电感，μH/m；

h——N点高度，m；

i——雷电流，kA；

R——接地电阻，Ω。

避雷针遭受雷击时，在沿针体存在的高电位影响下，其附近的线路上将产生静电过电压Ui，同时避雷针附近的金属开口环的开口处会产生电磁感应过电压Uci。该感应过电压有时高达数万伏，可使空气间隙击穿，造成事故。避雷针的存在，虽然减小直击雷的危害，但是建筑物上落雷机会反而增加了，内部设备遭感应雷灾害的机会和程度也随之增加，对用电设备造成了极大的危害。因此，即使安装了避雷针，也不能忽视感应雷产生的危害。