避雷针的保护范围

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：

⑴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）；

⑵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）；

⑶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）；

⑷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 滚球法与折线法比较简表

表1说明滚球法与折线法都有科学理论依据，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537m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