避雷裝置及其發(fā)展

安　平

1750年，富蘭克林提出以針尖放出電荷緩慢中和雷云中的電荷的避雷針用來防雷。后來的實踐證明，它不能“避雷”，而是將雷引向自身來保護其周圍的設備。隨后俄國羅蒙諾索夫在重復了富蘭克林的著名風箏試驗(他的朋友利赫曼和他一起試驗，因被引下的直擊閃電擊中而犧牲)之后，于1753年發(fā)表的論文(關于因電力而產生的大氣現象的發(fā)言)中也對此作了重要論證。一個鮮為人知的重要事實是，富蘭克林發(fā)表避雷針理論之后不久，法國一位工程師即按其理論建立了一個避雷針，并且很快發(fā)生一次接閃。這是人類首次主動設法改變雷閃途徑，也是直擊雷可以防護的證明。這位法國工程師當即高興地報告了富蘭克林避雷針的引雷成功。

避雷針的實際應用，必須解決的是它的保護范圍問題。這是在試驗室和實際應用中多年逐步定量化的，而且其精確性已基本滿足了工程設計的需要。正是各國高壓輸電和電力系統(tǒng)的發(fā)展推動了這一科研工作的前進。

1925-1926年，Peek第一個在實驗室內利用沖擊電壓發(fā)生器造成“人工雷”對避雷針模型放電，研究保護范圍——保護系數與雷云高度對針高之比(H／h)的關系，并研究了雷云極性對保護系數的影響。1930-1934年，各國開始廣泛利用避雷針保護發(fā)電廠和變電所。當時230KV電網已經出現多年，287KV超高壓電網正在建設中。如美國煤氣和電力公司(AGE)1934年開始用避雷針、避雷線保護變電所，避雷線的保護范圍是這樣確定的：當架構強度足夠時，每保護水平距離0.45m，避雷線懸掛高度要抬高0.3m；架構強度受限制時，每保護水平距離0.6m，要抬高0.3m。這分別相當于保護角56°和64°。這與日本60年代末的防雷規(guī)范60°相近。到60年代初(1963年Davis)、70年代初美、英等國對保護輸電線路的避雷線的保護范圍陸續(xù)提出擊距理論，即考慮雷電流輻值的大小來選定保護范圍。我國高電壓工作者(朱木美教授指導王小瑜同志)在1962—1964年研究輸電線路防雷時也提出了類似方法。至于用來保護發(fā)電廠和變電所。我國50年代因擔心避雷線斷線會波及全廠和全變電所而只采用避雷針。到70年代中期，才明確避雷線可用于發(fā)電廠和變電所的保護。

避雷帶

避雷帶是在建筑物的屋脊和屋頂四周敷設的接地導體，是由避雷針、避雷線發(fā)展而來的。避雷網是在避雷帶的中間敷設接地導體，以保護建筑物的中間部位。用于保護建筑物，其優(yōu)點是敷設簡便、造價低，而且同高聳的避雷針相比，引雷的幾率大為減少。而且它接閃后一般是由多根引下線泄散電流，室內設備上的反擊電壓相對較低。我國建筑防雷工作者提出并在全國廣泛應用的籠型防雷方式則是利用建筑物鋼筋形成的法拉籠。同時也解決了等電位連接問題，極大地提高了建筑防雷的可靠性。此外，它也便于籠內(屋內)電力、電信、電子設施統(tǒng)一接地(共地式)。我國電力部門發(fā)電廠廠房、機房、變電所及主控室，包括控制和信號電纜等不同用途不同電壓設備。并制訂1952、1956年以來各版過電壓和接地標準。這同IEC近年規(guī)定、國外公司廣泛宣傳的統(tǒng)一接地和等電位連接相比，要早40年以上。

人們曾企圖利用在針尖敷設上放射物質來提高引雷作用，擴大保護范圍，后來證明無效。60年代末、70年代初，英、德等國建筑物防雷規(guī)范已明確做出否定的結論。80年代，水利電力部電力科學院在高壓試驗室內所做的試驗也證明，放射性避雷針在引雷效果上與同尺寸的普通避雷針沒有差別。我國過電壓與絕緣配合標準對它一直持否定態(tài)度。盡管國際上已有定論，法國及一些法語國家還有一些地方，繼續(xù)使用帶有放射物的避雷針。我國一些從法語國家引進的工業(yè)設備，還有用這種避雷針保護的。這不僅浪費資金，無助于防雷改進，而且由于其放射性物質，還造成人身的環(huán)境方面的隱患。它違反我國所有有關防雷的標準。

提前放電避雷針的工作原理就是產生一個比普通避雷針更加快的上行先導。此描述基于負極性下行放電的情況下，此類放電形式最具有普遍性。

單位怎樣進行雷電災害防護

1單位應定期由專業(yè)防雷公司檢測防雷設施，評估防雷設施是否符合國家規(guī)范要求，比如：學校、公司、區(qū)級以上醫(yī)院、四星級以上賓館、城區(qū)內高度在45米以上的高層建筑需兩年檢測一次。

2單位應設立防范雷電災害責任人，負責防雷安全工作，建立各項防雷安全工作，建立各項防雷設施的定期檢測，雷雨后的檢查和日常的維護。如雷雨過后，安裝在電話程控交換機、電腦等電器設備電源上和信號線上的過壓保護器應檢查有無損壞，發(fā)現損壞時應及時更換。

3建設單位在防雷設施的設計和建設時，應根據地質、土壤、氣象、環(huán)境、被保護物的特點，雷電活動規(guī)律等因素綜合考慮。采用安全可靠、技術先進、經濟合理的設計施工。

4應采用技術和質量均符合國家標準的防雷設備、器件、器材、避免使用非標準防雷產品和器件。

5新增加建設和新增加安裝設備應同時對防雷系統(tǒng)進行重新設計和建設，如：重新鋪設電腦網絡線、室外天線的移位和加高等等都應該重新設計和建設防雷設施。

6雷災發(fā)生時應及時處理，采取措施，避免再次雷擊。

六點防雷計劃

針對雷電的危害，我們認為防雷必須是全面的。主要包括以下六方面：

A控制雷擊點(采用大保護范圍的避雷針)

B安全引導雷電流入地網

C完善的低阻地網

D消除地面回路

E電源的浪涌沖擊防護

F信號及數據線的瞬變保護

在科學技術日益發(fā)展的今天，雖然人類不可能完全控制暴烈的雷電，但是經過長期的摸索與實踐，已積累起很多有關防雷的知識和經驗。形成一系列對防雪行之有效的方法和技術，這些方法和技術對各行各業(yè)進行行之有效地預防雷電災害具有普遍的指導意義。

(1)接閃

接閃就是讓在一定范圍內出現的閃電能量按照人們設計的通道泄放到大地中去。地面通信臺站的安全在很大程度上取決于能不能利用有效的接閃裝置，把一定保護范圍的閃電放電捕獲到，納入預先設計的對地泄放的合理途徑之中。避雷針是一種主動式接閃裝置。其英文原名是Dghtnlng Conductor，原意是閃電引導器，其功能就是把閃電電流引導入大地。避雷線和避雷帶是在避雷針基礎上發(fā)展起來的。采用避雷針是最首要、最基本的防雷措施。

(2)均壓連接

接閃裝置在捕獲雷電時，引下線立即升至高電位，會對防雷系統(tǒng)周圍的尚處于地電位的導體產生旁側閃絡，并使其電位升高，進而對人員和設備構成危害。為了減少這種閃絡危險，最簡單的辦法是采用均壓環(huán)，將處于地電位的導體等電位連接起來，一直到接地裝置。臺站內的金屬設施、電氣裝置和電子設備，如果其與防雷系統(tǒng)的導體，特別是接閃裝置的距離達不到規(guī)定的安全要求時，則應該用較粗的導線把它們與防雷系統(tǒng)進行等電位連接。這樣在閃電電流通過時，臺站內的所有設施立即形成一個

“等電位島”，保證導電部件之間不產生有害的電位差，不發(fā)生旁側閃絡放電。完善的等電位連接還可以防止閃電電流入地造成的地電位升高所產生的反擊。

(3)接地

接地就是讓已經納入防雷系統(tǒng)的閃電能量泄放入大地，良好的接地才能有效地降低引下線上的電壓，避免發(fā)生反擊。過去有些規(guī)范要求電子設備單獨接地，目的是防止電網中雜散電流或暫態(tài)電流干擾設備的正常工作。90年代以前，部隊的通信導航裝備以電子管器件為主，采用模擬通信方式，模擬通信對干擾特別敏感，為了抗干擾，所以都采取電源與通信接地分開的辦法?，F在，防雷工程領域不提倡單獨接地。在IEC標準和ITU相關標準中都不提倡單獨接地，美國標準IEEEStdl 100-1992更尖銳地指出不建議采用任何一種所謂分開的、獨立的、計算機的、電子的或其它這類不正確的大地接地體作為設備接地導體的一個連接點。接地是防雷系統(tǒng)中最基礎的環(huán)節(jié)。接地不好，所有防雷措施的防雷效果都不能發(fā)揮出來。防雷接地是地面通信臺站安裝驗收規(guī)范中最基本的安全要求。

(4)分流

分流就是在一切從室外來的導線(包括電力電源線、電話線、信號線、天線的饋線等)與接地線之間并聯一種適當的避雷器。當直接雷或感應雷在線路上產生的過電壓波沿著這些導線進入室內或設備時，避雷器的電阻突然降到低值，近于短路狀態(tài)，將閃電電流分流入地。

分流是現代防雷技術中迅猛發(fā)展的重點，是防護各種電氣電子設備的關鍵措施。近年來頻繁出現的新形式雷害幾乎都需要采用這種方式來解決。由于雷電流在分流之后，仍會有少部分沿導線進入設備，這對于不耐高壓的微電子設備來說仍是很危險的，所以對于這類設備在導線進入機殼前應進行多級分流。

現在避雷器的研究與發(fā)展，也超出了分流的范圍。有些避雷器可直接串聯在信號線或天線的饋線上，它們能讓有用信號順暢通過，而對雷電過壓波進行阻隔。

采用分流這一防雷措施時，應特別注意避雷器性能參數的選擇，因為附加設施的安裝或多或少地會影響系統(tǒng)的性能。比如信號避雷器的接入應不影響系統(tǒng)的傳輸速率；天饋避雷器在通帶內的損耗要盡量?。蝗羰褂迷诙ㄏ蛟O備上，不能導致定位誤差。

(5)屏蔽

屏蔽就是用金屬網、箔、殼、管等導體把需要保護的對象包圍起來，阻隔閃電的脈沖電磁場從空間入侵的通道。屏蔽是防止雷電電磁脈沖輻射對電子設備影響的最有效方法。

(編輯／鄭釗萍)