避雷针保护范围的理论与实验

中国科学院电工研究所 马宏达

摘要 介绍了避雷针保护范围的历史发展过程从理论和实验角度分别讨论了避雷针保护范围的规定性与合理性 关键词 防雷 避雷针

一历史的回顾及理论概述

自从避雷针发明以来就有了许多关于避雷针保护范围的假说被提出前苏联科学家斯捷柯里尼科夫教授给出图1的综观示意图[1]

图1

单支避雷针保护范围的假说示意图

图中e

g

g

e

圆柱形盖鲁薩克1823年提出

A

ee 圆椎形冯伟立1874年提出 Add 圆椎形巴黎委员会1875年

biib 圆柱形洽普曼1875年

Ab

b 圆椎形阿达姆斯普里斯1881年 Aaa 圆椎形妹里叁斯 Aff 圆椎形皮克1924年

Add

圆椎形全苏电工研究所1931年

圆弧A

b―Ab史瓦格1938年

上述假说有消雷说和引雷说二种消雷说采用圆柱形的保护范围引雷说采用圆椎形的保护范围

日本学者宫本庆己在雷及避雷[2]一书中论述了避雷针的引雷和防护地物的功能他用模拟试验说明单支竖立在平地的避雷针的引雷空域如图2所示其中简化包络线是一条抛物线此线即为在正负雷雨云下该避雷针的50%击针击地平均分界线图中小圈为空中各点实验放电统计数据表示模拟实验下行先导的针尖位置黑圈表示百分之百击针白圈表示百分之百击地黑白各半表示50%击针及击地

1

单支避雷针的引雷空域

雷击避雷针和地的放电强度与雷电极的极性有关当雷的极性为正时雷对避雷针的放电强度高于雷对地当雷的极性为负时雷对避雷针的放电强度略低于雷对地所以在同样电压下雷电极对针的放电距离R与雷电极对地的放电距离H是不同的根据长间隙放电的实验数据大致有 雷电极为负地为正时k = R/H = 1.1 雷电极为正地为负时k = R/H = 0.8~0.9

图2

雷击针地分界面的理论分析图

图3为雷击针地分界面的理论分析图据此可以求出雷击避雷针和地的理论分界线图中L为避雷针尖其高度为hP为雷电极头部其对地高度为HE为雷电极正下方的投影点LP之间的距离为R当P点维持k等于某一常数在图面上运动时其运动轨迹就是雷击避雷针和地的理论分界线分界线以y轴为

2

图3

中心旋转就是立体的分界面分界面内为雷击避雷针的空域分界面以外为雷击大地的空域分界面附近引下的雷击地面为散击区

分界线有三种k = 0.9的情况下其分界线为一椭圆 k = 1.1的情况下其分界线为一双曲线 k = 1.0的情况下其分界线为一抛物线

后者为一般分析避雷针接闪性能的理论基础它是正负雷击情况的平均数图3的分析结果与图2的实验结果是相一致的结合避雷针的引雷空域再分析避雷针的保护范围问题取k = 1的情况可得单支避雷针的保护作用见图4

单支避雷针保护作用的分析[3]

图4中O1L为避雷针K为其高度的中点MO2为被保护物N为其高度的中点假设雷击距离为h r雷电先导端头位于PPK实线为避雷针的引雷分界线PN虚线为被保护物的引雷分界线它的上部空域都在避雷针的引雷分界线以内因此距地面高度大于h r的雷击将被引向避雷针被保护物MO2将免于雷击这种现象称为截击效应但当雷电先导从低于h r的右侧袭击来时避雷针将起不到保护作用这称为对被保护物的侧击所以以P点为圆心以h r为半径作圆此圆从避雷针顶点L经M地面O3点它以下的部分就是雷击距离为h r时避雷针的保护范围这一分析结果与按电气几何理论EGM滚球法推出的结果是一致的

EGM理论[4]认为雷电先导首先进入哪一物体的雷击距离就对那一物体放电雷击距离是雷电流的函数

h r = 10*I0.65 (1)

式中, h r为雷击距离mI为雷电流幅值kA

我国防雷标准GB 50057-94建筑物防雷设计规范规定三类防雷建筑物的避雷针保护范围按h r为60m画定运行经验表明这一规定符合我国通用建筑物防雷保护可靠性的要求

近几年来一些学者对EGM理论又做了修正称为先导传播模型理论[4]

3

图4

LPM该理论认为确定雷击点除了考虑雷击距离以外尚需考虑迎面先导和下行先导的相对运动一定几何形状和高度的地物能否被一定雷电流幅值的雷电击中可用吸引半径R a来表示R a不仅是雷电流的函数也是地物高度的函数并和地物的几何形状有关因为不同形状和高度的地物在同一雷电流的下行先导作用下感应的电场强度不同

R aIh = 2.83I0.63*h0.40 (2)

式中R a为吸引半径mI为雷电流幅值kAh为针状物的高度m 分析结果表明当临界半径h r大于避雷针高度h时EGM所得保护半径比LPM要小但不显著当临界半径h r小于针高h时EGM所得保护半径比LPM要小许多某些情况下甚至小50%左右当针高h> h r时EGM认为高出临界半径的针体部分没有保护范围而LPM理论认为保护半径随针体高度的增加而增加

根据对塔形建筑物吸引雷击次数随其高度增加而变化的观测以及长间隙放电棒对棒的实验结果都证明避雷针的引雷能力随其高度的增加而增强但增加的速度是变缓的这对LPM的结论给予了支持可见EGM滚球法未考虑吸引能力随高度变化是其保护范围偏小的原因从理论角度看滚球法是一种偏于保守偏于严格的方法它的优点是能对避雷针的保护范围给出直观的物理图象

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散击区高耸的建筑物和高架避雷针附近地面出现散击区远离避雷针的地方雷击率不受避雷针的影响称为正常区避雷针周围空间侧击区地面的保护区地面的散击区和正常区见图5所示

图5

避雷针的侧击区保护区散击区和正常区

4

按我国统计的雷电流幅值最大约为300kA其对应的雷击高度为408m取雷击定位高度为400m可得出不同高度避雷针的保护区和散击区的地表半径见表1

表1避雷针的高度对其保护区和散击区的影响

避雷针高度

m

10 20 30 40 60 80 100 32 45 52 56 60 60 60 89 127 155 179 219 253 282

地面保护区半

径m 地面散击区半

径m

我国旧式民房一般高度在10m以下避雷带和避雷网的高度与房高相同安装的短针防雷其高度为1-2m它们引起的散击现象不明显高耸建筑物和高架避雷针引雷招致雷击率增高和存在散击区我国防雷学者历来不主张用高架避雷针保护建筑物主张用屋顶短针和避雷带防雷就是考虑了既能发挥它的引雷作用又避免增加散雷区试装消雷器的运行结果表明它不能消雷而且增大了雷击率所以许多部门拆除了这些消雷器

二避雷针保护范围的模拟实验研究

1单支避雷针的模拟实验[5]

自从富兰克林证明大气闪电与脉冲放电是同一种现象以后人们就开始了雷电模拟的实验研究长间隙放电试验表明脉冲放电电压与其放电路径都具有统计特性人们用针做上部电极代表雷电先导端部用金属板做下部电极代表大地实验中放电击中的地面部位经常变化即使针对针的放电其放电闪光的弧道也经常不同自然雷电与模拟雷电的放电结果都是统计性的例如一根避雷针的驳回范围的大小与其保护率有关要使保护率高其保护范围就小如果使保护率降低其保护范围就增大在工程上一般认为取保护率为99%就可以了即发生100次雷击时要使99次雷闪击中避雷针允许有1次击在被保护物上这是出于防雷工程的经济性和可靠性综合考虑确定的

防雷模拟实验通常在3—5m以下的放电间隙条件进行它比实际自然落地闪电短得多实验时按假定的雷雨云定位高度和先导放电的位置放置上部电极然后按几何比例缩小建筑物模型和避雷针模型的尺寸这种实验方法实际上是几何模拟不是严格的物理模拟所以这些实验结果没有绝对的定量意义它必须与雷击事故统计资料相对照才能得到较为确切的定量评价模拟实验的意义在于它能在比较短的时间内得出雷击的规律性给出相对的定量数据

从上世纪三十年代到五十年代世界的防雷学者做了大量避雷针防雷的模拟实验地面上用长针代表避雷针短针代表被保护物另一电极悬挂在一定高度一般取避雷针高的5—10倍模拟雷电先导的断头用直流标准波或操作波的高电压的设备进行放电实验并统计在不同条件下避雷针与被保护物的雷击次数实验表明用正极性先导尖放电得出的保护范围小于负极性先导尖放电得到的保护范围为了使结果更为严格实验采用正极性放电

模拟实验的设计即雷击率的计算和实验过程的安排因学者不同很大差异如美国C.F.瓦格聂尔Wagner等人取在一定针避雷针物被保护针尺寸

5

比例的条件下移动上部电极依次进行固定次数的雷击放电记录各位置上的雷击针与物的次数并絵成图取雷击被保护物次数的面积与雷击二针的总次数相比作为雷击率即绕击率见图6

a 避雷针的模拟试验

h—避雷针高度hx—被保护物高度H—假想雷击高度

123—雷电先导的位置

上部电极移动位置 X

b 试验数据统计示意图

1--击针次数2—击被保护物次数

注在针物相对尺寸hx/h和相对距离r/h固定的情况下按图中曲线12下面的面积S1和

S2计算雷击率不计对地放电次数公式为 雷击率 = S2/S1+S2

图6

变动上部电极位置的实验过程及取实验值的方法

6

而前苏联的A.A.阿柯平等人则将上部电极固定在针地各50%放电位置上然后再布置被保护针并记录各种针物相对尺寸和位置的雷击次数如图7所示取雷击被保护物的雷击次数与雷击二针的总次数相比为雷击率

图7

注

固定上部电极法实验布置示意图

计算中不计对地放电次数

雷击率 = 击中被保护针次数标 / 击中二针次数之和

取一定的雷击率例如1%图8

整理实验结果则可以绘出避雷针的保护范围

见

图8单支避雷针的保护范围模拟实验曲线

注图中曲线1和2是美国C.F.瓦格聂尔等人的实验曲线曲线1的雷击率为1%曲线2的雷击率为0.1%曲线3和4是苏联A.A.阿柯平的实验曲线曲线3是避雷针高为30m的

7

保护范围曲线4是避雷针高为60m时的保护范围折线5系我国电力系统防雷规范DL/T 620--1997规定的避雷针保护范围

这些实验结果都是相对的由于影响雷电放电的因素很多不同学者的实验方法不同统计方法模拟雷云电极电压波形放电针的位置等等都不一样实验室模拟实验的结果不能与自然雷电完全一致所以除模拟实验以外还需要与雷击事故统计资料进行比较加以校正和证实我国电力系统大量避雷针4万针年和多年4千所年运行经验表明折线形的避雷针保护范围的规定是可靠的其绕击率为0.5%笔者在北京收集自1954年以来的建筑物雷击事故雷击点均在折线保护范围以外有两次事故发生在折线法的边缘处折线法避雷针保护范围的规定符合LPM理论和构筑物的防雷的需要所以仍被电力系统的防雷规范所采用高度30m以下的避雷针按滚球法计算的保护范围与按折线法计算的结果是相同或相近的高度30m以上的避雷针按滚球法计算的保护范围与按折线法计算的结果比较则滚球法偏于保守其计算的保护范围偏小

2消雷器的模拟实验[59]

图9为半导体消雷器保护范围的模拟试验布置图此试验模拟比取1/500消雷器高度取50m雷雨云定位高度为500m试验采用直流电压云板为负极性云板下方的接地铝板上铺一层白纸来记录雷击点

图9消雷器的雷击模拟试验布置图[9]

1

雷雨云板

3.4

2.4m2

H = 1m2—先导头10—25cm

3--消雷器模型

高h

试验是在上电极先导尖对地放电次数与对消雷器模型放电次数基本相等的条件下进行的即图9中先导尖的设置预先就取定在对消雷器模型和地面的放电次数各约一半的位置上单支消雷器雷击模拟试验的条件模型塔高h = 10cm放电总次数为161次其中对地放电83次对模型塔放电78次试验结果见图10

8

图10消雷器试验击地次数的分布图[5]

注本图是按文[9]的试验整理数据试验击地次数的分布图

直接按点分布求得消雷器绕击率

反推

所还原出该

请读者将图10与图2图3比较可知这个试验乃是避雷针的引雷空域的实验图10中的对地放电次数乃是对地散击的次数文[9]把它误认为是绕击这是不对的因为试验中并无被保护物针的模型他们处理试验的概念有错误计算方法也不合理对地放电点的分布呈现一定的散度是大气放电的一种特性怎么能按其计算绕击率呢在图10击点50cm处文[9]给出的绕击率为0.66%把对地散击当作绕击从而错误地提出消雷器具有5倍于塔高约800角的保护范围

由前面我们讲述的避雷针保护原理和实验可以看出避雷针包括消雷器的引雷空域和保护范围是两个不同的概念前者是闪电弧道可能分部的空间它在高空后者是避雷针能有效地屏蔽被保护物免于遭受雷击的空间它是避雷针四周一定高度和半径内的低空它们的空间位置不同大小不同作用不同因此是不能混淆的

3双支避雷针的模拟实验[67]

双支避雷针的模拟实验资料很少但是很重要因为它决定着多支避雷针的保护范围的制定图11是双支避雷针模拟实验得到的几种不同的试验曲线

9

图11几种双支避雷针模拟雷击实验结果[6]

曲线1是苏联科学院动力研究所推荐的高60m以下的保护范围关系曲线

曲线2和2'是美国C.F.瓦格聂尔等人的实验曲线曲线2保护范围内雷击率为0.1%曲线2'保护范围内雷击率为1%

曲线3是苏联A.A.阿柯平的实验曲线

曲线4是苏联1951年过电压保护导则的规定也是我国电力系统防雷规范的依据 注

图11中的第4条曲线是最保守的曲线它就是我国电力系统防雷规范的依据按此模型实验表明避雷针具有某种100% 雷击区图12a在该范围内雷电先导总是向避雷针发展在雷电定向高度上此范围的半径rx约等于3.5ha 此处ha为避雷针的有效高度

10

避雷针的100%雷击区[7]

如果在距离s = 7ha处安装第二支等高的避雷针则两支避雷针的100% 雷击区在H高度相切如此两支避雷针的保护范围将扩大许多距离s = 7ha乃是两个100% 雷击区尚可在H高度相切的极限条件为了消除从位于Y-Y轴上距X-X轴有某些距离的各点发生雷击放电的可能性必须将两支避雷针移近如图12b所示据此可以实验确定两支避雷针间的保护范围这范围的轮廓见图13其计算曲线和公式见我国电力系统防雷规范DL/T 620--1997规定的避雷针保护范

图12

11

围

图13等高双支避雷针的保护范围[7]

该规范规定两支避雷针间的距离与针高之比s / h不宜大于5这就保证了图11曲线4不会超出合理的实验数值范围

我国建筑物防雷设计规范GB 50057-94以下简称规范规定的双支等高避雷针的保护范围是按纯几何模型推算出来的即它的滚球半径要与双针的顶部相切而球的突出部分要深切双针的中部它完全没有考虑两支避雷针互相屏蔽的效应它是过于严格和保守的当针高30m时其s / h之值小于3.46当针高60m时其s / h之值小于2按滚球法计算的双针和多针的保护范围将是很小的这个问题暴露在规范第3.5.5条为了纠正滚球法得出的保护范围过小的问题规范第3.5.5条竟将一类防雷建筑物用的滚球半径放大到100m

三对各种避雷针保护范围的评论

1应用避雷针保护范围要注重物理概念的明了不要把规范中的计算方法绝对化

避雷针能否截击闪电关键在于针与物的电场强度的对比度和闪电袭来的方位笔者在书[8]中比较详细地介绍了R.H.哥路德关于闪电发展过程的描述以及避雷针接闪作用与雷电流幅值的关系自然界雷电流的幅值是统计性的所以避雷针的保护作用也是统计性的也就是说避雷针的保护作用在大多数强雷击时是有效的但在弱雷击时可能失效这种保护失败的现象称为绕击哥路德推出避雷针的高度和其保护效果的关系如图13所示

r/h

避雷针高度及其保护效果[8]

图13中的横坐标是避雷针地面上的保护半径r与避雷针高度h的比值纵坐标

12

图13

是避雷针的保护率即避雷针的落雷几率图中曲线显示避雷针的保护范围不是与其高度成正比例增大的长针的保护范围比短针的保护范围相对地要缩小或者说长针的保护率比短针的保护率要小

不论是理论的还是实验的避雷针保护范围的模拟研究成果都是有局限性的它们都是统计意义上的结果而不是绝对准确的论断避雷针保护范围不是绝对的精确的规定有人把有关公式做成计算机软件这对设计师来说有计算方便的好处但是它带来一个负面影响就是把这些公式绝对化了一方面有了折线法与滚球法之争另一方面有人误用了滚球法

先谈谈误用滚球法的情况图5说明避雷针的上部有一段侧击区在这个区间内避雷针的保护作用是不确定的比如说烟囱的防雷烟囱上周边都可能遭到雷击为了安全人们在其上部周边上安装避雷带或者安装对称的两支短针而不宜安装较长的单支避雷针尽管它按滚球法算也符合规定屋顶上的天线的防雷也应注意到这一点滚球法有一项潜在的假设就是假定建筑物自身是能够接闪的这一点许多人往往日用而没有注意到因此就产生了应用滚球法的局限性把滚球法用在建筑物上滚必须在建筑物的周边上装有避雷带或者建筑物是金属结构的

2不要按一种模式规定避雷针的保护范围要按被保护物的类型来选用避 雷针的保护范围

避雷针保护范围折线法与滚球法之争由来已久我们要冷静地讨论它把道理讲明白滚球法避雷针保护范围是按纯几何原理分析而成没有考虑多针互相间电场屏蔽的作用它的双针和多针的保护范围过于保守已经达到工程上无法合理运用的程度规范第3.5.5条将一类防雷建筑物用的避雷针保护范围的滚球半径放大到100m这实在是迫于无奈然而这又有悖于建筑物防雷分类的规定它违背了风险控制原则须知IEC建筑物防雷规范中一类防雷建筑物用的避雷针的保护范围的滚球半径是20m电力系统防雷规范不采纳滚球法避雷针保护范围就是这个道理所以笔者认为一类防雷建筑物应该仍用折线法的避雷针的保护范围来规范图11中曲线4是该图中比较保守的一条规定按它制定的双针和多针保护范围经过长期的运行经验证明它们是安全可靠的折线法的避雷针保护范围是从地面算起的即不论絵图还是计算都要以地面为参考面而不能以屋顶为参考面这一点工程设计人员要明白

四结论

1建筑物房屋防雷适于采用滚球法作避雷针保护范围它有物理图象清楚直观性好的优点即可靠又便于应用

2构筑物结构物防雷适于采用折线法作避雷针保护范围它具有保护可靠性和工程合理性的优点并有长期丰富的运行经验

3采用两种避雷针保护范围不会造成规范的混乱因为它们适用于不同类

型的建筑结构还能显示应用避雷针保护范围规定的特殊性

参考文献

[1] И.С.СТЕКЛЬНИКОВФИЗИКА МОЛНИИ И ГРОЗОЗАЩИТА1943年第199页 [2] 日宫本庆己雷及避雷东京昭和十六年九月第60—84页 [3] 马宏达确定避雷针线保护范围的滚球法建筑电气1990年第2期

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第6—10页

[4] 钱冠军王晓瑜避雷针保护范围及其物理模型建筑电气19974

0

[5] 马宏达评半导体消雷器80保护角的理论实验及运行接闪经验—半导体消雷器应该做验证试验电网技术1997年第1期第34页 [6] И.С.斯捷柯里尼柯夫工业结构物和房屋的防雷保护廖传善等译建筑工程出版社1958年

[7] А.И.多尔根诺夫电力设备的防雷保护王文瑞等译电力工业出版社1957年

[8] 王时煦马宏达陈首新建筑物防雷设计中国建筑工业出版社1980年9月第49—54页

[9] 钟连宏陈慈萱半导体消雷器保护范围的试验研究电力技术19927

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