淺議雷電災害與新型防雷裝置


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

近年來，我國國民經濟、信息技術、特別是計算機網絡技術發展迅猛，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，華東某省防雷設施進行普查時發現，近1/4的防雷裝置不合格，15%的建筑物應安裝防雷設施而未安裝。目前，社會各界對雷電災害必須有一個充分的認識。傳統雷電防護設備及特點

傳統避雷針由接閃器、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，國內外專家對防雷裝置進行了大量的研究和試驗，結果表明：單一的、垂直的避雷針無法獲得十分肯定的保護區域。電力系統的變電站、發電廠雖然安裝了避雷針，但在它的保護范圍內，電氣設備遭受雷擊而導致的事故則時有發生，避雷針有時成了事實上的引雷針。

感應過電壓：當雷擊避雷針時，在附近架空線路的導線上會出現300至400千伏的感應過電壓(感應雷),對電壓低、薄絕緣的設備造成損害。

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：如果發射天線或建筑物上的航標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，必將發生重大的雷擊事故，傳統避雷針對這種災害事故是無能為力的。

接觸電壓和跨步電壓：當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，當人在該區域活動時，人的兩腳之間將有電壓差，即跨步電壓對人體產生致命的威脅。

傳統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備。為此，在部分設備上安裝RC吸收器、擊穿保險、抗浪涌過電壓保護器等，可以確保設備不受過電壓的危害?，F代新型防雷裝置半導體少長針消雷裝置(簡稱SLE)是在避雷針的基礎上發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根半導體針組成，向上呈輻射狀，布置在數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，每根半導體針長約5米，針體電阻為35千歐姆，單針閃絡電壓在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；采用半導體電阻抑制上行雷的發展，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備的不足；保護范圍大，其保護角為80度。

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

SLE對雷擊次數的削減作用：對電暈電流具有中和及空間電荷的屏蔽效應。由于SLE本身在結構和設計上，充分考慮了用雷云電場強大而產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，使先導放電難以發生，減少了下行雷的次數。

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于一個充了電的電容器，當雷擊大地時，相當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靠半導體水平的長針增大了下行雷的吸引能力，靠半導體電阻的限流作用，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的結構特點，垂直的長針可發出下行雷的迎面先導，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展的迎面先導，大大降低了雷擊系數。根據《半導體少長針消雷裝置使用的安全要求》(GB/T16438-1996),對于一般設施，半導體少長針避雷針的地面保護范圍取塔高的5倍。因此，只須將傳統避雷針的“接閃器”鋸下，將半導體少長針避雷針焊上，即可改造為半導體少長針避雷針。