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