消雷器

當人們知道雷是一種電現象后，對雷電的崇拜和恐懼就逐漸消失，並開始以科學的眼光來從新觀察這一神奇的自然現象，希望能利用或控制雷電活動以造福人類。200多年前富蘭克林率先在技術上向雷電發起了挑戰，他發明的避雷針可能要算是最早的防雷產品，其實，富蘭克林在發明避雷針時是以為金屬避雷針的尖端放電作用可以綜合雷雲中的電荷，使雷雲和大地間的電場降低到無法擊穿空氣的水平，從而避免了雷擊的發生，所以當時的避雷針一定要求是尖的。但後來的研究表明：避雷針是無法避免雷擊的發生的，它之所以能防止雷擊是因為高高聳立的避雷針改變了大氣電場，使得一定範圍的雷雲總是向避雷針放電，也就是說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，這就是避雷針的防雷原理。進一步的研究表明避雷針的接閃作用幾乎只與其高度有關，而與其外形無關，就是說避雷針不一定是尖的。現在防雷技術領域統稱這一類防雷裝置為接閃器。

電的普遍使用促進了防雷產品的發展，當高壓輸電網為千家萬戶提供動力和照明時，雷電也大量危害高壓輸變電設備。高壓線架設高、距離長、穿越地形複雜，容易被雷擊中。避雷針的保護範圍不足以保護上千公里的輸電線，因此避雷線作為保護高壓線的新型接閃器就應運而生。在高壓線獲得保護后，與高壓線連接的發、配電設備仍然被過電壓損壞，人們發現這是由於“感應雷”在作怪。（感應雷是因為直擊雷放電而感應到附近的金屬導體中的，感應雷可通過兩種不同的感應方式侵入導體，一是靜電感應：當雷雲中的電荷積聚時，附近的導體也會感應上相反的電荷，當雷擊放電時，雷雲中的電荷迅速釋放，而導體中原來被雷雲電場束縛住的靜電也會沿導體流動尋找釋放通道，就會在電路中形成電脈衝。二是電磁感應：在雷雲放電時，迅速變化的雷電流在其周圍產生強大的瞬變電磁場，在其附近的導體中產生很高的感生電動勢。研究表明：靜電感應方式引起的浪涌數倍於電磁感應引起的浪涌。）雷電在高壓線上感應起電涌，並沿導線傳播到與之相連的發、配電設備，當這些設備的耐壓較低時就會被感應雷損壞，為抑制導線中的電涌，人們發明了線路避雷器。

早期的線路避雷器是開放的空氣間隙。空氣的擊穿電壓很高，約500kV/m，而當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設計出了早期的線路避雷器，將一根導線的一端連在輸電線上，另一根導線的一端接地，兩根導線的另一端相隔一定距離構成空氣間隙的兩個電極，間隙距離確定了避雷器的擊穿電壓，擊穿電壓應略高於輸電線的工作電壓，這樣當電路正常工作時，空氣間隙相當於開路，不會影響線路的正常工作。當過電壓侵入時，空氣間隙被擊穿，過電壓被箝位到很低的水平，過電流也通過空氣間隙泄放入地，實現了避雷器對線路的保護。開放間隙有太多的缺點，如擊穿電壓受環境影響大；空氣放電會氧化電極；空氣電弧形成后，需經過多個交流周期才能熄弧，這就可能造成避雷器故障或線路故障。以後研製出的氣體放電管、管式避雷器、磁吹避雷器在很大程度上克服了這些毛病，但他們仍然是建立在氣體放電的原理上。氣體放電型避雷器的固有缺點：衝擊擊穿電壓高；放電時延較長（微秒級）；殘壓波形陡峭（dV/dt較大）。這些缺點決定了氣體放電型避雷器對敏感電氣設備的保護能力不強。

半導體技術的發展為我們提供了防雷新材料，比如穩壓管，其伏—安特性是符合線路防雷要求的，只是其通過雷電流的能力弱，使得普通的穩壓管不能直接用作避雷器。早期的半導體避雷器是以碳化硅材料做成的閥式避雷器，它具有與穩壓管相似的伏—安特性，但通過雷電流的能力很強。不過很快人們又發現了金屬氧化物半導體變阻器（MOV），其伏—安特性更好，並具有響應時間快、通流容量大等許多優點。因此，目前普遍採用MOV線路避雷器。

隨著通信的發展，又產生了許多用於通信線路的避雷器，由於受通信線路傳輸參數的約束，這一類避雷器要考慮電容和電感等影響傳輸參數的指標。但其防雷原理與MOV基本一致。

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”，頂部沒有尖端的電極；

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

人們通常以為，安裝了避雷針的建築物，就不會遭受雷擊了，其實並不盡然。

目前世界上普遍使用的避雷針，仍然是1749年美國科學家富蘭克林發明的。多年來，這種避雷針發揮過不少保護作用。但同時，該避雷針的副作用也很大。

首先，雷擊時它把雷電流引入大地的過程中，要產生強大的感應電流，對電子設備的破壞性尤為巨大。全世界每年由此造成的直接經濟損失在10億美元以上，傷亡人數達5萬多人。

其次，避雷針的保護作用是有選擇性的。對感應雷如對沿著架空導線侵入變壓器的高壓電磁波，它是無能為力的。即使是對直擊雷的防護，由於避雷針的“尖端引電”作用，而現今建築多為鋼筋水泥結構，避雷針吸引了雷電后，如果接地系統不良（比如接地線斷開或接點虛爆等），雷電流不能順利地向大地泄放，則建築物鋼筋就會帶電，甚至高達幾萬伏，從而發生雷擊事故。因此，重要設施（如火藥庫、油庫）及高層建築的避雷針，每年在雷季到來之前，應進行接地電阻的測量，以保證接地系統良好。

再者，避雷針上的反擊過電壓不可忽視。即使避雷針的接地裝置電阻很低（總不可能為零），在雷電波的衝擊電壓作用下，避雷針上總會產生很高的感應電勢。當人或其它設備與之接近時，這個感應電勢就會向人或其它設備放電，這就叫“反擊”現象。為了防止避雷針上的反擊過電壓對人體造成傷害及對設備絕緣損壞，故規程規定設備的接地裝置與避雷針的接地裝置在土壤中間隙應大於3m，人行道與避雷針的空間距離應大於5m，主變壓器在接地網上的引入點與避雷針的引入點之間的接地線長度不得小於15m。

此外，雷電形態也影響避雷針的保護效能。如球形雷（又稱滾雷）常呈飄浮狀態，往往不會被避雷針吸引，它常從建築物高處的孔、洞、窗等隙縫鑽入。所以雷雨時高層住宅的門窗最好關閉，電視機等家電免開，以防遭到球形雷傷害。

消雷器是70年代發展起來的新型防雷裝置。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計的。在雷雲電場作用下，當尖端場強達到一定值時，周圍空氣發生遊離后，在電場力的作用下離去，而接替它的其它空氣分子相繼又被遊離。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，離子電流按指數規律增加。當雷電出現在消雷器及被保護設備上空時，消雷器及附近大地均感應出與雷雲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雲電場作用下，由針狀電極發射出去，向雷雲方向運動，使雷雲被中和，雷電場減弱，從而防止了被保護物遭受雷擊。

由上可知，消雷器的功能是使雷電衝擊放電的微秒·千安級瞬變過程轉化為秒·安級的緩慢放電過程，因而使被保護物上可能出現的感應過電壓降低到無危害的水平，達到“防雷消災”的目的。

美國佛羅里達州空軍武器系統試驗場的365m高的通訊塔位於山峰上，加利福尼亞電視台的46m高的鐵塔位於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，安裝后再未受過雷擊。我國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雷擊。貴州貴陽東山是重雷區，在山頂的電視塔上安裝消雷器后，也未遭過雷擊。

根據離子化裝置上的金屬針狀電極的不同，消雷器可分為少長針型和多短針型兩大類。我國出產的有導體傘板型和導體陣列型消雷器兩大系列。前者主要用於佔地一定面積的發電廠、變電站、軍火庫、氣象站、電視塔等高層建築或重要防雷場所；後者則是用於架空線路的防雷保護。

由於消雷器安全可靠、便於安裝，且基本不需維護，接地電阻又無需象避雷針那樣要求高（一般小於100Ω即可），因而日益受到用戶歡迎。