新式接閃器ESE避雷針在臺(tái)站中的應(yīng)用

李濱 羅歡 唐霓云 莫東海

（1.廣西廣播電視技術(shù)中心桂林分中心；2.無(wú)線傳播樞紐臺(tái)）

1 引言

雷電是自然界中常見(jiàn)的自然現(xiàn)象之一，景象雄偉而震撼，能量巨大而躁動(dòng)，對(duì)于高山臺(tái)站，乃至日常生活，雷擊對(duì)電氣電子系統(tǒng)的影響和破壞是巨大的。

若雷電直擊設(shè)施和設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)、機(jī)械力。此外，即使雷電并未直擊，閃電放電時(shí)，會(huì)在附近導(dǎo)體上產(chǎn)生雷電靜電感應(yīng)和雷電電磁感應(yīng)，它可能使電氣線路產(chǎn)生過(guò)電壓和過(guò)電流，還會(huì)使金屬部件之間產(chǎn)生火花放電。甚至，還能通過(guò)線路和金屬管道入侵室內(nèi)，對(duì)人身安全造成傷害。

雖然設(shè)施和設(shè)備遭遇雷擊的概率并不算大，但是萬(wàn)一不幸受災(zāi)，就可能給電氣電子系統(tǒng)帶去毀滅性的損壞，還會(huì)危及人身安全。

2 雷電的形成

由于空氣對(duì)流等作用，會(huì)讓云中的水滴冰晶等微粒相互分離，同時(shí)所帶的正負(fù)電荷亦會(huì)相互分離，使得原本為電中性的云層產(chǎn)生了電性，云層的絕大部分帶負(fù)電，而云層頂部則有一正電荷層，這樣的云就是雷云。在沒(méi)有雷云的情況下，大氣電場(chǎng)強(qiáng)度約為300V/m；而雷云形成或移動(dòng)過(guò)來(lái)后，雷云至地表的電場(chǎng)強(qiáng)度飆升至10kV/m~30kV/m。初次雷擊由先導(dǎo)放電（即下行先導(dǎo)）與主放電兩個(gè)階段構(gòu)成。

先導(dǎo)放電于云層中起始，當(dāng)雷云中局部的電荷集中區(qū)與大地之間的局部電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)大氣電離的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度(空氣的臨界擊穿值，干燥的空氣中約為 30kV／cm，濕潤(rùn)的空氣中約為 10kV／cm)時(shí)，就有局部產(chǎn)生了高電導(dǎo)率、高溫度的等離子放電通道(溫度約為1500~5000K)自雷云邊緣向大地發(fā)展，稱為先導(dǎo)放電。通道的前端被一個(gè)直徑約 30m 的電暈套所包圍，其長(zhǎng)度則為 50m 左右。先導(dǎo)放電是間歇性的脈沖發(fā)展過(guò)程，稱分級(jí)先導(dǎo)，其電荷以階梯形式分級(jí)向地表推進(jìn)，每次間歇大約數(shù)十微秒。

下行先導(dǎo)通道發(fā)展臨近地表時(shí)，由于局部空間電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，使得地表高度較高的物體產(chǎn)生異極性的先導(dǎo)放電，并且向天空發(fā)展，稱為迎面先導(dǎo)。當(dāng)下行先導(dǎo)到達(dá)地表或與迎面先導(dǎo)相遇以后，先導(dǎo)通道和云層中的電荷與大地的電荷迅速中和，出現(xiàn)極大的電流，并伴隨出現(xiàn)雷鳴和閃光，這就是雷電的主放電階段。

先導(dǎo)放電的平均發(fā)展速度較低，約為(1～5)×105米/秒，放電電流較小，約為數(shù)百安。主放電發(fā)展速度很高，約為2×107～1.5×108米/秒,出現(xiàn)很強(qiáng)的脈沖電流，可達(dá)數(shù)十至二、三百千安。

雷擊形成的整個(gè)過(guò)程原理如圖1所示。

圖1 雷擊行程過(guò)程原理示意圖

3 防雷的措施

雷電防護(hù)的基本措施是裝設(shè)防雷裝置，防雷裝置又分為外部防雷裝置和內(nèi)部防雷裝置。

外部防雷裝置由接閃器、引下線和接地裝置組成，接閃器就是俗稱的避雷針和避雷線，避雷針（線）在雷云對(duì)地放電過(guò)程中吸引雷閃對(duì)其放電，再經(jīng)引下線和接地裝置將雷電流引入大地，使被保護(hù)物免遭雷擊。

內(nèi)部防雷裝置由防雷等電位連接網(wǎng)絡(luò)和避雷器組成，等電位連接網(wǎng)絡(luò)，將分開的諸金屬物體直接用連接導(dǎo)體或經(jīng)電涌保護(hù)器連接到防雷裝置上以減小雷電流引發(fā)的電位差。避雷器裝設(shè)在被保護(hù)設(shè)備附近，當(dāng)雷電沖擊波沿線路傳入時(shí)，它首先放電，限制了電壓波幅值，保護(hù)設(shè)備免遭破壞。

整個(gè)防雷裝置中，最重要的就是接閃器，其原理如下：天空出現(xiàn)雷云時(shí)，接閃器和其所在設(shè)施還有周邊較高物體都被感應(yīng)出大量電荷，由于接閃器的端頭是尖的，而在靜電感應(yīng)時(shí)，導(dǎo)體尖端總是會(huì)聚集最多的電荷，這樣，接閃器就聚集了大量的電荷。同時(shí)，接閃器又與這些雷云之間等效為一個(gè)電容器。平板電容器的電容量與極板面積成正比，由于接閃器尖端較尖，尖端與雷云之間形成的電容器的極板面積很小，因此其電容量也很小，即它所能容納的電荷量也很少。因?yàn)榻娱W器尖端已經(jīng)聚集了大量的電荷，所以當(dāng)雷云中電荷較多時(shí)，雷云與接閃器之間的空氣就很容易被擊穿，形成雷云到接閃器的放電通道，而接閃器又是接地的，雷云中的電荷就能通過(guò)它直接導(dǎo)入大地，使被保護(hù)物免遭雷擊。

4 實(shí)際雷擊中的問(wèn)題

在實(shí)際發(fā)生的雷擊事件中，防雷裝置在絕大部分情況下可以對(duì)設(shè)施設(shè)備進(jìn)行良好的防護(hù)，但是還是會(huì)有接閃器下端設(shè)施被雷電擊中的情況發(fā)生，也就是所謂的繞擊和側(cè)擊。

以桂林實(shí)驗(yàn)臺(tái)（大頭山維護(hù)部）為例，臺(tái)區(qū)內(nèi)，天線鐵塔最高，其次是機(jī)房，最低是衛(wèi)星接收鍋蓋，其位置低于機(jī)房一樓地面高度。鐵塔上裝有常規(guī)避雷針，機(jī)房頂部也裝置了小型避雷針和避雷線，但是往年雷擊發(fā)生時(shí)，還是會(huì)出現(xiàn)衛(wèi)星接收高頻頭被擊壞的情況，而且不單是感應(yīng)雷浪涌導(dǎo)致，還會(huì)有直擊雷直接擊中。后來(lái)采用以扁鋼和鋼管搭建的法拉第籠架構(gòu)于衛(wèi)星鍋蓋外圍及頂部，依然還是會(huì)出現(xiàn)直擊雷直擊的情況。究其原因，一是接閃器存在固定的有效保護(hù)半徑和有效保護(hù)區(qū)域；二是在其保護(hù)范圍內(nèi)，還有別的特殊情況影響了雷擊放電通道的形成。

接閃器的有效保護(hù)半徑R的計(jì)算方式如下，式中的h為避雷針的高度，H為被保護(hù)設(shè)施的高度。

接閃器的有效保護(hù)區(qū)域?yàn)槠湎旅?5°~60°的傘形區(qū)域，如圖2所示。

圖2 接閃器有效保護(hù)區(qū)域示意圖

由此可知，超出了接閃器的保護(hù)范圍后，即使在接閃器下端，設(shè)施還是有很大的概率遭遇雷擊。

處于接閃器保護(hù)范圍內(nèi)的設(shè)施設(shè)備，依然還會(huì)遭遇雷擊，這又是另一種原因。

雷云的下行先導(dǎo)向地表發(fā)展移動(dòng)的過(guò)程中，地表上可能會(huì)生成好幾個(gè)迎面先導(dǎo)，而下行先導(dǎo)會(huì)對(duì)第一個(gè)與之相遇的迎面先導(dǎo)中和放電，即發(fā)生了雷擊。發(fā)生雷擊之前，雷擊點(diǎn)并不確定，這與雷擊點(diǎn)的電位有關(guān),也受雷電流幅值、雷電極性甚至是大氣的電荷分布情況影響，而并非雷電一定會(huì)打擊在最高點(diǎn)。

因此，如何使雷擊按照預(yù)定的路線生成和泄放，且不會(huì)殃及需要保護(hù)的設(shè)施和設(shè)備，是雷電防護(hù)中的重中之重。

5 如何提升防雷效果

傳統(tǒng)常規(guī)接閃器，即“富蘭克林式”避雷針，一般采用鋼制針式結(jié)構(gòu)，當(dāng)其尖端聚集大量的電荷以后，就可以生成迎面先導(dǎo)，然后與雷云的下行先導(dǎo)形成放電通道。但是，傳統(tǒng)接閃器，只有經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的電荷蓄積，才能在尖端產(chǎn)生足夠的空氣電離，進(jìn)一步生成大量的離子形成迎面先導(dǎo)。

由于大氣對(duì)流作用，水滴冰晶等微粒子分布隨機(jī)且不均勻，導(dǎo)致大氣中電荷分布也并不均勻，因此大氣中會(huì)有局部區(qū)域的電荷相對(duì)集中，這些區(qū)域很適合下行先導(dǎo)進(jìn)一步的發(fā)展出新的放電通道，這些通道最終的發(fā)展方向并不一定能與接閃器的迎面先導(dǎo)相遇。有時(shí)由于局部地表設(shè)施的電氣電磁作用，比如帶電線路、發(fā)射天線、衛(wèi)星高頻頭等，地表除了接閃器以外也會(huì)產(chǎn)生迎面先導(dǎo)向上發(fā)展。因此，雷擊并非直線發(fā)展并發(fā)生在接閃器，而是根據(jù)實(shí)際大氣中的電荷分布情況，循著電荷較多的區(qū)域逐級(jí)彎曲推進(jìn)。這也就是造成雷電越過(guò)接閃器繞擊或者側(cè)擊設(shè)施設(shè)備的原因。

如果接閃器可以相對(duì)于被保護(hù)設(shè)施更早的產(chǎn)生迎面先導(dǎo)與雷云的下行先導(dǎo)相遇，就可以更穩(wěn)妥的保護(hù)設(shè)施設(shè)備不會(huì)遭遇雷擊。因此，區(qū)別于傳統(tǒng)避雷針的主動(dòng)式避雷針應(yīng)運(yùn)而生。

ESE（Early Streamer Emission）避雷針，也叫做提前放電或者預(yù)放電避雷針，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，由針尖、上端電極、電子觸發(fā)裝置、下端電極和支撐架組成。

圖3 ESE（Early Streamer Emission）避雷針結(jié)構(gòu)示意圖

雷云形成或者移動(dòng)過(guò)來(lái)時(shí)，針尖會(huì)因?yàn)榇髿怆妶?chǎng)而感應(yīng)出與高電位，然后聚集在上端電極中。下端電極則通過(guò)支撐架連接到引下線直至接地裝置，電性呈現(xiàn)為大地的低電位。上下端電極的電位差極高，在有雷云的情況能到達(dá)近似于雷云與地表的電位差，幾十千伏至上百千伏。其高電位差會(huì)讓針尖附近電場(chǎng)嚴(yán)重畸變，針尖會(huì)放電打火，進(jìn)而使針尖空氣大量電離，形成很強(qiáng)的放電脈沖。這些自由離子在電場(chǎng)力的作用下迅速向上移動(dòng)，使雷云與針尖的絕緣距離縮短，電場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng)，空氣繼續(xù)電離。因沒(méi)有空間電荷的阻礙，該放電脈沖在電場(chǎng)作用下快速向上發(fā)展形成迎面先導(dǎo)，去攔截雷云的下行先導(dǎo)甚至進(jìn)入雷云電荷中心，發(fā)生先導(dǎo)放電和主放電，保證了雷擊最終擊落在接閃器上面然后泄放入大地中。

由于預(yù)放電避雷針具有的特殊電離觸發(fā)能力，使其可以比周圍設(shè)備設(shè)施更早的產(chǎn)生迎面先導(dǎo)，達(dá)到最先放電并引導(dǎo)雷擊的目的。普通避雷針的迎面先導(dǎo)的觸發(fā)時(shí)間為T1，預(yù)放電避雷針的迎面先導(dǎo)觸發(fā)時(shí)間為T2，則相比于普通避雷針，預(yù)放電避雷針具有的更短的觸發(fā)時(shí)間，這個(gè)觸發(fā)時(shí)間的提前量即為預(yù)放電時(shí)間，公式如下。

6 前景設(shè)想

預(yù)放電避雷針的設(shè)計(jì)是依據(jù)法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NFC 17-102進(jìn)行，國(guó)內(nèi)并未進(jìn)行大規(guī)模投入使用，但是在電力輸送、大型倉(cāng)庫(kù)、露天堆場(chǎng)等地方，都有不少的使用案例，測(cè)試所得的預(yù)防雷電繞擊側(cè)擊的效果不錯(cuò)，故可以在高山臺(tái)站這種易遭遇雷擊的特殊設(shè)施中使用。

現(xiàn)在臺(tái)站內(nèi)的設(shè)施結(jié)構(gòu)，一般是天線鐵塔最高，然后到機(jī)房，再到衛(wèi)星接收鍋蓋，而鐵塔和機(jī)房，機(jī)房和鍋蓋的位置距離都不太接近，因?yàn)榭梢院侠淼脑谄渲車x擇或者施工一些高度較高的設(shè)施安裝預(yù)放電避雷針，并且做好良好接地。

以前文中提到的桂林實(shí)驗(yàn)臺(tái)為例，臺(tái)區(qū)內(nèi)有一個(gè)臺(tái)站建設(shè)初期使用過(guò)，但是現(xiàn)在已經(jīng)空置了的絞索纜車機(jī)房，高度高于臺(tái)區(qū)內(nèi)衛(wèi)星接收鍋蓋，并且內(nèi)部已經(jīng)沒(méi)有在用設(shè)備，因此可以在纜車機(jī)房上安裝預(yù)放電避雷針極其相應(yīng)的接地系統(tǒng)，然后觀察其引雷和防護(hù)效果，再進(jìn)一步進(jìn)行推廣應(yīng)用。

7 結(jié)束語(yǔ)

該預(yù)放電避雷針對(duì)于很多高山臺(tái)站，尤其是村村通無(wú)人值班臺(tái)站的雷電防護(hù)，具有較大的作用。而且其為純物理結(jié)構(gòu)型避雷針，內(nèi)部無(wú)電子器件，免維護(hù)或者易維護(hù)。設(shè)備選用不銹鋼材料設(shè)計(jì)，還可安裝于環(huán)境惡劣場(chǎng)所，也為以后的免維護(hù)臺(tái)站建設(shè)提供了良好的防雷設(shè)計(jì)思路。

[1]GB 50057-2010 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

[2]NF C17-102 法國(guó)（建筑物）防雷標(biāo)準(zhǔn) [S].

[3]楊波，周泓.主動(dòng)式避雷針與常規(guī)避雷針在高原露天堆場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中的驗(yàn)證分析 [J].云南地理環(huán)境研究.2016年2月.第28卷.第1期.36頁(yè).