半导体材料在限流接闪装置中的应用

刘育彰

摘要：限流接闪是基于传统接闪杆基础上，应用于不同类型防雷限流接闪场景下的装置。通过合理设计和布置，能够依托其所具有的“中和”、“屏蔽”及“限流”功能，使保护对象免收雷击的直接侵害，有效提升保护对象运行安全水平。本文在简要分析传统接闪器防护原理及运行不足基础上，对半导体材料限流接闪装置进行分类说明，明确其使用特征，通过对半导体材料涂料和橡胶特性进行分析，说明其在实际应用中的优势，以更好的拓展装置应用场景。

关键词：半导体材料；限流接闪装置；雷电防护

在现代工程建设中，所使用的材料类型朝向多元化方向发展，对雷电防护要求不断提升。传统的限流接闪装置，在实际应用中存在不足，尤其是微电子设备的雷电事故发生更加频繁。由于半导体材料所具有的特性，使得其在应用于限流接闪装置设计时，能够起到更好的防雷效果。本文通过这方面技术分析，为相关工程建设提供参考。

1、传统接闪器的防护原理及运行不足

传统接闪器又被称为是富兰克林接闪器，或者是由此延伸出来的接闪设备。在高层建筑等工程类型中，通过雷云电场的畸变，能够吸收雷电并将其安全导入大地中，进而起到良好的防护效果。但是在微电子技术不断发展的背景下，工程建筑及其应用场景中，存在的大量的高集成电路设备，对于雷电的抗干扰性能要求也不断提升。在这种情形下，传统的接闪器设备在接收电击时，必然会对微电子设备运行产生干扰^[1]。在设备设计不当或电击现象较为严重的情形下，不仅会造成微电子设备损坏，甚至还会出现反击事故。同时，在接闪器运行时，还会产生几百伏甚至上千伏的雷击电磁场，使得微电子设备由于雷电感应现象而出现不同程度的损坏。虽然在目前技术应用和相关规范标准中，对这方面提出了明确的处理方法和要求的，但是只能够起到局部防护效果，无法从源头上解决问题。针对传统接闪器运行中存在的不足，不同学者开展多方面的实验，通过半导体材料的合理使用，取得了较好的应用效果。

2、限流接闪装置半导体材料的分类和使用特征

2.1 限流接闪装置半导体材料的分类

由于半导体材料所具有的特殊性能，使得相关研究者开始重视其在限流接闪装置中的应用。在限流接闪装置运行时，半导体材料的使用，能够将部分雷电能量转化为热能等其他形式吸收或排出，能够有效降低电击和雷电感应对防护对象及微电子设备造成的影响^[2]。半导体材料的作用原理，要求其在应用于限流接闪装置设计时，不仅要具有良好的电气性能，在通留能力方面也要达到较高要求。因此目前能够达到应用要求的材料主要有半导体涂料和半导体橡胶两种类型。通过材料配方和工艺改进，才能够达到较好的应用效果。

2.2 限流接闪装置半导体材料的使用特征

将半导体材料应用于限流接闪装置，根据设计方案的不同，又可以分为单针型和组合型两种方案。单针型限流接闪装置使用的是经高温老化处理后的橡胶半导体材料，在实现大范围的电阻调节后，单针通流能力可以达到100-200kA以上，达到较为良好的“限流”功能。单针型限流接闪装置多是应用于对防护对象外观有要求的构筑物场景。组合型限流接闪装置，除具有单针型所具有的限流作用之外，还具有较好的中和功能。根据实际应用要求，设置不同的针数，实现不同的自动并联功能。组合型限流接闪装置所使用材料为半导体涂料，单针耐雷水平为8KA，具有重量轻、应用范围广等方面特征^[3]。这两种工艺模式，在通流能力和应用环境要求方面具有较为明显的差异，因此在实际应用中，应当根据构筑物的实际要求，选择合适的方案，以此才能够达到良好的防雷效果。

3、限流接闪装置半导体材料的特性

3.1 限流接闪装置半导体橡胶的特性

用于限流接闪装置的半导体橡胶在结构和性能方面与普通橡胶有着明显差异，其特性主要体现在如下方面：一是主链由硅氧原子构成，没有双键结构，键能高。二是具有较好的耐高低温性能，在高温150-200 ℃、低温-60 ℃环境下，能够保持长期稳定工作状态。三是具有较好的耐电晕和电弧性能^[4]。四是具有较好的耐臭氧性能，能够适应较为复杂的运行环境要求。将半导体橡胶材料涂抹于单针型接闪装置的内层玻璃棒或玻璃管的外部，能够有效提升装置的通流能力，在遇到外部条件影响后，能够具有较为明显的自恢复能力，无需人工维护，因此其已经广泛应用于多种场景下的限流接闪装置设计中。

3.2 限流接闪装置半导体涂料的特性

将半导体涂料应用于限流接闪装置中，是利用自动喷涂技术，将其喷涂于玻璃钢材料上，在烘烤作用下完成固化。较为常用的半导体涂料类型包括电炭黑和树脂等。其运行机理是通过涂料与玻璃钢材料等在接触后形成良好的导通和隧道效应。因此在生产工艺设计中，需要对导电颗粒的种类、分布和形态进行优化，以达到更好的导电效果。在相关工艺水平不断成熟背景下，半导体涂层应用性能在各个方面都取得较好的成果。一是在半导体涂层外增加绝缘保护层，能够提升装置沿面闪络的电压和耐候性；二是通过对涂料配方的改进，能够有效提升半导体电阻的热容量，提升应用性能、拓展应用范围。三是半导体涂层的温度稳定性已经达到较高水平，能够满足多种场景应用的实际要求

^[5]。但是半导体涂层厚度多是在微米级别，由此使得其热容量在整体上还受到较大限制，在雷击较为频繁或者强度大的区域，无法满足实际应用的要求，因此只能够应用于组合型限流接闪装置结构中。

4、限流接闪装置的应用场景

在目前限流接闪装置应用场景不断复杂化的背景下，单针型和组合型装置具有各自不同的应用范围。单针型装置多是应用在高层建筑、铁路、高速公路及通讯信号塔等场景中，而组合型装置则是应用于电网、物理研究机构、炼油厂等防雷要求较高的场景中。综合而言，将半导体材料应用于限流接闪装置生产工艺中，能够有效提升装置自身防雷性能，满足沿海、高山及高寒地区等特殊的环境要求中，为不同行业设施安全防护起到良好的保障作用。

5、结束语

从理论分析和实践应用两个方面分析，半导体涂料和半导体橡胶在应用于限流接闪装置时，都能够达到较好的雷电防护性能要求，能够满足多种复杂场景的应用要求，具有良好应用效果。但是就目前发展情况而言，这方面的理论研究还较为浅显，对半导体材料应用中需要控制的要点，相关方面的参数设计等研究没有能够细化。在未来应用过程中，不断加强这方面的理论研究，对于半导体材料在限流接闪装置应用效果提升才能够起到更好的指导作用。

参考文献

[1]吴求兵,罗家明,王姣,刘旭.半导体材料在限流接闪装置中的应用[J].建筑电气,2019,38(06):26-28.

[2]中国中元国际工程公司. GB 50057 - 2010 建筑物防雷设计规范［S］. 北京：中国计划出版社，2011.

[3]黄锐.多针雷电接闪装置的屏蔽效应分析[J].广西电力,2007(01):43-45.

[4]中国建筑学会电气分会.电磁兼容与防雷接地［M］.北京：中国建筑出版社，2009.

[5]刘旭,姜克强.限流接闪器在高层建筑中的应用[J].建筑电气,2017,36(03):18-21.