二、基本知识
雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的最严重的10种自然灾害之一。据统计学资料表明，雷电造成的损失已经上升到自然灾害的第3位。全球每年因雷击造成人员伤亡、财产损失不计其数。据不完全统计，我国每年因雷击以及雷击负效应造成的人员伤亡达3 000～4 000人，财产损失在50亿元～100亿元人民币。
（一）雷电的基本概念
雷电是伴有闪电和雷鸣的一种放电现象。雷电一般产生于对流发展旺盛的雷雨云中，雷雨云上部以正电荷为主，下部以负电荷为主，云的上、下部之间形成一个电位差。当电位差达到一定程度后就会产生放电，即闪电现象。带电云层与另一带异种电荷的云层，或带电云层对大地迅猛放电过程中可产生强烈的闪电并伴随巨大的雷鸣（图6-8）。通常情况下，一半以上的闪电放电过程发生在雷雨云内的正、负电荷区之间，称为云内放电过程或云闪；云体与地面之间的对地放电，称为地闪。云层之间的放电主要对飞行器造成危害，而云层对大地的放电则对建筑物、电子电气设备和人畜危害甚大。巨大的电流通过人、畜、树木、建筑物等而造成杀伤或破坏称为雷击。
（二）雷电的危害
据统计，每年地球上空会出现31亿多次闪电，平均每秒钟100次。每次放电，其电能高达10万千瓦时。雷电电流强度平均约为2万安培（甚至更大），雷电电压大约是1010伏（人体安全电压为36伏），一次雷电的持续时间大约为1/1 000秒，一次雷电的功率可达200亿千瓦。我国三峡水电站装机总容量为1 820万千瓦，只有一次雷电功率的1/1 000。
1.雷电的危害
（1）雷电电流的冲击波：雷电电流很大，瞬间可产生大量的热来不及散发，雷电通道的温度高达几千到几万度，空气受热急剧膨胀，并以超声速度向四周扩散，产生强大的冲击波，使附近的建筑物、人、畜受到破坏和伤害。
（2）雷电电流的电效应：雷电电流通过导体时，其周围空间将产生强大的电磁场及电动力，造成各类导线或管道折断，对电气设备具有极强的破坏力。
（3）雷电电流的热效应：强大的雷电电流通过被雷击的物体时会发热，雷电通道的温度高达6 000～10 000℃，甚至更高，极易造成火灾和爆炸。(https://www.daowen.com)
2.易遭受雷击的地点 雷电电流总是选取最易导电的途径，易遭受雷击的地点包括：①水面和水陆交界地区及特别潮湿的地带，如河床、盐场、苇塘、湖沼、低洼地和地下水位高的地方；②土壤电阻率较小的地方，如有金属矿床的地区、河岸、地下水出口处和金属管线集中的交叉地点、铁路集中的枢纽、铁路终端和高架输电线路的拐角处；③土壤中电阻率不连续的地点，如岩石和土壤的交界处、岩石断层处、较大的岩体裂缝、露出地面的岩层、河沿，以及埋藏管道的地面出口处等；④地势较高和旷野地区。
3.高耸突出的建筑物极易遭受雷击 易遭受雷击的建筑物和物体包括：①高耸突出的建筑物，如水塔、电视塔、高耸的广告牌等；②排出导电尘埃、废气热气柱的厂房、管道等；③内部有大量金属设备的厂房；④孤立、突出在旷野的建筑物以及自然界中的树木； ⑤电视机天线和屋顶上的各种金属突出物，如旗杆等；⑥建筑物屋面的突出部位和物体，如烟囱、管道、太阳能热水器，还有屋脊和檐角等。
（三）避雷针的基本概念
避雷针由美国科学家富兰克林发明，他认为闪电是一种放电现象。为了证明这一点，他在1752年7月的一个雷雨天，冒着被雷击的危险，将一个系着长长金属导线的风筝放飞进入雷雨云中，在金属线末端拴了一串银钥匙。当雷电发生时，富兰克林手接近钥匙，钥匙上迸出一串电火花，手上还有麻木感。幸亏这次传下来的闪电比较弱，富兰克林尚未受伤。1753年，俄国著名电学家利赫曼为了验证富兰克林的实验，不幸被雷电 击死。
富兰克林在成功地进行了捕捉雷电的风筝实验后，设想若能在高物上安置一种尖端装置，就有可能把雷电引入地下。于是他把一根数米长的细铁棒固定在高大建筑物的顶端，在铁棒与建筑物之间用绝缘体隔开，然后用一根导线与铁棒底端连接，再将导线引入地下。富兰克林把这种避雷装置称为避雷针。经过试用，果然能起避雷的作用。
避雷针，现称接闪杆。接闪杆与接闪带、接闪线、接闪网、用以接闪的金属屋面、金属构件等，统称为接闪器；接闪器和引下线、接地装置共同组成了建筑物或构筑物的外部防雷装置，用以避免或减少闪电击中建筑物上，或其附近造成的物理损害和人身伤亡。避雷针保护建筑物的方式并不是避免房屋遭受雷击，而是引雷上身，然后通过其引线和接地装置，将雷电电流引入地下，从而起到保护建筑物的作用。
安装了避雷针，并不能确保建筑物内的人和设备不会遭到雷击。避雷针有一定的保护范围，当建筑物超出避雷针保护范围时，便不受避雷针的保护。单根避雷针的保护范围为一个圆锥体，这个圆锥体的高为避雷针的高度，在地面的半径一般为避雷针高度的l～1.5倍（图6-4）。为保护大型建筑物免遭雷击，往往采用多根避雷针，使保护范围增大，或在重要建筑物的周围加上金属网，并使金属网接地。避雷针的性能须符合技术要求，若因年久失修失去作用，不但起不到防雷效果，反而会增加雷击概率。避雷针只能保护建筑物不受雷击，而不能保护建筑物内部的人和设备免遭雷击。避雷针只能将50%的雷电能量泄放入地，其余50%的能量会通过感应作用和能量耦合，通过各种管线和设备泄放入地。
图6-4 单根避雷针的保护范围