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雷电防护

[拼音]:leidian fanghu

[外文]:lightning protection

保护建筑物、电力系统及其他一些装置和设施免遭雷电损害的技术措施。

简史

人类对雷电采取防护措施,最早可追溯到12世纪。中国湖南现存的岳阳慈氏塔(约在1100年重建),自塔顶有6条铁链沿6个角下垂至地面上一定高度,可用来防止雷击损坏。有的古塔还将此类铁链沉入水井,实现良好接地。中国古代屋宇顶上的龙嘴伸出舌须,其根部用细铁丝直通地下,这可能是现代避雷针的雏形。1750年,美国B.富兰克林提出了以避雷针保护建筑物的理论和方法。19世纪80年代末,人们在电话线路上采用了导雷器。其结构是一个装于管内的火花间隙,串联一个熔断器,与今天电信台、站采用的放电管串联熔断器的保护装置在原理上完全相同(图1)。随即电工设备也采用了导雷器。到90年代初,E.汤姆孙又制出了磁吹间隙,即由一角形间隙和一磁吹线圈组成,后者用来吹灭间隙的电弧(图2)。这种装置用于直流发电机的保护,它是20世纪50年代研制的磁吹避雷器的前身。20世纪初,为限制电力系统在间隙放电时的工频续流,德国人在1901年制成用串联线性电阻限流的角形间隙,这是现代阀型避雷器的前身。随着电力系统电压等级的增高,十几种保护装置先后出现(图3)。当今,各类防雷装置和器件,有大到纵横覆盖数百公里的雷电定向定位预警系统,小到只有几厘米长的能将电压限制到 9.5伏、可防护从微秒级的雷电波到纳秒(10-9秒)级的核电磁脉冲(NEMP)。

雷电的效应及危害

雷电产生的静电感应、电磁感应、热效应、力学效应等,均会引起不同的危害。

雷电感应

由于雷闪放电的强大电场和磁场的作用,在邻近导体上产生静电感应和电磁感应。它可能引起金属部件之间产生火花放电。它对一般电力设备、电子设备等产生干扰;对储存易燃、易爆物品的建筑物引起燃烧或爆炸。被雷击中的物体通过电流时会出现高电位,此高电位又可能击坏邻近的低电位物体,称为反击。

雷电的热效应

雷电击中金属导体或其他物体时,强大的雷电流转变为热能,使物体发热熔毁或燃烧。一次中等雷闪放电的电量约为25库,最大可达100库。经估算,雷击点的发热量约为500~2000焦。这一能量可熔化50~200毫米3的钢材。

雷电的力学效应

雷电流通过物体或金属导体时,产生强大的冲击性的电动力。它的作用时间很短,远小于导体机械振动周期。其振动力可达5000~6000牛,使被击物体断裂破碎。

雷电侵入波

雷电袭击到远离建筑物的架空输电线路、通信线、各种金属管道或电视天线等高出建筑物的金属突出物上(见图4),从而产生高电位、大电流的雷电冲击波。冲击波沿着这些金属导体侵入建筑物内,称为雷电侵入波。它同样会危及人身及设备的安全。

雷电防护措施

各种建筑物、电力系统、通信系统、大型物理装置、电子计算机及火箭发射系统等等,对雷电防护的要求各异。

建筑物的防护

可采用直击雷防护装置。它由接闪部分、引下线和接地装置组成,有避雷针、避雷带、避雷网和避雷线等类型。沿屋脊、屋檐敷设的金属导体(避雷带)或网格状导体(避雷网),或高出屋面竖立的金属棒以及金属屋面和金属构件等,统称为接闪装置或接闪器。连接接闪装置与接地装置的金属导体称为防雷引下线(简称引下线)。为将接闪器雷电流扩散到大地中而埋设在土壤中的金属导体(接地极)和连接线总称为接地装置。利用建筑物屋顶的金属构件和建筑物内部的钢筋组成一个整体的大网笼称为笼式避雷网。它具有良好的分流、均压和屏蔽作用,是保护性能最好的防雷方式。

电力系统的防护

发电厂和变电所广泛使用独立避雷针。变电架构上的避雷针(110千伏及以上电压变电所)和烟囱、水塔上的避雷针可防护直击雷。大中型变电所常需安装8~10支高30米左右的避雷针群。装于发电厂烟囱上的避雷针可用来保护发电厂,其高度可达120米。这样,直击雷防护的可靠性可达安全运行1000~1300年的耐雷指标(MTBF)。有些变电所是用避雷线来保护。为防护由输电线传入的雷电侵入波,可采用阀型避雷器或氧化锌避雷器。对其保护性能及通流能量等要求甚高,还需严格作到全伏秒特性与被保护的变压器等相配合(图5),

避雷器的尺寸亦甚庞大,如500千伏变电所的避雷器高达5米以上。110、220千伏变电所对侵入波的防护,其平均无故障时间MTBF运行值分别可达80年和200年,330~500千伏级的目标值均为300~500年。继电保护和控制回路多用电缆的金属屏蔽层,并在两端接地,或将绝缘电线、塑料电缆穿入铁管,将两端接地,以防护感应雷和侵入波。对发电机的雷电侵入波防护,则采用旋转电机专用避雷器,并配以由50~100米长的金属屏蔽电缆(电缆埋入地中且在两端和中间设置多点接地)和电缆首端的避雷器及其前方的避雷针或避雷线保护段(作为第一道防线)组成进线保护段。这一保护系统能确保发电机的MTBF达100~300年。若采用防雷线圈(不用电缆)和避雷器的保护方式,MTBF超过600年。输电线路用避雷线保护。110千伏、220千伏、330~500千伏线路分别可达到平均事故 0.2次、0.17次和0.1次/百公里年。为使避雷针、避雷线的布置处于屏蔽雷闪的最佳位置和获得较好的计算方法,并将保护失效率──绕击率(即每1000次雷击,绕过保护装置而击于被保护物上的次数)限制到最低限度,自1925~1926年美国人Peek在实验室用“人工雷”首次对避雷针模型进行试验以来,一直在进行研究。中国在避雷针设计、计算上较为先进,实际绕击率已达到0.5%。各国为研究超高压、特高压输电的长间隙和绝缘子串的雷电冲击特性、变电设备的冲击特性,先后制出高达3600千伏、4800千伏、6000千伏、甚至10000千伏的冲击电压发生器,用以进行大量的试验研究工作。

通信系统的防护

通信明线一般不设直击雷保护, 只在个别重要电杆上装设高出杆顶 0.5米或略长一点的钢棒(一般为4毫米直径),并用引下线接地。 对地下通信电缆,为防止雷击,根据国际电信电报咨询委员会(CCITT)的建议采取下列保护措施。对重要的电缆(如同轴电缆):若土壤电阻率ρ<100欧米时,不专设保护;ρ=100~1000欧米时,在电缆上方埋设1根屏蔽(排流)线,埋深约为电缆埋深的1/2;ρ=1001~3000欧米时,设2根屏蔽线,或采用铠装电缆;ρ>3000欧米时,将电缆敷设在铁管中。对较次要的电缆:若ρ≤1000欧米,不设屏蔽线;ρ>1000欧米,且位于雷电频繁地区,设1~2根屏蔽线。

微波通信站、卫星地面站、雷达站、广播台、电视台等的防雷采用基本相同的措施。主要有:

(1)天线防雷:宜设直击雷保护,避雷针可固定在天线架上,对天线保护角45°。避雷针应避免对天线方位角内电波的屏蔽影响。若布置上有困难时可采用玻璃钢支柱,在其上敷设截面积为25平方毫米的铜绞线作接闪器的引下线。接地电阻一般不超过5欧,在土壤电阻率较低的有条件地区,不宜超过1欧。接地体应围绕塔基做成闭合环形,以减小接触电压和跨步电压。

(2)机房防雷:波导管或同轴电缆的金属外皮,至少应在上、下两端与塔身金属结构连接,并在引进机房处与接地网连接。机房若未在天线避雷针的保护范围之内,应另设直击雷防护。可在房顶四周敷设闭合的避雷带,它可兼作均压带之用。沿机房的四角敷设引下线,并兼作均匀带,在地下与围绕机房四周敷设的水平闭合接地带连接。当机房较大时,需增加引下线,使两相邻引下线间的距离不超过18米。在机房内,围绕机房四周,在地上设接地母线。此母线在四角与机房外的接地带连接,连接点间的距离不大于18米。房内各种电缆的金属外皮,金属外壳和不带电的金属部分、各种金属管道、金属门框、金属进风道、走线架、滤波器架等,以及保护接地、工作接地,均应以最短距离与环形接地母线连接。机房内的电力线、通信线均应有金属外皮或屏蔽层,或敷设在钢管内并将外皮两端接地。这样,设备和导线即处在一个法拉第笼内。电力线、通信线均应在机房内装设放电器。在微波站,机房的接地网与微波塔接地网之间,至少应敷设两根接地均压带,以均衡电位。

(3)台站供电设备防雷:变压器的高压、低压侧均应装设阀型避雷器。

托卡马克、串列加速器等大型物理装置的防护

托卡马克装置一般装于机房内,雷电防护易于解决。机房如为钢筋混凝土结构,只需将其各部件的钢筋连接在一起,并在机房四周做闭合环形接地即可。砖结构的机房需在房顶设避雷网,并连线使其接地。供电电源如果与架空线路连接,应装设避雷器防护雷电波的侵袭。控制回路应采用有屏蔽层的导线,将金属皮在两端接地。数万安的单向脉冲电流对电子计算机和控制回路造成强大的干扰,后两者必须采取屏蔽电缆等措施,解决电磁兼容性问题。同时还要特别注意这种大电流对接地装置所造成的腐蚀影响,需加大接地体的截面。串列加速器在防雷方面可采取上述相似的措施。对其靶点无法防护,因为加入保护器件将影响粒子的走向,只可在其外围尽量减少雷电影响。此外,其电子计算机应采用完全独立的接地网,以解决电磁兼容性问题。若将计算机接地敷设在防雷接地和保护接地网中间,由于电阻耦合作用,相当于两接地网相连,效果欠佳。

大型电子计算机的防护

现代电子计算机对雷电极为敏感。即使几公里以外的高空雷闪或对地雷闪也有可能导致电子计算机的误算或击穿,因为0.07高斯的磁场强度可造成元件失效,2.4高斯即可使元件击穿。所以对于特别重要的计算机,应采取措施防护远方的感应雷。那些与微波塔(站)、雷达站、卫星地面站装在同一高大建筑物内的大型计算机,由于上述各高耸天线的引雷作用,防雷措施更为必要,需采用分流、屏蔽、搭接、接地、保护系统(D.S.B.G.P系统)。

(1)分流(D):楼顶装设高出天线的避雷针,将大量电流引到大楼金属结构和接地网,进行分流和降低电位。

(2)屏蔽(S):所有波导管、信号线、计算机各导线均采用屏蔽线或穿入铁管,且屏蔽层或铁管的两端接地。

(3)搭接(B):所有电缆连接处、电缆与机器连接处进行电气搭接。

(4)接地(G):整个大楼的所有金属架构、管道、导线金属屏蔽层或穿线铁管连在一起与总地网连接,形成法拉第笼。大楼内的防雷接地、工作接地、保护接地均需连在一起,以均衡电位。总接地网主要由沿大楼四周敷设闭合的接地带构成。为解决电磁兼容性问题,计算机的逻辑接地可用电缆外包绝缘层,引到楼下数十米以外单独接地。为防止反击,需在入户处用一放电器接于电缆金属皮与主地网间,在雷击时实行暂态均压。

(5)保护(P):计算机引出的信号线应装设多级保护,以防止信号线遭雷击或发生雷电感应时侵入波损坏计算机。上述保护方式,其MTBF值约在100年左右。

火箭发射系统和地下核爆炸试验系统的防护

这种高技术装置对雷电极为敏感,对防雷可靠性的要求甚高。70年代美国阿波罗登月火箭在飞行中通过雷云时,触发闪电,击坏了计算机和电源设备,从而引起美国重视,开展了航天器防雷计划的研究,并呼吁国际科学界给予支持。80年代末,又曾有5个待发射火箭在雷暴中因闪电触发了3支火箭,结果4支火箭烧毁。这再次引起各国航天工作者的关注。

火箭发射系统由发射塔架、火箭、测控电缆和测试车间、主控室组成,需通过约为1∶10的雷电模拟试验,研究其响应特性,才能选定优化防雷方案。发射塔架和火箭防止直击雷较为可靠的措施是采用独立避雷针,但这也需考虑雷绕击于塔架的情况(发生概率约为0.005~0.01)。作为第二道防线,塔架良好接地分流,通过各摆杆和测控电缆流到箭体的电流约为雷电流的18%。此时通过各测控电缆侵入箭内的侵入波应不致引起元件击穿,或导致失控而点火发射。此外,采用雷击独立避雷针时,考虑火箭测控导线中的雷电感应影响也必须采用屏蔽措施。在设计中必须通过试验,确定箭内电路的响应特性和耐受雷电冲击波的能力,使防雷系统与被保护系统在雷电暂态过程中相互配合,同时做到箭内部电磁兼容以及箭内-箭外电磁兼容。当电磁兼容性问题能妥善解决时,可采用塔架上装设避雷针方案。中国、苏联、日本等国采取独立避雷针方式。美国80年代初开始采用塔架上装设避雷针方式,如休斯敦航天飞机发射中心即采用这种方案。为了尽量减少雷电流直接流过发射塔架的概率,用一螺旋形玻璃钢棒支撑接闪器,多数情况下雷电流由接闪器的3根金属拉线泄入大地,只有很大的雷电流(估计 150千安以上)才通过玻璃棒放电后流入发射塔架。

箭内的电力、电子元件和爆破螺栓、电子计算机等需具有一定的抗干扰能力,它应与防雷系统的防护能力相适应,并通过试验验证。美国规定,对一些火箭,侵入箭内的冲击波不得超过 300伏。由各电缆传至主控室、测试车间的冲击波,由于塔架接地的分流作用,以及电缆的屏蔽、搭接、接地等保护作用,到达末端仪表处一般已无危险。由于各测控信号线路的电磁兼容性要求极高,这种高技术系统的测控和信号电缆的接地与一般民用设施的多点接地方式不同(发射基地的供电系统即采用多点接地),必须采用单点接地技术,以防止干扰电波乱窜。

一个接地系统的效果,取决于系统中两点之间可能存在的电位差及通过该系统的电流大小。一个好的“地”,其电位应该是:与电路中任何功能部分的电位比较都可忽略不计。根据系统的特点,发射中心的各子系统分别采用浮地(如某些计算机的逻辑“地”)、单点接地和多点接地方式。发射中心的单点接地点设置在测试室内,这一“地”电位(接地参考点)由十几条同轴电缆的心线接到箭体和主控室,同轴电缆的外皮用绝缘子必须与地绝缘。电气搭接是指在两金属表面间建立低阻抗的通路,而且以对电磁场的尽可能严密屏蔽为最佳。试验表明,那种通常使用的球珠搭接,在高技术领域不能符合要求,只有实体的全面闭合搭接才能显著减少心线中的干扰电压。测控电缆的屏蔽层只要有一个 1毫米直径的小孔,即能使电缆的转移阻抗(亦即侵入箭中的冲击波)显著增大。主控室和测试车间均应在室外四周敷设闭合的环形接地。发射塔架区则设置极为有效的直径约为60米的主接地网,网格为1×1平方米,每个节点打入长约2米的垂直电极,接地网的接地电阻在0.6欧以下。为防止雷电感应在间隙处产生火花放电,导致火箭加注液体燃料后泄漏挥发易燃气体而燃烧爆炸,塔顶旋转平台及箭外围自行塔的所有门窗都应各设两个电气搭接。这有利于释放旋转平台可能产生的静电积聚。捆绑式同步卫星火箭的4只助推火箭,其每只与主箭连接的2个螺栓,都必须保证良好的电气连接,以便4个助推火箭下端的两个消静电针能释放整个多级火箭箭体在空气中飞行时所产生的静电电荷。否则主箭箭体产生的电荷积聚到一定程度就会产生具有强大放电电流的静电击穿现象。这种放电是一种破坏性很大的强干扰源,可以造成箭内电子元件损坏或引爆爆炸螺栓。欧洲 2号火箭即因未能处理好飞行中的静电积聚问题而导致空中爆炸。

参考书目
  1. 刘继著:《电气装置的过电压保护》,水利电力出版社,北京,1986。
  2. 林维涌、王时煦著:《建筑物防雷》,中国建筑出版社,北京,1985。

参考文章

  • 雷电防护系统是什么?电气技术
  • 风力发电机雷电防护内容是什么?电气技术
  • 风力发电机为什么要做雷电防护?电气技术
  • 风力发电机哪些部位要做雷电防护?电气技术
  • 建筑物电子信息系统雷电防护原则有哪些?电气技术

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