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摘要：本文通过浅显的论述，对雷电防护中接闪器使用要求进行分析，提出一个可以稳定接雷的接闪器的最基本要求，并强烈建议立即停止目前所用的富兰克林避雷针的继续使用。 关键词: 接闪器，空间直流电场，上、下行雷电流，电晕放电，反极性电荷层，联合试验。 现代雷电直击破坏防护的方法主要是加装类似避雷针系统，通过泄放的方式将雷电能量泄放到大地。虽然这种方法已经使用了百年多，减少了一部分事故，但并没有消除事故的发生；据近年来的报道，每年国内死于雷电直击的人员都在数十人，有些还是在避雷针林立的市镇中间。类似雷电击打到高大避雷针下的其他设施上，造成大量用电设备损坏的更是数不胜数。这说明我们目前使用的以富兰克林避雷针为主要设备的避雷防护系统一定存在着致命的缺陷，有必要引起我们的注意和研究。 一套避雷防护系统可以分成3个部分来认识：接地部分、雷电引下线和雷击接闪器部分。 目前主要的防雷研究大都集中在接地部分，大家都认为一个接地系统不能是随便向地下插一根金属棒就可以有效的发散电流，为什么可以认为随便向天空竖一根金属棒就可以有效的收集雷电流？不能有效的收集电流，凭何保护其他设施？我认为目前普遍认为雷电防护随机性比较大的原因就在于接闪器存在着太简单、太随便的问题。 接闪器是面对着空间的，在雷电形成过程中，除了最后的下行雷电流过程外，在这个空间中还有长时间的直流电场存在。面对这个空间电场出现和形成、增强过程，富兰克林避雷针作为接闪器会出现什么变化？这种变化会不会影响最后的雷电发展过程？接闪器为什么不稳定的原因就是本文探讨的要点。 一．
接闪器上方的电场强度变化及其对放电的影响 我们将竖在空中的富兰克林避雷针简化为一个处在直流电场中、直径为R0的接地球体。这种简化对于带有尖端并升高数十米的避雷针来说并不苛刻。 同时假设避雷针上方空间没有电荷，可以使用拉普拉斯方程▽2 Ø=0来进行计算【1】。 则得出针上方距针r处的电场强度为Er = б/ (4πr2) 。 如果取R0=1cm，可以算出针尖上方金属表面的场强与r=10M处的场强之比竟有一百万倍的差别。这就意味着在针上方10米处的场强只有3V/M时，在1个大气压下，针尖前的电场强度就足够使针前空气电离，避雷针就会出现电晕放电。这么弱的平均场强下不可能产生雷电的下行过程，持续电晕放电就是长时间的。雷电下行放电前的雷云电场是一个逐渐增强的电场，所以这个电晕将会随着电场的增强和空间电荷的扩散一直持续下去，直至有雷电下行放电现象发生。 由直流空间电场引起的电晕产生的空间电荷中，与雷云电荷同极性的会受电场作用进入避雷针入地；而反极性的空间电荷将沿电场线向上迁移和堆积，在针前形成一个反极性电荷层。从电晕发生开始起拉普拉斯方程就不再能正确地描述避雷针上方的空间电场了，必须使用泊松方程▽2 Ø= -ρ/ε来分析。这种空间电荷的分布情况应该与电晕持续的时间有关系，我们不做深入探讨，我们关心的是这种空间电荷层对放电路径的影响【4】，因为放电将向场强最强的方向发展。 很明显，自然界中每一个处于电场中的物体都会通过电晕的方式或抬高自身电位的方式来使自身表面的最高场强低于空气电离场强。通过电晕产生的反极性空间电荷区域内的电场强度一般要远低于没有空间电荷时的场强。当这个电荷层有一定厚度和浓度后，其对电荷层以外的空间电场中的表现将不再是一个尖端了，而是一个大尺寸球体的表现；它将加强外部空间的电场，具有引雷的效果，可诱发雷电逼向接闪器；而在富兰克林避雷针下方的被保护设备，由于架设较高的避雷针的屏蔽，其表面场强很弱，在整个雷电场建立过程中不会产生电晕放电，实际上没有空间电荷的保护。在这种条件下，雷电开始下行，产生的结果就不可预知了。 雷电下行，虽然时间只有数十微妙，但这也是一个电场强度随时间变化的过程。可以肯定，在这短时间内，接闪器以及周围所有的环境内的空间电荷分布不会发生明显的改变，因为带电空气粒子在单位场强下的迁移和扩散速度是毫米/秒级的。由下行雷电造成地面各种物体上方空间电场将随着雷电下行而迅速加强的，不仅是接闪器，包括下方所有被保护设备上表面的场强都同时迅速加强。如果有一被保护物体的等效表面尺寸小于接闪器上方反极性空间电荷造成的等效球体的尺寸和其周围其他物体的等效表面尺寸，它表面将首先达到空气电离的强度并产生放电，在强电场的牵引下首先产生上行迎击先导，建立电弧通道，接应雷电下行，造成该物体遭雷，避雷针保护失败【2】。这种示例在电力变电站中屡见不鲜，在高大的主避雷针下的较低构架上的小避雷针频遭雷击，引起其他通讯设备损坏是很常见的；二十多米高的通讯塔下仅六米远处的平房建筑遭雷击笔者也见闻过。 二．
稳定且有效的接闪器必备的起码条件 根据对前所叙述的雷电发生前和放电时刻空间电场电场变化过程的分析，可以推断：一个接闪器要能够稳定接雷，必须在各种气象条件下及长期运行时同时满足下2个基本条件。 1.
在雷电场建立的整个过程中，接闪器的对外表现应该是一个大尺寸的物体，并不会持续产生电晕放电。 2.
在雷电下行过程中，接闪器的对外表现应该是一个尖端，并能首先产生上行先导放电。 这是一对矛盾，简单的结构设计是不可能解决这个矛盾的。仅仅满足第1个条件的大尺寸球体，不一定能满足第2个要求。只有在满足第1个条件，才有满足第2条件的可能。注意这里提到的是表现，是接闪器设备对周围电场变化的一种反应。而不是简单的形状。 富兰克林避雷针就是没有满足第1条，所以也不可能满足第2条；保护失败就是必然的。所以建议：应该立即停止富兰克林避雷针的继续使用，包括类似的无法满足上2个基本要求的建筑顶部避雷带（针）和电力高压线路上的简单的架空地线的使用。这些设备的使用会给周围的物体带来极大的受雷危险，因为其没有稳定的保护范围和保护概率，但又具有吸引雷电到附近的实际效果。 雷电过程不是一个简单的电荷寻找路径下行入地过程，它还包含了气象降雨条件、平常的大气降尘积累、长期潮湿、环境污染等环境变化。类似富兰克林避雷针的改进设备，比如“提前放电”形式的所谓避雷针能否在长期的应用环境中满足第1条就很难说。有些号称能限制雷电流幅值的变种避雷针，根本不能满足第1条，连雷电流都接不到，何来的“限制电流幅值”。 曾经引起争论的“消雷器”，它是由多个细小长针组成。从其在雷电场中的作用看就没有准备去接引雷电入地，它不能作为接闪器使用。它只是通过大量的电晕放电，在其上方形成一个很大的反相电荷层，在将下行雷电引至附近后，由周围的其它设备去接受雷电流。它是一个“嫁祸于人”的设备。据运行情况的反应看，安装“消雷器”的建筑本身接雷概率下降很多，但周围的一些低矮设备受雷击的次数明显升高。比如电力系统110kV线路的塔上安装了“消雷器”后，临近的10kV线路受雷短路断线的事故次数明显上升。 三．
可发出上行雷电流的接闪器对雷电防护过程的影响 当然，符合上2个基本条件的接闪器，在雷暴日中有很高的接闪概率，特别是特大幅值的雷电流会给接闪器的使用带来一些约束。要求整个保护系统的接地电阻、引下线的走向、建筑物的供电、各种设备保护等有一个合理的安排。比如广东地区多年来雷电流的观测统计数据认为，平均下行的雷电流的幅值为50kA，最大值为150kA左右。按照国标I类保护的接地电阻为10欧计算，再加上引下线的电感，接闪器在接雷的瞬间，其上电位在百万伏以上。如果是独立的保护系统，不会有问题，但对装于人居建筑上的避雷系统接雷来说，形成一定的破坏是必然的。所以包括引下线都必须仔细的设计和安排。因为即使是符合上2个基本条件的接闪器，对雷电流大小是没有选择的，只能是被动的接受。电力系统中曾在高压线路的保护中，安装了一些可以引雷的接闪器，反而造成了线路的更频繁的跳闸事故；特别是山区线路，接地电阻不容易降低时，甚至很少受雷跳闸的500kV线路都出现频繁跳闸现象。 一个高大的物体，应该对其周围的低矮物体有保护的责任，如何既保护别人又不破坏自己？降低接地体的冲击接地电阻所花费的代价太大，且效果十分有限；降低每次雷电流的幅值是最有效的方法。主动地产生上行雷电流就是一种有效的方法。据未公开发表的试验报告【3】介绍，一般上行雷电流的幅值只有下行雷电流幅值的10%-20%。 既能满足基本条件、又可以产生上行雷电流的接闪器有更大的适应范围，但仍然要注意其安装和使用的位置。如果这种接闪器不能处在当地的最高点，而是处于其他设备的屏蔽下，虽然可以有效的接雷，但其上行雷的功能不一定能发挥出来，应用不当，可能会产生地电位差过高的破坏作用。 四．
接闪器的试验检验 根据接闪器的基本要求，合理的、符合运行工况的检验试验是必须的。 试验条件必须分成2个部分，第一部分应当检验接闪器在直流场中的表现；施加直流电场后，测试整个加压过程中接闪器的入地电流。去掉外电场增加时产生的电容电流外，出现持续的微微安级以上的电晕电流就是不可接受的。在这部分试验时要考虑对接闪器进行外表面的污秽、干燥条件和潮湿化处理才能符合工况。 第二部分应该是冲击试验，这个试验必须在直流电场试验通过后才有意义。根据一些试验结果看，一个“提前放电针”在单纯的雷电冲击对比试验中并不比一个普通的富兰克林避雷针有明显的高接闪率，特别是在长间隙条件下。因为这种提前放电针并不比普通针有更优越的场强增强优势。所以这种冲击试验必须是一种直流叠加冲击的联合试验。只有在被试接闪器不产生电晕放电、而对比避雷针产生电晕的条件下，才可能有测试出被试接闪器有无明显的接闪能力。这个试验国内的中国气象局防雷设备检测中心已经有能力进行。 【1】
高等教育出版社
工程电磁场导论[D] 2005
冯慈璋
马西奎.
北京 【3】《电力部武汉高压研究所科技报告》
可控避雷针的研究
曾楚英
许景元
等1987年 【3】《高电压技术》电晕离子流对先导放电路径的影响[J]
何正浩,李劲等. 2006(12) 作者介绍：梁江东：原国家电网武汉高压研究所教授级高级工程师。1977年就读上海交通大学高电压技术专业；1984年原电力部电力科学研究院硕士研究生毕业；1984年-2002年在原电力部武汉高压研究所从事高电压技术研究。曾任工程师、高级工程师、教授级高级工程师。曾2次获得省部级科技进步二等奖和多项其他奖励；在电力检测和线路带电作业、变压器变形测试分析、雷电防护和电磁兼容等方面有很深的造诣。曾任全国电机工程学会现场测试分委会委员、武汉高压研究所学术委员会委员和高工评定委员会委员。现就职广州市旺远电工器材有限公司 联系方法：email:liangjd56@yahoo.com.cn | 
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发表于 2010-9-24 15:19:37
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