[科普中国]-消雷器

这是一种防雷装置。由设置在被保护物上方、带有很多尖端电极的电离装置，设置在地表层内的地电流收集装置和接通这两种装置的连接线构成。电离装置在雷云强电场中大致保持着大地电位，它和附近空气的电位差会随雷云电场强度激增而促使场强区内针尖附近的空气电离，形成大量空间电荷。一般雷云下层为负电荷，地面感应产生正电荷。电离的负电荷为地电流收集装置所吸收，电离的正电荷为雷云负电荷所吸引和中和，从而发生消雷作用。

提出前景当人们知道雷是一种电现象后，对雷电的崇拜和恐惧就逐渐消失，并开始以科学的眼光来从新观察这一神奇的自然现象，希望能利用或控制雷电活动以造福人类。200多年前富兰克林率先在技术上向雷电发起了挑战，他发明的避雷针可能要算是最早的防雷产品，其实，富兰克林在发明避雷针时是以为金属避雷针的尖端放电作用可以综合雷云中的电荷，使雷云和大地间的电场降低到无法击穿空气的水平，从而避免了雷击的发生，所以当时的避雷针一定要求是尖的。但后来的研究表明：避雷针是无法避免雷击的发生的，它之所以能防止雷击是因为高高耸立的避雷针改变了大气电场，使得一定范围的雷云总是向避雷针放电，也就是说避雷针只是比它周围的其它物体更容易接闪雷电，避雷针被雷击中而其它物体受到保护，这就是避雷针的防雷原理。进一步的研究表明避雷针的接闪作用几乎只与其高度有关，而与其外形无关，就是说避雷针不一定是尖的。现在防雷技术领域统称这一类防雷装置为接闪器。

发展历史电的普遍使用促进了防雷产品的发展，当高压输电网为千家万户提供动力和照明时，雷电也大量危害高压输变电设备。高压线架设高、距离长、穿越地形复杂，容易被雷击中。避雷针的保护范围不足以保护上千公里的输电线，因此避雷线作为保护高压线的新型接闪器就应运而生。在高压线获得保护后，与高压线连接的发、配电设备仍然被过电压损坏，人们发现这是由于 “感应雷”在作怪。（感应雷是因为直击雷放电而感应到附近的金属导体中的，感应雷可通过两种不同的感应方式侵入导体，一是静电感应：当雷云中的电荷积聚时，附近的导体也会感应上相反的电荷，当雷击放电时，雷云中的电荷迅速释放，而导体中原来被雷云电场束缚住的静电也会沿导体流动寻找释放通道，就会在电路中形成电脉冲。二是电磁感应：在雷云放电时，迅速变化的雷电流在其周围产生强大的瞬变电磁场，在其附近的导体中产生很高的感生电动势。研究表明：静电感应方式引起的浪涌数倍于电磁感应引起的浪涌。）雷电在高压线上感应起电涌，并沿导线传播到与之相连的发、配电设备，当这些设备的耐压较低时就会被感应雷损坏，为抑制导线中的电涌，人们发明了线路避雷器。

早期的线路避雷器是开放的空气间隙。空气的击穿电压很高，约500kV/m，而当其被高电压击穿后就只有几十伏的低压了。利用空气的这一特性人们设计出了早期的线路避雷器，将一根导线的一端连在输电线上，另一根导线的一端接地，两根导线的另一端相隔一定距离构成空气间隙的两个电极，间隙距离确定了避雷器的击穿电压，击穿电压应略高于输电线的工作电压，这样当电路正常工作时，空气间隙相当于开路，不会影响线路的正常工作。当过电压侵入时，空气间隙被击穿，过电压被箝位到很低的水平，过电流也通过空气间隙泄放入地，实现了避雷器对线路的保护。开放间隙有太多的缺点，如击穿电压受环境影响大；空气放电会氧化电极；空气电弧形成后，需经过多个交流周期才能熄弧，这就可能造成避雷器故障或线路故障。以后研制出的气体放电管、管式避雷器、磁吹避雷器在很大程度上克服了这些毛病，但他们仍然是建立在气体放电的原理上。气体放电型避雷器的固有缺点：冲击击穿电压高；放电时延较长（微秒级）；残压波形陡峭（dV/dt较大）。这些缺点决定了气体放电型避雷器对敏感电气设备的保护能力不强。

半导体技术的发展为我们提供了防雷新材料，比如稳压管，其伏 —安特性是符合线路防雷要求的，只是其通过雷电流的能力弱，使得普通的稳压管不能直接用作避雷器。早期的半导体避雷器是以碳化硅材料做成的阀式避雷器，它具有与稳压管相似的伏 —安特性，但通过雷电流的能力很强。不过很快人们又发现了金属氧化物半导体变阻器（MOV），其伏 —安特性更好，并具有响应时间快、通流容量大等许多优点。因此，目前普遍采用MOV线路避雷器。

随着通信的发展，又产生了许多用于通信线路的避雷器，由于受通信线路传输参数的约束，这一类避雷器要考虑电容和电感等影响传输参数的指标。但其防雷原理与MOV基本一致。

工作原理消雷器是70年代发展起来的新型防雷装置。消雷器是由离子化装置、连接线及接地装置三部分组成（如附图所示），是利用金属针状电极的尖端放电原理设计的。在雷云电场作用下，当尖端场强达到一定值时，周围空气发生游离后，在电场力的作用下离去，而接替它的其它空气分子相继又被游离。如此下去，从金属尖端向周围有离子电流流去。随着电位的升高，离子电流按指数规律增加。当雷电出现在消雷器及被保护设备上空时，消雷器及附近大地均感应出与雷云电荷极性相反的电荷。安有许多针状电极的离子化装置，使大地的大量电荷在雷云电场作用下，由针状电极发射出去，向雷云方向运动，使雷云被中和，雷电场减弱，从而防止了被保护物遭受雷击。1

由上可知，消雷器的功能是使雷电冲击放电的微秒·千安级瞬变过程转化为秒·安级的缓慢放电过程，因而使被保护物上可能出现的感应过电压降低到无危害的水平，达到“防雷消灾”的目的。

分类根据离子化装置上的金属针状电极的不同，消雷器可分为少长针型和多短针型两大类。我国出产的有导体伞板型和导体阵列型消雷器两大系列。前者主要用于占地一定面积的发电厂、变电站、军火库、气象站、电视塔等高层建筑或重要防雷场所；后者则是用于架空线路的防雷保护。2

区别①、消雷器的顶端带有许多“尖端电极的电离装置”，而避雷针则是一根“金属棒”，顶部没有尖端的电极；

②、消雷器有“地电流收集装置”，它位于地表层内；而避雷针虽也有“接地装置”，但一般都位于地面表层，所以避雷针不一定能完全排除多余的电流。

优点由于消雷器安全可靠、便于安装，且基本不需维护，接地电阻又无需象避雷针那样要求高（一般小于100Ω即可），因而日益受到用户欢迎。

缺点人们通常以为，安装了避雷针的建筑物，就不会遭受雷击了，其实并不尽然。

目前世界上普遍使用的避雷针，仍然是1749年美国科学家富兰克林发明的。多年来，这种避雷针发挥过不少保护作用。但同时，该避雷针的副作用也很大。

首先，雷击时它把雷电流引入大地的过程中，要产生强大的感应电流，对电子设备的破坏性尤为巨大。全世界每年由此造成的直接经济损失在10亿美元以上，伤亡人数达5万多人。

其次，避雷针的保护作用是有选择性的。对感应雷如对沿着架空导线侵入变压器的高压电磁波，它是无能为力的。即使是对直击雷的防护，由于避雷针的“尖端引电”作用，而现今建筑多为钢筋水泥结构，避雷针吸引了雷电后，如果接地系统不良（比如接地线断开或接点虚爆等），雷电流不能顺利地向大地泄放，则建筑物钢筋就会带电，甚至高达几万伏，从而发生雷击事故。因此，重要设施（如火药库、油库）及高层建筑的避雷针，每年在雷季到 来之前，应进行接地电阻的测量，以保证接地系统良好。

再者，避雷针上的反击过电压不可忽视。即使避雷针的接地装置电阻很低（总不可能为零），在雷电波的冲击电压作用下，避雷针上总会产生很高的感应电势。当人或其它设备与之接近时，这个感应电势就会向人或其它设备放电，这就叫“反击”现象。为了防止避雷针上的反击过电压对人体造成伤害及对设备绝缘损坏，故规程规定设备的接地装置与避雷针的接地装置在土壤中间隙应大于3m，人行道与避雷针的空间距离应大于5m，主变压器在接地网上的引入点与避雷针的引入点之间的接地线长度不得小于15m。

此外，雷电形态也影响避雷针的保护效能。如球形雷（又称滚雷）常呈飘浮状态，往往不会被避雷针吸引，它常从建筑物高处的孔、洞、窗等隙缝钻入。所以雷雨时高层住宅的门窗最好关闭，电视机等家电免开，以防遭到球形雷伤害。

实例美国佛罗里达州空军武器系统试验场的365m高的通讯塔位于山峰上，加利福尼亚电视台的46m高的铁塔位于1676m高的高山上，印度麦卡萨海峡东岸石油公司92m高的通讯塔，都使用了消雷器，安装后再未受过雷击。我国昆明太华山气象站海拔469．3m，消雷塔60m高，未装消雷塔前多次遭受雷击。安装消雷塔后未再遭过雷击。贵州贵阳东山是重雷区，在山顶的电视塔上安装消雷器后，也未遭过雷击。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学