可控放电避雷针的电场计算
第30卷增刊电网技术Vol. 30 Supplement 2006年8月Power System T echnology Aug. 2006 文章编号：1000-3673（2006）S1-0136-02 中图分类号：TM865 文献标识码：A 学科代码：470⋅4037
可控放电避雷针的电场计算
李家源，文习山
（武汉大学电气工程学院，湖北省武汉市434000）
Calculation of Electric Field for Controllable Lightning Rod
LI Jia-yuan，WEN Xi-shan
（School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 434000，Hubei Province，China）
4个主要元件组成，其工作原理如下：
摘要：可控放电避雷针是目前应用得比较广泛的一种防雷装
置，它既能防止反击，又能防止绕击的发生。
对可控放电避
雷针的工作原理进行了论述，运用理论公式计算了避雷针可
控放电时其针尖顶部电场的变化程度。
计算结果表明，可控
放电避雷针放电时顶部电场的增长倍数远大于传统的避雷
针，通过控制针顶部的电场来引发上行雷是可行的。
关键词：避雷针；上行雷；电场分析；高电压绝缘技术
0 引言
雷云对地面物体的放电有两种可能的形式：①
自雷云起始的向地面发展的先导引导的下行雷闪；
②从地面高耸的物体顶端开始向雷云发展的先导
引导的上行雷闪。
一般而言，对于下行雷闪，主放
电的过程自地面附近开始，电荷供应充分，因此放
电进行得比较快，放电电流幅值比较大，但放电持
续的时间比较短。
据雷电观测的结果，下行雷的放
电电流幅值平均值在30~44kA范围之内，电流上升
速度在24~40kA/µs范围之内，放电脉冲延续的时
间小于100µs。
对于上行雷闪，一般没有自上而下
的主放电，它的放电电流是由不断向上发展的先导
产生的，因此放电电流小，持续时间长。
即使有自
上而下的回击电流，它的幅值比起下行雷来也小得
多，因为从雷云中向主放电通道供应电荷比大地困
难得多。
对于上行雷，平均幅值一般小于7kA，电
流上升速度小于5kA/µs，放电持续的时间约数百分
之一秒至数十分之一秒[1-6]。
1 基本原理
可控放电避雷针是一种主动引发上行雷的避
雷装置，结构如图1所示，由针头、储能控制装置、
引下导体(或金属支架)及接地4部分组成。
针头部
分又由非线性电阻、金属圆环、针本体及绝缘支架
第30卷 增刊 电 网 技 术
137 等位线
等位线
(a)储能状态下的等电位分布 (b)准工作状态下的等电位线分布
图2 针头附近的电场
对于可控放电避雷针，它的工作过程类似于一
个旋转导体椭圆球突然被放入均匀电场(如图3所示)中，在它的长半轴的顶部，其电场强度为
3a 22()(artanh )c E E c c a a c =−−
式中：E a 为环境电场；c =a 、b 为旋 转椭圆球长、短轴。
避雷针保护范围及其计算
避雷针保护范围及其计算避雷针，又名防雷针，是用来保护建筑物、高大树木等避免雷击的装置。
当雷云放电接近地面时它使地面电场发生畸变。
在避雷针的顶端，形成局部电场集中的空间，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针放电，再通过接地引下线和接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击。
用折线法计算避雷针保护范围的方法：1、单支避雷针保护范围的计算2、双支等高避雷针保护范围的计算3、双支不等高避雷针保护范围的计算1、单支避雷针保护范围的计算hx平面上的保护范围避雷针在地面上的保护半径为r=1.5h o式中r――保护半径（米）；h――避雷针高度（米）。
在被保护物高度hx水平面上的保护半径为rx= （h-hx）p=hap ；式中rx—避雷针在hx水平面上的保护半径（米）；hx—被保护物的高度（米）；ha —避雷针的有效高度（米）；p――高度影响系数（考虑避雷针太高时，保护半径不按正比例增大的系数）0h< 30 米时，p=1 o2、双支等高避雷针保护范围的计算每支避雷针外侧的保护范围和单支避雷针的保护范围相同；两支避雷针中间的保护范围由通过两避雷针的顶点以及保护范围上部边缘的一最低点0作一圆弧来确定。
h0 :两避雷针之间保护范围上部边缘最低点的高度（m）D:避雷针之间距离hx:被保护物高度bx:宽度其中bx=1.5 (hO —hx)hO=h —D/7P当D>7ph 时，h0=0, bx=0 3、双支不等高避雷针保护范围的计算每支避雷针外侧的保护范围和单支避雷针的保护范围相同；内侧的保护范围：先做出较高避雷针的边界范围，再由较低针顶部做一条地面平行线，与较高边范围边界相交，过交点作垂线，以此为假想避雷针做保护范围hO=h1 —D1/7P。
避雷针保护半径计算公式
避雷针保护半径计算公式避雷针是用于保护建筑物和人身安全的重要设备。
它能够引导雷电放电到地面，从而避免雷击带来的损害。
避雷针的保护半径是用来衡量其对于周围建筑物的保护能力的一个重要参数。
保护半径的计算需要考虑多个因素，包括建筑物的高度、避雷针的位置、测雷图上的高度差等等。
下面将详细介绍避雷针保护半径的计算公式和相关参考内容。
首先，要了解避雷针保护半径的计算公式，我们需要了解以下几个关键概念：1. 避雷针的有效高度：避雷针的有效高度是指避雷针顶端与地面之间的垂直高度差。
它是计算保护半径的重要参数之一。
2. 测雷图上的高度差：测雷图上的高度差是指测雷图上测量到的建筑物的高度与避雷针安装位置的高度之间的差值。
它也是计算保护半径的重要参数之一。
根据相关专业资料，一种常用的避雷针保护半径计算公式如下：保护半径 = k * （（2 * 避雷针的有效高度）^ 0.5 + 测雷图上的高度差）其中，k 是一个根据雷电保护区域的特殊情况而确定的修正系数，它可以根据相关规定或者工程经验取值。
通常情况下，k的取值范围在1.1到1.6之间，取决于具体的应用环境和要求。
根据上述公式，我们可以看出，在计算保护半径时，避雷针的有效高度和测雷图上的高度差是两个重要的参数。
因此，在进行保护半径计算时，我们需要准确的避雷针有效高度和建筑物的高度信息。
这些参数通常可以通过现场测量来得到，或者参考相关建筑设计文件中的信息。
除了计算公式，避雷针保护半径的计算还需要参考相关的标准和规范。
例如，在中国，避雷针保护半径的计算可以参考国家标准 GB 50057-2010《建筑避雷装置安装与维护规范》。
这个标准提供了具体的计算方法和参数要求，可以帮助工程师和设计师准确计算避雷针的保护半径。
此外，在实际的工程应用中，还应该考虑其他因素对避雷针保护半径的影响。
例如，建筑物的形状和周围环境的复杂性等因素都会对保护半径产生影响。
因此，在进行保护半径计算时，还需要考虑这些因素，并合理调整计算结果。
避雷针保护范围的计算方法
-0 实例比较
下面以发电厂一些常见建筑物的保护面积来比 较两种计算方法 （ 由于电厂的建筑物多数属于第三 类防雷建筑物，所以滚球半径按第三类防雷建筑物 选择，即 $ 1 . /+ $） 。 某电厂油区有两种规格的油罐，油罐保护高度 $ 2 分别为 &3 $ 和 4’ $，都设置了同样高度的避雷 针，避雷针高度 $ . -+ $，油罐保护半径分别以折 线法和滚球法进行计算。 %" &$ 折线法 因为避雷针高度 $ . -+ $ 5 #+ $， % . ’( ’ ， ｛ $｝ !
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避雷针和避雷线
避雷针的作用
使雷电电场发生畸变，将雷电吸引到避雷针 （线）上 将雷电安全导入地中 使位于其保护范围内的设备和建筑物免遭雷 的直击
避雷针的保护范围
电力行业标准—折线法 IEC标准—滚球法
两者存在较大差别 避雷针的保护范围是不够确切的
避雷针对接地电阻的要求
接地电阻（欧） 序号 1 2 接地网名称 调度通讯综合楼 通讯站（塔） 一般 <1 <5 高土壤电阻率 <5 <10
网作为屋面保护的接闪装置。
避雷网（带）分明装和暗
装两种。明装避雷网（带）一
般可用直径8mm的圆钢或截
面12x4mm2的扁钢做成。为
避免接闪部位的振动力，宜将
网（带）支起10～20cm，支持点间距取1~1.5m，应注意美
观和伸缩问题。暗装时可利用建筑内不小于3mm的钢筋。
（4）避雷线
（5）避雷环 （6）接闪器的保护范围
4 避雷针（线）保护范围
避雷针（线）保护范围，在不同标准（规程、规范等）中规 定的不同，不同文献中推荐的计算方法不同。有人写文章说 这个对那个错，或说这个错那个对。这是误解。 所谓保护范围是指被保护物在此空间内可遭受雷击概率在 可接受值之内。各种文献规定的不同保护范围是允许遭受雷 击概率不同。例如，电力行标DL／T620-1997规定的避雷针 （线）保护范围内可能遭受雷击概率为0.1%，即保护范围可 靠率达0.999。又如，美国推荐性的IEEE Std 142-1991规定 的避雷针保护范围，滚球半径（击距）为30m，大约保护范 围内遭受雷击概率（绕击率）为0.1%，采用45m，大约为 0.5%。
避雷针（线）的防雷保护作用，在于它比被保护物高，能把雷 电从被保护物上方引向自身并安全泄入大地。因此，避雷针（线） 的引雷和安全泄入大地是至关重要的。 避雷针（线）的引雷作用，基本上是这样的，在雷电先导阶段， 避雷针（线）顶部聚积电荷，在发展先导和避雷针（线）顶端之间 通道中建立了很大电场强度，避雷针（线）迎面先导的产生和发展 大大加强这通道中的场强，最后选定击中避雷针（线），布置在靠 近避雷针（线）的被保护物比避雷针（线）低，由于避雷针（线） 的屏蔽和迎面先导作用，所以被保护物遭受雷击的概率很小。利用 避雷针（线）可实现直击雷保护。虽然这方法不是主动的，但能提 供99.5%至99.9%保护效果。对密闭在完全金属壳体（或金属网） 内被保护物才能提供完全保护。例如，人在金属壳体内或在停放的 金属壳体汽车内，能安全免遭雷击伤害。按避雷针（线）引雷性能， 确切名称应是“引雷针（线）”，在二十世纪五十年代，我国有的 学者称为《导闪针（线）》，后来在一些文献上称为《接闪器》或 《拦截器》。但因避雷针（线）这一名词已被广泛地使用，成为惯 用名词，一时难以变动。
避雷针保护范围及其计算
避雷针保护范围及其计算公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N]避雷针保护范围及其计算避雷针，又名防雷针，是用来保护物、高大树木等避免雷击的装置。
当雷云放电接近地面时它使地面电场发生畸变。
在避雷针的顶端，形成局部电场集中的空间，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针放电，再通过接地引下线和接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击。
用折线法计算避雷针保护范围的方法：1、单支避雷针保护范围的计算2、双支等高避雷针保护范围的计算3、双支不等高避雷针保护范围的计算1、单支避雷针保护范围的计算hx平面上的保护范围避雷针在地面上的保护半径为r=1.5h。
式中r——保护半径（米）；h——避雷针高度（米）。
在被保护物高度hx水平面上的保护半径为rx=（h-hx）p=hap；式中rx—避雷针在hx水平面上的保护半径（米）；hx—被保护物的高度（米）；ha—避雷针的有效高度（米）；p——高度影响系数（考虑避雷针太高时，保护半径不按正比例增大的系数）。
h≤30米时，p=1。
2、双支等高避雷针保护范围的计算hx高度平面上的保护范围每支避雷针外侧的保护范围和单支避雷针的保护范围相同；两支避雷针中间的保护范围由通过两避雷针的顶点以及保护范围上部边缘的一最低点O 作一圆弧来确定。
h0：两避雷针之间保护范围上部边缘最低点的高度（m）D:避雷针之间距离hx：被保护物高度bx：宽度其中bx=1.5（h0—hx）h0=h—D/7P当D>7ph时，h0=0，bx=03、双支不等高避雷针保护范围的计算每支避雷针外侧的保护范围和单支避雷针的保护范围相同；内侧的保护范围：先做出较高避雷针的边界范围，再由较低针顶部做一条地面平行线，与较高边范围边界相交，过交点作垂线，以此为假想避雷针做保护范围h0=h1—D1/7P。
避雷针保护范围及其计算
避雷针保护范围及其计算
避雷针，又名防雷针，是用来保护建筑物、高大树木等避免雷击的装置。
当雷云放电接近地面时它使地面电场发生畸变。
在避雷针的顶端，形成局部电场集中的空间，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针放电，再通过接地引下线和接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击。
用折线法计算避雷针保护范围的方法：
1、单支避雷针保护范围的计算
2、双支等高避雷针保护范围的计算
3、双支不等高避雷针保护范围的计算
1、单支避雷针保护范围的计算。
避雷针及其保护范围计算用电常识
避雷针及其爱护范围计算 - 用电常识避雷针的作用实质上是引雷作用，是将雷电引到自己身上来，避开了在它所爱护范围其它物体患病雷击。
避雷针（线）爱护范围的大小与其高度有关。
避雷针一般接受针长为1～2m、直径不小于20mm的镀锌圆钢或接受针长为1～2m、内径不小于25mm的镀锌钢管制成。
它通常安装在电杆或构架、建筑物上。
避雷针由接闪器、引下线、接地体三部分组成。
接闪器：避雷针的最高部分，专用来接受雷云放电，称为“受雷尖端”。
接地引下线：它是接闪器与接地体之间的连接线，它将接闪器上的雷电流平安地引入接地体，使之尽快地泄入大地。
引下线一般接受直径为8mm的镀锌圆钢或截面不小于25mm2的镀锌钢绞线。
接地体：是避雷针的地下部分，其作用是将雷电流直接泄入大地。
接地体埋设深度不应小于0.6m，垂直接地体的长度不应小于2.5m，垂直接地体之间的距离一般不小于5m。
接地体一般接受直径为19mm 镀锌圆钢。
当雷击避雷针时，在避雷针顶端会产生过电压为“折线法”在电力系统又称“规程法”，即单支避雷针的爱护范围是一个以避雷针为轴的折线圆锥体。
L/620—997《沟通电气装置的过电压爱护和绝缘协作》标准就规定了单支避雷针的爱护范围，见图。
①避雷针在地面上爱护半径为：r=1.5h②被爱护物高度hx水平面上爱护半径的计算a)当hx≥0.5h时，被爱护物高度hx水平面上的爱护半径rx=(h-hx)p=hap式中：rx——避雷针在hx水平面上的爱护半径；hx——被爱护物的高度；ha——避雷针的有效高度。
p—高度影响系数（h=30米，p=1; 30h=120m,b)当hx＜0.5h时，被爱护物高度hx水平面上的爱护半径rx=(1.5h-2hx)p两支避雷针的爱护范围通过两针顶点及爱护范围上部边缘最低点O的圆弧确定，圆弧的半径为RO，其高度ho为两针间在Hx水平面爱护的最小宽度bx可按下式。
雷电的防护及数值计算
1.6雷电的防护GB50057-94中对雷防提出的总则（第1.0.1条）规定:“为使建筑物(含构筑物,下同)放雷设计因地制宜地采取放雷措施,防止或减少雷击建筑物所发生的人身伤亡和文物、财产损失，做到安全可靠、技术先进、经济合理，制定本规范。
”————注意，这里提的是“防止或减少”而不是一概要求“防止”，同时也提出考虑安全可靠、技术先进和经济的合理要同时考虑。
在标准的条文说明中指出：“有人认为，建筑物安装防雷装置后就万无一失了。
从经济的观点出发，要达到这点是太浪费了，因此特指出“或减少”，以示不是万无一失，因为按照本规范设计的防雷装置的安全度不是100% 。
1.6.1直击雷的防护防直击雷的外部装置包括接闪器（避雷针、避雷带、避雷线、避雷网）、引下线、接地装置，另外也包括屏蔽措施，通过这些装置迅速地将把雷电流泄放放入地。
1.6.2 电涌的防护为保护设备安全和抑制各种雷电感应引起的浪涌过电压，必须采取系统有效的保护措施，即在电源线信号线上加装浪涌抑制器。
1.6.3等电位连接为防护雷电流引起电磁感应和地电位反击的破坏作用，所有允许连接的设备金属外壳，接地的金属管线和导体间应进行的等电位连接。
是防雷电引起的电磁感应、地电位反击的重要措施(但不允许连接的导体之间防反击是以保持足够的距离实现——防闪络)。
从实质上讲电涌保护也是一种瞬间的等电位连接，是用SPD器件把不能连续与地连接的通电导体（电源线、信号线）与地连接起来。
1.6.4屏蔽用于防护雷电引起的电磁脉冲辐射的破坏作用。
1.6.5防闪络措施对于不能采取等电位连接和使用点涌保护器防护时，通过保持距离抑制雷电引起的地点位反击和电磁感应等的破坏作用。
（下图为基站防雷系统图）1.7 雷电流的特性● 每次雷击的电流波形是随机的，差别很大。
● 雷电流波形一般都是前沿陡而后沿时间相对较长的波形，一般前沿时间在几个微秒到几十个微秒，后沿的半值值时间一般在几十到几百微秒。
避雷针保护范围的计算方法
避雷针保护范围的计算方法(2008-06-28 13:50:33)标签：教育分类：专业知识1“折线法”避雷保护计算“折线法”在电力系统又称“规程法”，即单支避雷针的保护范围是一个以避雷针为轴的折线圆锥体。
L/ 620—997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》标准就规定了单支避雷针的保护范围，见图。
1.1避雷针在地面上保护半径的计算计算避雷针在地面上的保护半径可用公式式中：Rp——保护半径；h——避雷针的高度；P——高度影响因数。
其中，P的取值是：当h≤30 m，P＝1；当30 m的h的纯数值；当h＞20 m时，只能取h=120 m。
1.2被保护物高度hp水平面上保护半径的计算a)当hp ≥0.5h时，被保护物高度hp水平面上的保护半径式中：Rp ——避雷针在hp水平面上的保护半径；hp——被保护物的高度；ha——避雷针的有效高度。
b)当hp ＜0.5h时，被保护物高度hp水平面上的保护半径2“滚球法”避雷保护计算“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。
我国建筑防雷规范G 50057—994(2000年版)也把“滚球法”强制作为计算避雷针保护范围的方法。
滚球法是以hR为半径的一个球体沿需要防止击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器(包括被用作接闪器的金属物)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。
滚球法确定接闪器保护范围应符合规范规定，见表。
应用滚球法，避雷针在地面上的保护半径的计算可见以下方法及图2。
a)避雷针高度h≤hR时的计算距地面hR 处作条平行于地面的平行线。
以针尖为圆心、hR为半径作弧线交于平行线A，两点。
以A，为圆心，hR为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切，这样，从弧线起到地面就是保护范围。
保护范围是一个对称的锥体。
避雷针在hP高度的xx＇平面上和在地面上的保护半径，按公式[2](4)计算确定式中：Rp——避雷针保护高度xx＇平面上的保护半径；hR——滚球半径，按表确定；hp——被保护物的高度；R——避雷针在地面上的保护半径。
避雷针保护范围及其计算修订稿
避雷针保护范围及其计
算
WEIHUA system office room 【WEIHUA 16H-WEIHUA WEIHUA8Q8-
避雷针保护范围及其计算
避雷针，又名防雷针，是用来保护物、高大树木等避免雷击的装置。
当雷云放电接近地面时它使地面电场发生畸变。
在避雷针的顶端，形成局部电场集中的空间，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针放电，再通过接地引下线和接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击。
用折线法计算避雷针保护范围的方法：
1、单支避雷针保护范围的计算
2、双支等高避雷针保护范围的计算
3、双支不等高避雷针保护范围的计算
1、单支避雷针保护范围的计算
避雷针在地面上的保护半径为
r=。
式中r——保护半径（米）；h——避雷针高度（米）。
在被保护物高度hx水平面上的保护半径为
rx=（h-hx）p=hap；
式中rx—避雷针在hx水平面上的保护半径（米）；
2、双支等高避雷针保护范围的计算
hx高度平面上的保护范围
每支避雷针外侧的保护范围和单支避雷针的保护范围相同；两支避雷针中
间的保护范围由通过两避雷针的顶点以及保护范围上部边缘的一最低点O作h0：两避雷针之间保护范围上部边缘最低点的高度（m）
D:避雷针之间距离
其中
bx=（h0—hx）
h0=h—D/7P
3、双支不等高避雷针保护范围的计算
hx高度平面上的保护范围
每支避雷针外侧的保护范围和单支避雷针的保护范围相同；内侧的保护范围：先做出较高避雷针的边界范围，再由较低针顶部做一条地面平行线，与较高边范围边界相交，过交点作垂线，以此为假想避雷针做保护范。