雷电冲击波的危害特点与鉴定方法研究

李斌1，宋佰春1，林建民2，董静1

（1日照市气象局，山东日照276826；2莒县气象局，山东莒县276500)摘要：结合雷电冲击波的危害特点，研究了雷电冲击波危害土木工程、金属构件等位置的调查鉴定方法，重点阐述了金属构件的受损、爆炸冲击与外力撞击、雷击点及泄流通道、危害雷电流、雷电流冲击波、物体受损处雷电冲击波（超压）、受损物体耐冲击气压能力等7 种情况。结果表明：当调查结果符合下面几个条件时，可确定本次雷电事故为雷电冲击波危害所致，这种鉴定方法就是冲击波分析法。（1）雷电的闪击时间与金属构件的受危害时间吻合；（2）在金属构件受损时间，雷电的闪击点位于受损物体附近；（3）雷电泄流通道产生较高的热量并且该热量产生了较强的冲击波；（4）在金属构件受损时，其受损方向无炸药爆炸，且无金属体外力撞击；（5）受损金属体的耐冲击气压能力小于雷电冲击波的气压。教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：雷电冲击波；危害；鉴定；研究

中图分类号：X928.2 文献标志码：A 论文编号：2014-0534

基金项目：山东省气象局气象科学技术研究项目(2012sdqx15)。

第一作者简介：李斌：女，1978 年出生，山东日照人，工程师，本科。山东省日照市气象局工作，主要从事大气探测工作。通信地址：276826 山东省日照市山东路687号日照市气象局，E-mail：mingming0331@163.com。

收稿日期：2014-06-10，修回日期：2014-08-24。

0 引言

雷电是自然界最为壮观的大气现象之一，其强大的电流、炙热的高温、猛烈的冲击波以及强烈的电磁辐射等物理效应能够在瞬间产生巨大的破坏作用，常常导致人员伤亡，击毁建筑物、供配电系统、通信设备，造成计算机信息系统中断，引起森林火灾，仓库、炼油厂、油田等燃烧甚至爆炸，威胁人们的生命和财产安全。雷电灾害已成为联合国公布的10 种最严重的自然灾害之一，雷电灾害被列为“电子时代的一大公害”[1]。据不完全统计，全球每年因雷电造成的人员伤亡超过1 万人，损失在10 亿美元以上，中国每年约有3000~4000 人因遭受雷击而伤亡[2]，很多雷电事故都是由雷电充击波造成。

雷电灾害调查是气象部门履行雷电灾害防御组织管理职能的重要内容，为各级政府和部门制定防雷减灾工作方针、政策和发展规划提供决策依据。吴孟恒等[3]以雷电灾害调查与鉴定实践经验为基础，详细论述了雷电灾害调查与鉴定的基本原理、具体程序、灾害现场调查的详细内容、调查记录的整理要求等；冯民学等[4]利用雷达回波和闪电定位资料对油罐起火原因进行分析，判定雷击是起火的原因；付智斌[5-13]等人也对雷电灾害调查方法进行了研究。本文主要研究雷电冲击波危害土木工程、金属构件的调查鉴定方法，方法可供全国各级从事雷电灾害调查和鉴定工作的专业技术人员学习和借鉴。

1 雷电冲击波的产生

雷电冲击波是指直击雷或感应雷在架空线路或在空中金属管道上产生沿线路或管道的两个方向迅速传播的高压冲击波。在雷云对地放电时，雷电流的冲击波亦能对地面物体造成严重损害。雷云对地放电过程中的回击阶段，放电通道中既有强烈的空气游离又有强烈的异性电荷中和，通道中瞬时温度非常高，这使得通道周围的空气急剧膨胀，以超声波速度向四周扩散，从而形成超声波[14]。

2 雷电冲击波的危害特点

2.1 雷电冲击波与温度的关系特点

雷电流在泄流过程中，瞬间将产生较大热量，使其泄流通道急剧升温，从而造成泄流通道附近空气温度的升高与气体膨胀。假定雷电通道周边的容积不变，当泄流通道温度升高且其温升造成周边空气同等温升时，其周边空气压力变化见式1。

PT =P0[1+β(T1 -T0)] ………………………… (1)

式中：PT -温度为t1时气压，Pa；

P0 -温度为t0时的气压，Pa；

β -容积不变时，温度压力系数，为1 /273；

T1、T0 -气体的温度，℃。

由式1 可以看出，温差越大，气压变化就会愈剧烈，成正比例关系。而一次纳秒级雷电泄放过程可以使雷电通道的温度升高上万度，因此在雷电泄流通道附近气温的变化也会随之升高，由式1 可知，空气温升的聚变将会导致气压的剧变，形成急剧的冲击波。

2.2 雷电冲击波与传输距离的关系特点

雷电冲击波在传播过程中，其波前激波受到空气阻力及三维扩散的作用，其传播速度逐渐减小，能量不断减弱，直至消失。雷电冲击波超压变化情况见图1。图1 中，P0 为落雷前雷电泄流通道周围环境压力，在泄流时间TA 时刻，泄流通道周边空气压力升至ΔP+ ，经过时间T+ 衰减到P0 ，然后达到负压峰值ΔP— 。超过周围空气压力的瞬间压力为超压，这是最重要的空气冲击波效应之一。

2.3 爆炸冲击波参数计算方法

α -蒸气云爆炸的效率因子，表明参入爆炸的可燃

气体的分数，一般取3%或4%；

Qf -蒸气云的燃烧热，MJ/kg；

QTNT -TNT爆炸热，一般取4.52 MJ/kg；

QLD -雷电闪击金属构件产生的热量，MJ。

3 雷电冲击波危害的调查鉴定方法

发生雷电冲击波的前提是雷电通道上具有较大的温差变化，而瞬时高温的产生必须有较强的雷电流通过。鉴定雷电冲击波危害，应确定以下几个方面的因子。（1）确定金属构件的受损时间、地点、受损程度；（2）确定并排除爆炸冲击波及外力撞击的危害因子；（3）确定雷电通道的泄流强度及受损金属构件与雷电泄流通道的间距；（4）确定设备受损时段内云地闪电的闪击时间、地点、雷电流强度；（5）确定受损处雷电冲击波的参数情况；（6）确定受损金属构件的耐冲击气压情况。

3.1 金属构件的受损情况调查

物体遭受冲击波危害的受灾时间、地点按照实际情况实事求是填写在表中。另外要检测受损金属构件的冲击深度、面积，检查受损金属体的材质、厚度。当金属体内存物体时，应确定物体的成分，计算受损处的压力。

3.2 爆炸冲击与外力撞击的情况调查

通常情况下，造成金属罐体、砖墙等出现明显破损、凹陷等损坏的外部原因，主要有炸药爆炸、雷电闪击等形成的冲击波危害，另外就是机械性撞击危害。

3.2.1 炸药爆炸冲击波痕迹的调查方法炸药爆炸造成的危害，其危害现场应存有残留物、气味等痕迹。炸药爆炸为化学爆炸，爆炸时爆炸现场有黑色熔融颗粒状物（或者白色），冲击波的发源地有明显的异常气味。炸药爆炸时具有下列异常气味：（1）臭鸡蛋气味（H2S气味）；（2）伴有鞭炮爆炸后的火药味；（3）有油味，炸点处更浓，吸入体内有特别不舒服的感觉；（4）有很刺激性苦味，炸点周围更为明显。当爆炸点具有这些特点时，可确定金属构件受损为炸药爆炸所为。否则，排除炸药爆炸冲击波造成的损坏。

3.2.2 外力撞击痕迹的调查方法金属物体撞击后会遗留凹陷与线形痕迹，根据这一特点确定造痕体。当硬度较强的金属造痕体以一定的动力速度撞击金属体时，受撞击的金属体将遗留造痕体的轮廓线性痕迹与一定深度的凹陷痕迹，根据这个痕迹可以判定造痕体的形状、大小、撞击力度等因素。当受损金属构件存在凹陷与线形痕迹时，可确定为金属构件为外力撞击造成，否则，排除金属体外力撞击所为。

通过上述方法调查，可排除炸药爆炸冲击波与机械力作用的危害。

3.3 雷击点及泄流通道的调查方法

当将雷电定为危害主体时，应自受损点附近进行泄流通道的调查，主要调查独立的金属构件、分流较少的建筑物金属构件。

3.3.1 泄流通道的调查方法利用剩磁量检测仪测量受损物体附近金属构件的剩磁量情况，并对同一水平面的剩磁量绘制“同心图”，该“同心图”的中心为雷电泄流通道，附近金属构件剩磁量随距离增大逐渐减小。

3.3.2 闪击点的调查方法泄流通道确定后，沿该通道进行立体剩磁量检测，同时对该金属构件所在建筑物的柱筋情况进行建筑结构图纸查询，分析其柱筋结构，确定其分流情况，同时查询该结构在LPZ0 区的金属构件设置情况，然后对该LPZ0 区金属构件进行金相异常情况的调查，当金属构件无破损时，雷电闪击点的表像为灰白色烧痕；当金属构件出现破损时，其破损面为圆形凹坑、表面光滑呈瓦蓝色，但是金属的金相组织气孔明显，无尖状或其它形状残留物；当金属构件出现熔珠时，该熔珠表现为二次短路熔珠特点。

3.3.3 泄流通道分流情况的调查方法根据雷击点所处位置情况与建筑物的柱筋结构情况确定分流，当分流通道复杂时，应结合剩磁量确定。测量与受损物体受损处同高度泄流通道处的剩磁量，然后测量雷击点下部未分支处金属构件的剩磁量，比较二者的倍数关系，用其倍数进行分流。

3.4 危害雷电流的调查方法

根据已定的雷击点经纬度利用山东省或其它联网的闪电定位仪资料查询雷电闪击的雷电流强度，然后根据分流情况，确定产生冲击波的雷电流。

3.5 雷电流冲击波的调查方法

雷电冲击波的产生，是雷电在金属通道上产生的热量与温升造成的。雷电闪击并分流，产生冲击波的雷电流i(t) 为：

i(t) =kc?i ………………………………………… (6)

式中：kc -分流系数；

i -雷电流，可取该次闪击的峰值电流。根据闪电定位仪资料查询求得。

该雷电流在金属构件上产生的热量W为：

W =R∫0

t i(t)2dt …………………………………… (7)

式中：W-雷电流在导体上产生的热量，J；

R -雷电流通过导体的电阻，Ω；

t -雷电流持续的时间，可取波头时间，μs；

i -雷电通道的雷电流，kA。

因为雷电流的作用时间很短，散热影响可忽略不计，雷电流在金属通道上引起的温升ΔT 为：

在计算雷电冲击波时，可将雷电在金属导体上产生的热量全部转变为其周边空气温升的能量，忽略其热量的转化与流失。冲击波压力PT 可用下式计算：

PT =P0[1+β(T1 -T0)] ………………………… (9)

式中：PT -温度为t1时气压，Pa；

P0 -温度为t0时的气压，Pa；

β -容积不变时温度压力系数，为1 /273；

T1、T0 -气体的温度，℃，T0 为雷电闪击时金属构件的温度，T1 为雷电闪击后金属构件的温度，T1 -T0 =ΔT 。

3.6 物体受损处雷电冲击波（超压）的调查方法

雷电冲击波在传播中造成周边物体或者生物体的损伤，计算此处的冲击波气压，首先调查受损物体与雷电冲击波产生处的间距，然后在计算冲击波的运行时间，根据这两个因子计算受损点的冲击波气压。测量雷电泄流通道至受损点的实际距离。可视距离时，可采用距离测量仪器。激波自雷电泄流通道至受损点的时间t? 为：

3.7 受损物体耐冲击气压能力的调查方法

物体抗击冲击波的能力是由物体自身特点决定的，不同的设备抗击冲击气压的能力不同。经大量试验测得，表1 给出了常见建筑物在遭受不同强度冲击波后表现出的损坏情况，建筑物受冲击波危害的程度实际就是该建筑物承受冲击波的能力，即耐冲击超压能力，当建筑物所承受的冲击超压小于该超压时，建筑物是安全的，大于该超压时建筑物就会出现伤害。当物体的耐冲击能力小于冲击波气压时，物体则受冲击损坏。

4 结论与讨论

（1）研究表明，根据雷电冲击波的危害特点，遭受雷击危害土木工程、金属构件等位置的调查鉴定方法应分为金属构件的受损情况、爆炸冲击与外力撞击的情况、雷击点及泄流通道、危害雷电流、雷电流冲击波、物体受损处雷电冲击波（超压）、受损物体耐冲击气压能力等七种情况。

（2）经对雷电流冲击波危害金属构件的主要因子进行调查分析，当调查结果符合下面几个条件时，可确定该次事故为雷电冲击波危害所致，这种鉴定方法就是冲击波分析法。①雷电的闪击时间与金属构件的受危害时间吻合；②在金属构件受损时间，雷电的闪击点位于受损物体附近；③雷电泄流通道产生较高的热量并且该热量产生了较强的冲击波；④在金属构件受损时，其受损方向无炸药爆炸，且无金属体外力撞击；⑤受损金属体的耐冲击气压能力小于雷电冲击波的气压。

（3）文章所采用的调查鉴定方法可靠性高、操作性强、易于实现等优点，具有很好的现实意义和参考价值，可供全国各级从事雷电灾害调查鉴定技术人员学习和借鉴。

（4）由于雷电灾害的随机性、小概率性和不可预见性，发生时不可能正好有专业技术人员在现场观察记录，只有事后通过调查了解雷电灾害发生时的情况，给调查带来一定的难度，这就要求参与调查人员具有丰富的雷电理论知识和雷电调查技术。

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