书城童书飞云掣电:雷电灾害的防范自救
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第14章 有备无患——防雷避雷常识(3)

3.检测申报与日常维护

对于防雷装置所有者应当指定专人负责,做好防雷装置的日常维护工作。发现防雷装置存在隐患时,应当及时采取措施进行处理。

已安装防雷装置的单位或者个人应当主动申报年度检测。并接受当地气象主管机构和当地人民政府安全生产监督管理部门的管理和监督检查。

现代防雷策略

1.按地区规划统一防雷

雷暴现象的出现总是大范围的,就如台风的运行一样,是可以预测预知的,但是成灾的范围却不同,是无法预测预知的。20世纪之前,雷灾只是发生在落雷点,是局部小范围的,所以防雷就只能“各人自扫门前雪”。但是21世纪就不同了,个别地点落雷的雷灾范围却是大面积的,这是信息社会的必然现象。

因此防雷的对策必须作相对的调整,气象部门完全有科技力量对雷击进行预报预警,并且对整个城市地区的防雷采取统一规划。

首先,应该运用雷电遥测定位技术编制出全国的落雷密度图,使全国各单位和居民群众能清楚我国各地落雷的规律,在建筑选址时可以躲开易落雷区,特别是那些对闪电敏感的部门,例如政府要害部门、卫星地面站、飞机场、电视发射台等。

其次,可以根据一个城市地区的地势、地质和大气运行等特点,适当布设统一的防直击雷设施,例如人工引雷(包括火箭引雷、激光引雷、高压水流引雷等),把闪电引向无人区;建消雷塔以削弱入境雷雨云的带电量等。这些引雷、消雷措施尚不成熟,需要国家投资进行研究、试点,但这种集中地区力量进行的区域防雷措施是完全可能成功的,只是需要投入时间和力量。

很显然,过去是家家户户都既要防直击雷又要防感应雷,投资大,困难多。由全地区统一防直击雷、经费省得多,一般建筑物就只需考虑防感应雷,这是可以实现的。

防雷工作兼有自然科学和人文科学两方面。闪电规律的研究纯属自然科学范畴,闪电的规律不会随人类社会的发展而改变。至于雷灾则是另一回事,它与人类社会状况紧密相关,必然随人类历史的发展而改变,不同的历史阶段,防雷的策略思想必须不同,也可以说,防雷应寻求人与自然的协调,要有长远的策略。

对人类而言,闪电有其有害的一面,也有其有利的一面。生命的起源有可能与闪电产生的高温高压有关,闪电的高温高压可使氮与氧合成氨肥。北京延庆地区是进行人工引雷的试验场所,庄稼生长特别好,因为闪电使雨水中溶有氨肥成分。太阳能加热地面与大气,使大气的剧烈运动转化为电能,这个巨大的能量为什么不可以利用起来为人类服务呢?所以人类防雷应该有长远打算的策略,应变害为利,这可能是一种大有希望的科学课题。

2.躲、引、拒三种策略的运用

人们有句俗话:“惹不起,躲得起”。这与孙子兵法的“36计走为上”是相似的。古人对待雷击的有效办法就是“躲”,只是没有可靠的理论指导。近代人遇上雷击,在没有较好措施的情况下,也采用“躲”的策略。最明显的就是火箭发射场的防雷,若遇雷暴来临,就停止工作,躲起来。雷电的检测预警就是为了躲得及时。1989年黄岛油库酿成大火,主要原因之一,就是忘掉了“躲”,不该在雷暴天气中往油罐输入油。在人们日常生活中也是如此,闪电临空时,把电视机等电子设备的插头(包括信号输入端的插头)全拔掉,就可保证不被雷击。

上述这种“躲”的策略,大多数人都是清楚的,但是在实践工作中却忘掉了。如美国的肯尼迪航天中心、日本的种子岛航天中心、中国的西昌航天中心都把火箭发射场建在雷电多发地区,这是最严重的失策。主要原因是当年没有预料到闪电对火箭发射有如此严重的祸害。

今天人们应该看到闪电袭击的严重性,在选择基建地址时,必须把“躲”的策略摆在首位。这样做之所以可能,是因为气象观测的长期统计结果显示雷击是有确定规律的,受到不可知的随机因素的影响不大。只要坚持长时间的对落地雷的监测定位工作,就可以画出雷击平均密度图,确定各地区的易落雷地带,就有较大的把握躲开直雷击。

这样就可以把每个城市或地区的最易落雷的地点空出来,变为无人区,用人工引雷技术把闪电引到这种地点释放能量,犹如防洪水的蓄洪地区,并且可以利用闪电的能量。

有意思的是闪电与大雷雨常是相伴的,而地面潮湿地带日晒之下有较多的水蒸气,与热空气一起上升,水汽颗粒的电荷分离常是雷雨云带电的主要原因,所以这些地区的上空易形成局部雷雨云,选择这种地点人工引雷的成功率高。在这种无人地区把引雷和蓄水结合起来,似乎有较大可能性。

不过人工引雷的“引”与富兰克林避雷针的“引”有同又有异,相同点是均把空中的闪电能量引导入地,不让它随机落地。只是两者引导入地的地点有极大差别,后者是在建筑物所在地,会对周围造成危害,包括电磁场能量引发石油等易燃物的燃烧,特别是对电子、电气设备的损坏等。而人工引雷则是把闪电引至无人区,远离对LEMP敏感的设备,所以它与“躲”是互相呼应的。

与“躲”的策略相呼应的另一策略是“拒”,就是不让闪电落到指定的建筑,而这种策略若与人工引雷的“引”结合使用,就可以使“拒”

的策略更得到保证。庄洪春于2002年获国际发明博展会金奖的等离子避雷装置就是用“拒”的策略为思想。

3.综合防雷的思考

综合防避的战术简略介绍如下。

首先,必须从能量角度考虑。

闪电的祸害作用首先是因为它在短时间内有较大的能量释放。每次闪电释放的能量并不太大,与台风相比差多了,可是瞬时内的功率则是异常巨大的,类似于一颗炮弹,在击中的局部地点有巨大作用。如果处理不当,会引发巨大灾害,如火灾、爆炸等。有些防雷器件本身经受不了这种瞬时功率而爆炸,反而导致火灾。所以在防雷战术上,必须考虑把闪电的能量引导到合适的地方释放掉,最常用最安全的措施就是引到大地中释放。所以接地是防雷战术上必须采用的。

其次,必须考虑让闪电从何处入地,就有了战术上的接闪。接闪器如何设计?安装在哪里?方式方法很多。从信息社会的特点看,最好的当然是用人工引雷的办法,把闪电引导到无人地带入地。

由于闪电行径的无规律性,以致闪电的能量常沿着各种输电和通信网络传播,因此必须在这些线路上设置分流措施,使闪电能量入地,这些分流装置统称为避雷器,现在则称之为浪涌保护器或电涌保护器。总之它们都是起了拦截闪电能量并分流入地这种战术作用,没有良好的接地与之配合,就难以起到分流作用。这些起分流作用的器件自身当然也要经得起闪电功率的冲击。但是仅有上述三种防雷战术是不够的,不可忘了闪电在三维空间里电磁场的巨大作用,即使是沿着电力线和信号线路的闪电电流也在导线周围产生电磁场,它们均可以进入各种电子、电气设备起破坏作用。不论多么昂贵的避雷器,都不能防止闪电辐射在三维空间的电磁脉冲的灾害,所以电磁屏蔽是综合防雷战术中不可缺少的极端重要的技术措施。

上述各项防避雷灾的战术要综合起来使用,缺一不可。

防范直击雷

防直击雷的主要措施是在建筑物上安装避雷针、避雷网、避雷带,在高压输电线路上方安装避雷线。一套完整的防雷装置包括接闪器、引下线和接地装置。避雷针、避雷线、避雷网、避雷带等,实际上都只是接闪器。

1.接闪器

接闪器是利用其高出被保护物的突出地位,把雷电引向自身,然后通过引下线和接地装置把雷电电流泄入大地,以此保护被保护物免遭雷击。如果接闪器截面锈蚀30%以上时应予更换。

2.引入线

引入线也很重要。如果引入线断折或接地装置接触电阻太大,避雷器不仅起不到防雷作用,还能吸引雷电,增加建筑物遭雷击的机会。

因此,引入线应满足机械强度、耐腐蚀和热稳定的要求。装置引入线时,应取最短的途径,要尽量避免弯曲,不得用铝线做防雷引下线。

青少年和儿童好奇心中,喜欢拉着引入线玩耍。父母和老师要经常教育叮嘱他们,以免它们遭遇雷电袭击。

3.防雷接地装置

防雷接地装置与一般接地装置的要求大体相同,在用建筑防直击雷的接地装置电阻不得大于10~30Ω。防雷装置承受雷击时,其接闪器引下线和接地装置都呈现很高的冲击电压,可能击穿与邻近导体之间的绝缘,发生剧烈的放电,这叫反击。由于反击,可能酿成火灾或爆炸事故,也可能引起人身事故。

为了防止反击,必须保证接闪器、引下线、接地装置与邻近的导体之间有足够的安全距离,即5~10厘米。为了防止跨步电压伤人,接地装置距建筑物的出入口和人行道的距离不应小于3米。

感应雷的防护

感应雷是指当雷云来临时地面上的一切物体,尤其是导体,由于静电感应,聚集起大量的雷电极性相反的束缚电荷,在雷云对地或对另一雷云闪击放电后,云中的电荷就变成了自由电荷,从而产生出很高的静电电压(感应电压)其过电压幅值可达到几万到几十万伏,这种过电压往往会造成建筑物内的导线,接地不良的金属物导体和大型的金属设备放电而引起电火花,从而引起火灾、爆炸、危及人身安全或对供电系统造成的危害。

1.电源防雷

根据机房建设的要求,配电系统电源防雷应采用三级防护,由于避雷器生产厂家的设计思想各不相同,各种避雷器的性能特点也不尽一致。第一级主要用于保护整幢建筑物用电设备或单位的主要用电设备;第二级保护主要是机房内UPS机房空调、照明等用电设备;第三级主要保护诸如单个计算机等终端设备。

2.信息系统防雷

与电源防雷一样,通信网络的防雷主要采用通信避雷器防雷。

通常根据通信线路的类型、通信频带、线路电平等选择通信避雷器,将通信避雷器串联在通信线路上。

3.等电位连接

等电位连接的目的在于减小需要防雷的空间内各金属部件和各系统之间的电位差,以防止雷电反击。

将机房内的主机金属外壳、UPS及电池箱金属外壳、金属地板框架、金属门框架、设施管路、电缆桥架、铝合金窗等电位连接,并以最短的线路连到最近的等电位连接带或其他已做了等电位连接的金属物上,且各导电物之间尽量附加多次相互连接。

4.金属屏蔽及重复接地

在做好以上措施的基础上,还应采用有效屏蔽、重复接地等办法,避免架空导线直接进入建筑物楼内和机房设备,尽可能埋地缆进入,并用金属导管屏蔽。屏蔽金属管在进入建筑物或机房前重复接地,最大限度衰减从各种导线上引入的雷电高电压。

人工影响雷暴的探索

20世纪70年代,美国极为昂贵重要的航天设备遭到雷灾,这一情况使他们对消雷发生了兴趣,于是美国的“闪电消除公司”应运而生,推出“消散阵系统(DAS)”,得到航天部门的广泛试用,英国的弗朗西斯和刘易斯股份有限公司则用“消雷器”的名称大批量生产。

1973年施奈德引人注意地声称他的数千个尖端金属组成的阵列已获得成功,可以消雷。其实,这种多针板形式的消雷器并非什么新发明,与200多年前普罗科普·迪维奇发明的“气象机器”非常相似,在它之后21年利希滕贝格于1775年建议在房顶上挂起成串的带刺金属线来防护房屋不受雷击。可以说,这种企图利用大量尖端金属放电以中和云中电荷的想法,周期性时起时落地在历史上出现,但是都因失败而销声匿迹。而只有富兰克林的避雷针始终经受考验,被广泛沿用至今。究其原因是,这些消雷器都消不了雷,而只起到引雷作用,与避雷针没有根本区别,可是它的构造复杂,价格较贵,市场经济的规律必然使它消亡。

雷电是一种概率性的现象,建筑受到雷击的概率较小,装上消雷器,几年之内,是看不出其实际效果的,国外航天部门组织过较长时间的观测与实验测定,作出的结论是这些消雷器不能消雷。有些地方已累次出现雷击的事件至少说明消雷的效果是不确切的,航天部门在当初试用消雷器时期为防意外仍保留避雷针,配合避雷器以及其他各种行之有效的防雷措施。我国的火箭发射基地也类似国外试用过早期推出的某种消雷器,可是它不但没有能够消雷,自身反倒受雷击毁。

我国开始研究消雷器也是航天部门提出来的,当时国外还对我国封锁,我们对世界上的科技进展所知甚少。改革开放以后我们渐渐得知外国的情况并派代表团到美国肯尼迪航天中心考察,具体了解这方面的情况,而我国火箭发射中心的实践也证明了国外同行得到的结论。

在科学史上,有不少失败了的科研课题是有功的,他们为后来的科学发现奠定了功不可没的基础。

最着名的例子就是热力学第一定律的建立,它是无数发明永动机的失败的总结。又如证明“以太”存在的实验,得出了否定的结论,可是它对相对论的建立却是有功的。所以,对于研究消雷器的工作应该用“一分为二”的观点去分析,从中吸取有益的东西,为以后的防雷技术作借鉴。

以往消雷器研究的失败,不等于消雷是不可能的。这只是说,以往的消雷器的原理不可能消除雷雨云中的电荷。如果根据雷电本身的规律,从而提出合理的方法,则消雷是可以做到的,近些年,这方面的消雷研究已开始出现可喜的成果,学者们为这种研究起了一个学术名称,叫“人工影响大气过程”,有不少学者从失败中,不断总结,终于取得一些成功,开始引起重视。

利用小火箭的人工引雷。这在火箭发射和野外重要作业上得到应用,把闪电引向无害地点,消除上空雷雨云的电荷,可以用来保证火箭的安全发射和野外施工。

利用激光引雷,或者用激光在大气中建造电离通道,从而消除雷雨云中的电荷。日本关西电力公司和大阪大学等单位已取得实验上的成功。

在积雨云中播撒冻结核抑制闪电。美国早在1965~1967年就做过大规模的对比试验,通过地面和飞机作业向积雨云大量播撒碘化银晶体,证明云中的闪电和云地闪次数显着减少,甚至影响了闪电的结构参数。

播撒金属箔丝抑制闪电,美国于1965~1966年在亚利桑那州用飞机在云底下方大气电场大于3×102V·厘米—1的强电场区,均匀播撒大量金属箔丝,这些箔丝随上升气流进入云体,在几分钟内迅速在云中扩散开来,可看到云中出现电晕放电,10分钟后这一强电场区便消失了。