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1、,第二章 接闪器保护原理 与建筑物外部防雷,南京信息工程大学 大气物理学院 肖稳安 Tel：13605180353 E-mail：,1751年富兰克林出版了著作电的实验与观察，指出：“关于尖端的功能的知识，可以为人们利用来保护房屋、教堂、船等避免闪电袭击，其方法是在这些物体的最高顶上固定一支更高的镀金的磨尖铁棒，在其下端接一导线挂在建筑物外通到地下，对于船则是通到水中” 。该书出版后，在欧洲大陆迅速流传，产生很大影响，不少人照他的见解进行实验。,我国建筑物防雷规范GB5005794规定建筑物外部防雷主要方法是在建筑物顶部安装接闪器（避雷针、线、带、网），通过引下线与埋在地下的接地体连接，将雷电
2、流泄流入地，避免被保护物体遭受雷击，从而达到保护的目的；除此而外，还可用等电位连接来均衡电压、合理布设引导雷电流等方法。,第一节 接闪器 避雷针防雷，亦称富兰克林法，一种最古老、最传统的防雷方法。这种避雷装置包括安装在建筑物最高点（也可以独立设置）的接闪器（即金属杆避雷针）、引下线及接地装置。 中国大百科全书定义避雷针 ：“将雷电引向自身并泄入大地使被保护物免遭直接雷击的针形防雷装置”。避雷针实际上是“雷电拦截” 。 IEC定义：装在建筑物上，将雷电流释放到大地中去的金属棒或金属条。 在GB5005794中说明：避雷针、避雷带(线)、避雷网是直接接受雷击的，统称为接闪器。,第二节 避雷针的防雷
3、保护 一. 避雷针接闪 避雷针的针状是直接承受雷电的部分，当带电的雷云出现在地面上空时，由于静电感应作用，大地及避雷针上将出现与雷云电荷极性相反的电荷。先导向下的发展是 随机取向的，当阶梯式先导向下发展 到邻近地面，在接闪器的顶端处电场 将发生畸变，出现局部集中的高电场 区，如图中曲线示出的等电位线。接 闪器的顶端处的电场强度明显高于其 它地方，这就为先导向接闪器发展创 造了十分有利的件，容易地将先导吸 引到接闪器上，使雷击点出现在接闪 器的顶端，而不致出现在其下面的被 保护物体上。,避雷针接闪器顶端处的电场畸变, 雷击点处的温度升高 由于雷电流的作用时间很短，在计算雷击点处的温度升高以及雷电
4、流通过金属物体所产生的温度升高时，均可忽略散热的影响，于是温升可表示为： 式中T温升，； m 金属物体质量，； 比热，J/）。,雷击点的热量与避雷针接闪器最小直径要求： 当温升值过高时，就会造成金属的熔化，用避雷针做接闪器，不能被熔化毁坏。由试验和理论计算，可估计出注入单位电荷作用下几种常用金属的熔化体积当量为： 铝：12mm3/c； 铜：5.4mm3/c； 钢：4.4mm3/c。,避雷针接闪器宜采用圆钢或焊接钢管制成，为了保证足够的雷电流通流量，其直径应不小于下表给出的数值。接闪器顶端的针尖应做成圆锥状，具有较大的尖度，且应光滑。,避雷针接闪器最小直径,进入建筑物的各种设施的雷电流分配,金属
5、屋顶或金属罐体做接闪器时的厚度要求： 金属的熔化深度： 雷击点加热面积的直径取50100mm，相应的面积为19637854mm2。若已知电荷Q值，可估算金属的熔化深度。 按正闪击的全部电荷的平均值（50%的概率）为80C负闪击的相应值仅为8C），则熔化深度： 铁： 0.0450.179mm； 铜： 0.0550.22mm ； 铝： 0.1220.489mm ； 已证实，铁板遭雷击时其与雷击通道接触处由于熔化而烧穿仅当其厚度小于4mm时才可能。,在建筑物遭受雷击后，雷电流会沿建筑体内各种金属导体通路流入大地，由于金属体自身存在着电阻，雷电流流过它们时也会产生热量，这种热量可表示为,式中 R金属导
6、体电阻，； i雷电流，A。,从上式还可以看出，严重的热效应还会出现在雷电流通路上有较高电阻的地方，特别是那些引流导体之间的接触不良处，在这些地方常可能产生很高的温升，使金属熔化，甚至出现熔体飞溅。这种飞溅熔体产生的火花对存储易燃易爆物品的建筑物来说，是极具危害性的。,避雷针的形状示意,避雷针保护的疑问？ 中国某油库采用有十余根避雷针联合保护油罐区，结果因雷击而引起爆炸； 广东某变电站内装有5根避雷针联合保护，仍遭受雷击； 莫斯科537m高的电视塔，雷曾绕击塔顶下200m和300m的塔身，甚至打到离塔水平150m的地面。据报道，其附近1.5km内雷击率比莫斯科市平均雷击率高2.54倍。其周围不可
7、能起到保护作用，相反起到了负作用。 这表明避雷针没有保护到其下面部分，这就一根垂直避雷针保护范围有十分清楚的了解。,三.滚球法的保护范围 我国GBJ5783标准，使用了30、45、60的圆锥体，按此方法，避雷针越高，则其覆盖的保护范围就越大。事实上却不是这样，许多高耸的铁塔或建筑物上的避雷针不但无法按圆锥体实现保护，往往自身的中部和下部遭遇雷击。在巴黎的爱菲尔铁塔的中部还架设了向外水平伸出的避雷针，以防备侧面袭来或绕过铁塔顶部避雷针的“绕击雷”。 从80年代起，经过讨论和研究，世界上大多数国家均已采用滚球法计算避雷针的保护范围。,避雷针对其周围物体的保护范围，常以它们可能防护直接雷击的空间区域
8、来表示，在此空间区域内被保护物体遭受直接雷击的概率非常小。确定接闪器的保护范围，对于经济可靠地进行建筑物的防雷设计至关重要。,（1）滚球法的原理 在雷云对地放电过程中，下行先导在到达由雷击距所限界定的定向高度范围之前，其发展路径是随机的，直到下行先导头部达到地面上某物体可被雷击的范围时，他才会定向的击向 该物体，如图2.1， 当先导 头部进入建筑物顶上避雷针 的雷击范围时，它就定向地 向避雷针顶端发展，这样避 雷针的顶端即为雷击点。从 下行先导头部达到地面上被 击物体的距离就称为雷击距。,图2.1 雷击距范围（雷击距）,从雷云对地放电过程来看，下行先导在到达由雷击距所界定的定向范围之前，其发展
9、路径是随机的，这就意味着滚球可能会从各个方向随机下落去接触地面和建筑物。因此，为了确定建筑物上各个可能的雷击点，需要从其上空沿各个方向反复多次地抛投滚球，统计出大量被滚球接触过的点，这一做法可以等值地转变为将滚球沿建筑物屋面连续地滚越建筑物的整体。滚球所能接触到的屋面就是建筑物上可能遭受雷击的区域；滚球不能接触到的地方，则可认为是由建筑物的接闪器能够保护的区域，这一区域称为保护区，如下页图中弧AC和DE以下的空间区域就是保护区。,图2.2 滚球法在建筑物面上的连续 滚动确定雷击点和保护范围,以这种雷击过程为基础，根据下行先导发展的随机性和定向性来确定建筑物上以及地面上可能出现的雷击点，这就是滚
10、球法的基本思想。,在运用滚球法确定雷击点时，应先选定一个对应于一定雷电流幅值的滚球半径ds，然后将半径为ds的滚球从天空随机地抛向地面建筑物，滚球与地面和建筑物屋面接闪器相接触的点，即为可能的雷击点，如图2.3中所示的 A点和C点，,图2.3 用滚球法确定雷击点,滚球半径ds，它是基于以下的雷闪数学模型(电气-几何模型)：,或简化为：,式中 dr 为滚球半径， I为与dr相对应的得到保护的最小雷电流幅值(kA)。,在电气几何模型中，雷闪先导的发展起初是不确定的，直到先导头部电压足以击穿它与地面目标间的间隙时，也即先导与地面目标的距离等于击距时，才受到地面影响而开始定向。 与dr相对应的雷电流按
11、上式整理后为：,在建筑物的防雷设计中，滚球半径的选择应采用建筑防雷设计规范推荐的数值，计算得到第一类防雷建筑物I=5.4kA，二类为I=10.1kA，三类为I=15.8kA。,滚球半径的大小取决于回击时雷电流幅值的大小，由于雷电流幅值是个随机量，则雷电流幅值变化时，滚球半径也随之变化。 对于强雷来说，其雷电流幅值大，相应的滚球半径就大，保护区就较大；对于弱雷来讲，其雷电流幅值小。例如图2.4，当滚球半径由ds2减小到ds1时，保护区将缩小，原先受到保护的B点将会与减小半径后的滚球相接触，从而由被保护点转变为雷击点。应用滚球法可以确定建筑物的空间受雷曲面。,图2.4 保护区随滚球半径的变化,如图
12、2.5表示在给定雷电流幅值所对应半径的球在给定外形尺寸的建筑物屋面接闪器（避雷网）上连续地滚动，遍滚球体所能触及到的地方，即为建筑物上易受雷击的部位，如图2.6阴影区。 用滚球法，还可以方便地确定复杂形状建筑物上易受雷击部位，这也是滚球法一个显著优点。,图2.5建筑物的空间受雷曲面,图2.6复杂形状建筑物上易受雷击的部位的确定,划分建筑物防雷分类的基本原则 按照国家质量技术监督局、中华人民共和国建设部联合发布的建筑物防雷设计规范GB5005794 2010的3.0.1条，建筑物应根据其 重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，将建筑物分为三类。,（2）建筑物防雷规范GB5005794 2
13、000规定的建筑物防雷分类,建筑物的防雷分类的目的：减少建筑物获被保护空间遭受直接雷击的损害风险，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。,防雷建筑物分类 第一类防雷建筑物 1、凡制造、使用或贮存火炸药及其制品的危险建筑物，因电火花而引起爆炸、爆轰，会造成巨大破坏和人身伤亡者。 2、具有0区或10区爆炸危险场所的建筑物。 3、具有1区或21区爆炸危险场所的建筑物，因电火花而引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡者。 注意：重点考虑雷击后可能造成的巨大破坏 和人身伤亡的严重后果。,0区：正常情况下能形成爆炸性混合物（气体或蒸汽爆炸性）的爆炸危险场所。
14、1区：在不正常情况下能形成爆炸性混合物（气体或蒸汽爆炸性）的爆炸危险场所。 10区：正常情况下能形成粉尘或纤维爆炸性混合物 的爆炸危险场所。 注:正常情况指连续出现或长期出现爆炸性粉尘环境。 21区：在生产过程中，产生、使用、加工贮存或转运闪点高于场所环境温度的燃液体，在数量和配置上能 引起火灾危险的场所。,第二类防雷建筑物： 1、国家级重点文物保护的建筑物。 2、国家级的会堂、办公建筑物、大型展览和博览建筑物、大型火车站和飞机场、国宾馆，国家级档案馆、大型城市的重要给水水泵房等特别重要的建筑物。 注：飞机场不含停放飞机的露天场所和跑道 。 3、国家级计算中心、国际通讯枢纽等对国民经济有重要意
15、义的建筑物 。 4、国家特级和甲级大型体育馆。 1-4重点考虑建筑物的重要性和雷击后可能造成的后果。,5、制造、使用或贮存火炸药及其制品的危险建筑物，且电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤亡者。 6、具有1区或21区爆炸危险场所的建筑物，且电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤亡者。 7、具有2区或22区爆炸危险场所的建筑物。 8、有爆炸危险的露天钢质封闭气罐。 2区：在不正常情况下形成爆炸性混合物可能性较小的爆炸危险的场所。 22区：在生产过程中，悬浮状、堆积状的可燃粉尘或可燃纤维不可能形成爆炸性混合物，但在数量和配置上能引起火灾危险的场所。,在这里也提到了制造、使用或贮存爆炸
16、物质的建筑物；具有爆炸危险场所(环境)的建筑物，但电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤亡者。 如：易燃液体泵房，当布置在地面以上时，属爆炸危险场所(环境) ，划为第二类防雷建筑物；但当置在地下或半地下时，其泵房又是大型石油化工联合企业的原油泵房，划为第一类防雷建筑物。,9、预计雷击次数大于0.05次/a的部、省级办公建筑物和其他重要或人员密集的公共建筑物以及火灾危险场所。 10、预计雷击次数大于0.25次/a的住宅、办公楼等一般性民用建筑物或一般性工业建筑物。 注：预计雷击次数应按本规范附录A计算。 9-10重点考虑发生雷电事故的可能性和后果，即雷击发生越多，产生的后果越严重。,第三类防雷建筑物： 1、省级重点文物保护的建筑物及省级档案馆。 2、预计雷击次数大于或等于0.01次/a且小于或等于0. 05次/a的部、省级办公建筑物和其他重要或人员密集的公共建筑物以及火灾危险场所。 3、预计雷击
