避雷针及保护范围

1、再析避雷针的保护范围中国科学院电工研究所  马宏达   摘要  本文讨论了避雷针的感应静电场控制原理，说明了避雷针应用的环境性，提出了对避雷针（接闪器）的选择和设计的几点建议。关键词  避雷针  接闪器  建筑物防雷         笔者在“避雷针保护范围的理论与实验”1一文中介绍了避雷针保护范围的主要历史资料，本文重要从物理学的角度，也就是从感应静电场控制的角度讨论这个问题。可供防雷工作者参考，如有谬误之处欢迎同行和读者批评指正。  1  避雷

2、针是引雷针1.1为避雷针正名避雷针实际上是引雷针，它的保护作用是拦截闪电打在自己身上，从而使建筑物避免遭受直接雷击，它把雷电的能量沿着引下线安全地导入地中；它不能阻止雷电的行进，也不能消除雷电。现在只有中国和日本仍然使用“避雷针”这个名词；英国和美国都把它称为“导电针”；俄国称它为“接闪器”等等。由于我们祖先用的是象形文字系统，望文生义是我们的习惯，为了避免误解“避雷针”的保护原理，有人提出“要为避雷针正名”的建议。在防雷学科本科的教科书高电压工程学中，接受直接雷击的防雷装置称为接闪器，避雷针是接闪器的一种，是棒形的；接闪器的形式还包括：避雷带、避雷网和法拉第笼（金属箱体和罐体）等。2.2击选

3、择性原理接闪器是按照雷击选择性原理设计的。雷电先导放电的路径服从于统计规律，在所有可能放电的方向中，最主要的方向决定于最大电场强度。雷雨云中的电荷积集到一定密度，首先从云中某处产生空气的电离而形成下行先导流注，高空先导流注放电的方向是随机的，不受地面物体的影响。雷雨云下面的地面和地物受雷云电荷的静电感应，产生出与雷电异号的电荷，并使各地物表面的电场强度增强。当下行先导流注发展到某种高度，即所谓雷电定位高度H1处时，大气电场开始被地物感应电场所歪曲，雷电先导向歪曲后的最大电场强度方向发展。当下行先导流注行进到雷击高度H2后，某一个或几个地物表面电场强度达到了击穿空气的数值，该地物就会产生迎面先导

4、流注，它向上发展与下行先导流注汇合，然后就产生强烈的主放电，该地物就遭到了雷击。正如文2所指出的，在这一过程中，地物表面的电场强度表征了该地物某处遭受雷击危险性的大小。文2给出了几种典型建筑物的形式及其表面电场强度的分布计算图，它表明建筑物边缘的棱角处电场强度比平面处电场强度大了2-3个数量级，所以那些棱角处的雷击危险性最高，这就是截击闪电的物理根据。在1958-1960年我们进行了多种民用房屋的雷击模拟实验，最初提出“民用建筑简化防雷方式研究”的报告3、4，后来，为了与避雷针保护规范区别，改名为“建筑物防雷重点保护方式”5。这些报告与王时煦先生发现的北京市建筑物雷击部位统计规律一致，这些规律

5、已经写入GB50057-94建筑物防雷设计规范附录二中，见图1。图1  建筑物易受雷击的部位注：平屋顶或坡度不大于1/10的屋面雷击多发生在檐角，女儿墙和屋檐处，（a）和（b）；屋面坡度大于1/10但小于1/2者雷击多发生在屋角，屋脊，檐角和屋檐处，（c）；屋面坡度不小于1/2的，雷击多发生在屋角，屋脊和檐角处，（d）；对图1（c）和（d），在屋脊有避雷带的情况下，当屋檐处于屋脊避雷带的保护范围内时屋檐上可不设避雷带。上述避雷带设计的建议在防雷工程中应用，经过四十余年的运行经验证明防雷效果明显可靠。现在文2的分析又给了我们理论上的充分根据。1.3控制论在电场理论中的应用在房屋屋顶的周

6、边处敷设避雷带和避雷网的做法是由麦克斯韦（Maxwell）于1856年提出的，在德国的防雷规范中早有规定，在我国倡议推广的是王时煦先生。从现代系统工程论的哲学思想来说这是感应静电场控制在防雷技术中的应用。避雷针防雷应用的也是感应静电场控制的原理，它是在房屋的附近或顶部树立避雷针，在雷雨时避雷针的上端形成超强感应静电电场，从而掩盖了屋顶的感应静电电场，使闪电向避雷针发展和放电，不再对屋顶放电。我国确定避雷针保护范围的方法有两种：一种是折线法，用于电力系统的防雷；一种是滚球法，用于建筑物防雷。这两种避雷针保护范围的设计方法各有其使用条件，它们都是工程设计规定，都是科学的；问题是设计人员要掌握它们的

7、使用条件。  2  球法是几何模拟法2.1避雷针保护范围的滚球法古已有之避雷针保护范围的滚球法，又称击距法，是1938年由施瓦格首先提出的，他的理论基于以下假设：“避雷针和避雷线的保护范围相同，都是按照它们与雷电先导之间的距离判定的，即在所有电压形式（交流、直流和脉冲波形），所有火花放电间隙形状下，其放电电压与击穿距离都是线性的关系；电极形状对击穿电压没有影响，都可按照双针间隙的放电规律估算，这些规律是从小到大线性地增长的”。学过高电压工程学的人都知道，施瓦格的假设是片面的，不充分的，不能绝对地看待它。两个间隙之间的放电电压主要决定于他们之间的距离；但是还与间隙的形状、电压

8、形式。以及距离的大小等都有关系，要区别不同情况分别对待6。尤其是长间隙放电与短间隙放电的规律不同，放电电压和间隙之间的距离不是线性关系，雷电放电是长间隙放电，时有异常放电现象发生。雷电现象的规律不是函数相关；而是统计相关。雷电流幅值与雷击距离也是统计相关，不是函数相关。所以避雷针的保护范围的各种计算方法都不是函数相关，而是统计相关。对于防雷设计人员来说，这是什么意思呢？就是设计人员不能绝对地看待避雷针保护范围的计算公式，在处理统计相关的现象时，设计人员不仅要知道计算方法，还必须对这种高电压现象有比较全面地了解，即对其物理概念要清楚，要有高电压工程学的基础，下面笔者将举例说明。  表1

9、  滚球法与折线法比较简表比较项目 滚球法（几何模拟法） 折线法（放电模拟法） 理论依据 以放电距离为准（击距法）。 以实验室放电模拟为准，兼顾运行统计结果。 雷电先导高度 以击穿高度为准H2，H2 = 20m，30m，45m，60m。 以定位高度为准H1， H1 = 300m，450m。 保护范围比较 较严格，此理论有片面性。 运行统计结果安全可靠。 多针保护范围公式 不符合实际，工程上难于应用。 工程安全可靠性已经达标。 存在问题 其避雷线的保护范围和保护率的估算值与实际运行经验数据差别很大。 有双针中部保护宽度超过避雷针底部保护宽度的情况。 表1说明滚球法与折线法都有科学理论依

10、据，但是又都有不符合实际的问题。我们的首要目标是解决现实的防雷工程设计的问题，理论完善还要进行大量的研究与实验工作。2.2滚球法的正确应用在于滚当年林维勇先生选用滚球法为建筑物避雷针保护范围时我们并没有提出异议。因为现代建筑物多数是钢筋混凝土结构的，它们本身具有一定的抗雷击的能力，如果在其顶部敷设避雷带或避雷网，选用滚球法设计其防雷装置就更合理。没有必要统一按折线法计算。笔者在文1曾介绍过避雷针的引雷空域和保护范围，见图2。图2  避雷针的引雷空域和保护范围图2表明在避雷针的上部有一段KL部分处于引雷空域之中，这部分空间中都可能遭受雷击，不论针、线在此空间中都没有保护效果。莫斯科市5

11、37m高的电视塔的200m和300m处曾遭受到雷击；北京市故宫神武门（后门）城楼房角（兽头）避雷针的多处留有雷击的斑痕，这些事例证明这一理论是客观存在的。大楼的顶部也有这样的引雷空域，在此引雷空域中只能用击距法（滚球法）判定雷击点和屋顶避雷针的保护范围。中国防雷杂志曾刊登了一张宝贵的雷击照片，见图3。图3  大楼顶部的雷击照片此照片说明在高层建筑物的顶部发生雷电侧击和对顶部突出物的多点闪击的情况，这样的大楼的顶部棱角处装有接闪器可以直接接受闪电，所以我们可以用滚球法做防雷设计。避雷针不是避雷，而是引雷；滚球半径不是保护范围，而是拦截距离；避雷针的上部是引雷空域，下部才是保护范围；在引

12、雷空域内没有保护范围，而有拦截距离；在保护范围以内没有拦截距离。严格地说，滚球法中的滚球半径没有保护范围的意思，而是避雷带和避雷网的最小截击距离。请注意，避雷带和避雷网在强雷击时截击闪电的能力有余；而对弱雷击的截击能力可能不足，容易发生遗漏弱雷击到建筑物的情况。所以有20m、30m、45m和60m相对应的不同“保护几率”的标准。我们在文1中已经分析过，在避雷针的上部空间是它的引雷空域，不是保护范围，避雷针的保护范围在它的下部空间中。在楼顶的空间中没有保护范围，有的是雷击危险距离，即所谓的“滚球半径”。为了工程技术人员便于掌握，我们仍用“滚球法保护范围”的提法，不想这又造成概念上的混乱。2.3G

13、B 50057-94建筑物防雷设计规范中的多针计算公式不符合实际，应该删除IEC防雷规范中没有规定多支避雷针保护范围的公式，只规定了滚球的方法，我们认为是有道理的。因为第一类建筑物的结构不允许直接接受闪电者不能用滚球法。滚球法多针保护范围公式的有关规定是我国建筑物防雷设计规范的创造，它是由几何模拟法和叠加法联合推导出的结果，它没有考虑多针相互屏蔽的效果，它估算保护率的统计方法不对，它不是物理意义上的模拟，即它不符合自然界的实际情况。折线法保护范围是根据以雷电定位高度H1为基准进行雷击模拟实验的结果制定的，折线法得出的多针保护范围比较滚球法的宽松许多。电力系统运用折线法多针保护范围设计的防雷工程

14、运行安全程度已经达到要求。根据我国电力系统运行的统计4272所变电站的避雷针（线）运行的事故率低于0.1%7，说明折线法的避雷针保护范围规定是可以接受的，它一直沿用至今，没有必要改变，否则将造成混乱和浪费。相比之下滚球法的多针保护范围不符合实际，以至规范不得不规定第条把独立避雷针和架空避雷线保护范围的滚球半径hr放大到100m。这种随意放大滚球半径的做法与雷电风险分析的原则相悖，是不合逻辑的。如果我们教条式地按照滚球法的多针保护范围公式去设计，必然要增加避雷针的高度，其结果是增加避雷针的引雷能力。高架避雷针的运行经验表明，它将招致雷击率增加。滚球法避雷针保护范围不应该用在不允许直接接受闪电的第

15、一类建筑物结构上。这种情况下应该用折线法估算避雷针的保护范围。我们研究避雷针保护范围的目的是为了解决现实的防雷工程，要考虑防雷技术方案的技术经济合理性，在安全可靠性达到要求的情况下，还要有经济性和可实现性的观点，所以我们认为规范中多支避雷针保护范围的计算公式应该删除，保留其他滚球法的有关规定，即仍然按IEC防雷规范的原文条款去做。  3  避雷针应用的环境性3.1避雷针适合用于平原地区矮小建筑物的防雷经验表明，在开阔的平原地区矮小建筑物（群）采用避雷针防雷是技术经济合理的，变电站的防雷如此，火工品的厂房和储备库如此，危险品仓库也是如此。这些建筑群的多支避雷针高出建筑物有几米

16、或十几米，建筑物的高度都低于避雷针的引雷空域，所以人们无须担心其防雷安全性。这些避雷针应该用折线法判定其保护范围。3.2山区建筑物不宜用避雷针防雷在雷雨云低于山头的坡地上往往产生侧向雷击，此处的建筑物应该用避雷带和避雷网防雷，譬如安徽黄山气象台，那里的雷击多发生在屋顶上的金属护栏处，屋顶上保护气象测量设备的避雷针却很少截击闪电。像这样的地理情况，建筑物的防雷就不宜采用避雷针防雷。3.3高层建筑物不宜用避雷针防雷高架避雷针的保护效果比较低高度避雷针的保护效果差。避雷针的上部有一段可能自身遭受侧向雷击的空间，称为对针杆的侧击区。有人说：“避雷针高度在120m以上时，其折线法的保护范围是无效的”，我

17、们说：“对！按规范避雷针高度在60m以上时，其滚球法的保护范围就已经是无效的了”。高架避雷针的引雷能力强，当侧方袭击来的下行雷电先导被避雷针引近而未能在针端接闪时，会出现闪电击中避雷针附近地面的情况，使得高架避雷针附近的地面落雷密度较该处平均落雷密度大，该地面称为雷电散击区。莫斯科市有一座537m高的电视塔，在离塔水平距离150m的地面曾遭受到雷击，在其周围1.5km内的地面落雷率比莫斯科市平均落雷率高2.5- 4倍，这种高架电视塔（避雷针）使其附近地区的房屋增大了雷击的危险程度。所以，我们不推荐在城乡的建筑物中架设避雷针保护，这些建筑物应该尽量采用避雷带和避雷网防雷，只有天线和局部突出物用短针防雷。ESE避雷针的宣传资料称它能够扩大雷击距离，这一说法没有被国际防雷学术界认可，它所谓“提前接闪”的性能是否有利于建筑物防雷，即是否引来更多的雷电，是否增加雷击的频度，这些都是不明确的问题。钢筋混凝土建筑物的钢筋网就是避雷网，设计师预防地震的危险对其内部主筋结构提出焊接要求，使它具有良好的防雷性能。雷击时为了不损坏建筑物屋面，人们要求在屋面棱角处敷设明装避雷带和避雷网，这种建筑物上无须安装避雷针。高层建筑物无须安装避雷针（不宜安装