各種避雷針的結(jié)構(gòu)及其防雷性能(一)

各種避雷針的結(jié)構(gòu)及其防雷性能(一)十幾年來我國防雷學(xué)者一直在進行"消雷器"、"排雷器"和"限流避雷針"的研究和討論，促進了我國防雷事業(yè)的發(fā)展和進步。其中關(guān)于用辯證唯物論的思想分析避雷針的防雷性能，如今有了較為充實的實驗和理論基礎(chǔ)。綜合國內(nèi)外防雷專家的研究成果，筆者試圖提出一個初步概論，與同行商榷，如有錯誤和不當(dāng)之處歡迎大家批評指正。

1避雷針的引雷性能

避雷針的防雷作用是它能把閃電從保護物上方引向自己并安全地通過自己泄入大地，因此，其引雷性能和泄流性能是至關(guān)重要的。避雷針的引雷性能已有實驗和理論分析如下：

一個豎立在平地的避雷針其引雷空域如圖1所示［1］。其中簡化包絡(luò)線是一條拋物線，此線即為在正、負雷雨云下該避雷針的50％擊針擊地平均分界線。圖中小圈為空中各點實驗放電統(tǒng)計數(shù)據(jù)，表示模擬實驗下行先導(dǎo)的針尖位置，黑圈表示百分之百擊針，白圈表示百分之百擊地，黑白各半表示50％擊針及擊地。

雷擊避雷針和地的放電強度與雷電極的極性有關(guān)：當(dāng)雷的極性為正時，雷對避雷針的放電強度高于雷對地；當(dāng)雷的極性為負時，雷對避雷針的放電強度略低于雷對地。所以在同樣電壓下雷電極對針的放電距離R與雷電極對地的放電距離H是不同的。根據(jù)長間隙放電的實驗數(shù)據(jù)大致有：

雷電極為負、地為正時，k＝R／H＝1．1；

雷電極為正、地為負時，k＝R／H＝0．8～0．9，

圖2為雷擊針地分界面的理論分析圖，據(jù)此可以求出雷擊避雷針和地的理論分界線。

圖中L為避雷針尖，其高度為h，P為雷電極頭部，其對地高度為H，E為雷電極正下方的投影點，L、P之間的距離為R。當(dāng)P點維持k等于某一常數(shù)在圖面上運動時，其運動軌跡就是雷擊避雷針和地的理論分界線。分界線以y軸為中心旋轉(zhuǎn)就是立體的分界面。分界面內(nèi)為雷擊避雷針的空域，分界面以外為雷擊大地的空域，分界面附近引下的雷擊地面為散擊區(qū)。

分界線有3種：k＝0．9情況下其分界線為一橢圓；k＝1．1情況下其分界線為一雙曲線；k＝1情況下其分界線為一拋物線，后者為一般分析避雷針接閃性能的理論基礎(chǔ)，它是正負雷擊情況的平均數(shù)。圖2的分析結(jié)果與圖1的實驗結(jié)果是相一致的。

結(jié)合避雷針的引雷空域再分析避雷針的保護范圍問題，取k＝1的情況可得避雷針的保護作用，見圖3。

圖3中O1L為避雷針，K為其高度的中點；MO2為被保護物，N為其高度的中點。假設(shè)雷擊距離為hr，雷電先導(dǎo)端頭位于P，PK（實線）為避雷針的引雷分界線，PN（虛線）為被保護物的引雷分界線，它的上部空域都在避雷針的引雷分界線以內(nèi)。因此，距地面高度大于hr的雷擊將被引向避雷針，被保護物MO2將免于雷擊，這種現(xiàn)象稱為截擊效應(yīng)；但當(dāng)雷電先導(dǎo)從低于hr的右側(cè)襲來時，避雷針將起不到保護作用，這稱為對被保護物的側(cè)擊。所以以P點為圓心，以hr為半徑作圓，此圓從避雷針頂點L經(jīng)M地面O3點，它以下的部分就是雷擊距離為hr時避雷針的保護范圍。這一分析結(jié)果與按電氣幾何理論（EGM）滾球法推出的結(jié)果是一致的。

EGM理論認為，雷電先導(dǎo)首先進入哪一物體的雷擊距離就對那一物體放電，雷擊距離是雷電流的函數(shù)［2］：

hr＝10I0．65（1）

式中hr為雷擊距離，m；I為雷電流幅值，kA。

美國R．H．Lee建議以10kA作為一般建筑物的臨界電流Ic，小于這個雷電流幅值時不會造成雷擊事故，其對應(yīng)的臨界雷擊半徑hrc為45m。這一觀點把被保護物的耐雷水平與避雷針的保護率聯(lián)系起來。我國防雷標(biāo)準(zhǔn)GB50057－94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》規(guī)定三類防雷建筑物的避雷針保護范圍按hrc為60m畫定。運行經(jīng)驗表明這一規(guī)定符合我國通用建筑物的防雷要求。

近年來一些學(xué)者對EGM理論又做了修正，稱為先導(dǎo)傳播模型理論（LPM）。該理論認為確定雷擊點除了考慮雷擊距離外尚需考慮迎面先導(dǎo)和下行先導(dǎo)的相對運動。一定幾何形狀和高度的地物能否被一定雷電流幅值的雷電擊中，可用吸引半徑Ra來表述。Ra不僅是雷電流的函數(shù)，也是地物高度的函數(shù)，并和地物的幾何形狀有關(guān)。因為不同形狀和高度的地物，在同一雷電流的下行先導(dǎo)作用下感應(yīng)的電場強度不同。

Ra（I，h）＝2．83I0．63h0．40（2）

式中Ra為吸引半徑，m；I為雷電流幅值，kA；h為針狀物高度，m。

分析結(jié)果指出：當(dāng)臨界半徑hrc大于避雷針高度h時，EGM所得保護半徑比LPM要小，但不顯著；當(dāng)臨界半徑hrc小于針高h時，EGM所得保護半徑比LPM要小許多，某些情況下甚致小50％左右；當(dāng)針高h＞hrc時，EGM認為高出臨界半徑的針體部分沒有保護范圍，而LPM理論則認為保護半徑隨針體高度的增加而增加。

根據(jù)對塔形建筑物吸引雷擊次數(shù)隨其高度增加而變化的觀測以及長間隙放電棒對棒的實驗結(jié)果都證明，避雷針的引雷能力隨其高度的增加而增強，但增加的速度是變緩的。這對LPM的結(jié)論給予了支持，可見EGM滾球法未考慮吸引能力隨高度變化是其保護范圍偏小的原因。從理論角度看，滾球法是一種偏于保守、偏于嚴格的方法，它能對避雷針的保護區(qū)給出直觀的物理圖象。

考慮迎面先導(dǎo)和下行先導(dǎo)的相對運動可得出避雷針的引雷空域，見圖4。圖中

hr＝vzhT＋vxiaT（3）

式中hr為雷擊距離，即雷擊半徑，m；vzh為地物或避雷針上迎面先導(dǎo)的發(fā)展速度，m／s；vxia為地閃下行先導(dǎo)的發(fā)展速度，m／s；T為大氣間隙的放電時延，s。

參考圖3可得到LPM理論的一切結(jié)論。

避雷針的上部有一段可能自身遭受側(cè)向雷擊的空間，稱為對針桿側(cè)擊區(qū)；高架避雷針的引雷能力強，當(dāng)側(cè)方襲來的下行雷電先導(dǎo)被避雷針引近而未能在針端接閃時，會出現(xiàn)閃電擊中避雷針附近地面的情況，使得高架避雷針附近的地面落雷密度較該處平均落雷密度大，該地面稱為散擊區(qū)。高聳的建筑物和高架避雷針附近地面出現(xiàn)散擊區(qū)，遠離避雷針的地方雷擊率不受避雷針的影響，稱為正常區(qū)。避雷針周圍空間側(cè)擊區(qū)、地面的保護區(qū)、地面的散擊區(qū)和正常區(qū)見圖5所示。

按我國統(tǒng)計的雷電流幅值最大約為300kA，其對應(yīng)的雷擊高度為408m。取雷擊定位高度為400m，可得出不同高度避雷針的保護區(qū)和散擊區(qū)的地表半徑見表1。我國舊式民房一般高度在10m以下，避雷帶和避雷網(wǎng)的高度與房高相同，安裝的短針防雷其高度為1～2m，它們引起的散擊現(xiàn)象不明顯；高聳建筑物和高架避雷針引雷招致雷擊率增高和存在散擊區(qū)。我國防雷學(xué)者歷來不主張用高架避雷針保護建筑物，主張用屋頂短針和避雷帶防雷就是考慮了既能發(fā)揮它的引雷作用，又避免增加散雷區(qū)。試裝消雷器的運行結(jié)果表明：它不能消雷而且增大了雷擊概率，所以許多部門拆除了這些消雷器。

2避雷針的結(jié)構(gòu)及其接閃性能

雷害事故統(tǒng)計表明，雷擊點選擇有一定的規(guī)律性，實驗室長間隙放電可以演示這些規(guī)律。研究表明，在雷電放電和實驗室長間隙放電中，雷擊點選擇的過程是各目的物迎面放電的競爭過程。迎面放電發(fā)展的遲早和快慢，與下行放電先導(dǎo)相遇的概率相關(guān)，它是確定雷擊點的決定性物理參量。我們開展了建筑物雷擊規(guī)律的研究，在1959年提出了民用建筑物簡化防雷方式［3］，根據(jù)我國建筑物屋頂結(jié)構(gòu)，其雷擊規(guī)律見圖6。圖中（a）（b）為平屋面或坡度不大于1／10的屋面（如檐角、女兒墻、屋檐）易受雷擊的部位；圖（c）為坡度大于1／10且小于1／2的屋面（如屋角、屋脊、檐角、屋檐）易受雷擊的部位；圖（d）為坡度不小于1／2的屋面（如屋角、屋脊、檐角）易受雷擊的部位。對圖（c）（d），在屋脊有避雷帶的情況下，當(dāng)屋檐處于屋脊避雷帶的保護范圍內(nèi)時屋檐上可不設(shè)避雷帶。按這些屋頂雷電易擊點裝設(shè)短針和避雷帶防雷可以達到引雷而不增加散擊區(qū)的目的。40年來，這種防雷方式取得了良好的防雷效果。

華中理工大學(xué)的防雷學(xué)者對不同結(jié)構(gòu)的避雷針進行了對比放電試驗，試驗表明各模擬因素對放電擊中點的影響如下［4］：

（1）幾何擊距是放電擊中點的決定性因素之一；

（2）目的物幾何形狀的影響：負雷電壓下，當(dāng)棒頭曲率半徑比較小時，對棒頭引雷能力沒有影響；當(dāng)棒頭的曲率半徑大于試驗條件下棒頭臨界電暈半徑時，由于表面電場強度降低，上行迎面放電的起始時間推后，其引雷能力降低。正雷電壓下，棒頭曲率半徑對雷擊點概率分布的影響不明顯。負雷電壓下，多針棒形物模型的引雷能力小于尖棒的引雷能力，大于具有與多針棒形物針長相同半徑的球頭棒的引雷能力。隨著間隙尺寸的增加，多針棒形物模型與球頭棒的引雷能力差異有縮小的趨勢。

（3）接地電阻的影響：負雷電壓下，接地電阻超過一定臨界值后將抑制上行迎面先導(dǎo)發(fā)展的速度和強度，使電阻棒的引雷能力降低；當(dāng)阻值小于這一臨界值時，接地電阻對擊中點概率無影響；隨接地電阻的增大其擊中率下降，當(dāng)棒浮地時，放電不再擊中它；隨著接地電阻的增大，出現(xiàn)雙通道的機會增大，即散擊率增大。正雷電壓下，接地電阻對雷擊點概率的影響不明顯。

試驗表明，放電擊中點的概率分布與上電極對各目的物的擊穿電壓、擊穿時間和迎面放電通道的發(fā)展存在以下幾個層次的關(guān)系：當(dāng)對不同目的物的空間擊穿電壓存在差異時，空氣擊穿電壓低者被擊中的概率較大；當(dāng)各擊穿電壓差異不明顯時，擊穿時間小者被擊中的概率較大；當(dāng)對不同目的物的擊穿電壓和擊穿時間均無明顯差異時，迎面放電發(fā)展速度快，通道電流強度大者被擊中的概率較大。

3對異型避雷針的看法

普通避雷針有針、帶（線）、網(wǎng)3種形式，國際上統(tǒng)稱為常規(guī)避雷針或富蘭克林避雷針；其它各種避雷針均為異型避雷針，異型避雷針大致有以下幾種：

（1）球頭避雷針

球頭避雷針當(dāng)其球頭半徑大于雷擊距離下其臨界電暈半徑時，雷電對避雷針的放電強度高于雷對地，有k＝R／H＝0．8～0．9，其引雷分界線為一橢圓。這種球頭避雷針（包括同等曲率半徑的多針避雷針）的高度如與被保護目的物相等或相近，可能使目的物附近空間電場分布趨于均勻，從而減少目的物的引雷概率。但這不能認為是"排雷效應(yīng)"，而是一種控制接閃點的技術(shù)行為。因為下行雷電先導(dǎo)仍要發(fā)展，直到對地物放電。若要可靠保護目的物并不增加相鄰建筑物的雷擊率，還必須在其兩側(cè)安裝避雷針或避雷線，以保證雷電流的安全瀉放。建筑物屋頂為平面和球面的就相當(dāng)于改善局部電場結(jié)構(gòu)，我們進行過大型平頂房屋的模型雷擊試驗，負雷擊下絕大部分放電都擊于四周的檐部，屋面上很少雷擊；正雷擊下屋面上的雷擊次數(shù)也很少，但略多于負雷擊的情況。

（2）限流避雷針

模擬試驗表明，限流電阻可以減小主放電電流，但也減小了迎面放電的發(fā)展速度vzh，所以限流避