避雷

雷電產生與帶電的積雨雲中，當正負電荷分別聚積在同一雲體的不同部位或在不同的雲團中時，由於同一雷雨內部不同部位或不同雲體間聚積的電荷量不同、或極性不同，而產生大氣電場，當大氣電場強度達到可以擊穿空氣時，就會發生強烈的放電現象，閃電就發生了，此時的閃電稱為雲中閃或雲際閃電。當帶電雲層移動接近地面或建築物時，由於靜電感應的原因，使地面或建築物表面產生異性電荷，隨著電荷量的增加或雲地/建築物距離的縮短，帶電雲層與地或建築物間的電場強度可以擊穿空氣絕緣強度時，開始瞬間放電，閃電(雲地閃)也就發生了。

雷電的主要放電形式有四種：即雲中閃電、雲際閃電、雲空閃電和雲地閃電。其中雲地閃電對人類危險最大。從雷電危害的角度分，有直擊雷(雲地閃電)、感應雷、雷電侵入波和球形雷等幾種雷電現象。直擊雷是指天空中帶電雲團與大地之間的放電現象。約佔全球每年雷電的1/5～1/6，放電電流可達200kA以上，並且有1Mv以上的高電壓，因而危害性最大。感應雷也稱作雷電感應，分靜電感應和電磁感應兩種。靜電感應是由於雷雲接近地面時在架空線路或其他凸出物頂部感應出大量電荷引起的；電磁感應是由於雷擊后，巨大的雷電流在周圍空間產生迅速變化的強磁場所引起的。這種強磁場能在其附近的金屬導體上感應出很高的電壓。雷電侵入波是由於雷擊而在架空線路或空中管道產生衝擊電壓，並以極快的速度沿線路或管道的兩個方向傳播的雷電波。球形雷是一種雷電時形成的發紅光或白光的火球。在雷雨季節，球形雷有時可能從門窗、煙囪等通道侵入室內。

雷電的危害包括三方面：

1.直接雷擊(直擊雷)，即我們通常所說的閃電。直擊雷具有熱效應、電效應和機械效應三大效果，且雷電能量巨大，可造成被擊物折損、坍塌等物理損壞和電擊損害。

2.感應雷，雷雲形成過程中，由於雷雲中電荷的聚積，及閃電發生時雷雲中電荷的急劇減少，會形成大範圍的靜電感應和電磁感應現象，從而造成雷電影響範圍內(閃電發生處半徑2Km內)的金屬導體出現高電位(強電壓)和瞬間衝擊電流(電涌)。可能造成的主要危害是由於電位差造成相鄰導體產生電火花，電涌造成電源及信號線路發生擊穿現象，造成線路短路，並侵入用電設備造成設備損壞。尤其是對低壓電氣系統和電子信息系統危害更大。

3.傳導雷：雷電擊中地面物體尤其是建築物時，雷電流泄放過程中經進出建築物的金屬管道、電源和信號線路向外傳導(約為全部雷電流的50%)，從而對其它建築物內的線路及設施造成危害。

首先需要說明的是，“避雷”這個詞在現代雷電防護技術中就是錯誤的，是一種誤解，至少在現代科學技術下還不能真正做到避開雷電。雖然科學家們通過激光、火箭等方式可以改變雷電的形成時間和雷擊點，但目前僅限於科學研究，無法得到普及使用。

針對雷電的危害，避雷措施分為外部避雷措施和內部避雷措施兩方面。

外部避雷措施主要有安裝接閃器(如避雷針、避雷帶、避雷網等)、引下線和接地裝置。接閃器用於截獲閃電，避免被保護物受到閃電直接雷擊；接地裝置用於雷電流向大地的泄散，並有接地電阻要求；引下線用於連接接閃器和接地裝置。

內部避雷措施包括：屏蔽、合理布線、安裝避雷器(SPD)、等電位聯結、接地。屏蔽和合理布線可減少靜電感應和電磁感應對線路和設備的影響；避雷器的安裝可限制線路上的電涌電壓並引導雷電流的泄散；等電位連接可避免相鄰金屬物及線路間出現反擊；接地是屏蔽及避雷器發揮作用的重要保障。

避雷針、避雷線、避雷網、避雷帶、避雷器都是經常採用的避雷裝置。一套完整的避裝置包括接閃器、引下線和接地裝置。上述的針、線、網、帶都只是接閃器，而避雷器是一種專門的避雷裝置。

避雷針、避雷線、避雷網和避雷帶都可作為接閃器，建築物的金屬屋面可作為第一類工業建築物以外其他各類建築物的接閃器。這些接閃器都是利用其高出被保護物的突出地位，把雷電引向自身，然後通過引下線和接地裝置，把雷電流泄入大地，以此保護被保護物免受雷擊。

①接閃器保護範圍。接閃器的保護範圍可根據模擬實驗及運行經驗確定。由於雷電放電途徑受很多因素的影響，要想保證被保護物絕對不遭受雷擊是很困難的，一般只要求保護範圍內被擊中的概率在0.1%以下即可。接閃器的保護範圍現有兩種計算方法：對於建築物閃器的保護範圍按滾球法計算；對於電力裝置，接閃器的保護範圍按折線法計算。

②接閃器材料。接閃器所用材料應能滿足機械強度和耐腐蝕的要求，還應有足夠的熱穩定性，以能承受雷電流的熱破壞作用。

避雷針一般用鍍鑄圓鋼或鋼管製成。避雷網和避雷帶用鍍鑄圓鋼或扁鋼製成。

避雷線一般採用截面積不小於35mm2的鍍鑄鋼絞線。

用金屬屋面作接閃器時，金屬板之間的搭接長度不得小於100mm。金屬板下方無易燃物品時，其厚度不應小於0.5mm；金屬板下方有易燃物品時，為了防止雷擊穿孔，所用鐵板、銅板、鋁板厚度分別不得小於4mm、5mm和7mm。所有金屬板不得有絕緣層。接閃器焊接處應塗防腐漆，其截面鏽蝕30%以上時應予更換。

接閃器使整個地面電場發生畸變，但其頂端附近電場局部的不均勻，由於範圍很小，而對於從帶電積雲向地面發展的先導放電沒有影響。因此，作為接閃器的避雷針端部尖不尖、分叉不分叉，對其保護效能基本上沒有影響。接閃器塗漆可以防止生鏽，對其保護作用也沒有影響。

避雷器並聯在被保護設備或設施上，正常時處在不通的狀態。出現雷擊過電壓時，擊穿放電，切斷過電壓，發揮保護作用。過電壓終止后，避雷器迅速恢復不通狀態，恢復正常工作。避雷器主要用來保護電力設備和電力線路，也用作防止高電壓侵入室內的安全措施。避雷器有保護間隙、管型避雷器和閥型避雷器之分，應用最多的是閥型避雷器。

閥型避雷器主要由瓷套、火花間隙和非線性電阻組成。瓷套是絕緣的，起支撐和密封作用。火花間隙是由多個間隙串聯而成的。每個火花間隙由兩個黃銅電極和一個雲母墊圈組成。雲母墊圈的厚度為0.5～1mm。由於電極間距離很小，其間電場比較均勻，間隙伏-秒特性較平，保護性能較好。非線性電阻又稱電阻閥片。電阻閥片是直徑為55～100mm的餅形元件，由金剛砂(SiC)顆粒燒結而成。非線性電阻的電阻值不是一個常數，而是隨電流的變化而變化的：電流大時阻值很小，電流小時阻值很大。

在避雷器火花間隙上串聯了非線性電阻之後，能遏止振蕩，避免截波，又能限制殘壓不致過高。還有一點必須注意到，雖然雷電流通過非線性電阻只遇到很小的電阻，而尾隨而來的工頻續流比雷電流小得多，會遇到很大的電阻，這為火花間隙切斷續流創造了良好的條件。這就是說，非線性電阻和間隙的作用類似一個閥門的作用：對於雷電流，閥門打開，使泄入地下；對於工頻電流，閥門關閉，迅速切斷之。其“閥型”之名就是由此而來的。

火花間隙相當於多個串聯的大小相等的電容。由於各電極對地電容和高壓部分電容不同，而且還受外界條件的影響，使得電壓在各間隙上的分佈是不均勻的，使避雷器的性能受到影響。為此，可將火花間隙分成若干組，每組火花間隙上並聯適當的均壓電阻。如果均壓電阻值比間隙電容的容抗值小得多，則間隙上電壓的分配決定於均壓電阻的大小，可做到大體上是均勻的。電站用FZ10型閥型避雷器就是這種避雷器。

壓敏閥型避雷器是一種新型的閥型避雷器，這種避雷器沒有火花間隙，只有壓敏電阻閥片。壓敏電阻閥片是由氧化鋅、氧化鉍等金屬氧化物燒結製成的多晶半導體陶瓷元件，具有極好的非線性伏安特性，其非線性係數α=0.05，已接近理想的閥體。在工頻電壓的作用下，電阻閥片呈現極大的電阻，使工頻電流極小，以致無須火花間隙即可恢復正常狀態。壓敏電阻的通流能力很強，因此，壓敏避雷器體積很小。壓敏避雷器適用於高、低壓電氣設備的防雷保護。

防雷裝置的引下線應滿足機械強度、耐腐蝕和熱穩定的要求。引下線一般採用圓鋼或扁鋼，其尺寸和防腐蝕要求與避雷網、避雷帶相同。用鋼絞線作引下線，其截面積不得小於25mm2。用有色金屬導線做引下線時，應採用截面積不小於16mm2的銅導線。

引下線應沿建築物外牆敷設，並應避免彎曲，經最短途徑接地。建築藝術要求高者可以暗敷設，但截面積應加大一級。建築物的金屬構件(如消防梯等)可用作引下線，但所有金屬構件之間均應連成電氣通路，並且連接可靠。

採用多條引下線時，為了便於接地電阻和檢查引下線、接地線的連接情況，宜在各引下線距地面高約1.8m處設斷接卡。

採用多條引下線時，第一類和第二類防雷建築物至少應有兩條引下線，其間距離分別不得大於12m和18m；第三類防雷建築物周長超過25m或高度超過40m時，也應有兩條引下線，其間距離不得大於25m。

在易受機械損傷的地方，地面以下0.3m至地面以上1.7m的一段引下線應加竹管、角鋼或鋼管保護。採用角鋼或鋼管保護時，應與引下線連接起來，以減小通過雷電流時的電抗。引下線截面鏽蝕30%以上者應予以更換。

接地裝置是防雷裝置的重要組成部分。接地裝置向大地泄放雷電流，限制防雷裝置對地電壓不致過高。

除獨立避雷針外，在接地電阻滿足要求的前提下，防雷接地裝置可以和其他接地裝置共用。

①防雷接地裝置材料。防雷接地裝置所用材料應大於一般接地裝置的材料。防雷接地裝置應作熱穩定校驗。

②接地電阻值。防雷接地電阻一般指衝擊接地電阻，接地電阻值視防雷種類和建築物類別而定。獨立避雷針的衝擊接地電阻一般不應大於100；附設接閃器每一引下線的衝擊接地電阻一般也不應大於10Ω；但對於不太重要的第三類建築物可放寬至30Ω。防感應雷裝置的工頻接地電阻不應大於10Ω。防雷電侵入波的接地電阻，視其類別和防雷級別，衝擊接地電阻不應大於5～30Ω，其中，閥型避雷器的接地電阻不應大於5～10Ω。

衝擊接地電阻一般不等於工頻接地電阻。這是因為極大的雷電流自接地體流入土壤時，接地體附近形成很強的電場，擊穿土壤併產生火花，相當於增大了接地體的泄放電流面積，減小了接地電阻。同時，在強電場的作用下，土壤電阻率有所降低，也使接地電阻有減小的趨勢。另一方面，由於雷電流陡度很大，有高頻特徵，使引下線和接地體本身的電抗增大；如接地體較長，其後部泄放電流還將受到影響，使接地電阻有增大的趨勢。一般情況下，前一方面影響較大，后一方面影響較小，即衝擊接地電阻一般都小於工頻接地電阻。土壤電阻率越高，雷電流越大，以及接地體和接地線越短，則衝擊接地電阻減小越多。

③跨步電壓的抑制。為了防止跨步電壓傷人，防直擊雷接地裝置距建築物和構築物出入口和人行橫道的距離不應小於3m。當小於3m時，應採取下列措施之一：水平接地體局部深埋1m以上；水平接地體局部包以絕緣物(例如，包以厚50～8Ocm的瀝青層)；鋪設寬度超出接地體2m、厚50～8Ocm的瀝青路面；埋設帽檐式或其他型式的均壓條。

消雷裝置由頂部的電離裝置、地下的電荷收集裝置和中間的連接線組成。

消雷裝置與傳統避雷針的防雷原理完全不同。後者是利用其突出的位置，把雷電吸向自身，將雷電流泄入大地，以保護其保護範圍內的設施免遭雷擊。而消雷裝置是設法在高空產生大量的正離子和負離子，與帶電積雲之間形成離子流，緩慢地中和積雲電荷，並使帶電積雲受到屏蔽，消除落雷條件。

除常見的感應式消雷裝置外，還有利用半導體材料，或利用放射性元素的消雷裝置。

地電荷收集裝置(接地裝置)宜採用水平延伸式接地裝置，以利於收集電荷。

雷暴時，由於帶電積雲直接對人體放電，雷電流入地產生對地電壓，以及二次放電等都可能對人造成致命的電擊。因此，應注意必要的人身防雷安全要求。

雷暴時，非工作必須，應盡量減少在戶外或野外逗留；在戶外或野外最好穿塑料等不浸水的雨衣。如有條件，可進入有寬大金屬構架或有防雷設施的建築物、汽車或船隻；如依靠建築屏蔽的街道或高大樹術屏蔽的街道躲避，要注意離開牆壁或樹榦8m以外。

雷暴時，應盡量離開小山、小丘、隆起的小道，離開海濱、湖濱、河邊、池塘旁，避開鐵絲網、金屬晒衣繩以及旗杆、煙囪、寶塔、孤獨的樹木附近，還應盡量離開沒有防雷保護的小建築物或其他設施。

雷暴時，在戶內應注意防止雷電侵入波的危險，應離開照明線、動力線、電話線、廣播線、收音機和電視機電源線、收音機和電視機天線，以及與其相連的各種金屬設備，以防止這些線路或設備對人體二次放電。調查資料表明，戶內70%以上對人體的二次放電事故發生在與線路或設備相距1m以內的場合，相距1.5m以上者尚未發生死亡事故。由此可見，雷暴時人體最好離開可能傳來雷電侵入波的線路和設備1.5m以上。應當注意，僅僅拉開開關對於防止雷擊是起不了多大作用的。

雷雨天氣，還應注意關閉門窗，以防止球雷進入戶內造成危害