防雷技术

浅议雷电灾害与新型防雷装置


夏季是雷雨天气的高发期，雷电灾害是联合国公布的10种最严重的自然灾害之一，也是目前中国十大自然灾害之一。根据有关部门统计，全世界平均每分钟发生雷暴2000余次，北美洲石化企业所发生的火灾、爆炸事故约55%源于雷击。我国的雷击灾害也十分频繁，受灾率较高，每年有三四千人因雷击伤亡，造成财产损失50亿至100亿元。

近年来，我国国民经济、信息技术、特别是计算机网络技术发展迅猛，城市高层建筑日益增多，雷电危害造成的损失也越来越大。2002年，华东某省防雷设施进行普查时发现，近1/4的防雷装置不合格，15%的建筑物应安装防雷设施而未安装。目前，社会各界对雷电灾害必须有一个充分的认识。传统雷电防护设备及特点

传统避雷针由接闪器、引下线、接地装置三部分组成。其主要作用是引导云层电荷与地下土壤中的电荷中和，消除雷电，以达到防雷击的目的。

保护范围：多年来，国内外专家对防雷装置进行了大量的研究和试验，结果表明：单一的、垂直的避雷针无法获得十分肯定的保护区域。电力系统的变电站、发电厂虽然安装了避雷针，但在它的保护范围内，电气设备遭受雷击而导致的事故则时有发生，避雷针有时成了事实上的引雷针。

感应过电压：当雷击避雷针时，在附近架空线路的导线上会出现300至400千伏的感应过电压(感应雷),对电压低、薄绝缘的设备造成损害。

雷电反击：避雷针引下线的接地端与大地间存在一定的接地电阻，当雷电流通过引下线和接地装置入地时，会形成很高的电位。当避雷针和被保护物之间距离不够大时，高压电将直接对保护物放电，这一反击现象也可能通过避雷针接地装置上的高电压击穿与被保护物之间的土壤，对被保护物的接地装置放电。

高电位引入：如果发射天线或建筑物上的航标灯与避雷针同在一个塔上(由于天线馈线不能埋地),雷击塔顶避雷针时,将会有近百万伏的电压引入控制机房，必将发生重大的雷击事故，传统避雷针对这种灾害事故是无能为力的。

接触电压和跨步电压：当雷击避雷针或杆塔时，如果有人站在地面上用手去触摸塔身或引下线，作用在人手和脚之间的接触电压可能危及人的生命。又由于雷电流在土壤中扩散时会在地面沿半径的各点形成不同的电位，当人在该区域活动时，人的两脚之间将有电压差，即跨步电压对人体产生致命的威胁。

传统的避雷器及新型的氧化锌避雷器虽然能抑制雷电波和感应过电压波(在接地装置良好接地时,有助于削弱过电压),但残余电压仍足以损坏设备。为此，在部分设备上安装RC吸收器、击穿保险、抗浪涌过电压保护器等，可以确保设备不受过电压的危害。现代新型防雷装置半导体少长针消雷装置(简称SLE)是在避雷针的基础上发展起来的一种能降低雷电流幅值和陡度的新型防直击雷装置。它由5至19根半导体针组成，向上呈辐射状，布置在数个垂直交叉的扇面上，同一扇面相临两针间的夹角为20度～125度，每根半导体针长约5米，针体电阻为35千欧姆，单针闪络电压在1500千伏以上。每根针端部有4根30厘米长的金属针。我们目前看到较多的是球形半导体避雷针。它的特点在于采用了少长针的形式增大了中和电流；采用半导体电阻抑制上行雷的发展，并大幅度降低雷击的主放电电流，从而克服了避雷针或其他防雷设备的不足；保护范围大，其保护角为80度。

SLE由半导体针组、接地引下线和接地装置(接地电阻可放宽到30欧姆)组成,是目前世界上最先进的防雷装置。


SLE对上行雷的抑制：据国外权威研究机构的资料介绍，建筑物和高塔从下向上发展的雷电比例很高，如果能削减向上发展的雷电，则高塔落雷的总数将大大减少。实测和研究证明，上行雷的形成需要有100安培以上的上行导电电流，理论上，计算、试验、电子计算机仿真及运行经验都显示，半导体针的电阻足以将上行先导电流抑制在几十安培以下，从而控制了上行雷先导电流的发展，抑制了上行雷的形成。

SLE对雷击次数的削减作用：对电晕电流具有中和及空间电荷的屏蔽效应。由于SLE本身在结构和设计上，充分考虑了用雷云电场强大而产生强烈的中和电流的因素，SLE可使雷云电场减小到放电电流极限以下，故能有效地防止雷击发生。SLE本身可以减弱其上部及保护物上部的电场强度，使先导放电难以发生，减少了下行雷的次数。

SLE对下行雷主放电电流的抑制：起电后的雷云和大地之间相当于一个充了电的电容器，当雷击大地时，相当于把已充好电的电容器的正、负极直接短路，若在电容器的放电回路中串入电阻，则可以降低电容放电电流的幅值，延长放电时间，这就是SLE限制下行雷电流的原理。SLE靠半导体水平的长针增大了下行雷的吸引能力，靠半导体电阻的限流作用，消除上行雷和大幅度降低那些未中和的下行雷的雷电波幅值和陡度。由于SLE的结构特点，垂直的长针可发出下行雷的迎面先导，水平长针可增大下行雷的吸引能力，从而降低了SLE附近的电场强度，使SLE附近地面及保护物形成向上发展的迎面先导，大大降低了雷击系数。根据《半导体少长针消雷装置使用的安全要求》(GB/T16438-1996),对于一般设施，半导体少长针避雷针的地面保护范围取塔高的5倍。因此，只须将传统避雷针的“接闪器”锯下，将半导体少长针避雷针焊上，即可改造为半导体少长针避雷针。