▲防感应雷避雷针（计算机信息系统专用避雷针）
防感应雷避雷针
1.感应雷雷电脉冲磁场分析
1.1 感应雷击是雷击灾害的一种常见的雷击现象。在大气对流层中，当雷暴天气发生、发展时。由于大气电场的作用，在活跃的雷雨中，经常产生强烈的电荷分离和电荷凝聚现象。雷暴云中电荷凝聚到一定程度就会发生放电。大气放电过程：先由数次上行或下行先导放电，击穿空气电离通道，然后发生雷电首次主放电。主放电结束后，又有多次后续放电，最后完成闪电全过程。
雷电闪电发生时，由于闪电的瞬时间内产生强大的脉冲放电电流，会在闪电通道周围会产生强大的雷电脉冲磁场。在雷电脉冲磁场中的所有的导体、计算机信息系统设备、通信网络设备和微电子设备等都会不同程度的受到雷电脉冲磁场的影响。发生感应雷击灾害。见下图是雷电脉冲磁场分布示意图。
图1、防直击雷避雷针接闪时雷电脉冲磁场分布图
1.2 美国某研究所的一项实验表明：当磁感应强度GS B 03.0≥时计算机出现误动作；当磁
感应强度GS B 75.0≥时计算机出现假性损坏；当磁感应强度GS B 24.0≥时计算机元件完全损坏。雷电脉冲磁场估算结果显示，雷电通道附近半径1.5公里范围内，雷电脉冲磁场很容易对计算机信息系统设备和微电子设备造成危害。
雷电脉冲磁场直接波及周围计算机信息系统网络设备、监控设备等微电子器件。致使计算机
信息系统停止运行，数据丢失， 造成不可挽回的经济损失。
1.3 雷电脉冲磁场分布服从电磁场的理论，遵循法拉第、麦克斯韦定律。 按着电磁场的理论,雷电磁场的变化规律应遵循法拉第、麦克斯韦理论：
dt
dI dl B dt
d C
?
=?μ0
其中， C ：是环绕着导线的闭合回路， B ：是磁场， dl ：是微小线元素矢量，
μ
：是磁
常数， μ：是此处磁介质的磁导率（如果是真空的话，其值为1）， I :是雷电电流。
雷电流闪络时雷电周围的雷电脉冲磁场磁通量应是：
)cos ()(m θ??=?=
Φa B dt
d
a B dt d dt
d ： ：
：为：为通过开曲面的磁通量，这一开曲面的边界为
：为一个随时间变化的闭曲线
：为电场：为引起的电荷在闭合曲线上的
动势。按着电磁感应原理，感应电动势的大小，也取决于两个因素，一个是雷电电流强度I max ，一个是雷电脉冲电流的变化速度
dt
dI 。
雷电脉冲电流的强度越强，磁场的变化速度越快，导体内产生的感应电动势就会越大：
dt
dI
k dt
d 2
μ
ε
?∝
所以，当雷电脉冲产生放电时，在 LPZ0B 、LPZ1雷电防护区域内的开路导体的两端的雷电感应电压为：
忽略导体的阻值，在导体上的雷电感应电流：
雷电脉冲电流前沿的上升时间速度T1和雷电放电电流的强度I max ，直接制约了感应雷击的强度大小。
2. 雷电脉冲磁场的危害评估
2.1距离雷电通道10米处的雷电脉冲磁场强度的基本估算。 按着线性的雷电脉冲磁场简易计算方法：r
I B max
02?
=πμ 其中：70104-?=πμ 是真空导磁率；
r ：是距离
假设：最大雷电脉冲的电流是：I=100KA ；距离避雷针距离 r=10米 则：
GS m wb r I B 20/1021010210
10100210423473
7max 0=?=??=???=?=---πππμ
计算结果表明：距离雷电放电通道10米处，标准雷电电流的雷电脉冲磁场强度是：B=20GS 。
远大于GS B 24.0≥
可见，距离避雷针10米处的雷电脉冲磁场，足以使避雷针附近的微电子设备破坏。所以，对气象观测站、环保监测站、水文水利测试站，露天监控探测头、野外各种探测仪等场所的避雷针安装都必须考虑防感应雷的问题。
2.2 雷电脉冲磁场预防问题，应重点考虑首次雷电流的冲击。因为首次雷击电流幅度较大，雷电最大雷电流都是出现在首次雷击。首次雷击电流幅度是后续雷击电流幅度的数倍以上。所以，预防感应雷击，减弱雷电脉冲磁场。主要考虑的是首次雷电的脉冲电流的冲击。
对于防直击雷避雷针而言，雷电脉冲阻抗是线性的。防直击雷避雷针的电阻很小，可以忽略不计。为了能够量化说明问题，抛开接地电阻的影响，可以假设为：0.1Ω至1Ω之间。
2.3 雷电脉冲磁场环境下的线导体中感应电动势分析。
雷电脉冲磁场环境下的线导体中感应电动势可以简化为：
dt
dI k ?
?=0με
可以看出，雷电脉冲电流对时间的变化率越快，则导体感应电动势就会越大。换言之，雷电脉冲电流强度越强，雷电脉冲电流的前沿上升速度越快，上升时间T1越短，则导体感应电动势就会越大，感应雷击就会越严重。
从另一个角度分析考虑，雷电脉冲电流放电时，虽然短时间内雷电流强度很大，但是雷电电荷数量是固定，雷电能量是有限的。 避雷针能够将云地间的异性电荷中和掉。福克兰林避雷针的功能，就是将聚集在云中异性电荷在短时间内放掉。保障云地间的电场平衡。
2.4避雷针功能分析。福克兰林避雷针声称谓之避雷针，实质上是引雷针，用自身导电功能将云地之间异性电荷迅速中和掉，牺牲自己保护别人。也起到了重要的直击雷防护作用。至今还是预防直击雷的唯一主要工具。
福克兰林避雷针虽然能够引雷、泄流、防雷。但是，避雷针在吸引云中电能，产生强大的雷电脉冲电流的同时，会产生强大雷电脉冲磁场，在周围引起感应雷击。这就是福克兰林避雷针的弱点。 在计算机信息时代的今天，计算机网络设备日益增多。感应雷雷击对高科技设备、微电子设备的影响越来越多，经济损失越来越明显。
3。防感应雷击采取的技术措施
3.1预防雷电感应雷击的措施。预防雷电感应雷击的措施很多，多数是在各种设备的网络线路上增设过压保护措施。比如：各种网络线路上安装浪涌保护器（SPD)等。网络线路安装各种避雷器（SPD)存在一定的插入衰减，影响信号强度，和网络传输速度。即使是使用
4
波导短路器做避雷器，也会有雷电脉冲感应电压的残压存在。不能彻底滤掉雷电脉冲感应雷击的残余电压。
解决防感应雷击的另一个途径，就是要消除或减弱雷电脉冲磁场的强度和影响范围。在接闪器上安装上非线性感抗器件，在避雷针引雷泄流放电时，尽可能的消除或减弱雷电脉冲磁场的强度和雷电脉冲磁场的影响范围。比较下两个图可以直观的认识到：防直击雷避雷针无法消除或减弱雷电脉冲磁场，雷电脉冲磁场影响范围较大见图2中磁力线密度较大。而防感应避雷针，利用电感感抗器件，不同程度的削弱和减少雷电脉冲磁场的强度见图3中磁力线密度相对减少。
图2.防直击雷避雷针不能减弱雷电脉冲磁场强度。
图3.防感应雷避雷针在接闪雷电电流的同时，能够减弱雷电脉冲磁场强度及磁力线密度减少。
3.2防感应雷避雷针具有非线性放电的功能。
防感应雷避雷针，一方面引雷泄流，能够完成云地间的异性电荷中和放电，解除直击雷雷击隐患。另一方面，避雷针引雷电放电时，能够做到云地间异性电荷缓慢的中和放电，尽可能放宽首次雷击雷电脉冲电流前沿上升时间T 1，减缓雷击脉冲电流幅度，从而减弱雷电脉冲磁场的强度，以减弱感应雷击灾害。采取防感应雷击措施后，雷电脉冲磁场强度、范围都减弱，磁力线相对减少见图3。
防感应雷击避雷针是利用电感感抗的非线性特性，对于雷电脉冲上升前沿而言，增加电感感抗，因而拉宽雷电脉冲前沿 T 1 的上升时间，减少
dt
dI
梯度。以达到减弱雷电脉冲磁场强度和减少导体感应电动势目的。
换言之，防感应雷击避雷针作用是：当雷电脉冲电流变化较大时，防感应雷避雷针的通流阻抗也较大，从而削弱雷电脉冲电流，减缓雷电脉冲磁场变化，减少导体中感应电动势的强度。当雷电脉冲电流变化较小时，防感应雷避雷针的通流阻抗也变小，保证雷电电流泄流畅通。
利用电感感抗特性来实现雷电脉冲电流的低频部分通道打开和对雷电脉冲电流的高频部分的阻抗衰减。以达到减弱雷电脉冲磁场的强度和对时间梯度，削弱和减缓感应雷击灾害。
由于首次雷击电流幅度较大，是后续雷击电流幅度的数倍以上。预防感应雷击，减弱雷电脉冲磁场。主要考虑的是首次雷电的脉冲电流强度和脉冲前沿上升速度。
4. 放感应雷避雷针器件的特性参数估算
4.1经验计算电感量。 环形铁心的绕阻电感(核心物料的的圆形横切面的相对导率)电感量为：
D r N L r
÷??=2
20μμ L = 电感 单位 H
μ0 = 真空中的导率 = 4 × 10-7
H/m
μr = 核心物料的相对导率 N = 匝数
r = 缠绕平均半径 单位 米 D = 环形线圈的总直径 单位 米
)(103531.25220H D r N L r -?=÷??=μμ
4.2电感阻抗为：
L f X L
??=π2
X L :电感阻抗（Ω）； f ：工作频率(Hz ）； L ：电感量（H)。
假设：标准雷电脉冲电流前沿上升时间 T 1 =10μs 为1/4 周期的正玄波，其频率应该是： 56
1
105.210
1411?=?==-T f
防感应避雷针感抗是：
)(694.32Ω=??=L f X L π
5. 防感应雷避雷针对雷电脉冲磁场衰减评估
引用雷电脉冲磁场衰减的概念，有助于理解感应雷击的预防可能性。
5.1 假设：防直击雷避雷针放电是以标准雷电脉冲电流放电，避雷针的线性电阻很小。技术条件放宽估计，假设避雷针电阻为0.1Ω。按着欧姆定律原则，则标准雷电流（100KA)放电时在避雷针上呈现的接闪时，避雷针两端的电压为：
)(100001000001.0V I R V =?=?=
对防感应雷避雷针而言，标准雷电电流的前沿上升时间T 1时间为基本周期频率的电感感抗为3.69Ω时，雷电脉冲电流应降为：)(271069.310000A R
V
I =÷==
5.1.1雷电脉冲磁场估算 按着简单估算公式：r
I B ?=
πμ20
对一个标准雷电脉冲电流而言。标准雷击电流是：KA I 100= ；脉冲电流上升时间：
s T μ101=；半功率点时间是：s T μ3502=；距离避雷针r =10米处的磁场强度为：
)
(542.0)(10542)/(1054227110210
2710210423777max 0GS GS m wb r I B =?=?=??=??=?=----πππμ
5.1.2 标准脉冲雷电磁场衰减估算
距离避雷针r =10米处的雷电脉冲磁场强度衰减比为：
99.7%
0.00271120
0.542111010=-=-=-
=场强度
米处防直击雷避雷针磁标准雷电电流场强度米处防感应雷避雷针磁标准雷电电流B B S
用分贝表示衰减比：
)
(67.25)00271.0(log 10)
00271.0(log 10)20
542
.0(log 101010101010db B B S -=?=?=?==
米处雷电脉冲磁场强度
电电流距离防感应雷避雷针标准雷磁场强度米处标准电流雷电脉冲福克兰林避雷针距离雷电脉冲磁场衰减
5.2假设避雷针电阻为1Ω。按着欧姆定律原则，则标准雷电流（100KA)放电时在避雷针上产生的电压为：
)(1000001000001V I R V =?=?=
对一个标准雷电脉冲电流而言。标准雷击电流是：KA I 100= ；脉冲电流上升时间：
s T μ101=；半功率点时间是：s T μ3502=；距离避雷针r =10米处的磁场强度为：
5.2.1对防感应雷避雷针而言，标准雷电电流的前沿上升时间T 1时间为基本周期频率的电感感抗为3.69Ω时，雷电脉冲电流应降为：)(2710069.3100000A R
V
I =÷==
)
(542.0)(10542)/(1054227110210
27100210423777max 0GS GS m wb r I B =?=?=??=??=?=----πππμ5.2.2 标准脉冲雷电磁场衰减估算
距离避雷针r =10米处的雷电脉冲磁场强度衰减比为：
97.73%
0.0271120
0.542111010=-=-=-
=场强度
米处防直击雷避雷针磁标准雷电电流场强度米处防感应雷避雷针磁标准雷电电流B B S
用分贝表示：
)
(67.15)00271.0(log 10)
0271.0(log 10)20
42
.5(log 101010101010db B B S -=?=?=?==
米处雷电脉冲磁场强度
电电流距离防感应雷避雷针标准雷磁场强度米处标准电流雷电脉冲福克兰林避雷针距离雷电脉冲磁场衰减
5.3 分析：以上我们对传统的福克兰林避雷针的放电功能做了做了两种假设：一个是假设防直击雷避雷针导电电阻为0.1Ω，另一个是假设防直击雷避雷针导电电阻为1Ω。并做了简单的粗线条的计算。其目的是用来说明防感应雷避雷针的功能，并做一个粗略的估计。实际上我们没有考虑到的因素很多，不能一一说明。时间应用中只能做防感应雷的避雷针测试。
测试项目主要的是两个：一个是防感应雷避雷针标准雷电脉冲的电抗测试，计量单位为Ω；一个是防感应雷避雷针的标准雷电脉冲磁场衰减测试，计量单位为：分贝。
假设避雷针放电是以标准雷电脉冲电流放电，避雷针的线性电阻很小。技术条件放宽估计，假设避雷针电阻为1Ω。按着欧姆定律原则，则标准雷电流（100KA)放电时在避雷针上产生的电压降为：
)(1000001000001V I R V =?=?=
对防感应雷避雷针而言，标准雷电电流的前沿上升时间T 1时间为基本周期频率的电感感抗为3.0.41Ω时，雷电脉冲电流应降为：)(24390241.0100000A R
V
I =÷==
按着简单估算公式：r
I B ?=
πμ20
对一个标准雷电脉冲电流而言。标准雷击电流是：KA I 100= ；脉冲电流上升时间：
s T μ101=；半功率点时间是：s T μ3502=；距离避雷针r =10米处的磁场强度为：
)
(1087804.4)/(104.487802.2439010210
243902210423777max 0GS m wb r I B ----?=?=??=??=?=πππμ
距离避雷针r =10米处的雷电脉冲磁场强度衰减比为：
99.7%
0.00271120
0.542111010=-=-=-
=场强度
米处防直击雷避雷针磁标准雷电电流场强度米处防感应雷避雷针磁标准雷电电流B B S
用分贝表示衰减比：
)
(67.25)00271.0(log 10)
00271.0(log 10)20
542
.0(log 101010101010db B B S -=?=?=?==
米处雷电脉冲磁场强度
电电流距离防感应雷避雷针标准雷磁场强度米处标准电流雷电脉冲福克兰林避雷针距离雷电脉冲磁场衰减
6.防感应雷的应用范围
随着信息时代的发展，计算机信息系统网络技术被广泛的利用到社会各个领域。各种高科技技术的发展的需要，越来越多的无人探测、监测设备，监控、检测设备应用到各个领域。这些设备都设置在野外露天地方，如：移动电话基站、通信基站，无人气象站、水利、水文观测站，110安全监控站、环保测试站等，都是在LPZ0A 、B 防雷区环境下工作，极容易受到感应雷击的影响。
为解决以上问题我们研究开发了防感应避雷针。以减缓雷电脉冲磁场，减少感应雷击灾害。设计中我们重点考虑了一下重点：
1、外型上美观大方，凸显高科技理念；
2、尺寸适度，适应小微型检测测试场站安装；
3、材质上选择优质不锈钢材；
4、技术指标，充分考虑地方气象气候雷电分布特点特征，科学合理设计；
5、使用安装方便。