浪涌保护器防雷技术基础

1.1 概述

人类对雷电的探索从很早就开始了。早在两千多年前。《庄子》中就有“雷霆”的描述。东汉时期的王充将雷电的认识提高到了理性，认为雷电是一种自然现象。到了明代，沈括、方以智等科学家从科学上进一步解释了雷电熔物现象。

不仅如此，在中国，关于雷电防护的实践也很早就开始了，古路中关于建筑工程避雷的记载也十分丰富。南北朝的孟奥《北征记》中有如下记述:"凌云台南角一百步，有自石室，名避雷室。"又有盛弦之《荆州记》中记述:"湖阳县春秋蓼国，樊重之邑了，重母畏雷，为立石室，以避之，悉之文石为阶砌，至今犹存。”书中谈及的白石、文石，据分析应该属于绝缘性能较好的石块。

从我国传统的五行，八卦学说解释，八卦中“震”卦为“雷”。八卦与方位相结合时，则有“南离、北坎、东震、西兑”的规定，又有“南属东雀、北属玄武(龟蛇)、东属青龙、西属白虎”的说法，认为“雷从龙”，这样。中国古人们就把“雷”与“龙”联系起来了。为了避免建筑物被雷击，就必须建造避雷设施，就要安装“镇龙”设施。我国古建筑上有许多称为“镇龙”的设施实际上是避雷装置。

这些“镇龙”装置与近代避雷针的避雷原理相同。我国一些古塔的尖端常常涂一层有色金属膜，采用容易导电的材料与直通到地下的塔心柱相连，柱下端又与储藏金属的“龙窟”相连。还有许多古建筑物的屋顶有一种被称为“龙”的装饰物，它的头仰向天空，张着嘴，向上伸出的舌头是一根尖锐的金属芯子，另一端和埋藏在地下的物体相连，这样能将雷电引到地底下而不损坏建筑物，如图 1-1所示。另外，在许多古塔和宫殿上设置“鸱尾”，在屋顶上设置动物状的瓦饰，在高大殿宇中常设有“雷公柱”之类的避雷柱，这些设施都与大地相通，形成了良好的导电通道。

雷公柱(宋代称枨杆)在宋、元、明、清代的建筑物中广泛使用，如图 1-2和图 1-3 所示。雷公柱是我国古代在建筑上进行避雷实践的应用典型。它一般用于庑殿建筑屋脊两端太平梁之上，以支顶脊桁挑出部分的柱子，或用于攒尖建筑斗尖部位的悬空柱。这种装置

防雷装置与器件

有3种形式:一是亭、阁上的宝顶及佛塔的塔刹，下面设置雷公柱;二是牌坊之类的建筑。在高架柱处设置雷公柱:三是殿堂的顶上，在屋脊两端的正吻下面设置雷公柱。古代匠人懂得。建筑物的这些部位都是最易受雷击的地方。今天我们知道，殿堂屋顶上的正吻是房屋的最高处，而且是尖端，所以最易被雷击。避雷的做法是，正吻触雷后，其电流便沿正吻内的雷公柱、太平梁、角梁、沿柱等引向地面。若是楼阁、亭子、佛塔等建筑，则由项上的火珠、宝珠、宝顶等接受雷电，由雷公柱传至柱，引入地下。

图1-1古代建筑中动物状的瓦饰起到避雷作用

图1-2 宋式族角梁构架 图1-3 北京祈年，项为“雷公柱” 

雷公柱是中国古代应用最为广泛的避雷装置，为了达到良好的滑流效果，雷公柱、沿柱、角梁等这些构件不能用一般的木材，所用的木材有楠木、格木、松、柏等(这些木林都有较好的导电性)，有的也用金属(铜、铁等)。例如，北京昌平时长陵的棱恩股上用的是柚木:广西容县的真武阁上用的是格木，即铁力木。虽然古人知道可用合适的材料来完成对雷电的防护，也在实践中寻找到了雷电防护的基本方法与技术，这些技术与后米富兰克林所说的避雷方法基本一致，但由于受到当时的科技水平和对雷电认识的局限性，终究没有建立起我国古代防雷的技术体系。

18纪美国科学家富兰克林通过“岗亭”和“风筝”试验提出了以避雷针保护建

筑物的理论和方法。富兰克林于1750年7月给Collinson的一封信中提出了避雷针的设想。他说，既然尖导体可以把一个离它很远的带电体上的电荷释放掉，避免它对其他物体产生电击，那么尖导体“对于人类可能有些用处”，于是他建议将一根上端尖锐并涂有防锈层的铁杆安装在房屋的最高处，并用导线接在它的下端沿着墙壁直通到地下:在海船上则把铁杆固定在桅杆顶端，用导线连接向下直通入水中。不久，俄国的M·B·罗蒙诺索夫、L·B·黎赫曼也重复了“风筝”试验，试验结果也证实了富兰克林的理论。他们通过大量的试验建立了雷电学说，认为雷击是云层中大量阴电荷和阳电荷迅速中和而产生的现象;并且创立了避雷理论，发明了避雷针。至此，人类对于雷电的防护进入了快速发展时期。

富兰克林奠定了防雷技术的基础，到目前为止，直接雷击的防护依然脱离不了富兰克林时代雷电防护技术的特征。但随着社会电气化与信息化程度的提高，电力与信息的传送受到雷电的严重威胁。雷电的高电压、大电流和瞬时性，强大的闪电产生静电场、电磁场和电磁辐射，以及雷电波侵入、地电位反击等严重干扰通信系统和各种电子设备的正常工作，会在一定范围内对微电子设备造成破坏。因此，雷电成灾的情况发生了新的变化，由直接雷击发展为与间接雷击共同作用。正如国际电工委员会(IEC)指出:“雷电，高科技的天敌”。因此，为了防止雷电对电子与电气系统的干扰和破坏，针对雷电的入侵形式，在传统防雷技术的基础上，出现了以防止雷电电磁脉冲、雷电感应与雷电波侵入为特征的新防雷技术与方法，也就是我们所说的现代防雷技术

人类社会的发展改变了人类生存的环境。特别是近年来，雷电灾害愈加频繁，究其原因有以下几点:一是从自然气候的变化来说，全球气候的变化，导致极端天气现象出现的频率与强度均在增加，强雷暴天气经常出现;二是人类活动改变了雷电灾害的承载体性质。如高楼、铁塔、远程输电线路等高耸建筑物与设施的存在，增加了直接雷击的接闪条件与概率;三是电气电子系统几何级数的增加也导致雷电感应与雷电电磁脉冲(LEMP)可以随时随地造成系统的损坏。间接雷击的影响日趋频繁、信息化对社会生活的渗入使雷电灾害损失扩大，都导致雷电灾害发生的频率越来越高，损失也越来越大，传统的富兰克林避雷针技术已不能对现代智能建筑和电子电气系统提供全方位的保护。同时，雷电危害的入侵形式也因此发生了巨大的变化，由原来的雷击点的直接破坏，如雷击建筑物造成的爆裂、损坏，向雷电感应所产生的雷云下大片区域内的雷电波侵入及感应高压引起的线路、设备的闪络故障演变。因此，现代防雷技术必须综合考虑、层层设防，

“防雷”并非是预防雷电的发生，而是给雷电能量的泄放开渠筑坝。一方面为雷电流提供一条流入大地的低阻通道，不让它冲击被保护的建筑物和设备:另一方面也为被保护设备筑起电磁能量的防护屏障，从空间和线路上隔离雷电流的间接影响。当然，为了达到理想效果，相关的技术和方法总是结合在一起综合应用的，这些措施的简要概况如图1-4 所示。