防雷知识
雷电防护技术 第一节 雷电防护技术
我国雷电科学起步较晚，还处于发展初期，许多技术问题尚未彻底解决，还处于摸索中。因此，树立科学的雷电防护理念、坚持学习先进的雷电防护技术、不断完善现有的高电压实验和冲击大电流实验等检验体系，是我国雷电防护技术提高和产品完善的有效手段。
（整体雷电防护模型）
.1 雷电防护技术---分流
分流是指利用接闪器将直击雷电流沿引下线安全的引入大地，防止雷电直接击在建筑物和设备上。从1753年，富兰克林发明避雷针到十九世纪以后，逐渐出现的避雷线、避雷带和避雷网，都是接闪器的代表。下面我们分别介绍这些接闪器及其工作原理。
.1.1 避雷针的发明
1749年4月29日，富兰克林提出了云层不断受到蒸汽摩擦而带电的看法。他认为“当带电的云块飘过田野、掠过高山、巨树、耸立的高塔、尖屋顶、船舶桅杆、烟筒等物的时候，会拖曳出电火，整个云层就在那里放出电来”，由此，他提出了避雷针的设想。他说：既然尖导体可以把一个离它很远的带电体上的电荷释放掉，避免它对其他物体产生电击，那么尖导体对于人类可能有些用处。于是他建议将一根上端尖锐并涂有防锈层的铁杆安装在房屋的最高处，并用导线接在它的下端，沿着墙壁直通到地下。铁杆能在云层将要产生电击的千钧一发之际，静悄悄地把电从云中吸走，因而使我们免受最突然、最骇人的悲剧。1753年，富兰克林正式宣布了避雷针装置，得到了世界各地的高度关注。
（1752年7月一个电闪雷鸣的上午，富兰克林进行风筝实验）
避雷针的英文名字Lightning rod，本无避免雷击之意。我们国内许多物理课本，甚至大学的教课书也把避雷针的原理说成是靠尖端放电中和云层电荷从而消除闪电的，这是错误的。实际上，在富兰克林发明避雷针的时候，提出了两种避雷针工作原理的解析：第一种解析认为，避雷针是靠其针尖电晕放电发出与雷雨云相反的电荷，使雷雨云的电荷得到中和，从而免除建筑物的雷害。第二种解析认为，避雷针是靠把雷雨云所带的异种电荷引导到自身上来，通过良好的接地装置，把雷电流泄入大地，保护建筑物不受雷击。至1753年富兰克林明确倾向于避雷针引雷的理论了，所以说避雷针是靠尖端放电消除闪电而能避雷的提法是错误的。
（普通避雷针）
（提前放电避雷针）
（光电避雷针）
.1.2 避雷针的工作原理
当高空出现雷雨云的时候，大地由于静电感应作用，必然带上与雷雨云相反的电荷，避雷针处于地面建筑物的最高处，与雷云的距离最近，由于它与有良好的电气连接，所以它于大地有相同的电位，使避雷针附近空间的电场强度比较大，容易吸引雷电先驱，使主放电都集中到它的上面，从而保护附近比它低的物体遭受雷击的几率大大减少。
但需要说明，避雷针必须有足够可靠，并且有接地电阻尽量小的引下线接地装置与其配套，否则，它不但起不到避雷的作用，反而增大雷击的损害程度。
1.3 避雷针保护范围的计算方法
目前世界各国关于避雷针保护范围的计算公式在形式上各有不同，大体上有如下几种：折线法：即单一避雷针的保护范围为一折线圆锥体；曲线法：即单支避雷针的保护范围为一曲线锥体；直线法：是以避雷针的针尖为顶点作一俯角来确定，有爆炸危险的建筑物用45°角，对一般建筑物采用60°角，实质上保护范围为一直线圆锥体。
自1983年起，我国正式制定了自己的防雷规范。我国建筑防雷规范GB50057-2004采纳了国际电工委员（IEC）推荐的“滚球法”作为避雷针保护范围的计算方法。滚球法是以hr为半径的一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物）或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位时，该部分就得到接闪器的保护。
（滚球法计算避雷针的保护范围）
1.4 避雷线
接闪器最初的形式只是富兰克林所设计的磨尖的铁棒。20世纪初，在电力系统，为了使输电线路少受雷击，采用了在输电线路上方架设平行的钢线避雷的方法，在实用中，由于它简单有效，逐步得到了推广。这种架设在输电线路上方的钢线，称之为避雷线。避雷线一般采用截面积不小于35mm2的镀锌钢绞线架设。后来在房屋建筑上也推广了这种形式，开始布设在方脊、屋角、房檐等处作雷电保护，以后这种方式又有所改进。
.1.5 避雷带
在建筑雷电保护上，用扁平的金属带代替钢线接闪的方法称之为避雷带，它是由避雷线改进而来。在高大楼房上，使用避雷带比避雷针有较多的优点，它可以与楼房顶的装饰结合起来，可以与房屋的外形较好的配合，即美观防雷效果又好，特别是大面积的建筑，它的保护范围大而有效，这是避雷针所无法比的。避雷带一般采用直径不小于8mm的圆钢或截面积不小于48mm2，厚度不小于4mm的扁钢制作。
1.6 避雷网
避雷网是指利用钢筋混凝土结构中的钢筋网作为雷电保护的方法，它是根据古典电学中法拉第笼的原理达到雷电保护的金属导电体网络。
根据一般建筑物的结构，钢筋距面层只有6～7cm，面层愈薄，雷击点的洞愈小。但有些建筑物的防水层和隔热层较厚，钢筋距面层厚度大于20cm，最好另装辅助避雷网。辅助避雷网一般可用直径为6mm或以上的镀锌圆钢，网格大小可根据建筑物重要性，分别采用5m×5m或10m×10m的圆钢制成，其网格越密可靠性越好。
建筑物顶上往往有许多突出物，如金属旗杆、透气管、钢爬梯、金属烟囱、风窗、金属天沟等，都必须与避雷网焊成一体做接闪装置。在非混凝土结构的建筑物上，可采用明装避雷网。做法是首先在屋脊、屋檐等到顶的突出边缘部分装设避雷带主网，再在主网上加搭辅助网。
1.7 引下线
连接接闪器与接地装置的金属导体称引下线，雷击时引下线上有很大的雷电流流过，会对附近接地的设备、金属管道、电源线等产生反击或旁侧闪击。为了减少和避免这种反击，现代建筑利用建筑物的柱筋作避雷引下线，经过实践证明这种方法不但可行，而且比专门引下线有更多的优点，因为柱钢筋与木梁、楼板的钢筋，都是连接在一起的和接地网络形成一个整体的“法拉第”笼，均处于等电位状态。雷电流会很快被分散掉，可以避免发击和旁侧闪击的现象发生。
关于引下线，《GB50057-94》引下线一般采用圆钢或扁钢，其尺寸不小于下列数值：圆钢直径为 8mm；扁钢截面为 48mm2；扁钢厚度为 4mm。装在烟囱上的引下线其尺寸不小于：圆钢直径不小于12mm；扁钢厚度为4mm，截面积为100mm2。所有引下线要镀锌或涂漆，在腐蚀性较强场所，还应加大截面积或采取其他防腐措施。引下线的固定支撑点间隔不得大于1.5～2m，引下线的敷设应保持一定的松紧度，不能拉的太紧，以免热胀冷缩而拉断。
为了减少引下线的电感量，引下线应沿最短接地路径敷设。对于建筑艺术要求较高的建筑物，引下线可采用暗敷设，但截面积要加大。
2.2 雷电防护技术---屏蔽
屏蔽是指被保护系统中所有的金属导线均采用屏蔽线或穿金属管铺设。在系统控制室或机房等微电子设备集中的空间中，利用建筑物钢筋网和其他金属材料，使控制室形成一个“法拉第”笼，用以防止外来电磁波干扰控制室内设备。
2.3 雷电防护技术---等电位连接
等电位连接是指将被保护系统内的所有金属物体进行电气连接，并在控制室或机房等微电子设备集中的房间内采用铜排汇接，减小需要防雷的空间内各金属物与系统之间的电位差，以均衡所连接各点的电位。
当建筑物内有信息系统时，在那些要求雷击电磁脉冲影响最小之处，采用金属板作为等电位连接带，并与钢筋或其他屏蔽构件作多点连接。电源线、信号线、金属管道等都要通过过压保护器进行等电位连接，各个内层保护区的界面处同样要依此进行局部等电位连接，最后与主等电位连接棒连接。
（等电位连接防雷模型）
2.4 雷电防护技术---过电压保护
过电压保护是指在各种电子设备的电源线、信号线以及天馈线路中安装相应的专用防雷器，利用防雷器的保护特性，将线路上过电压限制在设备能承受的范围内，保护设备免遭损坏。
2.4.1 过电压保护器的防护原理
电涌保护器的类型和结构有所不同，但它至少应包含一个非线性电压限制元件，用于电涌保护器的基本元器件有：放电间隙、气体放电管、压敏电阻和抑制二极管等。
放电间隙---由暴露在空气中的两根相隔一定间隙的金属棒组成，其中一根金属棒与所需保护设备的电源相线(L)或零线（N）相连，另一根金属棒与接地线(PE)相连接，当瞬时过电压袭来时，间隙被击穿，把一部分过电压的电荷引入大地，避免了被保护设备上的电压升高。这种放电间隙的两金属球之间的间隙距离非常重要，决定了击穿电压，可按需要调整，放电间隙结构简单，放电电流大，但灭弧性能差。改进型的放电间隙为角型间隙，它是由两个形状象牛角的电极组成，电极中间由绝缘材料分开，彼此间有很短的距离。当两个电极间的电位差达到一定程度时，电荷将穿过两个角型的空间打火放电，由此将过电流释放入地。角型间隙是靠回路的电动力以及热气流的上升作用来熄灭电弧的，所以，灭弧性能有了很大的提高。
（利用空气间隙放电原理制作的过电压保护器）
气体放电管---由相互离开的一对冷阴板封装在充有一定的惰性气体(Ar)的玻璃管或陶瓷管内组成的。为了提高放电管的触发概率，在放电管内还有助触发剂。这种充气放电管有二极型的，也有三极型的，气体放电管的技术参数主要有：直流放电电压Udc;冲击放电电压Up(一般情况下Up≈(2～3)Udc;工频耐受电流In;冲击耐受电流Ip；绝缘电阻R(>109Ω)；极间电容(1～5PF)，气体放电管可在直流和交流条件下使用，其所选用的直流放电电压Udc分别如下：在直流条件下使用：Udc≥1.8Uo（Uo为线路正常工作的直流电压）在交流条件下使用：Udc≥1.44Un(Un为线路正常工作的交流电压有效值)。
(气体放电管)
压敏电阻---以氧化锌为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻，当作用在其两端的电压达到一定数值后，电阻对电压十分敏感。它的工作原理相当于多个半导体P-N的串并联。压敏电阻的特点是非线性特性好，通流容量大，常态泄漏电流），残压低（取决于压敏电阻的工作电压和通流容量），对瞬时过电压响应时间快，无续流。压敏电阻的技术参数主要有：压敏电压（即开关电压）Un，参考电压Ulma；残压Ures；残压比K(K=Ures/Un)；最大通流容量Imax；泄漏电流；响应时间。压敏电阻的使用条件有：压敏电压：Un≥[（√2×1.2）/0.7]Uo（Uo为工频电源额定电压）最电压：Ulma≥（1.8～2）Uac (直流条件下使用) Ulma≥（2.2～2.5）Uac（在交流条件下使用，Uac为交流工作电压）压敏电阻的最大参考电压应由被保护电子设备的耐受电压来确定，应使压敏电阻的残压低于被保护电子设备的而损电压水平，即(Ulma)max≤Ub/K，上式中K为残压比，Ub为被保护设备的而损电压。
(压敏电阻)
抑制二极管---抑制二极管具有箝位限压功能，它是工作在反向击穿区，由于它具有箝位电压低和动作响应快的优点，特别适合用作多级保护电路中的最末几级保护元件。抑制二极管在击穿区内的伏安特性可用下式表示：I=CUα，上式中α为非线性系数，对于齐纳二极管α=7～9，在雪崩二极管α=5～7。抑制二极管的技术参数主要有（1）额定击穿电压，它是指在指定反向击穿电流（常为lma）下的击穿电压，这于齐纳二极管额定击穿电压一般在2.9V～4.7V范围内，而雪崩二极管的额定击穿电压常在5.6V～200V范围内。（2）最大箝位电压：它是指管子在通过规定波形的大电流时，其两端出现的最高电压。（3）脉冲功率：它是指在规定的电流波形（如10/1000μs）下，管子两端的最大箝位电压与管子中电流等值之积。（4）反向变位电压：它是指管子在反向泄漏区，其两端所能施加的最大电压，在此电压下管子不应击穿。此反向变位电压应明显高于被保护电子系统的最高运行电压峰值，也即不能在系统正常运行时处于弱导通状态。（5）最大泄漏电流：它是指在反向变位电压作用下，管子中流过的最大反向电流。（6）响应时间：10-12s。
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