潘伟南 高级工程师
常言被雷击，实则可以比喻为不可预见的突然而来的天灾。一个巨大的风雷暴一分钟内就能产生超过100次的闪烁放电。而即使一个中等的雷暴云也能产生如小型核电站所发出的电能那样（至少也100兆瓦）。但并非所有的雷电都是击在地面上，而当击于地面时，就会使它成为废墟，对於击在稳固的通信卫星时，由於设备受到损坏会仃止运行数小时或数天。或击在化工厂时会由于闪烁而导致火灾。此是一个冒雷击的风险而付出昂贵的代价。
直到近期相对来说，这种危险可以做到减至最少，雷击是随时随地都会发生。传统的防雷保护方法为寻找出一个能收集或扭转雷击能量入地的方法。然而这个方法只能避免某些直击雷的最坏效应，而它有严重的缺点。
传统方法其中之一那就是其有效率达100%的。而且解决所有遭受二次效应的，如牵涉到周围附近静电和电磁场的。这些对于易燃、易爆物品和电子仪器是非常危险的。
未获得解答的问题是：为什么集中把击放在首要地位？当击总是发生在边沿效应时，这就必须要论及的。LEC公司曾以实例说明，要完全消除其击是容易办到的，从而全面地避免了所有雷击。
自1971年以来LEC的消除式天线阵系统，曾被证实其效果能保证避免其保护区域内的雷击。在化工厂，核电站，油类和原油设施，以及其它许多设备装置。L.E.C’S系统证明了完全可以防止由雷击而引起的破坏和损失。
问题是什么
关于雷击所造成的危险和其综合效应是无问题的。火灾，毁坏、设备摧毁，财产毁灭或失去生命。而更重要的为仃产和供电终断。这是关系到收入损失。设备损毁全都是雷电造成的严峻威胁。而雷击的直接效应是明显的，二次效应的破坏性正如前面所述那样，尤其对於电力线路和安装有敏感的电子设备的场所。
直接效应
雷击的直接效应是由于击而引起的物理性的破坏，以及随之而产生的火灾。当直接打击在存有易燃物品的工厂时，易燃物品遭受到在击的通道（路径）中，雷电自身的闪烁或者雷击的热效应，二者之一都会造成破坏。
原油工业的历史提供了足够的雷电活动性质而破坏的资料，每年关系到雷击现象而被毁灭的石油化工产品和设备达百万美元，而只是世界众多事故中的一部分。而且当那些设施着火或爆炸时，人员的生命也失去。例如90年在尼日利亚，一个670000桶的油罐（库）被雷电引起的燃烧。罐内充满了轻柴油全部烧光，因罐自身产生正电荷。即使通过尼日利亚有防雷保护的罐，它是采用一个常规的无线电激活系统。显然，常规的保护系统不能充分地有效。
确实，失去一个罐的产品的危险是小事，但是在一个油罐区要防止一个油罐和产品的损失，而通常要对这个区的全部储存设施都给以保护，这也是事实。
二次效应
直接雷击或附近雷击的二次效应，包括绑带式充电，电磁场脉冲，静电脉冲、以及地电流。绑带式充电（和随后的二次电弧）是最普通的。（这种效应在下一章节中“雷电怎样构成”有较详细的讨论。
据统计表明二次效应引起的火灾，大多数与石油有关，远超过实际报告数字。这种火通常为遇着游离气体或已烧过的日晒蒸气之后就自行熄灭。例如，静电和电磁场的脉冲在影响区域内的任何导体上，感应出暂态高电压。这种暂态电压会在导线、管道与地之间产生电弧。电弧再在适当地方开始起燃和爆炸。
从通风管排出的瓦斯，正常时是不会燃烧的，而时常会着火，正是由于二次电弧效应的结果。路易斯安娜州查尔斯湖的PPG工厂对这种现象曾在氢气排出窗口作过长年的试验，当装上了消除式天线阵之后，燃烧就停止了。
二次效应经常为不容易确定其起因或作用原理的。常规的保护除了添加了过程的危险性之外，不作用到任何二次效应。而空间电极收集了击并促使易燃物质周围附近终止了击。
此外，在电子系统发展趋向于微型化时，也带来了对暂态现象增加了灵敏度，暂态电压峰值少于3伏或其能量水平低到10-7焦耳，就能损毁或干扰这个系统和其组件。
电力线路：
输电线路的电压反带（升高）现象，是对日夜连行中的电气设备和电子仪器遭受到摧毁性的和破性的最大能源。
有四种基本的反常能源；雷电，现场的公用事业设备，你的邻近东西和你自己的设备装置。这些每一件东西都会造成它自身产生反常。这个能源，雷电是明显的，最普通的为按照电位差而招到破坏和毁灭现象。
雷直接击在已开始投入使用的输电线路，会引起内部不设保护，或设有不合适的保护的设备严重损坏。当设备装有合适的保护就能抗拒雷电。也是保护了其它设备抗拒电压反常现象。
更有可能发生的事，那也牵涉到茂菲氏定律一原来意想不到的或者是“不可能有的事”，到时竟然也有。例如、汽车撞220KV架空线路电杆，220KV线路突然向4.160KV配电线路短路，其结果那非常高的电压和电能供给到当地用产。(原220KV线路跨越4.160KV线路。)
当电力线路出现电压反常时，其导线配置位置有较大变化，结果事故就如前面所述。当设备突然故障或周波降低超过一定时间时，二者之一，事故都是灾难性的。或者是瞬间形成或者是长期锁定，都需要更换、修理、改编程序，或重新编制程序。任何这些事故，结果都是损失时间和金钱。如果采用合适的电力调节保护设备，正确地安装和维护，则所有这些事故都能全部省去。大多数这些事故，通过采用花费不多的保护设备就能够清除的。
雷电研究得怎样：
从初步认识那雷电就是电的放电现象。科学家和工程师们曾广泛地研究雷暴雨和雷电问题，（然而对于保护抗拒雷击，自从Ben、Fh 时期起，实质性的东西没有改变）。经世纪的研究和有了新的精密仪表，使我们的认识有较大的发展。但仍然还有很多关于这方面的现象不是很清楚的。去认识怎样进行防雷保护工作，和把防雷系统应用到各种用途是最为适宜的。对现象的观察是很需要的。
雷击的机械原理
雷暴云砧是一个悬挂于大气间充了电的导体。此亦可以认为最好的贫导体。当风暴在云层内部建立起充电隔层时，在云基部的电位差通常假定为达到大约100百万伏。而其结果，静电场在地面上升高约为每米10KV。此充电行为（或称分隔充电）。通常为从风暴电池内云层基部脱离出，以负极充电。但在很少情况下，似乎也有相反的。
这个充电的结果，在地面上感应生一个类似反极性的电荷，聚集在它的表面上的电荷，也正就是在云层之下的，其规模和形状也与云层相同。
当风暴密集度建立起后，云层内隔层继续充电，直到空气与云和地之间不再作为，就似个绝缘子一样，因大气状况，表面崩溃点就改变。
云由基底移动到地面，产生低亮度的火花，称之谓先驱放电。这个先驱步度大致为等于其长度，而其长度为相应于风暴电池充电，也同样就是在击时的峰值电流。这个步度，其长度的变化，对于负极性的击，大约为由10到超过160米，当先驱接近地面时，其电场与先驱之间，每一步都增大，最后，从地面大约一步之距（或为一个接地装置）。一个“雷击区”就建立起来了。雷击区的形状是半球形的，其直径为等于一个步距的长度。雷击区内部的电场是非常高的，于是它就从接地体建立起一个上升的移动光柱，其最先的光柱到达时，则先驱电路闭合并起动了电荷中和的程序。当这个装置介入大地与风暴电池之间，此装置同样地充了电。此后它们就在空间隔层部分短路，它们能够触发起“击”，因为这个装置能够感生一个插入空间的重要部分。
电荷中和“击”是起因于电子流，它由这个物体流向另一个物体而形成的。依这样演下去，到两物体之间的电位无差异为止。这个过程产生同样的结果就是像电池在端部短了路。
防雷顾问公司（LEC）的解决办法
从1971年起LEC的工程师们在防雷保护领域方面，曾专门研究开发出专门知识。虽 然，传统的防雷击保护方法，对某些设备装置亦能满足要求。而现在所需要的是更为完善的保护，LEC提供的系统，设计出适合于最严格的需要。凡采用标准构造品不能满足要求的场所，LEC可以提供咨询和设计服务，建立顾客系统，就此将解决最困难的问题。
工程上，一个恰当的解决，比简单地安装避雷针要复什得多，每一处都要为危险因素作出评估。在作保护设计之前，要能够提供地形、土壤类别、和许多其它参数。由于多种原因，这里不可能以“一种型式应用於全都”。解决防雷击问题。
消除式天线系统（DAS）
雷电是云层基部与地面之间电位差中和的过程。任何雷击防护系统必需适合这个缓万而连续不断的进程。此消除式天线系统（DAS）为保护被保护区和天线自身以防止雷击而设计的。其系统首要元件为DAS电离器，“花键滚珠”驱动系统和化学剂棒式接地电极。在设计一个特定的保护系统中，则需要采用部分或全部。（见图1）
对于一个划定范围预防雷击的防雷系统必须能够降低该处与风暴电池之间的电位差。为此，电位差不能高，要能满足终止该区域内的雷击。保护系统必须能解除或漏泄掉在该处有关的电荷感应水平，使该处雷击是不可能的。（关于产生电荷感应的事，是因为由于风暴和插入大气间的绝缘物质而建立的强电磁场。）
大气科学家曾发现，那大量的风暴能量都是自行消散尽的，那就为什么称之谓自然消散。这些就是在那树木、草原、围墙和其它类似的物体、或是人造的突出物体、所产生的电离。这些就是接地的和遭受到由风暴电池引起的静电场。例如，一个风暴电池覆盖于海洋上，所产生的雷电大大超过同样电池覆盖于陆地上的。因为陆地上的自然消散将降低了风暴的能量。因此，多点式的电离器是明显
地更为有效。消除式设备，具有双重特性，作用更大。
图1 LEC的消除式天线概念
尖端放电现象，100多年前就已发现。是这样发现它的：浸泡在一个静电场的锐利的尖端，该处的电位已升到10000伏以上时，就会产生一个由其邻近的空间微粒子组成的电离式电荷。
消除式天线阵系统（DAS）就是基于这个尖端放电现象，正如从被保护地点到周围空间的电荷转换为机械能。由风暴电池建立起来的静电场将被抽出，电荷则远离被保护地区。其后则此地区的电位低于周围。（见图2）
图2 尖端放电转为机械能
补充说明二次现象，由DSA提供的保护，是因出现空间电荷，此电荷在保护区内与风暴电池之间的发展，并可认为是一个法拉第式防护
。把由尖端放电被电离过的大气微粒子，被电离器上部抽出。它们在该处缓慢下降并伸展，形成一团被电离过的大气微粒云。（见图3）
图3 空间充电效应
DAS电离器
DAS电离器是一个多点式的设备，那就是利用众多的尖端同时地产生有效的离子，令静电场增大。单一的尖端建立的光束就会助长了雷击。对比之下，多点式电离器启动了某些较高电位的电离作用进程。但是当电位增高，电离作用电流也按指数增大。此后这些离子就伸开遮盖了大个面积。没有光束产生。在末端位置产生一个发光的离子云。引起瞬时的天线周围发光。并突然电流通过而爆炸。
电离器组合安装，对于大多数的设计特性是非常方便灵活的。有些是可以减少其组件，而另一些则不可以。这些因素包含其规格、形状、高度、尖端的间距、天线面上的尖端高度、风速等级，再加上与周围环境有关的特性。因而，一个有实效用的系统设计；保持了同样许多的科学与技艺。
摘译自《美国科罗拉多州宝德市防雷顾问公司网络资料》，原作者小莱B.卡品特和马克N.特拉坚哲学博士。
