淺議雷電災(zāi)害與新型防雷裝置


夏季是雷雨天氣的高發(fā)期，雷電災(zāi)害是聯(lián)合國公布的10種最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，也是目前中國十大自然災(zāi)害之一。根據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，全世界平均每分鐘發(fā)生雷暴2000余次，北美洲石化企業(yè)所發(fā)生的火災(zāi)、爆炸事故約55%源于雷擊。我國的雷擊災(zāi)害也十分頻繁，受災(zāi)率較高，每年有三四千人因雷擊傷亡，造成財產(chǎn)損失50億至100億元。

近年來，我國國民經(jīng)濟、信息技術(shù)、特別是計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅猛，城市高層建筑日益增多，雷電危害造成的損失也越來越大。2002年，華東某省防雷設(shè)施進行普查時發(fā)現(xiàn)，近1/4的防雷裝置不合格，15%的建筑物應(yīng)安裝防雷設(shè)施而未安裝。目前，社會各界對雷電災(zāi)害必須有一個充分的認識。傳統(tǒng)雷電防護設(shè)備及特點

傳統(tǒng)避雷針由接閃器、引下線、接地裝置三部分組成。其主要作用是引導(dǎo)云層電荷與地下土壤中的電荷中和，消除雷電，以達到防雷擊的目的。

保護范圍：多年來，國內(nèi)外專家對防雷裝置進行了大量的研究和試驗，結(jié)果表明：單一的、垂直的避雷針無法獲得十分肯定的保護區(qū)域。電力系統(tǒng)的變電站、發(fā)電廠雖然安裝了避雷針，但在它的保護范圍內(nèi)，電氣設(shè)備遭受雷擊而導(dǎo)致的事故則時有發(fā)生，避雷針有時成了事實上的引雷針。

感應(yīng)過電壓：當(dāng)雷擊避雷針時，在附近架空線路的導(dǎo)線上會出現(xiàn)300至400千伏的感應(yīng)過電壓(感應(yīng)雷),對電壓低、薄絕緣的設(shè)備造成損害。

雷電反擊：避雷針引下線的接地端與大地間存在一定的接地電阻，當(dāng)雷電流通過引下線和接地裝置入地時，會形成很高的電位。當(dāng)避雷針和被保護物之間距離不夠大時，高壓電將直接對保護物放電，這一反擊現(xiàn)象也可能通過避雷針接地裝置上的高電壓擊穿與被保護物之間的土壤，對被保護物的接地裝置放電。

高電位引入：如果發(fā)射天線或建筑物上的航標(biāo)燈與避雷針同在一個塔上(由于天線饋線不能埋地),雷擊塔頂避雷針時,將會有近百萬伏的電壓引入控制機房，必將發(fā)生重大的雷擊事故，傳統(tǒng)避雷針對這種災(zāi)害事故是無能為力的。

接觸電壓和跨步電壓：當(dāng)雷擊避雷針或桿塔時，如果有人站在地面上用手去觸摸塔身或引下線，作用在人手和腳之間的接觸電壓可能危及人的生命。又由于雷電流在土壤中擴散時會在地面沿半徑的各點形成不同的電位，當(dāng)人在該區(qū)域活動時，人的兩腳之間將有電壓差，即跨步電壓對人體產(chǎn)生致命的威脅。

傳統(tǒng)的避雷器及新型的氧化鋅避雷器雖然能抑制雷電波和感應(yīng)過電壓波(在接地裝置良好接地時,有助于削弱過電壓),但殘余電壓仍足以損壞設(shè)備。為此，在部分設(shè)備上安裝RC吸收器、擊穿保險、抗浪涌過電壓保護器等，可以確保設(shè)備不受過電壓的危害。現(xiàn)代新型防雷裝置半導(dǎo)體少長針消雷裝置(簡稱SLE)是在避雷針的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種能降低雷電流幅值和陡度的新型防直擊雷裝置。它由5至19根半導(dǎo)體針組成，向上呈輻射狀，布置在數(shù)個垂直交叉的扇面上，同一扇面相臨兩針間的夾角為20度～125度，每根半導(dǎo)體針長約5米，針體電阻為35千歐姆，單針閃絡(luò)電壓在1500千伏以上。每根針端部有4根30厘米長的金屬針。我們目前看到較多的是球形半導(dǎo)體避雷針。它的特點在于采用了少長針的形式增大了中和電流；采用半導(dǎo)體電阻抑制上行雷的發(fā)展，并大幅度降低雷擊的主放電電流，從而克服了避雷針或其他防雷設(shè)備的不足；保護范圍大，其保護角為80度。

SLE由半導(dǎo)體針組、接地引下線和接地裝置(接地電阻可放寬到30歐姆)組成,是目前世界上最先進的防雷裝置。


SLE對上行雷的抑制：據(jù)國外權(quán)威研究機構(gòu)的資料介紹，建筑物和高塔從下向上發(fā)展的雷電比例很高，如果能削減向上發(fā)展的雷電，則高塔落雷的總數(shù)將大大減少。實測和研究證明，上行雷的形成需要有100安培以上的上行導(dǎo)電電流，理論上，計算、試驗、電子計算機仿真及運行經(jīng)驗都顯示，半導(dǎo)體針的電阻足以將上行先導(dǎo)電流抑制在幾十安培以下，從而控制了上行雷先導(dǎo)電流的發(fā)展，抑制了上行雷的形成。

SLE對雷擊次數(shù)的削減作用：對電暈電流具有中和及空間電荷的屏蔽效應(yīng)。由于SLE本身在結(jié)構(gòu)和設(shè)計上，充分考慮了用雷云電場強大而產(chǎn)生強烈的中和電流的因素，SLE可使雷云電場減小到放電電流極限以下，故能有效地防止雷擊發(fā)生。SLE本身可以減弱其上部及保護物上部的電場強度，使先導(dǎo)放電難以發(fā)生，減少了下行雷的次數(shù)。

SLE對下行雷主放電電流的抑制：起電后的雷云和大地之間相當(dāng)于一個充了電的電容器，當(dāng)雷擊大地時，相當(dāng)于把已充好電的電容器的正、負極直接短路，若在電容器的放電回路中串入電阻，則可以降低電容放電電流的幅值，延長放電時間，這就是SLE限制下行雷電流的原理。SLE靠半導(dǎo)體水平的長針增大了下行雷的吸引能力，靠半導(dǎo)體電阻的限流作用，消除上行雷和大幅度降低那些未中和的下行雷的雷電波幅值和陡度。由于SLE的結(jié)構(gòu)特點，垂直的長針可發(fā)出下行雷的迎面先導(dǎo)，水平長針可增大下行雷的吸引能力，從而降低了SLE附近的電場強度，使SLE附近地面及保護物形成向上發(fā)展的迎面先導(dǎo)，大大降低了雷擊系數(shù)。根據(jù)《半導(dǎo)體少長針消雷裝置使用的安全要求》(GB/T16438-1996),對于一般設(shè)施，半導(dǎo)體少長針避雷針的地面保護范圍取塔高的5倍。因此，只須將傳統(tǒng)避雷針的“接閃器”鋸下，將半導(dǎo)體少長針避雷針焊上，即可改造為半導(dǎo)體少長針避雷針。