【正文】 免受雷擊 。 由于避雷針與大地有良好的電氣連接，能把大地積存的電荷能量迅速傳遞到雷雨云層中泄放；或把雷雨云層中積存的電荷能量傳遞到大地中泄放，使雷擊而造成的過電壓時(shí)間大大的縮短，從很大程度上降低了雷擊的危害性，這就是避雷針的工作原理。 但需要說(shuō)明，避雷針必須有足夠可靠，并且有接地電阻盡量小的引下線接地裝置與其配套，否則，它不但起不到避雷的作用，反而增大雷擊的損害程度。 3 當(dāng)人類社會(huì)進(jìn)入電子信息時(shí)代后，雷災(zāi)出現(xiàn)特點(diǎn)與以往有極大的不同，可以概括為： （ 1） 受災(zāi)面大大擴(kuò)大，從電力、建筑這兩個(gè)傳統(tǒng)領(lǐng)域擴(kuò)展到幾乎所有行業(yè) ，特點(diǎn)是與高新技術(shù)關(guān)系最密切的領(lǐng)域，如航天、航空、國(guó)防郵電通信、計(jì)算機(jī)、電子工業(yè)、石油化工、金融證券等； （ 2） 從二維空間入侵變?yōu)槿S空間入侵。從閃電直擊和過電壓波沿線傳輸變?yōu)榭臻g閃電的脈沖電磁場(chǎng)從三維空間入侵到任何角落，無(wú)空不入地造成災(zāi)害，因而防雷工程已從防直擊雷、感應(yīng)雷進(jìn)入防雷電電磁脈沖（ LEMP）。前面是指雷電的受災(zāi)行業(yè)面擴(kuò)大了，這兒指雷電災(zāi)害的空間范圍擴(kuò)大了。例如二 000 年七月二十五日 14點(diǎn) 40分左右，一次閃電造成漕寶路桂菁路附近二家單位同時(shí)受到雷災(zāi)，而不是以往的一次閃電只是一個(gè)建筑物受損。 （ 3） 雷災(zāi)的經(jīng)濟(jì)損失和危害程度大大增加了，它襲擊的對(duì)象本身的直接經(jīng)濟(jì)損失有時(shí)并不太大，而由此產(chǎn)生的間接經(jīng)濟(jì)損失和影響就難以估計(jì)。例如一九九九年八月二十七日凌晨 2點(diǎn)，某尋呼臺(tái)遭受雷擊，導(dǎo)致該臺(tái)中斷尋呼數(shù)小時(shí)，其直接損失是有限的，但間接損失將大大超過直接損失。 （ 4） 產(chǎn)生上述特點(diǎn)的根本原因，也就是關(guān)鍵性的特點(diǎn)是雷災(zāi)的主要對(duì)象已集中在微電子器件設(shè)備上。雷電的本身并沒有變，而是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得人類社會(huì)的生產(chǎn)生活狀況變了。微電子技術(shù)的應(yīng)用滲透到各種生產(chǎn)和生活領(lǐng)域，微電子器件極端靈敏，這一特點(diǎn)很容易受到無(wú)孔不入的 LEMP 的作用，造成微電子設(shè)備的失控或者損壞。 為此，當(dāng)今時(shí)代的防雷工作的重要性、迫切性、復(fù)雜性大大增加了，雷電的防御已從直擊雷防護(hù)到系統(tǒng)防護(hù)，我們必須站到歷史時(shí)代的新高度來(lái)認(rèn)識(shí)和研究現(xiàn)代防雷技術(shù) 。 4 2 主要的雷擊方式 隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的不斷提高，各類先進(jìn)的電子設(shè)備廣泛地運(yùn)用到了各電壓等級(jí)的變電站內(nèi)。但是一方面由于電子設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度集成化，從而造成設(shè)備耐壓、耐過電流的水平下降，對(duì)雷電（包括感應(yīng)雷及操作過電壓浪涌）的承受能力下降，另一方面由于信號(hào)來(lái)源路徑增多，系統(tǒng)較以前更容易遭受雷電波侵入。 雷的直擊和繞擊 雷云單體浮在大地上空，其所帶電荷拖著地表相反電荷猶如一個(gè)影子隨風(fēng)移動(dòng)。如果途經(jīng)變電站的避雷針或地表其他突出物，地電荷會(huì)導(dǎo)致突出物頂端電場(chǎng)畸變集中。閃電開展之前先是雷云底部的始發(fā)先導(dǎo)按間歇分級(jí)躍進(jìn)方式向地表發(fā)展，當(dāng)距地面 50～ 100m 時(shí)，由避雷針等地表電場(chǎng)畸變集中的地方產(chǎn)生垂直向上的迎面先導(dǎo)。兩者相接，進(jìn)入直擊或繞擊的主放電階段。 通常當(dāng)?shù)孛嫔贤怀鑫锏母叨葹?h，雷云正下方的平均電場(chǎng)強(qiáng)度大于和等于 kV/m 時(shí)，則該突出物將容易受到直擊雷。原因是高為 h 的避雷針可影響雷云單體向下的 始發(fā)先導(dǎo)發(fā)展方向的半徑，用公式表述為： R＝ 。該式還表明，地表安裝獨(dú)立避雷針后，將會(huì)在其附近出現(xiàn)大量的散擊，甚至對(duì)避雷針進(jìn)行直擊，對(duì)受避雷針保護(hù)范圍內(nèi)的物體進(jìn)行繞擊。 一次雷擊主放電一般為幾萬(wàn)安培到十幾萬(wàn)安培，釋放的能量相當(dāng)大，瞬間所產(chǎn)生的強(qiáng)大電流、灼熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的靜電場(chǎng)和強(qiáng)烈的電磁輻射等物理效應(yīng)給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)多種危害，如引起火災(zāi)和大爆炸，金屬導(dǎo)體連接部分?jǐn)嗔哑茡p，建筑物倒塌，電氣設(shè)備損壞等等。 雷擊反擊 直擊雷電流通過地表突出物的電阻入地散流。假如地電阻為 10Ω，一個(gè) 30kA的雷電流將會(huì)使地網(wǎng)電位上升至 300kV。如果受雷擊變電站輸電線路來(lái)自另一個(gè)5 不同地網(wǎng)的變電站，那么上升的地電位與輸電線上的電位將形成巨大反差，導(dǎo)致與輸電線路相連的電氣設(shè)備的損壞。 不僅僅是輸電線路、動(dòng)力電纜，凡是引進(jìn)變電站的金屬管線都會(huì)引起雷電反擊。 另一種雷電反擊，對(duì)變電站的電子設(shè)備危害也不容忽視。雷電流沿變電站的接地網(wǎng)散流，支線上的雷電流和各點(diǎn)電位差異很大。連接在不同等電位地網(wǎng)上的電子設(shè)備，如果其間有電信號(hào)聯(lián)系，那么超過其容許承受能力的地電位差將導(dǎo)致設(shè)備損壞。 感應(yīng)雷 直擊雷放電 的能量通過電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)方式向四周輻射，導(dǎo)致設(shè)備過電壓放電，則為感應(yīng)雷。感應(yīng)雷雖然沒有直接雷猛烈，但其發(fā)生的幾率比直擊雷高得多。感應(yīng)雷的破壞也稱為二次破壞。雷電流變化梯度很大，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的交變磁場(chǎng)，使得周圍的金屬構(gòu)件產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流可能向周圍物體放電，如附近有可燃物就會(huì)引發(fā)火災(zāi)和爆炸，而感應(yīng)到正在聯(lián)機(jī)的導(dǎo)線上就會(huì)對(duì)設(shè)備具有強(qiáng)烈的破壞性。顯然，感應(yīng)雷危害是大面積的，是電子設(shè)備的克星。 有資料計(jì)算表明，當(dāng)雷電電流為 30 kA 斜角波，雷云高度為 3 km，導(dǎo)線高度為 10m，擊中距末端匹配的 500m 長(zhǎng)架空線 路中點(diǎn) 100m 處地面時(shí)，線路上感應(yīng)電壓為 150 kV 幅值的振蕩波。此波為電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)共同作用的結(jié)果。 事實(shí)上，在生產(chǎn)實(shí)踐中，雷擊的靜電感應(yīng)破壞力數(shù)倍于電磁感應(yīng)。靜電感應(yīng)還可用雷電的二次效應(yīng)理論來(lái)解釋。帶電雷云飄浮在地表上空，地表帶上與雷云相反的等量電荷。當(dāng)雷擊過后，雷擊點(diǎn)地表變?yōu)殡姾傻南鄬?duì)空穴，周圍高電荷區(qū)域內(nèi)與地電位相對(duì)絕緣的導(dǎo)體上的電荷，將像受突然擊發(fā)的水波一樣沖向雷擊點(diǎn)，導(dǎo)致設(shè)備打火，絕緣受損和電子設(shè)備失效。特別注意的是電子設(shè)備的高阻抗輸入回路，信號(hào)回路等引線較長(zhǎng)，且直接連接的金屬體積較大處，雖 然已作電磁屏蔽（采用屏蔽電纜且屏蔽層兩端接地）仍會(huì)遭受厄運(yùn)。 6 3 變電站防雷措施 避雷針 為免遭直擊雷破壞，變電站一般采用獨(dú)立避雷針和構(gòu)架避雷針進(jìn)行防雷保護(hù)。其結(jié)構(gòu)均分為接閃器、引下線和接地體，防雷原理相同。 獨(dú)立避雷針的保護(hù)范圍對(duì)地面為 （針高），對(duì)超過針高一半的空間其保護(hù)范圍只能在 45 角內(nèi)校核。目前國(guó)際上流行的一種滾球法理論校核獨(dú)立避雷針的保護(hù)范圍比較符合實(shí)際。滾球法理論認(rèn)為直擊和繞擊與雷云帶電量有關(guān)，能量越小的雷越易產(chǎn)生繞擊?？尚蜗蟮亟忉尀橐粋€(gè)半徑與雷云帶電量成比例的以雷云先導(dǎo)為圓心 的球，滾落在地面上。到碰到避雷針尖為止。球與地面接觸點(diǎn)到針尖這段弧，如果碰不到被保護(hù)物體，則被保護(hù)物處在保護(hù)范圍內(nèi)。如中等強(qiáng)度的雷云 (U0=50MV),按雷電先導(dǎo)的閃擊距離公式 rs= ，可得球的半徑為 133m，在此情況下得出的保護(hù)半徑比有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程的大一些。按防雷規(guī)范核保護(hù)范圍，一般 110kV 中等規(guī)模變電站采用 3～ 5根， 35 kV 變電站 1～ 4根 30m左右避雷針，即可以覆蓋全站被保護(hù)區(qū)范圍。 避雷針的年雷擊次數(shù)，可按經(jīng)驗(yàn)公式 N= n k(l+5h)(b+5h)106計(jì)算。其中 n為年雷暴日數(shù)， k 為校正系數(shù)，金屬結(jié)構(gòu)取 2， l、 b、 h 分別為建筑物的長(zhǎng)、寬、高。按該式在年雷暴日為 40的地區(qū)， 35kV 室外終端變電站，母線構(gòu)架 高，受雷擊概率為每年 次，而加 1根 30m 高避雷針后，則每年將受 次雷擊。如果一個(gè)變電站有 4 根針，每邊相距 50m，雷擊概率則為 次 /年。由于避雷針的存在，建筑物上落雷機(jī)會(huì)反倒增加，內(nèi)部設(shè)備遭感應(yīng)雷危害的機(jī)會(huì)和程度一般來(lái)說(shuō)是增加了。 限流式避雷針 —— 主要用于直擊雷的防護(hù)。因?yàn)楸芾揍槍?qiáng)大的直擊雷電流，通過建筑鋼筋或引下線泄放置地網(wǎng)，可能 會(huì)造成附近設(shè)備遭受雷電電磁脈沖的干擾。雷擊避雷針時(shí)，雷電流流經(jīng)避雷針及其接地裝置，避雷針與被保護(hù)設(shè)備或構(gòu)架之間的空氣間隙被擊穿而造成跳火事故，雷電流越大，跳火的可能性越大。 消弱空間雷電電磁脈沖強(qiáng)度、降低跳火的有效方法，就是減小雷電流的強(qiáng)度。安裝限流式避雷針系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：采用阻抗限流等綜合技術(shù)，降低雷電泄放時(shí)7 產(chǎn)生的危險(xiǎn)；降低雷電流幅值、上升沿陡度減緩；降低對(duì)周圍的二次電磁感應(yīng)；引下線高端電位降低，防止側(cè)向跳火；抑制地電位反擊。 表 31 限流型避雷針性能指標(biāo) 型號(hào) 雷電通流容量 KA 200 300 陡度衰減倍率 ≥ 25 ≥ 33 幅值衰減倍率 (％ ) ≤ 80 ≤ 80 電阻Ω ≤ 1 ≤ 1 高度 m 3 2 質(zhì)量 KG 20 42 最大抗風(fēng)強(qiáng)度 40 40 避雷器 為了防護(hù)感應(yīng)雷和輸電線路的雷電侵入波的危害，變電站內(nèi)采用了避雷器。以前裝設(shè)的避雷器大多為裝在線路端的管型避雷器和裝在母線、設(shè)備處的閥型避雷器，目前均由性能更好的金屬氧化物避雷器所取代。 由于雷電侵入波主要對(duì) 35kV 以下系統(tǒng)危害較大，變電站著重對(duì) 35kV 和 10kV線路入侵波進(jìn)行了防護(hù)。對(duì) 35kV 架空進(jìn)線，一般是采用進(jìn)線段 1～ 2km 的架空避雷線配其兩端的管型避雷器進(jìn)行防護(hù)。對(duì) 10kV 線路，則每條進(jìn)線均采用一組閥型或氧化鋅避雷器進(jìn)行防護(hù)。上述防護(hù)措施均未考慮低壓部分過電壓，未考慮雷電入侵波或危險(xiǎn)電位通過進(jìn)所金屬管線引入構(gòu)成對(duì)電子設(shè)備的威脅。 8 4 變電站防雷保護(hù)方案與接地 防雷保護(hù)方案 變電所是重要的電力樞紐 ,一旦發(fā)生雷擊事故 ,就會(huì)造成大面積停電。一些重要設(shè)備如變壓器等 ,多半不是自恢復(fù)絕緣 ,其內(nèi)部絕緣如故發(fā)生閃絡(luò) ,就會(huì)損壞設(shè)備。因此 ,變電所實(shí)際上是完全耐雷的。 變電所的雷害事故來(lái)自兩個(gè)方面 :一是雷直擊變電所 。二是雷擊輸電線路產(chǎn)生的雷電波沿線路侵入變電所。 對(duì)直擊雷的防護(hù)一般采用避雷針或避雷線。對(duì)雷電侵入波的防護(hù)的主要措施是閥式避雷器限制過電壓幅值 ,同時(shí)輔之以相應(yīng)措施 ,以限制流過閥式避雷器的雷電流和降低侵入波的陡度。 為了防止變電所遭受直接雷擊 ,需要安裝避雷針、避雷線和輔設(shè)良好的接地網(wǎng)。裝設(shè)避雷針 (線 )應(yīng)該使變電所的所有設(shè)備和建筑物處于保護(hù)范圍內(nèi)。還應(yīng)該使被保護(hù)物體與避雷針 (線 )之間留有一定距離，因?yàn)槔字睋舯芾揍?(線 )瞬間的地電位可能提高。如果這一距離不夠大，則有可能在它們之間發(fā)生放電，這種現(xiàn)象稱避雷針 (線 )對(duì)電氣設(shè)備的反擊或閃絡(luò) 。逆閃絡(luò)一旦出現(xiàn) ,高電位將加到電氣設(shè)備上，有可能導(dǎo)致設(shè)備絕緣的損壞。為了避免這種情況發(fā)生 ,被保護(hù)物體與避雷針間在空氣中以及地下接地裝置間應(yīng)有足夠的距離。 按實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)校驗(yàn)后，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn) 目前推薦 1d 和 2d 應(yīng)滿足下式要求 : 1d ≥ iR ＋ , 2d ≥ iR 2d ≥ (41) 在對(duì)較大面積的變電所進(jìn)行保護(hù)時(shí) ,采用等高避雷針聯(lián)合保護(hù)要比單針保護(hù)范圍大。因此，為了對(duì)本站覆蓋 ,采用四支避雷針。被保護(hù)變電所總長(zhǎng) ,寬 ,查手冊(cè)，門型架構(gòu)高 15m。 D12＝ D34＝ 。D23＝ D14＝ (42) 9 maxD ＝ 22 ? ＝ 135m (43) 0h ＝ h －7D (44) 所以 ,需要避雷針的高度 h 為 : h ＝ 15＋ 7135 ＝ 四只避雷針分成兩個(gè)三只避雷針選擇 防雷接地 “防雷在于接地” ,這句話含義說(shuō)明各種防雷保護(hù)裝 置都必須配以合適的接地裝置。將雷電泄入大地，才能有效地發(fā)揮其保護(hù)作用。 接地是指將地面上的金屬物體或電氣回路中的某一節(jié)點(diǎn)通過導(dǎo)體與大地保持等電位 ,電力系統(tǒng)的接地按其功用可分三類 : 工作接地 :根據(jù)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的需要而設(shè)置的接地，它所要求的接地電阻值約在 ?的范圍內(nèi)。 保護(hù)接地 :不設(shè)這種接地，電力系統(tǒng)也能正常運(yùn)行 ,但為了人身安全而將電氣設(shè)備的金屬外殼等加以接地 ,它是在故障的條件下才發(fā)揮作用的 ,它所要求的接地電阻值處于 110?的范圍內(nèi)。 防雷接地 :用來(lái)將雷電流順利泄入大地