雷电冲击波的危害特点与鉴定方法研究

李斌　宋佰春　林建民　董静

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。

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

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”。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，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；付智斌等人也对雷电灾害调查方法进行了研究。本文丰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牛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。

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。

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

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牛的热量，MJ。

3 雷电冲击波危害的调查鉴定方法

发牛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，丰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LPZO区的金属构件设置情况，然后对该LPZO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，确定产牛冲击波的雷电流。

3.5 雷电流冲击波的调查方法雷击危害土木工程、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丰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，发生时不可能止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牛时的情况，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。