第一章 雷电防护的基本知识

第一章 雷电防护的基本知识

§1-1 雷电流的破坏作用

雷电流也是电流，它具有电流的一切效应，不同的是它在很短的时间内以脉冲的形式通过强大的电流；尤其是直击雷，它的峰值有几十kA ，乃至几百kA 。持续时间只有几μS 到几十μS ，使雷电流具有特殊的破坏作用。 一、雷电流热效应的破坏作用

强大的雷电流通过被击穿的物体时会产生大量的热量。根据焦耳定律，一次闪击的雷电流产生的热量（Q ）：

t

20

Q=R i dt ? (1-1)

式中：Q —发热量，J ；

i —电流，A ；

R —雷电流通道的电阻，Ω； t —雷电流持续时间，s 。

实际上，雷电流作用的时间很短，散热影响可以忽略，在雷电流通路上由雷电流引起的温升（△t ）为：

t=Q mc ? (1-2)

式中：△t —温升，k ；

m —通过雷电流的物体质量，kg ；

c —通过雷电流的物体的比热容，J/kg ·k 。

由于雷电流很大，通过的时间很短，如果雷电击在树木或建筑物构件上，被雷击的物体瞬间将产生大量的热量，又来不及散发，以致物体内部的水份大量变成水蒸汽，并迅速膨胀，产生巨大的爆炸力，造成破坏；当雷电流通过金属体时，根据公式（1-1）和（1-2）可以计算出其温度，如果金属体的截面积不足够大时，甚至可使其融化。

与雷电通道直接接触的金属因高温而融化的可能性很大，因为通道的温度可达6000-10000℃，甚至更高。因此在雷电流通道上遇到易燃物质，可能引起火灾。 二、雷电流冲击波的破坏作用

雷电流通道的温度高达几千℃到几万℃，空气受热急剧膨胀，并以超声速度向四周扩散，其外围附近的冷空气被强烈压缩，形成“激波” 。被压缩空气层的外界称为“激波波前” 。“激波波前”到达的地方，空气的密度、压力和温度都会突然增加。“激波波前”过去后，该区压力下降，直到低于大气压力。这种“激波”在空气中传播，会使其附近的建筑物、人、畜受到破坏和伤亡。这种冲击波的破坏作用就跟炸弹爆炸时附近的物体和人、畜损害一样。

与上面讲的冲击波相似的另一种冲击形式是次声波。

庞大体积的雷雨云因迅速放电而突然收缩，当应电力（典型值为100V/cm ）突然解除时，在一部分带电雷雨云中的流体压力将减小到0.3mm 汞柱的程度，这样形成稀疏区和压缩区，它们以零点几Hz 到几Hz 的频率向外传播。这就形成次声波，次声波对人、畜有伤害作用。 三、雷电流电动力效应的破坏作用

由物理学可知，在载流导体周围空间存在磁场，在磁场里的载流导体受到电磁力的作用。如图1.1a 所示，如果导线A 、B 都有电流，那么导线A 的电流会在它的周围空间产生磁场，而导线B 在导线A 所产生的磁场里将受到电磁力的作用。同理，导线B 上的电流也会在它的周围空间形成磁场，导线A 在该磁场里，也会受到电磁力的作用。这样两根载流导体相互间有作用力存在，我们把这种作用力叫做电动力。

根据安培定律的推导，如图1.1a 的每根平行导体，当A 、B 上分别通过以电流i 1和i 2(kA)，AB 的距离为d(m)时，每米导线所受的作用力按下式计算：

80

122l F=1.02

10d

i i -? (1-3) 式中：l 0为1m 。

假定雷击的瞬间两根导线的电流i 1和i 2都等于100kA ，两导线的距离为50cm ，计算结果表明，这两根导线每米都受到408kg 的力。由电工学可知，这两根导线受到的力有迫使它们靠拢的趋势。因此雷击的时候，由于电动力的作用，也有可能使导线折断。同样，在同一根导线或金属构件的弯曲部分有雷电流通过的时候，如图1.1b 所示，其中流过AO 段的电流产生的磁场可使BO 段金属构件受到电动力；流过BO 段的电流产生的磁场，可使AO 段构件受到电动力，当电动力足够大的时候也会使构件受到破坏。由安培定律推导可知，凡拐弯的导体或金属构件，在拐弯部分将受到电动力作用，它们之间的夹角越小，受到的电动力越大。当拐弯的夹角为锐角时受到作用力最大，钝角较小。故接闪器及其引下线不应出现锐角的拐弯，尽可能采用钝角拐角，在不得已采用直角拐角时应加强构件强度，尤其是引下线一般应尽可能采用弧形拐弯，俗称“软连接” ；这样可使构件受到的应力较小，而且不集中在一点，雷击造成的损失就相对小一些。

a 两根平行导线间的电动力

b 弯曲导线的电动力

图1.1 雷电流通过导线时，导线上的电动力

四、雷电的静电感应和电磁感应的破坏作用 1、雷电的静电感应

当空间有带电的雷云出现时，雷云下的地面及建筑物等，都由于静电感应的作用而带上相反的电荷。由于从雷云的出现到发生雷击（主放电）所需要的时间相对于主放电过程的时间要长得多，因此大地可以有充分的时间积累大量电荷，然而当雷击发生后，雷云上所带的电荷，通过闪击与地面的异种电荷迅速中和，而某些局部，例如架空导线上的感应电荷，由于与大地间的电阻比较大，而不能在同样短的时间内相应消失，这样就会形成局部地区感应高电压，这电压从雷击开始随时间的推移而下降，它符合RC 电路放电的规律，即：

t

Rc c

V V

e

-

=

(1-4)

V Q

C

=

(1-5) 式中：V c ——雷击发生后，局部高电压地区与大地之间瞬间的电压，V ；

V _______发生闪击那一瞬间，即t 等于零那一瞬间，局部高电压地区对大地间的电压，V ； R ________高电压局部地区对大地的散流电阻，Ω C ________局部高电压的地区对雷云之间的电容，F ； Q ________局部高电压地区积累的电荷量，C ；

t _______以发生闪击瞬间为零，闪击发生后延续的时间，s 0

这样形成的局部地区感应高电压在高压架空线路上可达300-400kV ，一般低压架空线路可达100kV 。电信线路可达40-60kV ，建筑物也可以产生相当高的有危险的电压。这种由静电感应产生的过电压对接地不良的电气系统有破坏作用，对于建筑内部的金属构架与接地不良的金属器件之间容易发生火花，这对存放易燃物品的建筑物，如汽油、瓦斯、火药库以及有大量可燃性微粒飞扬的场所，如面粉厂、亚麻厂等有引起爆炸的危险。 2、 雷电的电磁感应

由于雷电流有极大峰值和陡度，在它周围的空间有强大的变化的电磁场，处在变化的电磁场中的导体会感应出较大的电动势。结果在雷电流引下线附近放置一个开口的金属环，如图1.2所示，环上的感应电动势足以使气隙a 、b 间放电，放电时a 、b 间即产生火花，这些

图1.2 电磁感应的原理图

火花可以引起易燃物品着火，和易燃气体爆炸。如果回路中有导体接触不良，也会使回路过热，引起易燃物品燃烧，引起火灾。防止的办法是把互相靠近的金属物品用金属很好地连接起来。雷电的电磁感应引起火灾的例子也不少。1985年7月26日，上海的北蔡仓库，因棉花包外面是用铁丝捆扎的，在电磁感应中，铁丝上有强大的感应电流通过，铁丝接触点发热，产生火花，引起棉包着火。

为了防止感应过电压发生，应将建筑物的金属屋顶、建筑物内的大型金属物品等，给以良好的接地处理，以便感应电荷能迅速地流向大地。对较大的缺口金属环，应用金属将缺口处连成闭合环，防止在缺口处形成高电压和放电火花。

3、雷电感应过电压分析

一般来说，感应过电压没有直击雷那么猛烈，但它发生的几率比直击雷高的多，因为直击雷只发生在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害，而感应过电压则不论雷云对地闪击，或者雷云对雷云之间闪击（据观测资料介绍，雷云对雷云闪击比雷云对地闪击几率高的多），都可能发生并造成灾害。此外，直击雷一次只能袭击一两个小范围的目标，而一次雷闪击可以在比较大范围内多个小局部同时发生感应雷电过电压现象，并且这种感应高电压可以通过电力线、通讯线路、电话线等金属导线传输到很远，致使雷害范围扩大。

弄清雷电闪击时，感应体和电流注(雷电闪击时的主电流通道)(或避雷针)的距离，以及雷电流对时间的一次导数与感应电势的关系，对分析和防止感应雷电过电压有着重要意义。以图1．3为例作理论分析。

X

图1.3 避雷针附近的开口金属杯

设图1.3避雷针（电流注）AM 与一个有气隙的正方形金属环处于同一平面上，x 1为正方形方框与避雷针（电流注）的距离；x 2是方框的另一边与避雷针（电流注）的距离，金属环的边长为l 。由电磁感应定律可知，开口金属环上最大感应电压：

m dI E M

dt

=- 如果不考虑电压的方向，则

m dI E M

dt

= 式中： E m ——感应电动势，V ；

M ——互感系数，H ；

dI

dt

——闪击电流变化率，A/s 。 根据电磁场理论： H dL I φ=

2H X I π=

d B ds H ds φμ==

0d H l dX φμ=

2

1

X X H l dx φμ=?

2

1

2X X I l dX

X

π

μ=

?

2

1

2X X l dx

M I

x

φ

π

μ=

=

?

[]21

ln 2l X

X X

π

μ=

2ln 21

l X X π

μ= 0

1ln 21

l l X X π

μ+= (1-6) 式中：H ——磁场强度，A/m ； B ——磁感应强度，T ；

Φ—穿过金属环的磁通量，Wb ； M ——互感系数，H ；

0μ——空气磁介常数， 70410μπ-=?(H/m)； l ——矩形金属环的长和宽，m ； L ——闭环积分线路，m ； X1,X2——（见图1.3），m ； S ——矩形金属环的面积，m 2

。 因21X l X =+ 代入（1-6）式得

7

1

210ln 1

l X M l X -+=?

（1-7） 由式（1-7）可知，在避雷针（电流注）附近开口金属环上最大感应电动势

711d 210ln

m l X I

E l X dt

-+=?? (1-8) 若避雷针(闪击电流注)与金属环之间的夹角为α，则(1—8)式后边应乘以cos α。 如果图1．3中的金属环边长l 等于5 m ，则金属环开口K 的电压与金属环一避雷针距离之间的关系如图1．4所示。

图1．4中闪击电流峰值分别选50kA 、100 kA(这是较常见的闪击电流峰值)。通常雷电闪击电流波形前沿为2～5s μ ,取2．5s μ。

从图1．4可以看出一个即使只有5 m ×5 m 的开口金属框，在雷电流峰值为100kA 时，距离雷击点200m 也可以感应1kV 左右的电压，在潮湿环境下，零点几mm 的气隙就可能被击穿，发生有害的火花。

方环至避雷针距离

图1.4 5 m ×5 m 金属环上的开口感应电动势

4.某油库特大火灾分析

山东省某油库是一大型油库，1991年8月12日9时55分起火，历时100余小时才扑灭。这次火灾伤亡百余人，数万m 3

被烧毁，上万m 3

原油流失，直接经济损失数千万元，是一次惨痛的教训。经专家反复论证认为是雷害事故，并最后认定是感应雷电引起爆炸。

根据前面的(1—8)式对感应电势的粗略计算，油罐的容量为几万m 3

。如果罐内有10 m ×l0 m 连接不良(开口)金属环，则根据中国科学院空间中心测得：当时该地区有2～3次落地雷，其中最大一次的雷电流峰值为104 kA ，如果雷电流波的前沿为2．5μs ，在距离500m 以外发生闪击，为了简化计算，工程上往往近似地采用峰值电流I 作为波前的电流增量dI ，波前的时间作为相应的时间增量dt ，其感应电势可达：

66

510104000

210ln

500 2.510m E --=???=1.6kV 可见，这样高的感应电压在潮湿的雷雨天气下，即使1 mm 左右的气隙也会产生火花并引爆石油挥发的气体。

鉴于非金属体油罐中的钢筋等金属物连接不可靠的地方颇多，一些混凝土中的钢筋外露和连接不良，使感应雷电间隙放电有可能发生，使得非金属油罐的雷击事故几率比金属油罐明显大，据不完全统计，这种油罐使用以来已发生火灾20多次。建议今后不在建造非金属贮油罐，现有的非金属贮油罐也应尽快淘汰，以便加强对感应雷电的防范。

根据上面对感应雷害的分析，建议对于有可能露天存放，或存放在屏蔽不好的仓库内的棉花、麻及其制品等易燃物品，均不要使用金属丝捆扎。有易燃气体和粉尘的工厂、仓库应加强对构成环型金属体的间隙和厂房电磁屏蔽检查，—些大件的金属器件、构件和金属窗框等必须接地良好，以策安全。

五、雷电反击和引入高电位

雷电反击通常是指接受直击雷的金属体（包括接闪器、接地引线和接地体），在接闪瞬间与大地间存在很高的电压U ，这电压对与大地连接的其他金属物品发生闪击（又叫闪络）的

现象称为反击。此外，当雷击到树上时，树木上高电压与它附近的房屋、金属物品之间也会发生反击。对于一般只有几十米的单根接闪器引下线上电压U可按下式计算：

0 i di

U iR L l

dt

=+(1-9) 式中：i——雷电流，kA；

R i——接地装置冲击电阻，Ω；

L0——单位长度电感，约1.55H

μ/m；

l——引下线的长度，m；

di dt ——雷电流陡度，kA/s

μ；

由式（1-9）可知，全部电压由两部分组成，一部分是雷电流瞬时值的电阻压降，另一部分是雷电流在电感上的压降，它与雷电流的陡度有关。雷电流和雷电流波形的陡度是不同的，它们作用于空气间隙的击穿强度也不同。对于电阻压降，空气击穿强度约为500-600kV/m, 而对电感压降则为前者的两倍，约1000-1200kV/m。沿木材、砖石等非金属材料的沿面闪络强度为上述两种强度的1/2，即分别为250kV/m和500kV/m。为了防止反击的发生，一般应使防雷装置与建筑物金属体间隔一定距离，使它们之间间隙的闪络电压大于反击电压。即：

E?S≥U反击（1-10）

式中：E——介质闪络强度，kV/m；

S——绝缘间隙距离,m；

由于雷电电压的大小是在很大范围变化的，为了使各种建筑物能有效地防止雷电反击，在具体做法上各国都有不同的要求。西方有些国家对避雷装置与建筑物金属体间规定要保留一定间隙，而我国在规范中对不同种类建筑物的间隙距离分别作明确规定。在因为条件限制而无法达到所规定的间隔尺寸时，应把避雷引下线与金属体用金属导线连接起来，使它们成为等电位体而避免发生闪击。对房屋周围的高大树木都应留有足够距离，以免树木与房屋间发生雷电反击。

雷电引入高电位是指直击雷或感应雷电过电压从输电线、通信电缆、无线电天线等金属的引入线引入建筑物内，发生闪击而造成的雷击事故。这种事故的发生率很高，而且往往事故又严重。如1970年广东曲江大塘机械厂因雷电高电位从低压输电线引入，结果在低压电线下面的四人同时被击倒在地，其中一人死亡。1985华南理工大学南秀村某住宅，因直击雷从无线电视天线引入，致使引线穿过的墙壁被炸开一个直径约30cm的大孔，室内低压线路全部保险丝被烧断，并发出闪击雷鸣声，幸无人员伤亡。1987年7月4日广州三元里图强电器厂的一个仓库，因高电位从低压线路引入，电表被击得粉碎，并引起大火。

直击雷电压低则几百万V，高则几千万V，甚至更高，即使感应雷电压往往也有几万V 乃至几十万V，雷击电流往往是几十kA，甚至几百kA。它确实会产生很大的破坏力。然而雷电流的波头时间一般只有几μs，波尾也只有几十μs。由此可知，它只是一个短暂的随机波。雷电流随时间以近似指数函数规律上升至峰值，由付里叶变换可知，它包含丰富的高次谐波。

高电位沿导线输入是用电设备被雷击的原因，高电位输入造成的雷击事故，占雷击事故的大多数，所以凡是有用电装置的地方，都必须对高电位输入加以防备。

§1-2 直击雷的防范措施

雷云对大地的电压低则几百万V ，高则数千万V 甚至更高，雷云对大地一次闪击放电的峰值电流平均为30多kA ，它的瞬时功率为109

-1012

w 由于瞬时功率很大，所以它的破坏力是相当大的。

到现在为止，直击雷的防护都是采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网作为接闪器，把雷电流引下来，然后通过良好的接地装置迅速而安全地引入大地。

常用的接闪装置，如避雷针、避雷带、避雷线、避雷网等，它们都是用金属做成，安装在建筑物的最高点，如屋脊或屋角等最易受雷击的地方。避雷网是用金属线、带做成的网格，架在建筑物顶部空间或者利用建筑物屋面板筋连接成网格状，然后与大地可靠地连接。 当高空出现雷云的时候，大地上上由于静电感应作用，必然带上与雷云相反的电荷，然而接闪没备(避雷针、避雷带、避雷线、避雷网等)都处于地面上建筑物的最高处，与雷云的距离最近，而且与大地有良好的电气连接，所以它与大地有相同的电位、以致接闪设备附近空间电场强度相对比较大，比较容易吸引雷电先驱，使主放电集中到它上面，因而在它附近尤其是比它低的物体受雷击的几率就大大减少。而接闪器被雷击的几率却大大提高，所以就接闪器本身而言，它不但不能避免雷击，相反是招来更多的雷击，它以自身多受雷击而使周围免受雷击.

由于接闪器都与大地有良好的电气连接，使大地积存的电荷能量迅速与雷云的电荷中和。这样由雷击而造成的过电压的时间大大地缩短，雷击危害性就大大减少。

雷击的时候,雷云通过接闪器向大地放电的过程,可以近似用RC 放电过程来模拟.因为大地和雷云之间相当于一个充了电的电容器,如图1.5所示.图中雷云与大地之间的电容用电容器C 表示,雷云内部和雷电流通道的电阻用R 1表示,接闪器和它与大地之间连接的电阻(包括连接线的电阻和接地体的散流电阻)用R2来表示。

由等效电路图可知，雷击时电流i 与R 及接闪器上的高电压相互关系适合RC 放电方程： i 0c R U -= 12R R R =+ 其中

式中：R1——雷云内部和雷电流通道的电阻； R2——接闪器和它与大地之间的连接电阻。 又因

i dUc

c

dt

=-

故 RC dUc

dt

+Uc=0 解此微分方程得：

t RC

c U A

e

-= (1-11)

由式（1-11）可知，当t=0时，c A U =为最大值，所以A 就是刚刚发生闪击那一瞬间接闪器对大地的电压，也就是雷云对大地的电压。并且R 越小，Uc 衰减得越快，表示雷击时散流的越快。

雷电流源的电阻包括主放电通道的电阻，大约几千Ω，如果把带电的雷云当作电源，接闪器到大地看作是负载。那么，放电的时候就相当于一个有几千Ω内阻的电源，与一个仅有几Ω接地电阻和少许引线的阻抗的负载连接（如图 1.5），这电源一般为几百万V 和几千万V,甚至更高。雷击时接闪器对大地的电压就是雷云的电压，在雷云内阻（包括通道电阻）与

（a ）雷击时雷云与大地的示意图

U

(b)雷击时的等效电路图

图1.5雷击时的电气原理图

接地电阻（包括引线电阻）的分压，接地电阻越小，其分压值越小，相对来讲就越安全。所以，理论上要求避雷装置接地电阻越小越好，但是如果要求做到接地电阻很小，势必造价很高。工程上往往只要求做到足够安全的范围即可。以上说明壁雷装置必须有足够可靠和足够小接地电阻的接地装置，否则它不但起不到避雷的作用，反而增加雷击的危险。

需要指出的是，大气变化是大规模的，雷云的发生也是大规模的，而且雷云的移动受很多可变因素支配，很多条件是随机的，因此认为有了避雷装置就万无一失的想法是错误的。避雷装置只能大大地减少被雷击的可能性。

§1-3避雷针保护范围的计算

用避雷针防范直击雷的避雷方式出现得最早，在使用中积累了大量统计资料，有较丰富的使用经验，又有多年的实验室模拟研究，收集了大量资料，这对正确确定避雷针的保护范围有着决定性的意义，但是调查统计资料会受到地理条件、时间等的限制；模拟试验统计资料也受到设备、技术条件等的限制，条件不同，得到的结论也不完全相同。目前世界各国关于避雷针保护范围的计算公式在形式上各有不同，大体上有如下几种计算方法：①折线法，即单支避雷针的保护范围为一折线圆锥体。②曲线法，即单支避雷针的保护范围为一曲线锥体。③日本建筑物防雷规程规定，避雷针的保护范围是以避雷针的针尖为顶点作一俯角的角度来确定，如有爆炸危险的建筑物用45°角，对一般建筑物采用60°角。由于用角度确定避雷针的保护范围，实质上保护范围为一直线圆锥体，我们把它叫做直线法。

自1983年起，我国正式制定了自己的防雷规范GBJ57—83，规范中关于避雷针保护范围的计算是在各国长期积累的经验的基础上，采用广西大学提出的“改进折线法”。

以上各种避雷针保护范围的计算方法，有一个共同点，都是避雷针越高，保护范围越宽。但是长期的实践证明这一理论与实际不完全符合，如高层建筑物，即使其顶层装上了理论上足够覆盖范围的避雷针，但在顶层以下的楼层也经常会遇到侧击雷的袭击；例如莫斯科537m 高的电视塔，位于北纬55°45’东经37°40’，在四个半雷暴季节中，遭到143次雷击，即每年32次。在一次雷暴中，最多遭12次雷击。其中一部分闪击击于塔顶下方12—36m处。有两次闪电甚至打到塔顶下方200～300 m之间。除了塔本身吸引闪电外，似乎1 km范围内的对地闪击比1～3km距离外的对地闪击要多，这表明塔体具有“负保护效果”。由此可见，以往各种保护范围的计算方法都存在缺陷，经过防雷科学工作者们的努力，创造了“滚球法避雷针保护范围计算法”。

“滚球法”是国际电工委员会(IEC)推荐的接闪器保护范围计算方法之一；已被世界上一些国家作为国家防雷规范采用，我国建筑防雷规范GB 50057—94也采纳“滚球法”作接闪器保护范围计算的方法。

所谓“滚球法”是指以某一定半径的球体，在装有接闪器的建筑物上滚过，滚球被建筑物上所装的接闪器撑起，这时球体的弧与建筑物之间的范围，便是该接闪器避雷范围。装有

同样接闪器的同一座建筑物，使用不同半径的滚球，其保护的空间范围是不同的，即保护范围也不同。

按我国规范规定，根据建筑物被雷击后引起后果的严重程度，把建筑物分为三大类型，分别选择从30m 、45m 、60 m 不同半径的滚球予以计算。

一．单支避雷针保护范围的计算方法

图1.6 单支避雷针的保护范围

（1） 当避雷针高度h 小于或等于h r 时： ① 距地面h r 处作一平行平面的平行线；

② 以针尖为圆心，h r 为半径，作弧线交于平行线的A 、B 两点；

③ 以A 、B 为圆心，h r 为半径为弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切。从此弧线起

到地面止就是保护范围。保护范围是一个对称的锥体；

④ 避雷针在hx 高度的xx '平面上和在地面上的保护半径，按下列计算式确定：

0x r r ==

式中 r x ——避雷针在h x 高度的xx '平面上的保护半径（m ）； h r ——滚球半径，按建筑物的防雷分类确定（m ）； h x ——被保护物的高度（m ）；

r o ——避雷针在地面上的保护半径（m ）；

（2） 当避雷针高度h 大于hr 时，在避雷针取高度hr 的一点代替单支避雷针针尖作

为圆心。其余的作法同（1）项。

二．双支等高避雷针的保护范围

双支等高避雷针的保护范围，在避雷针高度h ≤hr 的情况下，当两支避雷针的距离D 大于或等于

应各按单支避雷针的方法确定；当D 小于

应按下列方法确定(图1.7)。

（1） AEBC 外侧的保护范围，按照单支避雷针的方法确定。

（2） C 、E 点位于两针间的垂直平分线上。在地面每侧的最小保护宽度b 0按下式计算：

0b CO EO ===在AOB 轴线上，距中心线任一距离x 处，其在保护范围上边线上的保护高度hx 按下式确定：

h x r h =该保护范围上边线是以中心线距地面hr 的一点O

'径所作的圆弧AB 。

1-1 剖面

图1.7 双支等高避雷针的保护范围

（3） 两针间AEBC 内的保护范围，ACO 部分的保护范围按以下方法确定：在任一保护高度

hx 和C 点所处的垂直平面上，以hx 作为假想避雷针，按单支避雷针的方法逐点确定（图1.7剖面图）。确定BCO 、AEO 、BEO 部分的保护范围的方法与ACO 部分的相同。

（4） 确定xx ’平面上保护范围截面的方法。以单支避雷针的保护半径r x 为半径，以A 、B

为圆心作弧线与四边形AEBC 相交；以单支避雷针的（0x r r -）为半径，以E 、C 为圆心作弧线与上述弧线相接。见图1.7。 三．

双支不等高避雷针的保护范围

双支不等高避雷针的保护范围，在h1≤ hr 和h2≤hr 的情况下， 当D

，应各按单支避雷针所规定的方法确定; 当D

1.8）。

1-1 剖面

图 1.8 双支不等高避雷针的保护范围

（1） AEBC 外侧的保护范围，按照单支避雷针的方法确定。 （2） CE 线或HO '线的位置按下式计算：

D1=2221(2)()2hr h hr h D D

---+

（3） 在地面上每侧的最小保护宽度b 0按下式计算：

0b CO EO ===在AOB 轴线上，A 、B 间保护范围上边线按下式确定：

x h hr =式中 x —距CE 线或HO '线的距离。该保护范围上边线是以HO '线上距地面hr 的

一点o 'AB 。

（4） 两针间AEBC 内的保护范围，ACO 与AEO 是对称的，BCO 与BEO 是对称的，ACO 部分的

保护范围按以下方法确定：在hx 和C 点所处的垂直平面上，以hx 作为假象避想针，按单支避雷针的方法确定。确定AEO 、BCO 、BEO 部分的保护范围的方法与ACO 部分的相同。

（5） 确定xx '平面上保护范围截面的方法与双支等高避雷针相同。

四．矩形布置的四支等到避雷针的保护范围

矩形布置的四支等到避雷针的保护范围，在h ≤hr 的情况下，当D3≥时，应各按双支等高避雷针的方法确定；

当D3＜ 1.9）。 （1） 四支避雷针的外侧各按双支避雷针的方法确定。

（2） B 、E 避雷针连线上的保护范围见图1.9剖面图，外侧部分按单支避雷针的方法

确定。两针间的保护范围按以下方法确定：以B 、E 两针针尖为圆心、hr 为半径作弧相交于O 点，以0点为圆心、hr 为半径作圆弧，与针尖相连的这段圆弧即为针间保护范围。保护范围最低点的高度ho 按下式计算：

h hr - （3） 图1.9的剖面图的保护范围，以p 点的垂直线上的O 点（距地面的高度为hr+ho ）

为圆心，hr 为半径作圆弧与B 、C 和A 、E 双支避雷针所作出在该剖面图的外侧保护范围延长圆弧相交于F 、H 点。F 点（H 点与此类同）的位置及高度可按下列计算式确定：

2

2

2

()()hr hx hr bo x -=-+

1

22

2()(

)2

D hr ho hx hr x +-=-- （4） 确定图1.9的3-3剖面保护范围的方法与本款第（3）项相同。

（5） 确定四支等高避雷针中间ho 至h 之间于hy 高度的yy '平面上保护范围截面的

方法：以p 点为

为半径作圆或圆弧，与各

双支避雷针在外侧所作的保护范围截面组成该保护范围截面。见图1.9中的虚线。

yy '

图1.9 四支等高避雷针的保护范围

五.避雷针对电波传播影响的分析

防雷方法有在建筑物上安装避雷装置（避雷针、避雷线、避雷带及避雷网）、对建筑物、设备、线缆的屏蔽，等电位连接，安装电涌保护器等，各种防雷装置的使用越来越普及，特别是在雷达站、通信基站等容易遭受雷击的地方，避雷针、避雷线、避雷带及避雷网等得到广泛应用，各种防雷装置的使用在防雷减灾保护人民生命财产中起到了重要作用[4]。

但从另一方面考虑，这些装置对电磁波传播存在影响，其中避雷针、避雷线及钢筋混凝土墙（现代建筑物中纵横交错的钢筋构成的初级屏蔽体）的影响较为严重。电磁波传播本质上就是能量传递的过程，当电磁波传播过程中遇到这些防雷装置时，防雷装置吸收、反射、折射部分电磁波能量，对电磁波的传播产生影响，这在防雷装置的设计与施工中必须考虑。本文主要就避雷针对电磁波产生的影响进行分析讨论，为在防雷装置的设计与施工中提供参考。

1 避雷针对垂直极化电磁波的影响

避雷针作为接闪器将雷电流的能量泄放到大地。避雷针一般安装在雷达天线附近，大部分避雷针是针状，处于垂直极化的电磁场中，相当于单鞭接收天线，通过引下线与大地良好导通。为了便于分析，把避雷针作为天线简化成如图1.10模型。

图1.10 避雷针简化模型图1.11垂直极化

垂直极化的平面电磁波（如图1.11）由于其电场方向与避雷针轴线平行，避雷针产生感应电动势。避雷针与大地构成电流回路如图1.12。

图1.12 避雷针与大地间的电路回路图1.13 避雷针的等效电路

假如定义垂直方向为z轴，避雷针上电流分布为行波分布，避雷针上电流可以

表示为：

()sin ()M I z I l z β=

β=

2π

λ

为相移常数 I M 为避雷针上电流的最大值

避雷针在来波电磁场的作用下其开路端产生开路电压A U 为：

(,)A e U Eh F θ?=

式中E 为避雷针处的场强；e h 为避雷针的有效高度（与电磁波的波长有关）；(,)F θ?为避雷针作为接收天线的归一化函数。如果在最大接收方向(,)F θ?＝１，A U ＝E e h ，避

雷针的最大接收功率为:()22

e Eh 1?=

228A A A A

U P R R R ??= ???，R A 为等效天线的辐射电阻。避雷针的等效电路如图1.13。图中A Z 为包括辐射阻抗和损耗电阻在内的接收输入阻抗，

L Z 是避雷针与大地间回路的等效阻抗。

假设避雷针所处空间的来波电场强度为E ，则与来波方向垂直的平面上的功率密度

为：

2

240E p π

=

把避雷针等效为与来波方向垂直的口径面积为e S 的天线，其通过的功率密度处处均匀，则接收的功率为：

e P p S =?

e S 的大小表示避雷针接收能力的强弱。故有：

22

max 2()/830/240e A e e A

P Eh R h S p E R ππ===

如果避雷针距离天线较近，天线的有效接收面积为1e S ，避雷针有效接收面积为2e S ，可以求得避雷针对电波的衰减为：2

1

20lg

e e S L S =（dB ）。 避雷针的有效接收高度不仅和避雷针的实际高度有关，还和电磁波的波长有关，可见电磁波频率对避雷针接收功率有很大关系，根据振子天线的原理，频率越高波长λ越短其有效接收高度h e 越小，接收的功率越大。如果是避雷针离发射天线的距离较近，避雷针所处空间

电磁波功率密度很大，避雷针接收的功率也较大。所以在防雷工程设计中应考虑避雷针的天线效应，尽量减少对电磁波的影响。 2 避雷针对雷达电磁波的影响

现在各种雷达得到广泛应用，特别是新一代多卜勒天气雷达发展很快，天气雷达应安装避雷针保护。根据雷达工作原理，雷达利用目标对电磁波的反射来发现目标并测定其位置,根据多卜勒效应测量云的相对运动速度。现在大多数天气雷达采用水平极化电磁波，避雷针所在位置处于雷达电磁波辐射范围，就会对雷达电磁波造成反射。设雷达发射功率为P t,，天线增益为G ，距雷达R 处目标所照射到的功率密度为：

12

4t

PG S R π=

避雷针截获一部分发射功率并将它们重新辐射于不同的方向。用下式表示在距雷R 处的回波功率密度：

21

222

444t PG S S R R R σσπππ==?

式中σ为避雷针的反射截面积。设雷达天线的有效接收面积为A e ，则雷达收到的回波功率P r 为：

()

22

4

4t e r e PGA P A S R

σ

π==

可以把避雷针看成简单圆柱体,天气雷达波长很短，一般为厘米波，与避雷针的直径尺寸

较接近。对于几何形状比较简单的圆柱体，可以近似用几何光学的方法来计算避雷针的雷达波反射截面积。可计算出避雷针的反射截面积：

()22

sin sin 2cos []sin l l r

l βθπσθλ

βθ

=

?

β=

2π

λ

为相移常数 式中λ为雷达波波长；

可以得出雷达收到避雷针回波功率：

()

()

()22

22

2

4

4

sin sin 2cos [

]sin 44t e t e

r e l PGA PGA l r

P A S l R R

βθσ

πθλ

βθ

ππ==

=

??

图1.15 雷达波的反射

可见避雷针对雷达波的反射作用与波长有很大关系。由此可以看出，避雷针对雷达波的反射主要由避雷针与雷达天线的距离R ，雷达电磁波的波长λ，雷达电磁波主波瓣中心线与避雷针轴线夹角θ，避雷针半径r 有关，从上式可以看出：增大避雷针与雷达天线距离，减小避

雷针的反射半径，对于减小避雷针对雷达波反射回波影响是有用的。这一点在《新一代天气雷达站防雷技术规范》中有规定：避雷针杆金属支架应在雷达天线仰角零

度下边缘以上使用玻璃钢代替金属杆。其目的也就是为了减少避雷针对雷达波的反射回波干扰。

避雷针对雷达回波强度的测量存在着一定的影响，主要是对雷达电磁波的反射、散射的能量由雷达接收，当作回波信号处理，在多卜勒雷达测量中，还会影响云的相对速度的测量。

在保护雷达的防雷工程设计中，避雷针是最常用的避雷装置，然而它对雷达正常工作的影响不能忽视。尤其双线偏振多卜勒气象雷达，当雷达进行体扫描探测时，其天线仰角不断抬升，避雷针除对雷达波反射影响天线的波瓣形状外，其对雷达回波的相移必须考虑，直接影响雷达对大气中水成物粒子径向运动速度V r及单位距离相移差K dp的测量精度。

避雷针在雷击时对一些建筑物起到一定的保护作用，但同时也会对电磁波的传播造成影响。避雷针的形状较多，对于不同形状的避雷针对电磁波的影响不一样，笔者主要分析避雷针对垂直极化波以及雷达波产生的影响。在防雷工程的设计中，根据空间电磁波的特点，采用相应的避雷装置，尽量减少对空间电磁波的影响。

§1-4 避雷线保护范围的计算

由于重力的作用，避雷线是一段垂弧。其保护效果等同于在弧垂上每一点都是一根等高的避雷针。故只需确定待计算点的垂弧高度，便可按单支针计算其两侧的保护范围。同样，在避雷线的端部保护范围，则按避雷线端部的等高单支针计算。按滚球法理论，当避雷线高大于两倍滚球半径h r时，即入≥2h r，是无保护范围的，故不应采用。而当h r

一、单根避雷线保护范围的计算

架空避雷线的弧垂程度，可按：等高支柱之间的距离小于120m时弧垂为2m；间距为120—150m时，弧垂为3m。当单根避雷线的高度h≥2h r时，是无保护范围的，故不应采用。当避雷线的高度h<2h r时，保护范围按下列方法确定，见图1.16.