上饶SMA05-C2浪涌保护器

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专家顾问:

张华明《文物建筑防雷技术规范》起草者之一、山西省气象灾害防御技术中心高级工程师

李京校主持古建筑雷击破坏机理方面的北京市自然基金课题两项、北京市气象灾害防御中心高级工程师

张仲500米口径球面射电望远镜(FAST)防雷系统总设计师、北京万云科技开发有限公司高级工程师

不久前,有800多年历史的法国巴黎圣母院突发大火,事件刷屏,伴随而来的“故宫的消防措施”也上了热搜,文物建筑保护越来越受到人们的关注。

文物建筑,是历史流传下来的“财富”,有的历经百年甚至千年风雨洗礼,承灾能力脆弱,火灾、雷击、地震、洪水等灾害时刻威胁着它们的安全。而雷击灾害对于文物建筑的损害尤甚。

文物建筑为何易遭雷击?雷击对文物建筑有哪些影响?如何做好文物建筑防雷?本期科普看台聚焦文物建筑防雷,探寻诸多问题的答案。

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通常称为”系统阻抗”,峰值放电电流:分两种:额定放电电流Isn和放电电流Imax,漏电流:指在75或80标称电压Un下流经保护器的直流电流1.开关型:其工作原理是当没有瞬时过电压时呈现为高阻抗,但一旦响应雷电瞬时过电压时。其阻抗就突变为低值,允许雷电流通过,用作此类装置时器件有:放电间隙,气体放电管,闸流晶体,2.限压型:其工作原理是当没有瞬时过电压时为高阻扰,但随电涌电流和电压的增加其阻抗会不断减小,其电流电压特性为强烈非线性。用作此类装置的器件有:氧化锌,压敏电阻,二极管,雪崩二极管等,3.分流型或扼流型分流型:与被保护的设备并联,对雷电脉冲呈现为低阻抗,而对正常工作频率呈现为高阻抗,扼流型:与被保护的设备串。3)放电电流Imax(极限冲击通流容量)的选择流过SPD,8/20μs电流波的峰值电流,用于II级分类试验,Imax与In有许多相同点,他们都是用8/20μs电流波的峰值电流对SPD做II级分类试验,不同之处也很明显。

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文物建筑为何易遭雷击?

在建筑史上,我国的文物建筑独树一帜。林徽因曾提到,文物建筑的特征是由木料做成,其特点是抗震,源于其韧性。木材本身的韧性,能抗拒突然力量的冲击,这与“用石头”写成的西方建筑史大为不同。在面对雷电灾害时,西方石制建筑不易被雷击,雷打掉了石头的边角,损坏是物理性的,但木制的文物建筑遭受的不仅仅是物理损坏,还很有可能引发火灾。

张华明说,我国文物建筑的雷击规律与现代建筑有所不同。从防雷角度看,文物建筑的以下特点使其更容易遭受雷击。

穴虽在山,祸福在水

时常遭到雷击的文物建筑,其地理位置分布有着很强的规律性。风水理论是古人对建筑物选址的重要依据,而风水理论的理想环境主要是由山和水构成,其中尤以水为生气之源。《水龙经》中说:穴虽在山,祸福在水。因此,现存的文物建筑大多建在地势较高的山上或建在土壤电阻率有突变的山脚边,大部分文物建筑周围还有河、湖、池塘、泉水等,这些因素使得文物建筑容易受到雷电侵袭,并且容易多次落雷。

“发生雷灾的文物建筑80%位于易遭雷击的地方,可以说,现存文物建筑大多位于易受雷击侵扰的地方,防雷现状不容乐观。”张华明说。

案例

故宫内的建筑物落雷较多,原因在于紫禁城周围是护城河,并且护城河有水,由此可以得出故宫地下的土壤电阻率相对较低,而且院内又有高大的古树,因此故宫成为易受雷电侵扰的地方。

建筑结构增加雷击概率

从文物建筑的结构看,具有以下易遭雷击的结构特点:为了体现建筑的雄伟、挺拔,文物建筑大多建有高耸的屋脊,多以坡顶为主,且坡度较大,建筑顶部的屋脊、挑檐、走兽,左右吻兽及宝顶等都是建筑物上部的尖端,从雷击规律看,这些都是易于被雷击的部位。尽管文物建筑主体多以砖木结构为主,但部分建筑顶部也有不少装饰物采用金属材质;多数文物建筑大殿正脊中部埋设有金属宝盒,有的建筑物屋顶内部还有锡背、铜质宝顶,有的建筑物屋面有金属链条。

张华明说:“这些金属物大部分没有任何接地处理,而且通常都安置在建筑物顶端,大大增加了文物建筑遭受雷击的概率。”

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从保护观点来看,显然α值越小越好,α值越小,说明流经压敏电阻的电流变化很大,而端电压变化很小,也就是说,增加的电流部分,几乎全部都被非线性电,正常时,避雷器的间隙保持绝缘状态,不影响系统正常运行;雷击时。有高压冲击波沿线路袭来,避雷器击穿而接地,从而强行截断冲击波,雷电流通过以后,避雷器间隙又恢复绝缘状态,保证系统正常运行,它是以ZnO为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻,当作用在其两端的电压达到一定数值后。电阻对电压十分敏感,压敏电阻的特点是非线性特性好(I=CUα中的非线性系数α),通流容量大(-2KA/cm2),常态泄漏电流小(10-7-10-6A),残压低(取决于压敏电阻的工作电压和通流容量。就可在很大程度上起到全防护作用,浪涌保护器的安装位置被选定后,就要选择浪涌保护器的级别了,所有的浪涌保护器根据它们能导入地下的能量来划分不同的级别,越低级别的浪涌保护器的导通需要越高的箝位,这就导致了被保护设备上压力的增加。

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案例

1984年6月2日,故宫承乾宫被雷击,没有击在两侧较高的吻兽上,而是击中屋脊的宝盒。在这薄铁制的宝盒中,有用木刻版印制的文字“九天应无雷声普化天尊玉枢宝经”,并装有金、银、铜、铁、锡等五种同样大小的五个小元宝,另有24个直径27毫米的带孔金大钱,其上写着“天下太平”。这就是古代迷信“避邪”的“防雷措施”。但事实上宝盒是金属体,反而是雷电容易击到的部位。

“距”,一棵树

“文物建筑和雷击间的距离,可能只是一些花草树木的距离。”张华明说,树木引雷,不容忽视。经过数百年乃至近千年的生长,文物建筑附近的树木非常高大,有些甚至高出文物建筑数米。“树体本身具有导电性能,这些高大的古树容易成为雷电落脚点,是易受直击雷侵袭,增大了文物建筑遭受雷击的概率;而雷击树木产生的强大电磁感应也会使文物建筑内部或外部的线路产生过电压、过电流,容易造成火灾事故。”

案例

1957年7月,北京中山公园内一棵大树落雷,雷电流感应至附近的配电线路,传到公园内的音乐堂,导致配电室、舞台和观众厅顶棚烧毁。

2005年4月29日,苏州紫金庵内的一棵银杏树冠突遭雷击,随即感应电流击穿紫金庵房内的配电箱,造成电线短路起火。

文物建筑内部环境变化

当下,随着旅游产业发展,文物建筑保护也受到关注,越来越多的文物建筑周围安装了电源、通信、安防系统等设施。

“这大大增加了雷电入侵的通道,还有一些重建或修复的文物建筑内部结构已发生变化,增加了不少现代元素,比如修复的大梁,为了结实,在内部嵌入钢板之类的金属物。”张华明说。

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防止雷击损坏设备绝缘而造成停电,20世纪20年代,出现了铝浪涌保护器,氧化膜浪涌保护器和丸式浪涌保护器,30年代出现了管式浪涌保护器,50年代出现了碳化硅防雷器,70年代又出现了金属氧化物浪涌保护器。现代高压浪涌保护器,不仅用于限制电力系统中因雷电引起的过电压,也用于限制因系统操作产生的过电压,浪涌也叫突波,顾名思义就是超出正常工作电压的过电压,本质上讲,浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。可能引起浪涌的原因有:重型设备,短路,电源切换或大型发动机,而含有浪涌阻绝装置的产品可以有效地吸收突发的能量,以保护连接设备免于受损,浪涌保护器,也叫防雷器,是一种为各种电子设备,仪器仪。现代高压浪涌保护器,不仅用于限制电力系统中因雷电引起的过电压,也用于限制因系统操作产生的过电压,浪涌也叫突波,顾名思义就是超出正常工作电压的过电压,本质上讲,浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。

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案例

2002年9月7日晚,山西省应县木塔遭受雷击,有目击者称木塔塔顶出现火光。9月15日,工作人员在木塔顶层清扫时,发现木塔五层东北角辅柱被雷击。山西省气象灾害防御技术中心技术人员勘查现场后分析认为,塔内加装某些仪器,改变了古塔原有对大地绝缘的物理状态是此次灾害原因。

2008年10月4日下午,山西省榆次老城遭雷击,雷电击中元代古建筑物显佑殿,屋脊顶上西侧吻兽被击毁,琉璃瓦屋面被击崩(碎),西侧木质顶柱(梁)也被击裂。景区内消防控制、110报警弱电设备以及多台电脑、电视机等因雷电高压引入被击毁。

年久失修,进水潮湿

我国的文物建筑支撑结构多为粗大木料,内外装饰都采用大量木材。经过长年累月的风雨侵蚀,不少建筑原有的绝缘性能被破坏,当雷雨来临时,有可能局部漏雨使部分木材潮湿,增加了雷击概率;还有部分木材内部材质疏松,含水量低,极易燃烧。此类建筑一旦遭受雷击,易引起木质构件起火。

案例

2004年5月11日凌晨,稷山县大佛寺遭受雷灾,引发大火,大佛寺两层的佛阁和大量珍贵木刻、砖雕艺术品被大火烧毁,只剩下三面残墙。通过对雷击现场勘测发现,大殿立柱内部有腐败迹象,在雷击前,大殿内有漏雨记录,漏雨使得木材具有导电性,而另一部分木材内部材质疏松,含水量低,易燃烧,因此,在雷电流泄放过程中引发火灾。

如何做好文物建筑防雷分类?

张华明认为,雷电灾害是造成文物建筑受损的主要自然灾害之一,做好防雷分类,对文物建筑因地制宜采取保护措施,具有重要指导意义。

“不少学者按照文物建筑的文物保护级别划分防雷等级,这种分类方式仅仅是从承灾体脆弱性考虑,灾害的发生是由致灾环境的危险性和承灾体的脆弱性决定的,事实上,文物建筑遭受雷击是多方面因素综合作用的结果。因此,文物建筑的雷电防护等级应按照致灾环境的危险性和承灾体的脆弱性划分。”张华明说,通过对文物建筑雷电灾害规律分析,可以将文物建筑的重要性、雷击密度、所处环境、服务设施、文物建筑高度、周围树木、自身结构、雷击史等作为文物建筑防雷分类评估指标,采用层次分析法(AHP)确定指标权重,根据文物建筑保护等级、遭受雷击规律、雷电活动情况以及现行标准等对评估指标进行分类、评价,建立文物建筑防雷分类评估模型。

谈及其中几个指标的选取依据,张华明解释说,文物建筑作为雷电灾害的承灾体,具有一定的脆弱性,一旦发生雷灾,文物建筑的历史、艺术和科学价值的损失是不可逆的,因此,将文物建筑的重要性作为首要评估指标。而雷击密度是直接反映孕灾环境的评估指标,雷击密度大的地区,说明区域孕灾环境复杂、致灾因子活跃,承灾体的易损性大。对于有雷击史的文物建筑,发生雷击的地方容易再次遭受雷击,也是分类评估的重点。

值得一提的是,文物建筑的吻兽等突出部位的雷击事故占雷击事故总数的30%,但大部分文物建筑都有这样的结构,因此无法进行分类,没有被纳入评估指标。

“确定评估指标后,按照文物建筑防雷分类方法判断权重分布,可以对文物建筑的雷电防护进行分级。”张华明说,对各个指标进行分级、评价后,可得到极重要、中等重要、重要等三个等级,并对三个等级分别给出相应的指数3、2、1。

“我们根据文物建筑的防雷分类分值,将雷电防护等级划分为一级、二级、三级,当防雷分类分值≥2时,可按一类防雷等级进行防雷保护;当分值介于1和2之间时,可按二类防雷等级进行防护;当分值≤1时,则按三类防雷等级进行防护。”张华明解释说。

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