[科普中國(guó)]-消雷器

這是一種防雷裝置。由設(shè)置在被保護(hù)物上方、帶有很多尖端電極的電離裝置，設(shè)置在地表層內(nèi)的地電流收集裝置和接通這兩種裝置的連接線構(gòu)成。電離裝置在雷云強(qiáng)電場(chǎng)中大致保持著大地電位，它和附近空氣的電位差會(huì)隨雷云電場(chǎng)強(qiáng)度激增而促使場(chǎng)強(qiáng)區(qū)內(nèi)針尖附近的空氣電離，形成大量空間電荷。一般雷云下層為負(fù)電荷，地面感應(yīng)產(chǎn)生正電荷。電離的負(fù)電荷為地電流收集裝置所吸收，電離的正電荷為雷云負(fù)電荷所吸引和中和，從而發(fā)生消雷作用。

提出前景當(dāng)人們知道雷是一種電現(xiàn)象后，對(duì)雷電的崇拜和恐懼就逐漸消失，并開(kāi)始以科學(xué)的眼光來(lái)從新觀察這一神奇的自然現(xiàn)象，希望能利用或控制雷電活動(dòng)以造福人類。200多年前富蘭克林率先在技術(shù)上向雷電發(fā)起了挑戰(zhàn)，他發(fā)明的避雷針可能要算是最早的防雷產(chǎn)品，其實(shí)，富蘭克林在發(fā)明避雷針時(shí)是以為金屬避雷針的尖端放電作用可以綜合雷云中的電荷，使雷云和大地間的電場(chǎng)降低到無(wú)法擊穿空氣的水平，從而避免了雷擊的發(fā)生，所以當(dāng)時(shí)的避雷針一定要求是尖的。但后來(lái)的研究表明：避雷針是無(wú)法避免雷擊的發(fā)生的，它之所以能防止雷擊是因?yàn)楦吒呗柫⒌谋芾揍樃淖兞舜髿怆妶?chǎng)，使得一定范圍的雷云總是向避雷針?lè)烹?，也就是說(shuō)避雷針只是比它周圍的其它物體更容易接閃雷電，避雷針被雷擊中而其它物體受到保護(hù)，這就是避雷針的防雷原理。進(jìn)一步的研究表明避雷針的接閃作用幾乎只與其高度有關(guān)，而與其外形無(wú)關(guān)，就是說(shuō)避雷針不一定是尖的。現(xiàn)在防雷技術(shù)領(lǐng)域統(tǒng)稱這一類防雷裝置為接閃器。

發(fā)展歷史電的普遍使用促進(jìn)了防雷產(chǎn)品的發(fā)展，當(dāng)高壓輸電網(wǎng)為千家萬(wàn)戶提供動(dòng)力和照明時(shí)，雷電也大量危害高壓輸變電設(shè)備。高壓線架設(shè)高、距離長(zhǎng)、穿越地形復(fù)雜，容易被雷擊中。避雷針的保護(hù)范圍不足以保護(hù)上千公里的輸電線，因此避雷線作為保護(hù)高壓線的新型接閃器就應(yīng)運(yùn)而生。在高壓線獲得保護(hù)后，與高壓線連接的發(fā)、配電設(shè)備仍然被過(guò)電壓損壞，人們發(fā)現(xiàn)這是由于 “感應(yīng)雷”在作怪。（感應(yīng)雷是因?yàn)橹睋衾追烹姸袘?yīng)到附近的金屬導(dǎo)體中的，感應(yīng)雷可通過(guò)兩種不同的感應(yīng)方式侵入導(dǎo)體，一是靜電感應(yīng)：當(dāng)雷云中的電荷積聚時(shí)，附近的導(dǎo)體也會(huì)感應(yīng)上相反的電荷，當(dāng)雷擊放電時(shí)，雷云中的電荷迅速釋放，而導(dǎo)體中原來(lái)被雷云電場(chǎng)束縛住的靜電也會(huì)沿導(dǎo)體流動(dòng)尋找釋放通道，就會(huì)在電路中形成電脈沖。二是電磁感應(yīng)：在雷云放電時(shí)，迅速變化的雷電流在其周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬變電磁場(chǎng)，在其附近的導(dǎo)體中產(chǎn)生很高的感生電動(dòng)勢(shì)。研究表明：靜電感應(yīng)方式引起的浪涌數(shù)倍于電磁感應(yīng)引起的浪涌。）雷電在高壓線上感應(yīng)起電涌，并沿導(dǎo)線傳播到與之相連的發(fā)、配電設(shè)備，當(dāng)這些設(shè)備的耐壓較低時(shí)就會(huì)被感應(yīng)雷損壞，為抑制導(dǎo)線中的電涌，人們發(fā)明了線路避雷器。

早期的線路避雷器是開(kāi)放的空氣間隙?？諝獾膿舸╇妷汉芨?，約500kV/m，而當(dāng)其被高電壓擊穿后就只有幾十伏的低壓了。利用空氣的這一特性人們?cè)O(shè)計(jì)出了早期的線路避雷器，將一根導(dǎo)線的一端連在輸電線上，另一根導(dǎo)線的一端接地，兩根導(dǎo)線的另一端相隔一定距離構(gòu)成空氣間隙的兩個(gè)電極，間隙距離確定了避雷器的擊穿電壓，擊穿電壓應(yīng)略高于輸電線的工作電壓，這樣當(dāng)電路正常工作時(shí)，空氣間隙相當(dāng)于開(kāi)路，不會(huì)影響線路的正常工作。當(dāng)過(guò)電壓侵入時(shí)，空氣間隙被擊穿，過(guò)電壓被箝位到很低的水平，過(guò)電流也通過(guò)空氣間隙泄放入地，實(shí)現(xiàn)了避雷器對(duì)線路的保護(hù)。開(kāi)放間隙有太多的缺點(diǎn)，如擊穿電壓受環(huán)境影響大；空氣放電會(huì)氧化電極；空氣電弧形成后，需經(jīng)過(guò)多個(gè)交流周期才能熄弧，這就可能造成避雷器故障或線路故障。以后研制出的氣體放電管、管式避雷器、磁吹避雷器在很大程度上克服了這些毛病，但他們?nèi)匀皇墙⒃跉怏w放電的原理上。氣體放電型避雷器的固有缺點(diǎn)：沖擊擊穿電壓高；放電時(shí)延較長(zhǎng)（微秒級(jí)）；殘壓波形陡峭（dV/dt較大）。這些缺點(diǎn)決定了氣體放電型避雷器對(duì)敏感電氣設(shè)備的保護(hù)能力不強(qiáng)。

半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展為我們提供了防雷新材料，比如穩(wěn)壓管，其伏 —安特性是符合線路防雷要求的，只是其通過(guò)雷電流的能力弱，使得普通的穩(wěn)壓管不能直接用作避雷器。早期的半導(dǎo)體避雷器是以碳化硅材料做成的閥式避雷器，它具有與穩(wěn)壓管相似的伏 —安特性，但通過(guò)雷電流的能力很強(qiáng)。不過(guò)很快人們又發(fā)現(xiàn)了金屬氧化物半導(dǎo)體變阻器（MOV），其伏 —安特性更好，并具有響應(yīng)時(shí)間快、通流容量大等許多優(yōu)點(diǎn)。因此，目前普遍采用MOV線路避雷器。

隨著通信的發(fā)展，又產(chǎn)生了許多用于通信線路的避雷器，由于受通信線路傳輸參數(shù)的約束，這一類避雷器要考慮電容和電感等影響傳輸參數(shù)的指標(biāo)。但其防雷原理與MOV基本一致。

工作原理消雷器是70年代發(fā)展起來(lái)的新型防雷裝置。消雷器是由離子化裝置、連接線及接地裝置三部分組成（如附圖所示），是利用金屬針狀電極的尖端放電原理設(shè)計(jì)的。在雷云電場(chǎng)作用下，當(dāng)尖端場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到一定值時(shí)，周圍空氣發(fā)生游離后，在電場(chǎng)力的作用下離去，而接替它的其它空氣分子相繼又被游離。如此下去，從金屬尖端向周圍有離子電流流去。隨著電位的升高，離子電流按指數(shù)規(guī)律增加。當(dāng)雷電出現(xiàn)在消雷器及被保護(hù)設(shè)備上空時(shí)，消雷器及附近大地均感應(yīng)出與雷云電荷極性相反的電荷。安有許多針狀電極的離子化裝置，使大地的大量電荷在雷云電場(chǎng)作用下，由針狀電極發(fā)射出去，向雷云方向運(yùn)動(dòng)，使雷云被中和，雷電場(chǎng)減弱，從而防止了被保護(hù)物遭受雷擊。1

由上可知，消雷器的功能是使雷電沖擊放電的微秒·千安級(jí)瞬變過(guò)程轉(zhuǎn)化為秒·安級(jí)的緩慢放電過(guò)程，因而使被保護(hù)物上可能出現(xiàn)的感應(yīng)過(guò)電壓降低到無(wú)危害的水平，達(dá)到“防雷消災(zāi)”的目的。

分類根據(jù)離子化裝置上的金屬針狀電極的不同，消雷器可分為少長(zhǎng)針型和多短針型兩大類。我國(guó)出產(chǎn)的有導(dǎo)體傘板型和導(dǎo)體陣列型消雷器兩大系列。前者主要用于占地一定面積的發(fā)電廠、變電站、軍火庫(kù)、氣象站、電視塔等高層建筑或重要防雷場(chǎng)所；后者則是用于架空線路的防雷保護(hù)。2

區(qū)別①、消雷器的頂端帶有許多“尖端電極的電離裝置”，而避雷針則是一根“金屬棒”，頂部沒(méi)有尖端的電極；

②、消雷器有“地電流收集裝置”，它位于地表層內(nèi)；而避雷針雖也有“接地裝置”，但一般都位于地面表層，所以避雷針不一定能完全排除多余的電流。

優(yōu)點(diǎn)由于消雷器安全可靠、便于安裝，且基本不需維護(hù)，接地電阻又無(wú)需象避雷針那樣要求高（一般小于100Ω即可），因而日益受到用戶歡迎。

缺點(diǎn)人們通常以為，安裝了避雷針的建筑物，就不會(huì)遭受雷擊了，其實(shí)并不盡然。

目前世界上普遍使用的避雷針，仍然是1749年美國(guó)科學(xué)家富蘭克林發(fā)明的。多年來(lái)，這種避雷針發(fā)揮過(guò)不少保護(hù)作用。但同時(shí)，該避雷針的副作用也很大。

首先，雷擊時(shí)它把雷電流引入大地的過(guò)程中，要產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)電流，對(duì)電子設(shè)備的破壞性尤為巨大。全世界每年由此造成的直接經(jīng)濟(jì)損失在10億美元以上，傷亡人數(shù)達(dá)5萬(wàn)多人。

其次，避雷針的保護(hù)作用是有選擇性的。對(duì)感應(yīng)雷如對(duì)沿著架空導(dǎo)線侵入變壓器的高壓電磁波，它是無(wú)能為力的。即使是對(duì)直擊雷的防護(hù)，由于避雷針的“尖端引電”作用，而現(xiàn)今建筑多為鋼筋水泥結(jié)構(gòu)，避雷針吸引了雷電后，如果接地系統(tǒng)不良（比如接地線斷開(kāi)或接點(diǎn)虛爆等），雷電流不能順利地向大地泄放，則建筑物鋼筋就會(huì)帶電，甚至高達(dá)幾萬(wàn)伏，從而發(fā)生雷擊事故。因此，重要設(shè)施（如火藥庫(kù)、油庫(kù)）及高層建筑的避雷針，每年在雷季到 來(lái)之前，應(yīng)進(jìn)行接地電阻的測(cè)量，以保證接地系統(tǒng)良好。

再者，避雷針上的反擊過(guò)電壓不可忽視。即使避雷針的接地裝置電阻很低（總不可能為零），在雷電波的沖擊電壓作用下，避雷針上總會(huì)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電勢(shì)。當(dāng)人或其它設(shè)備與之接近時(shí)，這個(gè)感應(yīng)電勢(shì)就會(huì)向人或其它設(shè)備放電，這就叫“反擊”現(xiàn)象。為了防止避雷針上的反擊過(guò)電壓對(duì)人體造成傷害及對(duì)設(shè)備絕緣損壞，故規(guī)程規(guī)定設(shè)備的接地裝置與避雷針的接地裝置在土壤中間隙應(yīng)大于3m，人行道與避雷針的空間距離應(yīng)大于5m，主變壓器在接地網(wǎng)上的引入點(diǎn)與避雷針的引入點(diǎn)之間的接地線長(zhǎng)度不得小于15m。

此外，雷電形態(tài)也影響避雷針的保護(hù)效能。如球形雷（又稱滾雷）常呈飄浮狀態(tài)，往往不會(huì)被避雷針吸引，它常從建筑物高處的孔、洞、窗等隙縫鉆入。所以雷雨時(shí)高層住宅的門(mén)窗最好關(guān)閉，電視機(jī)等家電免開(kāi)，以防遭到球形雷傷害。

實(shí)例美國(guó)佛羅里達(dá)州空軍武器系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)的365m高的通訊塔位于山峰上，加利福尼亞電視臺(tái)的46m高的鐵塔位于1676m高的高山上，印度麥卡薩海峽東岸石油公司92m高的通訊塔，都使用了消雷器，安裝后再未受過(guò)雷擊。我國(guó)昆明太華山氣象站海拔469．3m，消雷塔60m高，未裝消雷塔前多次遭受雷擊。安裝消雷塔后未再遭過(guò)雷擊。貴州貴陽(yáng)東山是重雷區(qū)，在山頂?shù)碾娨曀习惭b消雷器后，也未遭過(guò)雷擊。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)