[科普中国]-避雷

雷电的成因

雷电产生与带电的积雨云中，当正负电荷分别聚积在同一云体的不同部位或在不同的云团中时，由于同一雷雨内部不同部位或不同云体间聚积的电荷量不同、或极性不同，而产生大气电场，当大气电场强度达到可以击穿空气时，就会发生强烈的放电现象，闪电就发生了，此时的闪电称为云中闪或云际闪电2。

当带电云层移动接近地面或建筑物时，由于静电感应的原因，使地面或建筑物表面产生异性电荷，随着电荷量的增加或云地/建筑物距离的缩短，带电云层与地或建筑物间的电场强度可以击穿空气绝缘强度时，开始瞬间放电，闪电(云地闪)也就发生了。

雷电的种类
雷电的主要放电形式有四种：即云中闪电、云际闪电、云空闪电和云地闪电。其中云地闪电对人类危险最大3。
从雷电危害的角度分，有直击雷(云地闪电)、感应雷、雷电侵入波和球形雷等几种雷电现象。
直击雷是指天空中带电云团与大地之间的放电现象。约占全球每年雷电的1/5～1/6，放电电流可达200kA以上，并且有1Mv以上的高电压，因而危害性最大。
感应雷也称作雷电感应，分静电感应和电磁感应两种。静电感应是由于雷云接近地面时在架空线路或其他凸出物顶部感应出大量电荷引起的；电磁感应是由于雷击后，巨大的雷电流在周围空间产生迅速变化的强磁场所引起的。这种强磁场能在其附近的金属导体上感应出很高的电压。
雷电侵入波是由于雷击而在架空线路或空中管道产生冲击电压，并以极快的速度沿线路或管道的两个方向传播的雷电波。
球形雷是一种雷电时形成的发红光或白光的火球。在雷雨季节，球形雷有时可能从门窗、烟囱等通道侵入室内。

雷电的危害雷电的危害包括三方面3：

1.直接雷击(直击雷)，即我们通常所说的闪电。直击雷具有热效应、电效应和机械效应三大效果，且雷电能量巨大，可瞬间造成被击物折损、坍塌等物理损坏和电击损害。

2.感应雷，雷云形成过程中，由于雷云中电荷的聚积，及闪电发生时雷云中电荷的急剧减少，会形成大范围的静电感应和电磁感应现象，从而造成雷电影响范围内(闪电发生处半径2Km内)的金属导体出现高电位(强电压)和瞬间冲击电流(电涌)。可能造成的主要危害是由于电位差造成相邻导体产生电火花，电涌造成电源及信号线路发生击穿现象，造成线路短路，并侵入用电设备造成设备损坏。尤其是对低压电气系统和电子信息系统危害更大。

3.传导雷：雷电击中地面物体尤其是建筑物时，雷电流泄放过程中经进出建筑物的金属管道、电源和信号线路向外传导(约为全部雷电流的50%)，从而对其它建筑物内的线路及设施造成危害。

避雷误区首先需要说明的是，“避雷”这个词在现代雷电防护技术中就是错误的，是一种误解，至少在现代科学技术下还不能真正做到避开雷电。虽然科学家们通过激光、火箭等方式可以改变雷电的形成时间和雷击点，但目前仅限于科学研究，无法得到普及使用。

避雷措施针对雷电的危害，避雷措施分为外部避雷措施和内部避雷措施两方面4。

外部避雷措施主要有安装接闪器(如避雷针、避雷带、避雷网等)、引下线和接地装置。接闪器用于截获闪电，避免被保护物受到闪电直接雷击；接地装置用于雷电流向大地的泄散，并有接地电阻要求；引下线用于连接接闪器和接地装置。

内部避雷措施包括：屏蔽、合理布线、安装避雷器(SPD)、等电位联结、接地。屏蔽和合理布线可减少静电感应和电磁感应对线路和设备的影响；避雷器的安装可限制线路上的电涌电压并引导雷电流的泄散；等电位连接可避免相邻金属物及线路间出现反击；接地是屏蔽及避雷器发挥作用的重要保障。

避雷装置避雷针、避雷线、避雷网、避雷带、避雷器都是经常采用的避雷装置。一套完整的避装置包括接闪器、引下线和接地装置。上述的针、线、网、带都只是接闪器，而避雷器是一种专门的避雷装置5。

接闪器避雷针、避雷线、避雷网和避雷带都可作为接闪器，建筑物的金属屋面可作为第一类工业建筑物以外其他各类建筑物的接闪器。这些接闪器都是利用其高出被保护物的突出地位，把雷电引向自身，然后通过引下线和接地装置，把雷电流泄入大地，以此保护被保护物免受雷击。

①接闪器保护范围。接闪器的保护范围可根据模拟实验及运行经验确定。由于雷电放电途径受很多因素的影响，要想保证被保护物绝对不遭受雷击是很困难的，一般只要求保护范围内被击中的概率在0.1%以下即可。接闪器的保护范围现有两种计算方法：对于建筑物闪器的保护范围按滚球法计算；对于电力装置，接闪器的保护范围按折线法计算。

②接闪器材料。接闪器所用材料应能满足机械强度和耐腐蚀的要求，还应有足够的热稳定性，以能承受雷电流的热破坏作用。

避雷针一般用镀铸圆钢或钢管制成。避雷网和避雷带用镀铸圆钢或扁钢制成。

避雷线一般采用截面积不小于35mm2的镀铸钢绞线。

用金属屋面作接闪器时,金属板之间的搭接长度不得小于100mm。金属板下方无易燃物品时,其厚度不应小于0.5mm；金属板下方有易燃物品时,为了防止雷击穿孔，所用铁板、铜板、铝板厚度分别不得小于4mm、5mm和7mm。所有金属板不得有绝缘层。接闪器焊接处应涂防腐漆，其截面锈蚀30%以上时应予更换。

接闪器使整个地面电场发生畸变，但其顶端附近电场局部的不均匀,由于范围很小,而对于从带电积云向地面发展的先导放电没有影响。因此，作为接闪器的避雷针端部尖不尖、分叉不分叉,对其保护效能基本上没有影响。接闪器涂漆可以防止生锈，对其保护作用也没有影响。

避雷器避雷器并联在被保护设备或设施上，正常时处在不通的状态。出现雷击过电压时，击穿放电，切断过电压，发挥保护作用。过电压终止后，避雷器迅速恢复不通状态，恢复正常工作。避雷器主要用来保护电力设备和电力线路，也用作防止高电压侵入室内的安全措施。避雷器有保护间隙、管型避雷器和阀型避雷器之分，应用最多的是阀型避雷器。

阀型避雷器主要由瓷套、火花间隙和非线性电阻组成。瓷套是绝缘的，起支撑和密封作用。火花间隙是由多个间隙串联而成的。每个火花间隙由两个黄铜电极和一个云母垫圈组成。云母垫圈的厚度为0.5～1mm。由于电极间距离很小，其间电场比较均匀，间隙伏-秒特性较平，保护性能较好。非线性电阻又称电阻阀片。电阻阀片是直径为55～100mm的饼形元件，由金刚砂(SiC)颗粒烧结而成。非线性电阻的电阻值不是一个常数，而是随电流的变化而变化的：电流大时阻值很小，电流小时阻值很大。

在避雷器火花间隙上串联了非线性电阻之后，能遏止振荡，避免截波，又能限制残压不致过高。还有一点必须注意到，虽然雷电流通过非线性电阻只遇到很小的电阻，而尾随而来的工频续流比雷电流小得多，会遇到很大的电阻，这为火花间隙切断续流创造了良好的条件。这就是说，非线性电阻和间隙的作用类似一个阀门的作用：对于雷电流，阀门打开，使泄入地下；对于工频电流，阀门关闭，迅速切断之。其“阀型”之名就是由此而来的。

火花间隙相当于多个串联的大小相等的电容。由于各电极对地电容和高压部分电容不同，而且还受外界条件的影响，使得电压在各间隙上的分布是不均匀的，使避雷器的性能受到影响。为此，可将火花间隙分成若干组，每组火花间隙上并联适当的均压电阻。如果均压电阻值比间隙电容的容抗值小得多，则间隙上电压的分配决定于均压电阻的大小，可做到大体上是均匀的。电站用FZ10型阀型避雷器就是这种避雷器。

压敏阀型避雷器是一种新型的阀型避雷器，这种避雷器没有火花间隙，只有压敏电阻阀片。压敏电阻阀片是由氧化锌、氧化铋等金属氧化物烧结制成的多晶半导体陶瓷元件，具有极好的非线性伏安特性，其非线性系数α=0.05，已接近理想的阀体。在工频电压的作用下，电阻阀片呈现极大的电阻，使工频电流极小，以致无须火花间隙即可恢复正常状态。压敏电阻的通流能力很强，因此，压敏避雷器体积很小。压敏避雷器适用于高、低压电气设备的防雷保护。

引下线防雷装置的引下线应满足机械强度、耐腐蚀和热稳定的要求。引下线一般采用圆钢或扁钢，其尺寸和防腐蚀要求与避雷网、避雷带相同。用钢绞线作引下线，其截面积不得小于25mm2。用有色金属导线做引下线时，应采用截面积不小于16mm2的铜导线。

引下线应沿建筑物外墙敷设，并应避免弯曲，经最短途径接地。建筑艺术要求高者可以暗敷设，但截面积应加大一级。建筑物的金属构件(如消防梯等)可用作引下线，但所有金属构件之间均应连成电气通路，并且连接可靠。

采用多条引下线时，为了便于接地电阻和检查引下线、接地线的连接情况，宜在各引下线距地面高约1.8m处设断接卡。

采用多条引下线时，第一类和第二类防雷建筑物至少应有两条引下线，其间距离分别不得大于12m和18m；第三类防雷建筑物周长超过25m或高度超过40m时，也应有两条引下线，其间距离不得大于25m。

在易受机械损伤的地方，地面以下0.3m至地面以上1.7m的一段引下线应加竹管、角钢或钢管保护。采用角钢或钢管保护时，应与引下线连接起来，以减小通过雷电流时的电抗。引下线截面锈蚀30%以上者应予以更换。

避雷接地装置接地装置是防雷装置的重要组成部分。接地装置向大地泄放雷电流，限制防雷装置对地电压不致过高。

除独立避雷针外，在接地电阻满足要求的前提下，防雷接地装置可以和其他接地装置共用。

①防雷接地装置材料。防雷接地装置所用材料应大于一般接地装置的材料。防雷接地装置应作热稳定校验。

②接地电阻值。防雷接地电阻一般指冲击接地电阻，接地电阻值视防雷种类和建筑物类别而定。独立避雷针的冲击接地电阻一般不应大于100；附设接闪器每一引下线的冲击接地电阻一般也不应大于10Ω；但对于不太重要的第三类建筑物可放宽至30Ω。防感应雷装置的工频接地电阻不应大于10Ω。防雷电侵入波的接地电阻，视其类别和防雷级别，冲击接地电阻不应大于5～30Ω，其中，阀型避雷器的接地电阻不应大于5～10Ω。

冲击接地电阻一般不等于工频接地电阻。这是因为极大的雷电流自接地体流入土壤时，接地体附近形成很强的电场，击穿土壤并产生火花，相当于增大了接地体的泄放电流面积，减小了接地电阻。同时，在强电场的作用下，土壤电阻率有所降低，也使接地电阻有减小的趋势。另一方面，由于雷电流陡度很大，有高频特征，使引下线和接地体本身的电抗增大；如接地体较长，其后部泄放电流还将受到影响，使接地电阻有增大的趋势。一般情况下，前一方面影响较大，后一方面影响较小，即冲击接地电阻一般都小于工频接地电阻。土壤电阻率越高，雷电流越大，以及接地体和接地线越短，则冲击接地电阻减小越多。

③跨步电压的抑制。为了防止跨步电压伤人，防直击雷接地装置距建筑物和构筑物出入口和人行横道的距离不应小于3m。当小于3m时，应采取下列措施之一：水平接地体局部深埋1m以上；水平接地体局部包以绝缘物(例如，包以厚50～8Ocm的沥青层)；铺设宽度超出接地体2m、厚50～8Ocm的沥青路面；埋设帽檐式或其他型式的均压条。

消雷装置消雷装置由顶部的电离装置、地下的电荷收集装置和中间的连接线组成。

消雷装置与传统避雷针的防雷原理完全不同。后者是利用其突出的位置，把雷电吸向自身，将雷电流泄入大地，以保护其保护范围内的设施免遭雷击。而消雷装置是设法在高空产生大量的正离子和负离子，与带电积云之间形成离子流，缓慢地中和积云电荷，并使带电积云受到屏蔽，消除落雷条件。

除常见的感应式消雷装置外，还有利用半导体材料，或利用放射性元素的消雷装置。

地电荷收集装置(接地装置)宜采用水平延伸式接地装置，以利于收集电荷。

人身避雷雷暴时，由于带电积云直接对人体放电，雷电流入地产生对地电压，以及二次放电等都可能对人造成致命的电击。因此，应注意必要的人身防雷安全要求。

雷暴时，非工作必须，应尽量减少在户外或野外逗留；在户外或野外最好穿塑料等不浸水的雨衣。如有条件，可进入有宽大金属构架或有防雷设施的建筑物、汽车或船只；如依靠建筑屏蔽的街道或高大树术屏蔽的街道躲避，要注意离开墙壁或树干8m以外。

雷暴时，应尽量离开小山、小丘、隆起的小道，离开海滨、湖滨、河边、池塘旁，避开铁丝网、金属晒衣绳以及旗杆、烟囱、宝塔、孤独的树木附近，还应尽量离开没有防雷保护的小建筑物或其他设施。

雷暴时，在户内应注意防止雷电侵入波的危险，应离开照明线、动力线、电话线、广播线、收音机和电视机电源线、收音机和电视机天线，以及与其相连的各种金属设备，以防止这些线路或设备对人体二次放电。调查资料表明，户内70%以上对人体的二次放电事故发生在与线路或设备相距1m以内的场合，相距1.5m以上者尚未发生死亡事故。由此可见，雷暴时人体最好离开可能传来雷电侵入波的线路和设备1.5m以上。应当注意，仅仅拉开开关对于防止雷击是起不了多大作用的。

雷雨天气，还应注意关闭门窗，以防止球雷进入户内造成危害