1、再析避雷針的保護(hù)范圍中國(guó)科學(xué)院電工研究所  馬宏達(dá)   摘要  本文討論了避雷針的感應(yīng)靜電場(chǎng)控制原理，說(shuō)明了避雷針應(yīng)用的環(huán)境性，提出了對(duì)避雷針（接閃器）的選擇和設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議。關(guān)鍵詞  避雷針  接閃器  建筑物防雷         筆者在“避雷針保護(hù)范圍的理論與實(shí)驗(yàn)”1一文中介紹了避雷針保護(hù)范圍的主要?dú)v史資料，本文重要從物理學(xué)的角度，也就是從感應(yīng)靜電場(chǎng)控制的角度討論這個(gè)問(wèn)題?？晒┓览坠ぷ髡邊⒖迹缬兄囌`之處歡迎同行和讀者批評(píng)指正。  1  避雷

2、針是引雷針1.1為避雷針正名避雷針實(shí)際上是引雷針，它的保護(hù)作用是攔截閃電打在自己身上，從而使建筑物避免遭受直接雷擊，它把雷電的能量沿著引下線安全地導(dǎo)入地中；它不能阻止雷電的行進(jìn)，也不能消除雷電?，F(xiàn)在只有中國(guó)和日本仍然使用“避雷針”這個(gè)名詞；英國(guó)和美國(guó)都把它稱為“導(dǎo)電針”；俄國(guó)稱它為“接閃器”等等。由于我們祖先用的是象形文字系統(tǒng)，望文生義是我們的習(xí)慣，為了避免誤解“避雷針”的保護(hù)原理，有人提出“要為避雷針正名”的建議。在防雷學(xué)科本科的教科書(shū)高電壓工程學(xué)中，接受直接雷擊的防雷裝置稱為接閃器，避雷針是接閃器的一種，是棒形的；接閃器的形式還包括：避雷帶、避雷網(wǎng)和法拉第籠（金屬箱體和罐體）等。2.2擊選

3、擇性原理接閃器是按照雷擊選擇性原理設(shè)計(jì)的。雷電先導(dǎo)放電的路徑服從于統(tǒng)計(jì)規(guī)律，在所有可能放電的方向中，最主要的方向決定于最大電場(chǎng)強(qiáng)度。雷雨云中的電荷積集到一定密度，首先從云中某處產(chǎn)生空氣的電離而形成下行先導(dǎo)流注，高空先導(dǎo)流注放電的方向是隨機(jī)的，不受地面物體的影響。雷雨云下面的地面和地物受雷云電荷的靜電感應(yīng)，產(chǎn)生出與雷電異號(hào)的電荷，并使各地物表面的電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)。當(dāng)下行先導(dǎo)流注發(fā)展到某種高度，即所謂雷電定位高度H1處時(shí)，大氣電場(chǎng)開(kāi)始被地物感應(yīng)電場(chǎng)所歪曲，雷電先導(dǎo)向歪曲后的最大電場(chǎng)強(qiáng)度方向發(fā)展。當(dāng)下行先導(dǎo)流注行進(jìn)到雷擊高度H2后，某一個(gè)或幾個(gè)地物表面電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到了擊穿空氣的數(shù)值，該地物就會(huì)產(chǎn)生迎面先導(dǎo)

4、流注，它向上發(fā)展與下行先導(dǎo)流注匯合，然后就產(chǎn)生強(qiáng)烈的主放電，該地物就遭到了雷擊。正如文2所指出的，在這一過(guò)程中，地物表面的電場(chǎng)強(qiáng)度表征了該地物某處遭受雷擊危險(xiǎn)性的大小。文2給出了幾種典型建筑物的形式及其表面電場(chǎng)強(qiáng)度的分布計(jì)算圖，它表明建筑物邊緣的棱角處電場(chǎng)強(qiáng)度比平面處電場(chǎng)強(qiáng)度大了2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，所以那些棱角處的雷擊危險(xiǎn)性最高，這就是截?fù)糸W電的物理根據(jù)。在1958-1960年我們進(jìn)行了多種民用房屋的雷擊模擬實(shí)驗(yàn)，最初提出“民用建筑簡(jiǎn)化防雷方式研究”的報(bào)告3、4，后來(lái)，為了與避雷針保護(hù)規(guī)范區(qū)別，改名為“建筑物防雷重點(diǎn)保護(hù)方式”5。這些報(bào)告與王時(shí)煦先生發(fā)現(xiàn)的北京市建筑物雷擊部位統(tǒng)計(jì)規(guī)律一致，這些規(guī)律

5、已經(jīng)寫入GB50057-94建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范附錄二中，見(jiàn)圖1。圖1  建筑物易受雷擊的部位注：平屋頂或坡度不大于1/10的屋面雷擊多發(fā)生在檐角，女兒墻和屋檐處，（a）和（b）；屋面坡度大于1/10但小于1/2者雷擊多發(fā)生在屋角，屋脊，檐角和屋檐處，（c）；屋面坡度不小于1/2的，雷擊多發(fā)生在屋角，屋脊和檐角處，（d）；對(duì)圖1（c）和（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(hù)范圍內(nèi)時(shí)屋檐上可不設(shè)避雷帶。上述避雷帶設(shè)計(jì)的建議在防雷工程中應(yīng)用，經(jīng)過(guò)四十余年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明防雷效果明顯可靠?，F(xiàn)在文2的分析又給了我們理論上的充分根據(jù)。1.3控制論在電場(chǎng)理論中的應(yīng)用在房屋屋頂?shù)闹?/p>

6、邊處敷設(shè)避雷帶和避雷網(wǎng)的做法是由麥克斯韋（Maxwell）于1856年提出的，在德國(guó)的防雷規(guī)范中早有規(guī)定，在我國(guó)倡議推廣的是王時(shí)煦先生。從現(xiàn)代系統(tǒng)工程論的哲學(xué)思想來(lái)說(shuō)這是感應(yīng)靜電場(chǎng)控制在防雷技術(shù)中的應(yīng)用。避雷針?lè)览讘?yīng)用的也是感應(yīng)靜電場(chǎng)控制的原理，它是在房屋的附近或頂部樹(shù)立避雷針，在雷雨時(shí)避雷針的上端形成超強(qiáng)感應(yīng)靜電電場(chǎng)，從而掩蓋了屋頂?shù)母袘?yīng)靜電電場(chǎng)，使閃電向避雷針發(fā)展和放電，不再對(duì)屋頂放電。我國(guó)確定避雷針保護(hù)范圍的方法有兩種：一種是折線法，用于電力系統(tǒng)的防雷；一種是滾球法，用于建筑物防雷。這兩種避雷針保護(hù)范圍的設(shè)計(jì)方法各有其使用條件，它們都是工程設(shè)計(jì)規(guī)定，都是科學(xué)的；問(wèn)題是設(shè)計(jì)人員要掌握它們的

7、使用條件。  2  球法是幾何模擬法2.1避雷針保護(hù)范圍的滾球法古已有之避雷針保護(hù)范圍的滾球法，又稱擊距法，是1938年由施瓦格首先提出的，他的理論基于以下假設(shè)：“避雷針和避雷線的保護(hù)范圍相同，都是按照它們與雷電先導(dǎo)之間的距離判定的，即在所有電壓形式（交流、直流和脈沖波形），所有火花放電間隙形狀下，其放電電壓與擊穿距離都是線性的關(guān)系；電極形狀對(duì)擊穿電壓沒(méi)有影響，都可按照雙針間隙的放電規(guī)律估算，這些規(guī)律是從小到大線性地增長(zhǎng)的”。學(xué)過(guò)高電壓工程學(xué)的人都知道，施瓦格的假設(shè)是片面的，不充分的，不能絕對(duì)地看待它。兩個(gè)間隙之間的放電電壓主要決定于他們之間的距離；但是還與間隙的形狀、電壓

8、形式。以及距離的大小等都有關(guān)系，要區(qū)別不同情況分別對(duì)待6。尤其是長(zhǎng)間隙放電與短間隙放電的規(guī)律不同，放電電壓和間隙之間的距離不是線性關(guān)系，雷電放電是長(zhǎng)間隙放電，時(shí)有異常放電現(xiàn)象發(fā)生。雷電現(xiàn)象的規(guī)律不是函數(shù)相關(guān)；而是統(tǒng)計(jì)相關(guān)。雷電流幅值與雷擊距離也是統(tǒng)計(jì)相關(guān)，不是函數(shù)相關(guān)。所以避雷針的保護(hù)范圍的各種計(jì)算方法都不是函數(shù)相關(guān)，而是統(tǒng)計(jì)相關(guān)。對(duì)于防雷設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，這是什么意思呢？就是設(shè)計(jì)人員不能絕對(duì)地看待避雷針保護(hù)范圍的計(jì)算公式，在處理統(tǒng)計(jì)相關(guān)的現(xiàn)象時(shí)，設(shè)計(jì)人員不僅要知道計(jì)算方法，還必須對(duì)這種高電壓現(xiàn)象有比較全面地了解，即對(duì)其物理概念要清楚，要有高電壓工程學(xué)的基礎(chǔ)，下面筆者將舉例說(shuō)明。  表1

9、  滾球法與折線法比較簡(jiǎn)表比較項(xiàng)目 滾球法（幾何模擬法） 折線法（放電模擬法） 理論依據(jù) 以放電距離為準(zhǔn)（擊距法）。 以實(shí)驗(yàn)室放電模擬為準(zhǔn)，兼顧運(yùn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果。 雷電先導(dǎo)高度 以擊穿高度為準(zhǔn)H2，H2 = 20m，30m，45m，60m。 以定位高度為準(zhǔn)H1， H1 = 300m，450m。 保護(hù)范圍比較 較嚴(yán)格，此理論有片面性。 運(yùn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果安全可靠。 多針保護(hù)范圍公式 不符合實(shí)際，工程上難于應(yīng)用。 工程安全可靠性已經(jīng)達(dá)標(biāo)。 存在問(wèn)題 其避雷線的保護(hù)范圍和保護(hù)率的估算值與實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)差別很大。 有雙針中部保護(hù)寬度超過(guò)避雷針底部保護(hù)寬度的情況。 表1說(shuō)明滾球法與折線法都有科學(xué)理論依

10、據(jù)，但是又都有不符合實(shí)際的問(wèn)題。我們的首要目標(biāo)是解決現(xiàn)實(shí)的防雷工程設(shè)計(jì)的問(wèn)題，理論完善還要進(jìn)行大量的研究與實(shí)驗(yàn)工作。2.2滾球法的正確應(yīng)用在于滾當(dāng)年林維勇先生選用滾球法為建筑物避雷針保護(hù)范圍時(shí)我們并沒(méi)有提出異議。因?yàn)楝F(xiàn)代建筑物多數(shù)是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的，它們本身具有一定的抗雷擊的能力，如果在其頂部敷設(shè)避雷帶或避雷網(wǎng)，選用滾球法設(shè)計(jì)其防雷裝置就更合理。沒(méi)有必要統(tǒng)一按折線法計(jì)算。筆者在文1曾介紹過(guò)避雷針的引雷空域和保護(hù)范圍，見(jiàn)圖2。圖2  避雷針的引雷空域和保護(hù)范圍圖2表明在避雷針的上部有一段KL部分處于引雷空域之中，這部分空間中都可能遭受雷擊，不論針、線在此空間中都沒(méi)有保護(hù)效果。莫斯科市5

11、37m高的電視塔的200m和300m處曾遭受到雷擊；北京市故宮神武門（后門）城樓房角（獸頭）避雷針的多處留有雷擊的斑痕，這些事例證明這一理論是客觀存在的。大樓的頂部也有這樣的引雷空域，在此引雷空域中只能用擊距法（滾球法）判定雷擊點(diǎn)和屋頂避雷針的保護(hù)范圍。中國(guó)防雷雜志曾刊登了一張寶貴的雷擊照片，見(jiàn)圖3。圖3  大樓頂部的雷擊照片此照片說(shuō)明在高層建筑物的頂部發(fā)生雷電側(cè)擊和對(duì)頂部突出物的多點(diǎn)閃擊的情況，這樣的大樓的頂部棱角處裝有接閃器可以直接接受閃電，所以我們可以用滾球法做防雷設(shè)計(jì)。避雷針不是避雷，而是引雷；滾球半徑不是保護(hù)范圍，而是攔截距離；避雷針的上部是引雷空域，下部才是保護(hù)范圍；在引

12、雷空域內(nèi)沒(méi)有保護(hù)范圍，而有攔截距離；在保護(hù)范圍以內(nèi)沒(méi)有攔截距離。嚴(yán)格地說(shuō)，滾球法中的滾球半徑?jīng)]有保護(hù)范圍的意思，而是避雷帶和避雷網(wǎng)的最小截?fù)艟嚯x。請(qǐng)注意，避雷帶和避雷網(wǎng)在強(qiáng)雷擊時(shí)截?fù)糸W電的能力有余；而對(duì)弱雷擊的截?fù)裟芰赡懿蛔?，容易發(fā)生遺漏弱雷擊到建筑物的情況。所以有20m、30m、45m和60m相對(duì)應(yīng)的不同“保護(hù)幾率”的標(biāo)準(zhǔn)。我們?cè)谖?中已經(jīng)分析過(guò)，在避雷針的上部空間是它的引雷空域，不是保護(hù)范圍，避雷針的保護(hù)范圍在它的下部空間中。在樓頂?shù)目臻g中沒(méi)有保護(hù)范圍，有的是雷擊危險(xiǎn)距離，即所謂的“滾球半徑”。為了工程技術(shù)人員便于掌握，我們?nèi)杂谩皾L球法保護(hù)范圍”的提法，不想這又造成概念上的混亂。2.3G

13、B 50057-94建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范中的多針計(jì)算公式不符合實(shí)際，應(yīng)該刪除IEC防雷規(guī)范中沒(méi)有規(guī)定多支避雷針保護(hù)范圍的公式，只規(guī)定了滾球的方法，我們認(rèn)為是有道理的。因?yàn)榈谝活惤ㄖ锏慕Y(jié)構(gòu)不允許直接接受閃電者不能用滾球法。滾球法多針保護(hù)范圍公式的有關(guān)規(guī)定是我國(guó)建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范的創(chuàng)造，它是由幾何模擬法和疊加法聯(lián)合推導(dǎo)出的結(jié)果，它沒(méi)有考慮多針相互屏蔽的效果，它估算保護(hù)率的統(tǒng)計(jì)方法不對(duì)，它不是物理意義上的模擬，即它不符合自然界的實(shí)際情況。折線法保護(hù)范圍是根據(jù)以雷電定位高度H1為基準(zhǔn)進(jìn)行雷擊模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果制定的，折線法得出的多針保護(hù)范圍比較滾球法的寬松許多。電力系統(tǒng)運(yùn)用折線法多針保護(hù)范圍設(shè)計(jì)的防雷工程

14、運(yùn)行安全程度已經(jīng)達(dá)到要求。根據(jù)我國(guó)電力系統(tǒng)運(yùn)行的統(tǒng)計(jì)4272所變電站的避雷針（線）運(yùn)行的事故率低于0.1%7，說(shuō)明折線法的避雷針保護(hù)范圍規(guī)定是可以接受的，它一直沿用至今，沒(méi)有必要改變，否則將造成混亂和浪費(fèi)。相比之下滾球法的多針保護(hù)范圍不符合實(shí)際，以至規(guī)范不得不規(guī)定第條把獨(dú)立避雷針和架空避雷線保護(hù)范圍的滾球半徑hr放大到100m。這種隨意放大滾球半徑的做法與雷電風(fēng)險(xiǎn)分析的原則相悖，是不合邏輯的。如果我們教條式地按照滾球法的多針保護(hù)范圍公式去設(shè)計(jì)，必然要增加避雷針的高度，其結(jié)果是增加避雷針的引雷能力。高架避雷針的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，它將招致雷擊率增加。滾球法避雷針保護(hù)范圍不應(yīng)該用在不允許直接接受閃電的第

15、一類建筑物結(jié)構(gòu)上。這種情況下應(yīng)該用折線法估算避雷針的保護(hù)范圍。我們研究避雷針保護(hù)范圍的目的是為了解決現(xiàn)實(shí)的防雷工程，要考慮防雷技術(shù)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性，在安全可靠性達(dá)到要求的情況下，還要有經(jīng)濟(jì)性和可實(shí)現(xiàn)性的觀點(diǎn)，所以我們認(rèn)為規(guī)范中多支避雷針保護(hù)范圍的計(jì)算公式應(yīng)該刪除，保留其他滾球法的有關(guān)規(guī)定，即仍然按IEC防雷規(guī)范的原文條款去做。  3  避雷針應(yīng)用的環(huán)境性3.1避雷針適合用于平原地區(qū)矮小建筑物的防雷經(jīng)驗(yàn)表明，在開(kāi)闊的平原地區(qū)矮小建筑物（群）采用避雷針?lè)览资羌夹g(shù)經(jīng)濟(jì)合理的，變電站的防雷如此，火工品的廠房和儲(chǔ)備庫(kù)如此，危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)也是如此。這些建筑群的多支避雷針高出建筑物有幾米

16、或十幾米，建筑物的高度都低于避雷針的引雷空域，所以人們無(wú)須擔(dān)心其防雷安全性。這些避雷針應(yīng)該用折線法判定其保護(hù)范圍。3.2山區(qū)建筑物不宜用避雷針?lè)览自诶子暝频陀谏筋^的坡地上往往產(chǎn)生側(cè)向雷擊，此處的建筑物應(yīng)該用避雷帶和避雷網(wǎng)防雷，譬如安徽黃山氣象臺(tái)，那里的雷擊多發(fā)生在屋頂上的金屬護(hù)欄處，屋頂上保護(hù)氣象測(cè)量設(shè)備的避雷針卻很少截?fù)糸W電。像這樣的地理情況，建筑物的防雷就不宜采用避雷針?lè)览住?.3高層建筑物不宜用避雷針?lè)览赘呒鼙芾揍樀谋Ｗo(hù)效果比較低高度避雷針的保護(hù)效果差。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(duì)針桿的側(cè)擊區(qū)。有人說(shuō)：“避雷針高度在120m以上時(shí)，其折線法的保護(hù)范圍是無(wú)效的”，我

17、們說(shuō)：“對(duì)！按規(guī)范避雷針高度在60m以上時(shí)，其滾球法的保護(hù)范圍就已經(jīng)是無(wú)效的了”。高架避雷針的引雷能力強(qiáng)，當(dāng)側(cè)方襲擊來(lái)的下行雷電先導(dǎo)被避雷針引近而未能在針端接閃時(shí)，會(huì)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，該地面稱為雷電散擊區(qū)。莫斯科市有一座537m高的電視塔，在離塔水平距離150m的地面曾遭受到雷擊，在其周圍1.5km內(nèi)的地面落雷率比莫斯科市平均落雷率高2.5- 4倍，這種高架電視塔（避雷針）使其附近地區(qū)的房屋增大了雷擊的危險(xiǎn)程度。所以，我們不推薦在城鄉(xiāng)的建筑物中架設(shè)避雷針保護(hù)，這些建筑物應(yīng)該盡量采用避雷帶和避雷網(wǎng)防雷，只有天線和局部突出物用短針?lè)览住SE避雷針的宣傳資料稱它能夠擴(kuò)大雷擊距離，這一說(shuō)法沒(méi)有被國(guó)際防雷學(xué)術(shù)界認(rèn)可，它所謂“提前接閃”的性能是否有利于建筑物防雷，即是否引來(lái)更多的雷電，是否增加雷擊的頻度，這些都是不明確的問(wèn)題。鋼筋混凝土建筑物的鋼筋網(wǎng)就是避雷網(wǎng)，設(shè)計(jì)師預(yù)防地震的危險(xiǎn)對(duì)其內(nèi)部主筋結(jié)構(gòu)提出焊接要求，使它具有良好的防雷性能。雷擊時(shí)為了不損壞建筑物屋面，人們要求在屋面棱角處敷設(shè)明裝避雷帶和避雷網(wǎng)，這種建筑物上無(wú)須安裝避雷針。高層建筑物無(wú)須安裝避雷針（不宜安裝