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直擊雷的防護措施


      雷云對大地的電壓低則幾兆伏,高則數10MV甚至更高,雷云對大地一次閃擊放電的峰值電流平均約為30KA,它的瞬時功率為109—1012W以上,由于瞬時功率很大,所以它的破壞力是相當大的。
       大部分電子計算機機房都擁有微波天線,而微波天線一般是安置在機房所在建筑物的屋頂或制高點。在便于收發微波信號的同時,也帶來易受直接雷的危害。所以對于機房微波天線必須慎重做好直擊雷的防范措施。
       到現在為止,防直擊雷都是采用避雷針、避雷帶、避雷網、避雷線作為接閃器,把雷電流接收下來,然后通過良好的接地裝置迅速而安全地把它送回大地。所有的避雷裝置都只是把雷擊的幾率和強度大大地降低,百分之百可靠的避雷裝
置即使做出來,造價也是十分昂貴的。
       常用的接閃裝置,如避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網等,它們都是用金屬做成,安裝在建筑物的最高點,如屋脊或屋角等最易受雷擊的地方,避雷網是用
金屬線造成的網,架在建筑物頂部空間,然后用截面積足夠大的金屬物讓它與大地連接。
當高空出現雷云的時候,大地上由于靜電感應作用,必然帶上與雷云相反的電荷,然而接閃設備(避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網等)都處于地面上建筑物的最高處與雷云的距離最近,而且與大地有良好的電氣連接,所以它與大地有相同的電位,以致接閃設備附近空間電場強度相對比較大,比較容易吸引雷電先驅,使主放電集中到它上面,因而在它附近尤其是比它低的物體受雷擊的幾率就大大減少。而接閃器被雷擊的幾率卻大大提高,所以就接閃器本身而言,它不但不能避免雷擊,相反是招來更多的雷擊,它以自身多受雷擊而使周圍免受雷擊。
      由于接閃器都與大地有良好的電氣連接,使大地積存的電荷能量迅速與雷云的電荷中和。這樣由雷擊而造成的過電壓的時間大大地縮短,雷擊危害性就大大減少。
雷擊的時候,雷云通過接閃器向大地放電的過程,可以近似用RC放電過程來模擬。因為大地與雷云之間相當于一個充了電的電容器,如圖2—1所示。圖中雷云與大地之間的電容用電容器C表示,雷云內部和雷電流通道的電阻用R1表示,接閃器和它與大地之間接地電阻(包括連接線的電阻和接地體的散流電阻,)R2表示。
 

 
2—1 雷擊時的電氣原理
由等效電路圖可知,雷擊時電流iR及接閃器上的高電壓相互關系適合RC放電方程:iR – UC = 0(其中: R = R1 + R2
式中:R為雷云內部和雷電流通道的電阻;
R為接閃器和它與大地之間的連接電阻。
又因:I = - C·dUC/dt。所以:RC·dUC/dt+UC = 0
解此微分方程得:UC = Ae-t/RC (a)
由式(a)可知,當t=0 時,A=UC為最大值,所以A就是剛剛發生閃擊那一瞬間接閃器對大地的電壓,也就是雷云對大地的電壓。并且R越小,UC衰減得越快,表示雷擊時散流得越快。
       雷電流源的電阻包括主放電通道的電阻,大約幾。如果我們把帶電的雷云當作電源,接閃器到大地看作是負載。那么,放電時,就相當于一個有幾內阻的電源,與一個僅有幾Ω接地電阻和少許引線的阻抗的負載連接(如圖2—1)這電源一般為幾MV到幾10MV,甚至更高。雷擊時接閃器對大地的電壓就是雷云的電壓,在雷云內阻(包括通道電阻)與接地電阻(包括引線電阻)的分壓,接地電阻越小,其分壓值越小,相對來講就越安全。所以,理論上要求避雷裝置接地電阻越小越好,但是如果要求做到接地電阻很小,勢必造價很高。工程上往往只要求做到足夠安全范圍即可。以上說明避雷裝置必須有足夠可靠和足夠小接地電阻的接地裝置,否則它不但起不到避雷的作用,反而增加雷擊的危險。
       需要指出的是,大氣變化是大規模的,雷云的發生也是大規模的,而且雷云的移動受很多可變因素支配,很多條件是隨機的,因此認為有了避雷裝置就萬無一失的想法是錯誤的,避雷裝置只能大大減少被雷擊的可以有性。