Maintenance and Support Centre of Protection

ABSTRACT ： Comparing the lightning disturbance situations in two kinds of communication offices and oil transfer-ring stations where the semiconductor lightning eliminators are installed or not installed,the othor holds that using semiconductor lightning eliminator may lead to disastrous failures,the suggests that to use any kinds of lightning e-liminators (including the lightning eliminator made of conductor)in communication stations is not suitable.

KEY WORDS ： Lightning eliminator Integrated Lightning protection

摘要 : 从一些通信局站及输油中转站使用半导体消雷器防雷失败的教训着手 , 对比未安装半导体消雷器的通信局站雷击情况 , 论述了半导体消雷器可能导致灾难性事故的发生 , 分析了半导体消雷器与现行国家、邮电部、电力部有关防雷规范之间的关系 , 并建议各类消雷器 ( 也包括导体消雷器 ) 不宜在通信局站上使用。

关键词 : 消雷器 雷电 综合防护 标准

消雷器是 70 年代由国外发展起来的一种防直击雷装置 , 我国一些研究工作者在其基础上推出了多种类型的消雷器。然而国内外多数学者和工程技术人员均对消雷器持否定或怀疑的态度。 70 年代 , 美国政府曾专门对消雷器的性能进行了调查并在 AD 报告中否定了消雷器。 80 年代初 , 中国从事防雷的专家们就消雷器能否消雷在《高电压技术》上开展了为时两年的大讨论 , 当时主张使用消雷器的观点居下风。到了 90 年代 , 由于市场经济的诱发 , 消雷器在不少领域内大量出现。但各地安装消雷器后还是遭受不同程度的雷害。广东省微波通信局自 1991 年至 1993 年底安装了 35 座半导体消雷器 ( 其中 19 针 26 座 ,13 针 9 座 ), 导体消雷器 5 座。三年的运行中 , 雷击并损坏半导体消雷器 22 座 ( 占 63%), 受损通信设备有变压器和交直流屏、整流器、空调机、电视机等。此外 , 多数站半导体针被击断。设备损坏的微波站有吴川县、阳江站、佛岗站等。吴川站在 1993 年的雷击中两个通信机盘被损坏 , 造成通信中断 ; 阳江站塔高 70m, 海拔 10m, 周围是空旷地带 ,1991 年雷击造成 CPU 损坏 ; 清远佛岗站安装消雷器后 , 雷击使进口油机控制箱、整流器损坏 , 通信中断 2 小时。 1994 年广东省微波传输局安装消雷器的微波站共发生了 4 次雷击损坏事故 , 其中惠州微波站、吴川微波站安装了半导体消雷器 , 微波机架盘均被击坏数块 , 白云山微波站的 UPS 被击坏。据悉 , 到 1995 年底 , 凡安装了半导体消雷器的微波站几乎 100% 的遭受了雷击 , 而且有的站一年被雷击几次。导体消雷器自 1993 年下半年至今共击坏三座。

安装消雷器后 , 微波站反而连年频遭雷击 , 这引起了人们的关注。本文从 AL 公司半导体消雷器的使用情况着手 , 与通信局站采用联合接地、综合治理的防护措施进行对比 , 并对通信局站采用何种防雷措施进行了探讨。

1 半导体消雷器遭受雷击的情况

(1) 广东省宝安邮电局新安分局通信枢纽楼 ,1992 年安装了 AL 公司生产的半导体消雷器 ,1993 年 6 月 9 日遭受雷击 , 造成 NEC-61 程控交换机损坏 , 被击坏的主要是系统总线 , 即 CP 之间以及被 CP 控制的模块接口板及连线 , 而模块背板器件无任何损坏痕迹。这次雷击造成交换设备瘫痪 30 小时。事故发生后 , 宝安邮电局对高低压送电系统进行了改造 , 高压侧近 120m 埋地电缆的金属护层两端接地 , 在变压器高低压侧安装了氧化锌避雷器和避雷箱。翌年 4 月 21 日 , 该枢纽楼又遭受了雷击。交换系统处理机 CP02 、 03 、 05 、 06 、 07 、 16 用户局部控制器瘫痪 , 通信中断 3 分钟。奇怪的是 , 四层高的新安局刚建时是周围最高的建筑物 , 但未遭雷击 , 随着城市的快速发展 , 之后在其四周建了好几幢高层建筑 , 而这些高层建筑一直安然无恙 , 比这些高层大楼低得多的新安局安装了半导体消雷器后却反而遭受了两次雷击。

(2) 广州石化总厂于 1993 年底建了一座 45m 高的铁塔 , 安装了 AL 公司的半导体消雷器 ,1994 年初运行后 , 消雷器就遭雷击 , 航标灯的引下线被烧为几段 , 附近加油站的计算机也被损坏 3 部。该厂提供的资料表明 ,1994 年是建站以来仪表、计算机设备因雷击受损最严重的一年 , 甚至连置于消雷器塔下方 5 号油罐上的铂热电阻检测器的铂丝也被烧熔 , 这种情况是过去从未有过的。 1994 年以后 , 该站又多次遭受雷击 , 直接损失高达数十万元。 1995 年 6 月 28 日 ,5 号油罐上的铂热电阻丝再次被雷击烧熔。

(3) 广州供电局新楼 (20 层 ) 装有 AL 公司的半导体消雷器 , 旧楼 (10 层 ) 与新楼相距 5m, 处在消雷器的保护范围内 , 新楼由旧楼统一供电 , 供电线路的水平长度 30m, 但两楼地网相互独立。 1993 年春新楼消雷器遭受雷击 , 一根半导体消雷针被打断 , 后来发现新楼通信及计算机等微电子设备完好 , 但旧楼中很多微电子设备被打坏。

(4) 江苏省输油管道局仪征输油站建站 10 余年没受雷击 ,1990 年 6 月底安装了 AL 公司的半导体消雷器后没几天 , 就遭受雷击 , 控制系统受损坏。 1994 年 4 月 19 日晚该站再次遭受雷击 , 半导体消雷针击坏二根 , 输油站液面计全坏 , 控制系统、自动化仪器损坏 , 损失高达 30 万元。

(5) 四川省彭山县邮电局 ,1994 年安装了 AL 公司的消雷器 , 地网采取分散接地方式 , 并且各地网相距很近 , 电源供电系统变压器离机房较远 , 配电室的低压由电力电缆引入 , 除变压器高、低压侧有间隙式避雷器外 , 无其它避雷措施。安装消雷器的当年，通信机房遭受雷击 , 通信设备损坏 , 据说通信中断三天。

(6) 广东珠海邮电局 1994 年安装了 5 套 AL 公司半导体消雷器 , 安装后仅三个月 , 消雷器的所有消雷针不是被雷电击坏就是被风吹断。现已将消雷器全部拆除。

(7) 山西至北京的 500kV 高压送电线路通信专用的 17 个微波站 , 有 4 个站安装了 AL 公司的半导体消雷器。全线运行至今 , 共有 4 个微波站遭受雷击 , 其中安装消雷器和未安装消雷器的微波站各 2 个。

安装消雷器的广灵微波站 1995 年 9 月遭受雷击 , 造成 NEC 微波机发信单元损坏 3 个机盘 , 打坏半导体消雷针 7 根。另一安装消雷器的石门东山微波站 , 在雷击时短波电台、配电屏、油机控制屏、空调等被损坏 ,3 根针被击断。这说明安装消雷器后一样会遭雷击。

(9) 北京无线局房山微波站、平谷县微波站安装了 AL 公司的半导体消雷器。平谷县微波站自 1992 年安装消雷器后 , 年年遭受雷害 , 导致直流输出端损坏 ,3 根半导体针被击坏 ; 房山微波站遭雷击时电源设备直流输出端受损并击坏 2 根针。现在已将半导体消雷器拆除。

2 从消雷器的实际应用效果看消雷器的副效应

(1) 消雷器是引雷器

消雷器是否能消雷 , 是否能中和雷云中的电荷 ? 在国内外一直是有争论的话题。“电荷中和论”是实际运行中至今无法难以验证的理论 , 但消雷器的引雷效应却已被运行实际结果所证实。

1983 年 8 月 10 日 , 某卫星发射场内小山上的半导体消雷器 45 °方向上的 4 号针被击坏 , 测得的雷电流达 22kA 。在这次雷击中 , 雷云飘过发射塔后又飘过 125m 高的独立避雷针的上空 , 最后直击消雷器的 4 号针。检查后发现 , 针尖被烧 2mm, 消雷针根部与公共底盘连接处有明显的电弧烧坏痕迹 , 这证明了被雷直击且是一次明显的引雷过程。

1995 年在邮电部无线通信局站防雷技术研讨会上 , 广东省微波通信局对消雷器的引雷效应有如下评论 : “消雷器是百分之百的引雷器 , 在安装消雷器后几乎所有微波站都遭受了雷击 , 有的站一年挨打几次 , 原来很少有直击雷的站 , 安装了消雷器后就每年有雷击”。

广东省宝安邮电局新安分局通信枢纽楼遭受到的两次雷击也说明了消雷器不但没有减少雷击 , 反而遭雷击 ; 不但没有被周围的高层建筑保护 , 反而将雷电引向自身 ; 也未出现所谓的排雷现象 , 并没有消雷。

(2) 消雷器理论将导致灾难性事故的发生

基于以消雷为目的的“电荷中和论”、“抑制先导放电论”、“改善电场屏蔽论”三类不同学术观点的消雷器 , 如仅从理论上探讨 , 学术上争鸣 , 小规模地在现场试用 , 这是科学工作者认真而负责的态度 , 值得提倡。但大规模地投入实地应用则将可能导致灾难性事故的发生。因为作为应用单位 , 不可能去研究消雷器 , 而且对雷电的危害和侵入渠道也不甚了解 , 如仅听从各类消雷器推销者的理论及宣传 , 而不按法拉第原理对所需保护的各类局站进行联合接地、综合治理 ( 分流、屏蔽、搭接、接地、保护 ), 不对潜在的雷击因素进行抑制 , 那么在安装消雷器后 , 就更容易造成灾难性的雷害故事。

如果消雷器实际上也是引雷器这个结论被证实 , 那么在通信局站及消雷器所保护的场所安装消雷器以后 , 如果忽略了通信系统及建筑物的整体防雷问题 , 那么将更加危险。不是也等于花钱买雷灾了吗 ?

3 半导体消雷器与防雷规程

在一些半导体消雷器事故的总结报告中 , 半导体消雷器的推广者认为 , 一些事故是由于通信局站接地系统采用分散接地违反防雷接地规程所致。表面看来似乎理由很充分。但反过来讲 , 半导体消雷器自使用之日起 , 就不是国家标准和邮电部、电力部防雷接地标准以内的产物。在这些标准中 , 半导体消雷器至今未被列入能够使用的正规防雷产品。国际上 ,IEC 的文件也从来未将这类产品列入有关报告 , 国外也没有一个国家将各类消雷器列入规范。

4 通信局站必须采用联合接地、综合治理等防护措施

国内外通信局站雷击事故的统计概率表明 : 通信局站遭受感应雷及侵入波造成通信设备损坏的概率为 85% 左右 , 电源线、信号线、控制线、接地引线及雷电磁场等均是雷害因素 ; 通信局站曹直击雷及其它因素而引起的雷击概率为 15% 左右。虽然对通信局站采取联合接地、综合治理的防雷措施并不能够百分之百地防止雷击 , 但可将雷害减少到最低限度。在此谨列举一些典型通信局站的情况来说明问题。

(1) 江西省微波通信局全省共有 100 多个微波站 , 但至今未安装一座消雷器 , 虽该地区属于多雷区 , 且微波站多建在山区 , 然而 , 由于微波站接地采用了联合接地 , 并在此基础上 , 对微波站的出入局线采取了多级保护的防雷措施 , 所以在 1986 ～ 1996 年间仅在 1988 年和 1992 年中有两个微波站遭受直击雷 , 损坏了设备 , 其它雷击事故多数是由感应雷引起的。

(2) 根据中南勘查设计院 1996 年 2 月提供的数据 , 该院对湖南省 30 多个微波站、电视台等防雷工程采用了均压等电位的联合接地设计、施工方案 , 保质期为三年 , 至今未发生由于雷击引起事故的纠纷或投诉事件。

(3) 邮电部设计院通信防护研究室自 1988 年以来 , 对雷暴日及雷击较多的海南、安徽、广西、广东、辽宁、山东、湖南、贵州、四川等地区近百个通信局站、微波站进行了防雷设计及改造 ( 其中有的主干线微波站过去一年遭受几次雷击 , 有的曾中断通信数十小时 ), 至今未发生一例直击雷损环设备的事故。例如前面提到的广东省宝安邮电局通信枢纽楼 , 雷害后经过对地网、机房汇流排、接地引接线、防雷引下线、出入局缆线、电源配电系统等进行了防雷改造 , 拆除了半导体消雷器 , 经受了两个雷暴年的考验 , 至今未发生一起雷害事故。

上述列举的情况表明 , 通信局站采取联合接地、综合治理的防雷措施后可有效地减少雷害事故的发生 , 而且事故率远小于安装消雷器的通信局站的雷害事故。

5 对消雷器的疑义

(1) 从消雷器与基座之间多股铜线被雷电熔断看消雷器

半导体消雷器遭雷击时 , 损环的部位往往是垂直的主针及第二圈的消雷针。根据值班人员目击 , 雷击时中部主消雷针只有一、二根从根部到尖端发红 , 看不到多针并联的现象。发红的消雷针一般都被击断 , 而且在消雷器与基座之间的铜电缆线也被熔断。由此可见 , 雷电流的量级是相当大的 , 而且并没有得到有效的抑制。这并不像消雷器提供者所宣传的那样 , 多根消雷针会自动并联 , 并抑制雷电流。然而半导体消雷器的耐雷水平是建立在遭雷击时所有半导体消雷针会有效地自动并联的基础上的 , 半导体消雷器单针的设计耐雷水平只有 8kA( 假设该数据是真实的 ), 因而强大的雷电流大大地超过了一、二根针的耐雷水平。这样 , 铜电缆线被烧熔也就必然无疑的了。

(2) 再从多次实测情况看，消雷器所要承受的雷电流在 10-20kA 以上 , 并未如半导体消雷器发明者所称雷电流可被限制在几安至几百安级。

如 1983 年 8 月 10 日 , 某卫星发射场内小山上的 45 °方向的 4 号针被雷电击坏 , 实测到的雷电流达 22kA, 针尖被烧 2mm, 消雷针根部与公共底盘连接处有明显的电弧烧坏痕迹。

又如 ,1984 年荆门石化总厂高 65m 的 2 号消雷塔遭受雷击 , 东南方向与水平方向 45 °角的半导体消雷针发生闪络 , 有几处穿孔 , 针体电阻值因半导体表面漆膜被烧而由 40k Ω增至 42k Ω , 金属尖端有烧熔斑点 , 塔身四角钢上的磁钢产生了磁化。对 8 根磁钢进行检测 , 计算出通过塔身四角钢的雷电流为 12.2 ～ 22kA. 雷电流如此之大 , 说明消雷器并不像研制者所希望的那样 , 在不发生闪络的情况下能将雷电流减弱 99.9% 左右 ( 即减弱到原主放电电流的 0.1%) 。

然而值得注意的是 : 荆门石化是某大学半导体消雷器研制者当作消雷器成功的事例对外宣传的。

再如 , 河北供电局微波铁塔 1983 年安装了两座导体消雷器 , 当年就遭受雷击一次。经检测 , 雷电流幅值高达 20kA 。因此在 11 月下旬安装全向天线时拆除了消雷器 , 至今未发生雷击。

6 广州供电局新旧调度大楼雷击损坏事故说明了什么 ?

广州供电局新楼 (20 层 ) 装有消雷器 , 旧楼 (10 层 ) 与新楼相距仅 5m, 在消雷器保护范围内 , 地网相互独立 , 新楼由旧楼统一供电 , 供电线路的水平长度 30m 。 1993 年春新楼消雷器遭受雷击 ( 有人眼见消雷器上有一团火 ), 当时打断半导体消雷针一根 , 后来发现新楼通信及计算机等微电子设备完好 , 而旧楼中很多微电子设备 ( 计算机等 ) 却被打坏。 AL 公司的一位总经理分析认为 , 这是由于进线侵入的雷电流所致 , 需在电源上加装浪涌抑制器 , 新旧楼分开接地不是引起雷击事故的原因。

而根据我们的分析 , 雷击事故可能的主要因素有 :

(1) 雷击电场强度太大 , 半导体消雷器未起至说明书中所述的作用 ;

(2) 旧楼内部的接地系统不符合通信设备的接地要求 ;

(3) 计算机接口缺少有效的避雷器件的保护 ;

(4) 新旧楼分散接地 ;

(5) 出入缆线缺少防雷接地保护 ;

(6) 电源系统缺少有效的防雷接地保护 , 未加装对雷电反应快速的现代通信和计算机所需的保护器件 , 特别是在计算机电源插座上未加装避雷器件。

由上可见 , 虽然广州供电局新旧调度大楼安装了半导体消雷器 , 但不能保护被保护范围内的现代通信设备和计算机不遭受雷击。仍然必须按法拉第原理对所保护的通信系统进行联合接地、综合治理的原则去改造 , 以抑制潜在的雷击因素。

7 广东省微波通信局对消雷器的看法

(1) 消雷器是百分之百的引雷器 ;

(2) 消雷器在受雷击后 , 由于消雷针不能起到所谓的并联作用而容易使其中的某几根针打断 ;

(3) 靠电晕电流中和雷电是不可能的 ;

(4) 平时很少发生雷击的微波站 , 特别是没有高塔的市内微波站 , 不必安装消雷器。

8 消雷器与避雷针的电晕火花及弧光现象

在描述消雷器产生较强的中和电流发挥消雷作用时 , 一般目击者有下述评论 : “消雷器发出 1 米多长的电晕火花” ; “消雷针放出 3 米多长的弧光”等等。但在高塔上的避雷针也同样会有这种现象。例如 1995 年 7 月 11 日加拿大多伦多市著名的电视塔遭受雷击 , 但由于避雷针的保护而安然无恙。据人民日报 1995 年 8 月 17 日报导 : “多伦多市 11 日清晨遭到罕见的雷电袭击 , 目击者看到巨大的闪电击中了全耸入云的塔顶发射天线 , 但由于避雷针的保护 , 电视台安然无恙。晚些时候发表的新闻照片也显示 , 从天而降的闪电有数千米长 , 十几米宽。闪电正击中塔顶的避雷针 , 远处望去就像电视塔正在放电 , 景象颇为壮观”。由此可见，消雷器和避雷针都有弧光现象 , 弧光现象并不是消雷器独有的。

9 结论

由各类消雷器研制者所创立的理论支持的消雷器 , 与避雷针一样 ( 避雷针作为引雷器已有共识 ) 在使用时并不会有效地防止雷击。那些认为消雷器牺牲了自己保护了设备的认识更为不妥 , 即所谓通信局站遭受雷击后未损坏设备而击坏了消雷器本身 , 是消雷器发挥保护作用的结果。这种说法是不全面的 , 它完全抹煞了其它防雷措施的作用和设备本身所具有的对雷电的耐受能力。采用降低接地电阻、均衡地网电位、限制过电压以及采用屏蔽等项措施的微波站 , 完全可以具有一个很好的防雷体系。而且根据统计 , 在未安装消雷器地区的雷击事故率远低于安装了消雷器的地区的雷击事故率。如果安装消雷器后忽略了通信系统及建筑物的综合防雷 , 不对潜在的雷击因素进行抑制 , 则在安装消雷器后而更容易造成雷击事故的发生 , 而且可能是灾难性的事故。

为此 , 建议在现阶段 , 各类消雷器 ( 包括半导体消雷器和导体消雷器 ) 不宜在通信局站推广使用。