【防雷知识讲义】关于避雷针的保护范围.docVIP

关于避雷针的保护范围 早期科学家是用观测法和几何法来确定避雷针的保护范围的。1777年5月15日，伦敦附近普夫里特镇的一座火药库因雷击而轻微受损。该库的避雷针是由包括富兰克林在内的一个委员会设计的。在出事之后却发现防雷装置完好无缺。避雷针的保护比d/h小于1.63。这似乎是第一次观察到避雷针保护效能的局限性。直到1855年，避雷针的各种保护比值变化于0.125～9.0之间。用几何方法来解决保护区的问题基于这样一种概念：闪电进展到某一点时，如该处的避雷针构成了一个入地的最短通道，则雷电将优先打在避雷针上而不打在地面上。从多高距离上可以发生这种雷击的问题用几何的办法算出。根据几何法得到的避雷针的保护范围被普遍接受的是“避雷针的保护范围是一个圆锥形空间，其高等于避雷针的长度，其底面为半径等于针高的圆，其边长等于以针高为半径的圆周的四分之一。” 实验科学的发展为避雷针保护范围的研究工作起到了事半功倍的作用。早期科学家在实验室通过把接地的棒形电极放在组成长间隙的另一电极之下，看棒的底部周围哪些面积不受雷击的方法，来探求避雷针的吸引作用。在实验室通过模拟试验并结合运行经验，人们得到了避雷针的折线法保护范围。这种避雷针保护范围的计算方法现在依然在采用。但由于雷电路径会受到很多偶然因素的影响，因此要保证被保护设备绝对不受雷击是不现实的，一般保护范围是指具有0.1%左右雷击概率的空间范围而言，此雷击概率是可以接受的。 由于折线法保护范围不能很好地解释雷电侧击现象，所以现在很多标准中给出避雷针的保护范围计算方法是滚球法。滚球法就是以hr为半径的一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物），或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护。其中定义hr为滚球半径，即雷电先导每段发展的平均长度，雷电流幅值越高、每段先导发展的平均距离越长。第一类防雷建筑物的滚球半径是30m，对应的雷电流幅值为5.7 KA；第二类防雷建筑物的滚球半径是45m，对应的雷电流幅值为10.5 KA；第三类防雷建筑物的滚球半径是60m，对应的雷电流幅值为16.1KA。其含义是：对于第一类防雷建筑物雷电流幅值超过5.7 KA、先导平均距离超过30 m的雷都能得到避雷针的拦截，雷不直击在建筑物上；对于第二类防雷建筑物雷电流幅值超过10.5 KA、先导平均距离超过45 m的雷都能得到避雷针的拦截，雷不直击在建筑物上；对于第三类防雷建筑物雷电流幅值超过16.1KA、先导平均距离超过60 m的雷都能得到避雷针的拦截，雷不直击在建筑物上。但雷电流幅值低于上述值的雷可能直击建筑物。 雷电发生侧击的情况很多。例如：某工厂有一个50m高的烟囱，烟囱上面设置了避雷针，在烟囱的下面停放一台5m高的吊车，在一个雷雨天有雷绕过烟囱上的避雷针直击于吊车上。再例如一些雷电没有击在高层建筑物上面架设的避雷针上，而是击在建筑物的窗户等地方。 其原因在于雷电放电是一种冲击电压作用下的气体间隙放电现象，所以它应满足伏秒特性曲线，即在同一个雷电先导的作用下，主放电定位在那一点上，应取决于其放电所需时间，原理同气体放电管。雷电先导是分段发展的，每次发展的长度为50米左右，先导最后一次停顿后发展成主放电。当雷电先导是从建筑物侧面发展过来的，如果先导最后一次停顿下来时，距离楼顶避雷针的距离L1远大于先导与被击点（如建筑物侧面或大地）之间距离，那么由于气体间隙L2和L3击穿所需电压远低于气体间隙L1击穿所需电压，雷电先导不会舍近求远再选择避雷针进行主放电，而是选择建筑物侧面或地面进行主放电，即发生侧击。 通常负极性雷的临界击穿强度为500kV/m，而罕见的正极性雷的临界击穿强度为300kV/m。雷电的闪击距离比雷电通道的长度要短得多，同时闪击距离也不是一个常数，而是雷电流幅值的函数。因此，对于弱的雷击，避雷针的吸引作用可能太小以至不能保护靠近避雷针的某点，甚至就连垂直避雷针顶端下面的某点也保护不了。