新式接閃器ESE避雷針在臺站中的應用

李濱 羅歡 唐霓云 莫東海

（1.廣西廣播電視技術中心桂林分中心；2.無線傳播樞紐臺）

1 引言

雷電是自然界中常見的自然現象之一，景象雄偉而震撼，能量巨大而躁動，對于高山臺站，乃至日常生活，雷擊對電氣電子系統的影響和破壞是巨大的。

若雷電直擊設施和設備，會產生電效應、熱效應、機械力。此外，即使雷電并未直擊，閃電放電時，會在附近導體上產生雷電靜電感應和雷電電磁感應，它可能使電氣線路產生過電壓和過電流，還會使金屬部件之間產生火花放電。甚至，還能通過線路和金屬管道入侵室內，對人身安全造成傷害。

雖然設施和設備遭遇雷擊的概率并不算大，但是萬一不幸受災，就可能給電氣電子系統帶去毀滅性的損壞，還會危及人身安全。

2 雷電的形成

由于空氣對流等作用，會讓云中的水滴冰晶等微粒相互分離，同時所帶的正負電荷亦會相互分離，使得原本為電中性的云層產生了電性，云層的絕大部分帶負電，而云層頂部則有一正電荷層，這樣的云就是雷云。在沒有雷云的情況下，大氣電場強度約為300V/m；而雷云形成或移動過來后，雷云至地表的電場強度飆升至10kV/m~30kV/m。初次雷擊由先導放電（即下行先導）與主放電兩個階段構成。

先導放電于云層中起始，當雷云中局部的電荷集中區與大地之間的局部電場強度超過大氣電離的臨界電場強度(空氣的臨界擊穿值，干燥的空氣中約為 30kV／cm，濕潤的空氣中約為 10kV／cm)時，就有局部產生了高電導率、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展，稱為先導放電。通道的前端被一個直徑約 30m 的電暈套所包圍，其長度則為 50m 左右。先導放電是間歇性的脈沖發展過程，稱分級先導，其電荷以階梯形式分級向地表推進，每次間歇大約數十微秒。

下行先導通道發展臨近地表時，由于局部空間電場強度的增加，使得地表高度較高的物體產生異極性的先導放電，并且向天空發展，稱為迎面先導。當下行先導到達地表或與迎面先導相遇以后，先導通道和云層中的電荷與大地的電荷迅速中和，出現極大的電流，并伴隨出現雷鳴和閃光，這就是雷電的主放電階段。

先導放電的平均發展速度較低，約為(1～5)×105米/秒，放電電流較小，約為數百安。主放電發展速度很高，約為2×107～1.5×108米/秒,出現很強的脈沖電流，可達數十至二、三百千安。

雷擊形成的整個過程原理如圖1所示。

圖1 雷擊行程過程原理示意圖

3 防雷的措施

雷電防護的基本措施是裝設防雷裝置，防雷裝置又分為外部防雷裝置和內部防雷裝置。

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）在雷云對地放電過程中吸引雷閃對其放電，再經引下線和接地裝置將雷電流引入大地，使被保護物免遭雷擊。

內部防雷裝置由防雷等電位連接網絡和避雷器組成，等電位連接網絡，將分開的諸金屬物體直接用連接導體或經電涌保護器連接到防雷裝置上以減小雷電流引發的電位差。避雷器裝設在被保護設備附近，當雷電沖擊波沿線路傳入時，它首先放電，限制了電壓波幅值，保護設備免遭破壞。

整個防雷裝置中，最重要的就是接閃器，其原理如下：天空出現雷云時，接閃器和其所在設施還有周邊較高物體都被感應出大量電荷，由于接閃器的端頭是尖的，而在靜電感應時，導體尖端總是會聚集最多的電荷，這樣，接閃器就聚集了大量的電荷。同時，接閃器又與這些雷云之間等效為一個電容器。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。因為接閃器尖端已經聚集了大量的電荷，所以當雷云中電荷較多時，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它直接導入大地，使被保護物免遭雷擊。

4 實際雷擊中的問題

在實際發生的雷擊事件中，防雷裝置在絕大部分情況下可以對設施設備進行良好的防護，但是還是會有接閃器下端設施被雷電擊中的情況發生，也就是所謂的繞擊和側擊。

以桂林實驗臺（大頭山維護部）為例，臺區內，天線鐵塔最高，其次是機房，最低是衛星接收鍋蓋，其位置低于機房一樓地面高度。鐵塔上裝有常規避雷針，機房頂部也裝置了小型避雷針和避雷線，但是往年雷擊發生時，還是會出現衛星接收高頻頭被擊壞的情況，而且不單是感應雷浪涌導致，還會有直擊雷直接擊中。后來采用以扁鋼和鋼管搭建的法拉第籠架構于衛星鍋蓋外圍及頂部，依然還是會出現直擊雷直擊的情況。究其原因，一是接閃器存在固定的有效保護半徑和有效保護區域；二是在其保護范圍內，還有別的特殊情況影響了雷擊放電通道的形成。

接閃器的有效保護半徑R的計算方式如下，式中的h為避雷針的高度，H為被保護設施的高度。

接閃器的有效保護區域為其下面45°~60°的傘形區域，如圖2所示。

圖2 接閃器有效保護區域示意圖

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

處于接閃器保護范圍內的設施設備，依然還會遭遇雷擊，這又是另一種原因。

雷云的下行先導向地表發展移動的過程中，地表上可能會生成好幾個迎面先導，而下行先導會對第一個與之相遇的迎面先導中和放電，即發生了雷擊。發生雷擊之前，雷擊點并不確定，這與雷擊點的電位有關,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，而并非雷電一定會打擊在最高點。

因此，如何使雷擊按照預定的路線生成和泄放，且不會殃及需要保護的設施和設備，是雷電防護中的重中之重。

5 如何提升防雷效果

傳統常規接閃器，即“富蘭克林式”避雷針，一般采用鋼制針式結構，當其尖端聚集大量的電荷以后，就可以生成迎面先導，然后與雷云的下行先導形成放電通道。但是，傳統接閃器，只有經過較長時間的電荷蓄積，才能在尖端產生足夠的空氣電離，進一步生成大量的離子形成迎面先導。

由于大氣對流作用，水滴冰晶等微粒子分布隨機且不均勻，導致大氣中電荷分布也并不均勻，因此大氣中會有局部區域的電荷相對集中，這些區域很適合下行先導進一步的發展出新的放電通道，這些通道最終的發展方向并不一定能與接閃器的迎面先導相遇。有時由于局部地表設施的電氣電磁作用，比如帶電線路、發射天線、衛星高頻頭等，地表除了接閃器以外也會產生迎面先導向上發展。因此，雷擊并非直線發展并發生在接閃器，而是根據實際大氣中的電荷分布情況，循著電荷較多的區域逐級彎曲推進。這也就是造成雷電越過接閃器繞擊或者側擊設施設備的原因。

如果接閃器可以相對于被保護設施更早的產生迎面先導與雷云的下行先導相遇，就可以更穩妥的保護設施設備不會遭遇雷擊。因此，區別于傳統避雷針的主動式避雷針應運而生。

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

圖3 ESE（Early Streamer Emission）避雷針結構示意圖

雷云形成或者移動過來時，針尖會因為大氣電場而感應出與高電位，然后聚集在上端電極中。下端電極則通過支撐架連接到引下線直至接地裝置，電性呈現為大地的低電位。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。其高電位差會讓針尖附近電場嚴重畸變，針尖會放電打火，進而使針尖空氣大量電離，形成很強的放電脈沖。這些自由離子在電場力的作用下迅速向上移動，使雷云與針尖的絕緣距離縮短，電場進一步增強，空氣繼續電離。因沒有空間電荷的阻礙，該放電脈沖在電場作用下快速向上發展形成迎面先導，去攔截雷云的下行先導甚至進入雷云電荷中心，發生先導放電和主放電，保證了雷擊最終擊落在接閃器上面然后泄放入大地中。

由于預放電避雷針具有的特殊電離觸發能力，使其可以比周圍設備設施更早的產生迎面先導，達到最先放電并引導雷擊的目的。普通避雷針的迎面先導的觸發時間為T1，預放電避雷針的迎面先導觸發時間為T2，則相比于普通避雷針，預放電避雷針具有的更短的觸發時間，這個觸發時間的提前量即為預放電時間，公式如下。

6 前景設想

預放電避雷針的設計是依據法國標準NFC 17-102進行，國內并未進行大規模投入使用，但是在電力輸送、大型倉庫、露天堆場等地方，都有不少的使用案例，測試所得的預防雷電繞擊側擊的效果不錯，故可以在高山臺站這種易遭遇雷擊的特殊設施中使用。

現在臺站內的設施結構，一般是天線鐵塔最高，然后到機房，再到衛星接收鍋蓋，而鐵塔和機房，機房和鍋蓋的位置距離都不太接近，因為可以合理的在其周圍選擇或者施工一些高度較高的設施安裝預放電避雷針，并且做好良好接地。

以前文中提到的桂林實驗臺為例，臺區內有一個臺站建設初期使用過，但是現在已經空置了的絞索纜車機房，高度高于臺區內衛星接收鍋蓋，并且內部已經沒有在用設備，因此可以在纜車機房上安裝預放電避雷針極其相應的接地系統，然后觀察其引雷和防護效果，再進一步進行推廣應用。

7 結束語

該預放電避雷針對于很多高山臺站，尤其是村村通無人值班臺站的雷電防護，具有較大的作用。而且其為純物理結構型避雷針，內部無電子器件，免維護或者易維護。設備選用不銹鋼材料設計，還可安裝于環境惡劣場所，也為以后的免維護臺站建設提供了良好的防雷設計思路。

[1]GB 50057-2010 建筑物防雷設計規范 [S].

[2]NF C17-102 法國（建筑物）防雷標準 [S].

[3]楊波，周泓.主動式避雷針與常規避雷針在高原露天堆場實際應用中的驗證分析 [J].云南地理環境研究.2016年2月.第28卷.第1期.36頁.