论雷击接闪物产生的磁场强度分析

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摘要： 本文根据雷电流的大小，击距，雷击产生的磁场强度，防雷滚球半径。对雷击点附近产生的闪电感应、雷击电磁脉冲等破坏性作出具体分析，有助于提高人们对闪电的认识，解决安装气象风塔、电力铁塔、高压线，独立接闪杆以及雷灾调查时产生的与群众的争议问题。

Abstract： This article makes concrete analysis on the damage of lightning induction， lightning electromagnetic pulse near the strike point according to the lightning current， lightning striking distance， the magnetic field strength and lightning ball radius， which is helpful to improve people's understanding of lightning and solve the controversial question in the installation of meteorological wind tower， power tower， high line and independent lightning rod and lightning disaster investigation.

关键词： 雷电流；雷击次数；磁场强度

Key words： lightning；current lightning times；the strength of the magnetic field

中图分类号：O472+.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）04-0037-03

0 引言

雷电灾害在现代生活中日益增多，人们对闪电意识的模糊不清。经常对利用铁塔架设高压电线，新建的大型气象风塔，新安装的独立接闪杆等，产生了很多异议，认为由于新安装的此类设施，致使附近的雷击次数增多，对家中的电子信息设备等造成破坏，这是不科学的。

1 闪电介绍

闪电分为云内闪电、云际闪电、云地闪电（地闪），一般对建筑信息设备产生破坏的是云地闪电。闪电是一种自然现象，通常积雨云产生电荷，雷云下部带负电，上部带正电，由于雷云的作用，使附近导体上感应出与雷云符号相反的电荷，雷云放电时，先导通道中的电荷迅速中和，在导体上的感应电荷得到释放，如没有就近泄入地中就会产生很高的电位，这是闪电的静电感应，本文对此类破坏不作分析。闪电的长度可能只有数百米（最短的为100米），但最长可达数千米。闪电的温度，从摄氏一万七千度至二万八千度不等，也就是等于太阳表面温度的3-5倍。闪电的极度高热使沿途空气剧烈膨胀。空气移动迅速，因此形成波浪并发出声音。闪电距离近，听到的就是尖锐的爆裂声；如果距离远，听到的则是隆隆声。由于闪电通道雷电流的迅速变化，在其周围空间产生瞬变的强电磁场，使附近导体导体上感应出很高的电动势，这是闪电的电磁感应。本文重点对电磁感应的磁场强度进行分析。

2 雷电流大小与滚球半径

2.1 建筑物防雷设计规范GB50057，明确给出了首次正极性雷击的雷电流幅值，一类防雷建筑物为200KA，二类、三类防雷防雷建筑物分别为150KA，100KA。而首次负极性雷击的雷电流参量为对应正极性雷击雷电流幅值的一半，即为一类防雷建筑物100KA，二类75KA，三类50KA。

2.2 用许多防雷导体（通常是垂直和水平导体）以下列方法盖住需要防雷的空间。即用一给定半径的球体滚过上述防雷导体时不会触及需要防雷的空间。这种方法通常被称为滚球法。它是基于以下的雷闪数学模型（电气-几何模型）：hr=2I+30（1-e-I/6.8），可以简化为hr=10·I0.65，式中hr为雷闪的最后闪络距离（击距），也叫滚球半径；I为与hr相对应的得到保护的最小雷电流幅值，即比该电流小的雷电流可能击到被保护的空间。在电气-几何模型中，雷先导的发展起初是不确定的，直到先导头部电压足以击穿它与地面目标间的间隙时，也即先导与地面目标的距离等于击距时，才受到地面影响而开始定向。

2.3 年预计雷击次数分析 架设一座电力铁塔或者安装气象风塔，塔的高度为H1时，假设H1=70米，其理论上可以拦截雷击使之不落在约70米半径范围内的地面物体上，引雷的作用只限于周围70米的区域，所以铁塔的引雷作用是有限的。比如说它不可以把本该击在300米外的雷引过来击在铁塔上。一般来说，年预计雷击次数N，表示一栋建筑或一个设施一年可能遭受雷击的次数。N=K×Ng×Ae=K×0.1Td×[LW+2（L+W）■+πH2（200-H2）]×10-6。其中K为校正系数，Td为建筑物或者设备所处地区雷击大地的年平均密度（次/Km2/年）。所以，当一座高H1的铁塔，跟一个长L，宽W，高H2的建筑物，当πH1（200-H1）×10-6=[LW+2（L+W）■+πH2（200-H2）]×10-6时，铁塔跟该建筑物年雷击次数是相等的，也就是说高70米的铁塔与一栋长120米、宽20米、高18米的建筑物一年被雷击的次数几乎是相同的。

3 磁场强度的计算

闪电击于建筑物以外附近的情况下，当无屏蔽时所产生的无衰减磁场强度H0，相当于处于LPZ 0A和LPZ 0B区内的磁场强度，应按下式计算：

H0=i0/（2πsa） （A/m）

式中i0—最大雷电流（kA），按GB50057-2010规范附录F选取；sa—雷击点与屏蔽空间之间的平均距离（m）（图1所示）。

在闪电击在建筑物附近磁场强度最大的最坏情况下，按建筑物的防雷类别、高度、宽度或长度可确定可能的雷击点与屏蔽空间之间平均距离的最小值（图2），可按下列方法确定：

①对应三类防雷建筑物最大雷电流的滚球半径应符合表1的规定。滚球半径可按下式计算：R=10（i0）0.65。式中：R—滚球半径（m）；i0—最大雷电流（kA），按GB50057-2010规范附录F选取。

②雷击点与屏蔽空间之间的最小平均距离，应按下列公式计算：

当H＜R时 sa=■+L/2

当H≥R时 sa=R+L/2

注：①长度L根据具体情况可用宽度W代入；②对所取距离sa小于上式计算值的情况，闪电将直接击在建筑物上。

4 雷击时不同接闪体对周围环境的磁场强度影响

1971年美国通用研究公司R.D希尔的仿真试验通过建立模式得出：由于雷击电磁脉冲的干扰，对当时的计算机而言，在无屏蔽状态下，当环境磁场强度大于0.07Gs时，计算机会误动作；当环境磁场强度大于2.4Gs时，设备会发生永久性损坏。根据《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008第5.2.3条“主机房和辅助区内磁场干扰环境场强不应大于800A/m”。800A/m=10Gs。也就是说，对于敏感电子设备，与雷击点必须有一定的距离，才能保证设备的安全，否则应对设备安装屏蔽等防雷设施，表2针对独立针，两杆塔架空接闪线，三根防雷引下线以上的接闪系统，列出磁场强度不超过于800A/m时，应保持的距离。

由表2可以看出，在无屏蔽措施的情况下，对于对电磁干扰比较敏感的电子设备，只要被保护物所处的位置超过一定的距离，那么被保护物是不会受到磁场强度的破坏的。而当距离达不到要求时，可以通过加装屏蔽设施来降低磁场强度。

H1=H0/10SF/20 （A/m）；

SF=20·log（8.5/w） （为方便计算以简易公式为例）

式中SF—屏蔽系数（dB）由GB50057-2010表6.3.2-1得到，w—格栅形屏蔽的网格宽（m）。

我们查阅大部分闪电定位系统资料可以知道，地闪基本上以负极性闪击为主，雷电流的幅值基本上小于200KA，但是根据广东某雷电检测中心的数据显示，广东省中山市在2012年8月到10月南朗镇发生的地闪值，有几个幅值达到了400KA，最大的一个达到440KA。所以我们可以根据我们与闪电感应发生源的距离，以简易的计算方式，合理的利用屏蔽网格宽度w。必须注意的是被保护设备与屏蔽网格之间应保证一定的安全距离ds。

5 结束语

综上所述，闪电产生的雷电流幅值是有一定范围的，地闪的产生发展也是按一定路径进行的，设备设施的安装对闪电的作用是非常有限的，本文从闪电的基本知识，雷击次数，击距，磁场强度的大小和合理屏蔽等方面对闪电作出分析，总结了大量的数据，以及防护闪电感应的方法，希望能使人们对闪电感应有个科学的认识，对解决闪电感应的措施的提供方法论的借鉴作用。

参考文献：

[1]《建筑物防雷装置检测技术规范》GB/T21431-2008.

[2]《建筑物防雷设计规范》GB50057（2010版）.

[3]《建筑物电子信息系统防雷技术规范》 GB50343-2012.

[4]苏邦礼，崔秉球.雷电与避雷工程.