新式接闪器ESE避雷针在台站中的应用

2018-05-09李滨罗欢唐霓云莫东海

视听 2018年4期

李滨罗欢唐霓云莫东海

（1.广西广播电视技术中心桂林分中心；2.无线传播枢纽台）

1 引言

雷电是自然界中常见的自然现象之一，景象雄伟而震撼，能量巨大而躁动，对于高山台站，乃至日常生活，雷击对电气电子系统的影响和破坏是巨大的。

若雷电直击设施和设备，会产生电效应、热效应、机械力。此外，即使雷电并未直击，闪电放电时，会在附近导体上产生雷电静电感应和雷电电磁感应，它可能使电气线路产生过电压和过电流，还会使金属部件之间产生火花放电。甚至，还能通过线路和金属管道入侵室内，对人身安全造成伤害。

虽然设施和设备遭遇雷击的概率并不算大，但是万一不幸受灾，就可能给电气电子系统带去毁灭性的损坏，还会危及人身安全。

2 雷电的形成

由于空气对流等作用，会让云中的水滴冰晶等微粒相互分离，同时所带的正负电荷亦会相互分离，使得原本为电中性的云层产生了电性，云层的绝大部分带负电，而云层顶部则有一正电荷层，这样的云就是雷云。在没有雷云的情况下，大气电场强度约为300V/m；而雷云形成或移动过来后，雷云至地表的电场强度飙升至10kV/m~30kV/m。初次雷击由先导放电（即下行先导）与主放电两个阶段构成。

先导放电于云层中起始，当雷云中局部的电荷集中区与大地之间的局部电场强度超过大气电离的临界电场强度(空气的临界击穿值，干燥的空气中约为 30kV／cm，湿润的空气中约为 10kV／cm)时，就有局部产生了高电导率、高温度的等离子放电通道(温度约为1500~5000K)自雷云边缘向大地发展，称为先导放电。通道的前端被一个直径约 30m 的电晕套所包围，其长度则为 50m 左右。先导放电是间歇性的脉冲发展过程，称分级先导，其电荷以阶梯形式分级向地表推进，每次间歇大约数十微秒。

下行先导通道发展临近地表时，由于局部空间电场强度的增加，使得地表高度较高的物体产生异极性的先导放电，并且向天空发展，称为迎面先导。当下行先导到达地表或与迎面先导相遇以后，先导通道和云层中的电荷与大地的电荷迅速中和，出现极大的电流，并伴随出现雷鸣和闪光，这就是雷电的主放电阶段。

先导放电的平均发展速度较低，约为(1～5)×105米/秒，放电电流较小，约为数百安。主放电发展速度很高，约为2×107～1.5×108米/秒,出现很强的脉冲电流，可达数十至二、三百千安。

雷击形成的整个过程原理如图1所示。

图1 雷击行程过程原理示意图

3 防雷的措施

雷电防护的基本措施是装设防雷装置，防雷装置又分为外部防雷装置和内部防雷装置。

外部防雷装置由接闪器、引下线和接地装置组成，接闪器就是俗称的避雷针和避雷线，避雷针（线）在雷云对地放电过程中吸引雷闪对其放电，再经引下线和接地装置将雷电流引入大地，使被保护物免遭雷击。

内部防雷装置由防雷等电位连接网络和避雷器组成，等电位连接网络，将分开的诸金属物体直接用连接导体或经电涌保护器连接到防雷装置上以减小雷电流引发的电位差。避雷器装设在被保护设备附近，当雷电冲击波沿线路传入时，它首先放电，限制了电压波幅值，保护设备免遭破坏。

整个防雷装置中，最重要的就是接闪器，其原理如下：天空出现雷云时，接闪器和其所在设施还有周边较高物体都被感应出大量电荷，由于接闪器的端头是尖的，而在静电感应时，导体尖端总是会聚集最多的电荷，这样，接闪器就聚集了大量的电荷。同时，接闪器又与这些雷云之间等效为一个电容器。平板电容器的电容量与极板面积成正比，由于接闪器尖端较尖，尖端与雷云之间形成的电容器的极板面积很小，因此其电容量也很小，即它所能容纳的电荷量也很少。因为接闪器尖端已经聚集了大量的电荷，所以当雷云中电荷较多时，雷云与接闪器之间的空气就很容易被击穿，形成雷云到接闪器的放电通道，而接闪器又是接地的，雷云中的电荷就能通过它直接导入大地，使被保护物免遭雷击。

4 实际雷击中的问题

在实际发生的雷击事件中，防雷装置在绝大部分情况下可以对设施设备进行良好的防护，但是还是会有接闪器下端设施被雷电击中的情况发生，也就是所谓的绕击和侧击。

以桂林实验台（大头山维护部）为例，台区内，天线铁塔最高，其次是机房，最低是卫星接收锅盖，其位置低于机房一楼地面高度。铁塔上装有常规避雷针，机房顶部也装置了小型避雷针和避雷线，但是往年雷击发生时，还是会出现卫星接收高频头被击坏的情况，而且不单是感应雷浪涌导致，还会有直击雷直接击中。后来采用以扁钢和钢管搭建的法拉第笼架构于卫星锅盖外围及顶部，依然还是会出现直击雷直击的情况。究其原因，一是接闪器存在固定的有效保护半径和有效保护区域；二是在其保护范围内，还有别的特殊情况影响了雷击放电通道的形成。

接闪器的有效保护半径R的计算方式如下，式中的h为避雷针的高度，H为被保护设施的高度。

接闪器的有效保护区域为其下面45°~60°的伞形区域，如图2所示。

图2 接闪器有效保护区域示意图

由此可知，超出了接闪器的保护范围后，即使在接闪器下端，设施还是有很大的概率遭遇雷击。

处于接闪器保护范围内的设施设备，依然还会遭遇雷击，这又是另一种原因。

雷云的下行先导向地表发展移动的过程中，地表上可能会生成好几个迎面先导，而下行先导会对第一个与之相遇的迎面先导中和放电，即发生了雷击。发生雷击之前，雷击点并不确定，这与雷击点的电位有关,也受雷电流幅值、雷电极性甚至是大气的电荷分布情况影响，而并非雷电一定会打击在最高点。

因此，如何使雷击按照预定的路线生成和泄放，且不会殃及需要保护的设施和设备，是雷电防护中的重中之重。

5 如何提升防雷效果

传统常规接闪器，即“富兰克林式”避雷针，一般采用钢制针式结构，当其尖端聚集大量的电荷以后，就可以生成迎面先导，然后与雷云的下行先导形成放电通道。但是，传统接闪器，只有经过较长时间的电荷蓄积，才能在尖端产生足够的空气电离，进一步生成大量的离子形成迎面先导。

由于大气对流作用，水滴冰晶等微粒子分布随机且不均匀，导致大气中电荷分布也并不均匀，因此大气中会有局部区域的电荷相对集中，这些区域很适合下行先导进一步的发展出新的放电通道，这些通道最终的发展方向并不一定能与接闪器的迎面先导相遇。有时由于局部地表设施的电气电磁作用，比如带电线路、发射天线、卫星高频头等，地表除了接闪器以外也会产生迎面先导向上发展。因此，雷击并非直线发展并发生在接闪器，而是根据实际大气中的电荷分布情况，循着电荷较多的区域逐级弯曲推进。这也就是造成雷电越过接闪器绕击或者侧击设施设备的原因。

如果接闪器可以相对于被保护设施更早的产生迎面先导与雷云的下行先导相遇，就可以更稳妥的保护设施设备不会遭遇雷击。因此，区别于传统避雷针的主动式避雷针应运而生。

ESE（Early Streamer Emission）避雷针，也叫做提前放电或者预放电避雷针，其结构示意图如图3所示，由针尖、上端电极、电子触发装置、下端电极和支撑架组成。

图3 ESE（Early Streamer Emission）避雷针结构示意图

雷云形成或者移动过来时，针尖会因为大气电场而感应出与高电位，然后聚集在上端电极中。下端电极则通过支撑架连接到引下线直至接地装置，电性呈现为大地的低电位。上下端电极的电位差极高，在有雷云的情况能到达近似于雷云与地表的电位差，几十千伏至上百千伏。其高电位差会让针尖附近电场严重畸变，针尖会放电打火，进而使针尖空气大量电离，形成很强的放电脉冲。这些自由离子在电场力的作用下迅速向上移动，使雷云与针尖的绝缘距离缩短，电场进一步增强，空气继续电离。因没有空间电荷的阻碍，该放电脉冲在电场作用下快速向上发展形成迎面先导，去拦截雷云的下行先导甚至进入雷云电荷中心，发生先导放电和主放电，保证了雷击最终击落在接闪器上面然后泄放入大地中。

由于预放电避雷针具有的特殊电离触发能力，使其可以比周围设备设施更早的产生迎面先导，达到最先放电并引导雷击的目的。普通避雷针的迎面先导的触发时间为T1，预放电避雷针的迎面先导触发时间为T2，则相比于普通避雷针，预放电避雷针具有的更短的触发时间，这个触发时间的提前量即为预放电时间，公式如下。