雷害与防雷措施

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雷害与防雷措施

张鹭雄

   电闪雷鸣是我们生活中常见的自然现象，全球平均每年要发生1 600万次闪电。雷电具有惊人的能量，每次雷击所产生的能量大约为55万千瓦/小时，足以燃点100万个灯泡1小时，直击雷电流平均都有30kA。有记录的最大直击雷电流为210kA。目前人类尚未能对雷电的能量加以有效利用，而雷害造成的损失却是巨大的。据统计，在欧美国家每年有20%～30%的电脑故障是因感应雷引起的，在一处电网中每8分钟便有一个瞬间过电压产生。全球每年有数以千人死伤于雷击事故，经济损失有数十亿美元。
   雷害的形式主要有直击雷与感应雷。雷电是由云层内部、云块与云块之间、云块与空气、云块与大地（地上的建筑物等）间大量的正和负电离子瞬间放电中和形成。这种放电过程产生强烈的闪光，并伴随有巨大的声音。云层之间的放电主要对飞行器产生危害。云块对地上物体发生放电则对建筑物和建筑物内的设备及人畜产生巨大的危害，这就是“直击雷”。由于雷电发生时的能量巨大，平均可达250kJ，温度可高达30 000K(5倍太阳表面温度)，所以如有非金属物体(高阻值）成为这种放电的导体，所触之物必然会化为灰烬。雷电直接击中地面的传输线路，并沿导线或电缆流过大量的雷电流，持续时间达若干微秒，可使线路设备有实质性的破坏，还可以引起几千伏的过电压直接加到线路装置和终端设备上。
   雷电放电过程中包括雷云与雷云之间的放电，或透过向物体击打或直接击向大地，都会产生强大的静电感应和磁场感应，形成感应雷或称为“二次雷”。感应雷透过电阻性或电感性两种方式（如图1，略）耦合到电子设备的电源线、信号线或数据等传输线，产生瞬间（毫秒至微秒级）的冲击电压，这种瞬间的冲击电压其峰值远远高于一般设备所能承受的700V水平，最终破坏设备，造成传输或储存的讯号或数据受到干扰或丢失、电子设备误动作或暂时瘫痪、电子元器件性能下降、寿命缩短，情况严重时可导致电子设备的线路板及元件烧毁，造成通信中断，整个系统停顿（如银行电脑服务停顿，移动电话通讯中止），导致直接、间接的经济损失。
   雷害的防护措施主要针对直击雷和感应雷，一个完整的防雷方案应包括直击雷和感应雷的防护，缺一不可。直击雷的防护主要使用避雷针、女儿墙避雷带、导地体和接地网，再加上主体钢筋，形成一个笼式框架，即所称的“法拉第网”。
   避雷针是通过尖端放电的原理，把雷电对大地的放电引向避雷针，放电入地。即对被避雷针所保护的对象来说，避雷针实际可称为引雷针，它以自身多受雷击，而使被它保护的对象免受雷击。避雷针所能保护的范围会因建筑物的高度不同而受影响。在不超过20米高度的情况下，所有在其45度角方圆范围内的物体都会得到保护，而随着高度的增加，保护范围会减少（如图2，略）。
   感应雷主要是透过电源线，信号线或数据线等进侵而破坏电子设备，为此要设计防雷方案应查清可能的雷电通道，如进入建筑物的架空线、天线、地线、埋地电缆、金属管等，查清线路进入设备的情况，外线与设备的接口形式，以及外线的电参数，如电压、信号幅值、频率、阻抗特性等。根据其可能的入侵路径，在各种线路的进出端口安装性能可靠的专用防雷器，并采取相应的防雷措施。
   电源系统分布较广，相对而言最易受感应雷危害，感应雷损害微电子设备有80%是从电源线引入。通常对电源系统采取三级保护设计，一级在配电房或总电源上，二级在设备的电源前端，三级放在设备的直流电源中，常采用超低压防雷器。经过三级保护设计后，一般都能达到较好的防感应雷效果。各种天线馈线、电缆、控制线一般均须在其进入室内端装设专用避雷器，并埋地敷设。从配电箱引出到室外的电力馈线应穿入金属管，金属管应与接地系统良好连接，并在开关负荷侧安装避雷器。室内的电子设备应尽量远离建筑物避雷网的导地体，防止雷电流导地时产生的磁感应损坏设备，设备的外壳和设备正常不带电的金属部分应就近以最短距离与室内的接地母线良好连接。
   接地方式应采用共地的接地方式：即采用单点接地的原理用汇流排（带）把所有设备的工作接地、保护接地、防雷接地相互连接，组成一个封闭式的大接地网。这种接地方式也是现今国际上推举的最佳接地方式，其优点是一方面可以较经济地取得低接地电阻，有利于雷电流的?放；另一方面可以把因地阻性耦合（地电位差）而产生的破坏减到最小。
   在某个地方是否设置避雷器，要根据经济投入及各种客观条件，综合考虑接地网的设计及连接情况、设备本身的价值、设备是否处于高雷击危险区等因素。选用的避雷器应有能承受高电流（10kA以上）、允通电压低、动作时间快、相容性好、寿命长、能反复使用、安装简易、易维护等特点。电源避雷器必须能提供相对地，相对中及中对地的保护。
   防雷方法和技巧一般包括：(1)一套良好的建筑物避雷网；(2)外置设备尽量置于建筑物避雷网的保护角度方圆范围内；(3)采用共地的接地措施；(4)在电源、信号或数据线的各进出端口安装性能可靠的专用防雷器；(5)室内的设备应尽量远离避雷导地体；(6)室内的布线，包括各类传输线应尽量减少洄圈，最好能加有屏蔽线并把它两端接地。
   防雷工作是一项复杂的系统工程，针对被保护系统不同的特点，应采用相应的防雷措施，不能生搬硬套。避雷针对防直击雷是非常有效的，应用范围也最广，但滥用避雷针对信息系统却会带来巨大的危害。由于组成信息系统的设备大量采用电脑技术与集成微电子技术，电磁兼容性差，耐冲击电压低，易受感应雷危害，如用避雷针保护，则信息设备必然得靠近避雷针，而当避雷针遭雷击后产生的感应尖峰过电压对信息设备的危害也就很大。信息系统对直击雷的防护要求采用抑制性的防雷方法，力求减少或避免直击雷击的发生，而避雷针则有引雷的效应，会增加直击雷击的概率。因此，信息系统防直击雷应少用慎用避雷针，而采用避雷网，并采用共地接地网的均压设计来保护。如果一定要用避雷针，也应尽量用多根保护，以减少避雷针高度，降低雷击概率（雷击概率与避雷针高度的平方成正比）。
   雷电可导致的危害多种多样，没有任何一种产品可以全面防止雷电的危害，随着更多新技术、新设备在生产经营管理的运用，防雷工作的复杂性、重要性大大增加。我们必须提高对防雷工作的认识，积极研究现代防雷新技术。平时应加强对防雷系统的维护，定期对接地电阻进行测量。每年雷雨季节前，应对系统进行检查维护，对运行中的防雷元器件进行检测。雷雨季节中要加强对防雷元器件外观的巡视，发现异常应及时处理。如设备受雷击，应对损坏情况和原因进行调查分析，并根据分析结果，对防雷措施加以改进，同时应做好雷害的统计，为防雷系统的设计、改进和完善，积累必要的资料。相信随着科学技术的进步，人们最终一定能找到有效利用雷电蕴藏着的巨大能量的途径，彻底战胜雷害。