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雷电的形成及防雷措施


雷电的形成及防雷措施
辛宪同 所谓雷电,就是天空中的某一块云层与另一块云层或者与大地, 由于所带的电荷性质相反而产生瞬间剧烈放电的现象。 在这放电过程 中,往往伴随着强烈耀眼的闪光和震耳欲聋的巨响。 雷击所造成的危害主要有两种形式。 一是带电的云层对大地上的 某一点发生猛烈放电,“宜击雷”。当“直击雷”发生时,往往会对 地面的物体产生强大的打击作用, 其破坏力也是巨大的

。 另一种叫 “感 应雷“。它的形成过程是由带电云层的静电感应作用,使地面某一范 围带上异种电荷。当“雷电”发生后,云层带电迅速消失,而地面某 些范围内由于地电阻或导体电阻的存在,当瞬间大电流流过时,就会 导致小范围或局部的瞬间过电压。或者由于宜击雷放电过程中,强大 的脉冲电流周围的导线或:金属物产生电磁感应而发生瞬间过电压, 以致形成闪击的现象,称“感应雷”。 “感应雷“造成的瞬间过电压, 指在微秒到毫秒之内产生的尖峰冲击电压。如下图。

该电压常高达 2KV~20KV。瞬间过电压损坏的常是电子设备和电 器。

除雷电可产生瞬间过电压外,当有大负载(如大电机、变压器) 电器设备开关时,也会产生瞬间过电压。 根据多种世界认可的研究标准,一般电源线上的感应电流在 300CbA 左右,绝不超过 10000A,而电压则不超过印 DC)V。在数据/ 讯号线,及电话线上,感应电压一般在 5000V 左右,而感应电流则大 约为数百安培。 在雷电家族中,至今还有一位神秘的人物,那就是“滚雷”,又 叫“球形闪电”。由于人们对它的成因等还不十分清楚,故还不能有 效的防护,只能在多发地区,架设防护网、避雷带来进行防护。 自从有了人类以来,人类就对闪电感到神秘莫测,创造了好多神 话、传说。直到二百年前,富兰克林证实雷电是电,并发明避雷针以 后,人类才开始能主动的去避免雷电造成的危害。二百多年来,已取 得辉煌成就。 避雷针是防止雷击的最常用基本方法。 避雷针防雷法是依靠比被 保护物高出许多的垂直避雷针,将雷击引向自身入地,使被保护物免 受雷击,而得到保护,但无法获得一个十分肯定的安全区。装了避雷 针后,还有绕击、反击和感应过电压的情况。当避雷针受到雷击时, 如果接地电阻值过高或者避雷针离开被保护物的距离小于安全距离, 会造成避雷针或引下线上的高电压对被保护物的反击; 避雷针对被保 护物的空间距离必须大于 5 米, 对被保护物的接地装置间的地中距离

必须大于 3 米。但在实际现场应用中,很难做到。另一方面,当装有 避雷针的接地网腐蚀严重,其电阻超过规定的 46 的要求,导致反击 反生。此外,当雷击避雷针时,如果有人站在附近,而接触针茎或引 下线,会受到很高的接触电压,以及沿地面半径形成的跨步电压,都 会对人畜造成危害。 由于传统避雷针的上述缺陷,人们试图用“消雷”的方法来限制 雷电的危害。 消雷器主要有导体消雷器和半导体少长针消雷器。 导体消雷器,其原理是利用雷云和大地之间的电场能量,使消雷 器产生的电范粒子限制雷云向下的放电光导和消雷器向上的引发光 导。 其工作原理,(1)消雷器顶端的空间电场较均匀,使向上的引发 光导难以发生。 (2)由于空间电荷的屏蔽作用,使由雷云向下的光导 难以向下深入发展。(3)当由雷云向下的光导深入到距消雷器顶端 360~ 300 米时,消雷器上空的空间电荷将迅速地向光导端部转移, 对向下光导的发展才向起抑制和阻挠作用,同时,空间电荷也进入光 导通道,中和光导通道中的部分异性电荷。(4)当光导端部到消雷器 顶端距离小到一定数值时, 其距离形成的间隙上的场强从每米几十伏 上升到数百伏,甚至在达到 400~500KV/m。于是消雷器就能经光导 通道向雷云发送大量的电荷粒子流,电流强度达到安级,最大值可达

100 安左右,使雷云电荷显著减少,把原来可能发生的千安·秒的主 放电过程,转化为安·秒的放电过程。这样,在消雷器附近的反击和 感过电压也就不存在了。导体消雷器万一不能消雷,仍能起到普通避 雷针的屏蔽保护作用。 伞形导体消雷器(如右图)的保护半径 R,参考经验公式为: R=1.5h+L: h—消雷器高度 L—带正极性的离于 电荷从消雷器顶端到达云层的距离。经验值 300—360 米。

导体消雷器在国内运用十几年来,统计证明,在 345 米的地面保 护半径内,防雷效果极好。 半导体消雷器, 也就是指半导体少长针消雷器。 由半导体长针组, 接地引下线和接地装置组成。长针组每根针长 5 米,表面涂有半导体 电阻层,阻值 35Kom,外层涂有防老化层,上端部有 4 根钢质分又尖

针。为了保证足够的中和电流,必须装在高于 40 米的建筑物或塔体 上。长针数量由 7 到 19 根。整个消雷装置的接地电阻大约为 30Q。 半导体消雷器的原理是利用少长针的独特结构, 在百云电场下产 生强烈的电晕放电, 借助布满在空中的空间电荷产生屏蔽作用并中和 雷云电荷,且利用半导体材料的非线性电阻改变雷电发展过程。延长 放电时间,减小雷电流的峰值强度,从而提高保护效果。它能够消灭 由地面向上发展的雷电,当天空中有强霄云时,能发出 1~ 2 米长的 电晕大花,中和电流达安级。上海东方明珠电视塔,就是采用的半导 体少长针消雷器,效果很好。据统计,可减少雷击主板电电流大为减 弱。 与“直击雷”相比,“感应雷”造成了更多的设备损坏。为了避 免“感应雷”的危害,人类也一直没有停止探索。现在我国大都使用 避雷器,如氧化锌压敏电阻避雷器来预防“感应雷”。但随着近二十 年来,半导体和计算机技术的发展,大量的半导体集成电路和数字计 算机设备大量投入使用, 这种老式的避雷器因残压高(有时交达 1000 伏以上),反应速度慢,常不能有效的保护精密的设备,造成重大损 失。故而近来一种新型的防“感应雷”设备,称电源浪涌抑制器,正 在国外迅速推广普及。这几年,在国内的电信,广播电视、银行、证 券等行业也开始采用。

该设备主要用来防止“感应雷”的危害。应用在电源设备上的有 二种型式。 (1)并联式电源浪涌抑制器。(2)串联式电源浪涌抑制器。 另外还有专门应用在各种数字、模拟信号线上的感应雷防护器。 根据各种资料统计, 现有的电源浪涌抑制器的箝位电压大多数都 不大于 600 伏, 远低于老式避雷器的箝位电压, 保证了各种精密设备, 如计算机、数字卫星接收机,固态广播电视发射机的安全工作。其工 作原理为,浪涌抑制器内有高能密住器件(有特殊金属氧化物压敏电 阻和放电管组成)和特别的滤波网络电路组成。它们备有每相电流复 载从 32 安到 1630 安的单相和三相型号。 它其中的箝位器件由多个原 件组成。当雷击时,雷电流(或感应电流)在至少 30ms 内,经过一定 到地通道多次放电,原件很快累积热量,当单个原件超过其热或电能 值的时候, 它们会陆续从主电路上断开, 让其它元件继续起保护作用。 其保护能力,由指示灯来表示。当浪涌处理能力陈至低于 80%时, 就应更换新的浪涌抑制器了。 在种类选择上,大多数用户选用并联式浪涌抑制器。因为与串联 式的相比,并联式具有体积小容量大,对电源的响应时间无影响,无 串联电阻,平时对电网无影响等优点。现有的电源浪涌抑制器,大多 数具有剩余容量指示,可使你对工作态一目了然。有些型号还有遥控 显示工作状态、报警、记录雷击次数等功能。在按装时,应按装在电 源的进端,和架空线路的近端。按装时的联线要求尽量短,一般要求 不超过 25cm,并将联线捆扎在一起。

在为各种信号线(如程控交换机、因特网、卫星信号和有线电视 等)选择浪涌抑制器时,要特别注意以下几个问题。(1)串联电阻。在 一些小信号、低电压线路中,应尽量选用串联电阻小的流涌抑制器, 以减少对信号的衰减。(2)适用的电压范围。如选择不当,使正常的 信号无法传输。(3)频带宽度。这个问题对数字信号和卫星信号的传 输尤为重要。 我台在去年的避雷系统改革中,针对我台的实际情况,重点加强 了接地网重复铺设和多个接地点的联结,使接地电阻进一步减小。在 电源进线处和架空线的近端安装了浪涌抑制器。在院墙上和宙外,安 装了预防“滚雷”的拦截网,便我台的防雷能力大加强。


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