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1、浅析避雷针（线）防直击雷作用许颖（中国电力科学研究院，北京清河，1 00085）【摘 要】 本文介绍七个内容：（1）中国建筑物直击宙防护技术源远流长。防雷技术和防洪技术历史悠 久，著名大禹治水的疏导将洪水排入大海，古建筑将雷电引入大地。（2）电力行业50多 年都是金属结构屋顶接地防宙无须避宙针。（3）避宙针（线）的防宙保护作用，在于它比被 保护物高，能把宙电从被保护上方引向自身并安全泄入大地。（4）世界上所有避宙针（线） 保护范用计算方法都是经验公式。保护范围是指被保护物在此空间内可遭受宙击概率在可接 受值之内。各种文献规定的不同保护范用是允许遭受雷击概率不同。保护范FR计算方法是要 经理论分
2、析、实验室模型研究、长期多年实际运行经验证明三者结合，才能作为正式推荐使 用（5）电力行标DUT620-I997对避宙针（线）保护范用计算方法。（6）将确确定避宙针高 度超过120m的保护是现在世界上一个技术难题,在高度超过300m,就可能伸入云层。（7） 避雷针（线）及接地引流线的配置。【关键词】 建筑物直击宙防护避宙针（线）的保护范围避雷针（线）的引流和接地极现代建筑物防雷保护由两部分组成：一是建筑物直击雷防护。二是雷电电磁脉冲防护 （LEMP）。进入建筑物内的雷电电磁脉冲渠道有：一是沿各种金属导体（电源线、信号线、金属管 道、接地引流线和接地极）。二是电容耦合通道。三是电感耦合通道。防护
3、措施是屏蔽、均 压、等电位、分流、限压（SPD）等，将另文论述。木文主要内容是浅析建筑物肓击雷防护。1.中国建筑物直击雷防护技术源远流长中国著名大禹治水，疏导将洪水排入大海的防治思路沿用至今。将雷电引入大地的 防雷技术历史悠久。1949年后，中国科学院电工研究所、北京市建筑设计院和清华大学等 单位组成了北京建筑防雷研究组，对建筑物防雷进行了大量调杏、试验和研究。1959年出 版了民用建筑物防雷保护一书。后来总结了很多实践经验，包括天安门、人民大会堂等 建筑物防雷技术经验。改版建筑物防雷设计，其中很多原理和原则，一直沿川至今。2金属结构屋顶防雷无须避雷针电力行业标准，从1956年3220kV交流
4、电气设备过电压保护导则开始至今标准规 定：金属结构屋顶的育击雷保护，将金属屋顶接地即可，无须避雷针（屋顶上其它设备防雷 保护需要除外）。这样的做法，经电力系统大量建筑物运行证明，是有效的。3避雷针（线）的防雷保护原理避雷针（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 身并安全汕入大地。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，基木上是这样的，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
5、避雷 针（线）的被保护物比避雷针（线）低，由于避雷针（线）的屏蔽和迎血先导作用，所以被 保护物遭受雷击的概率很小。利用避雷针（线）可实现肓击雷保护。虽然这方法不是主动的, 但能提供99.5%至99.9%保护效果。对密闭在完全金属売体（或金属网）内被保护物才能提 供完全保护。例如，人在金属売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（线）的防雷保护作用，除引雷作用（保护范
6、围）夕卜，可靠保护的必要条件是要 求避雷针（线）的泄流通道（冋路）的阻抗（包括引流线电抗和接地电阻）很低，因为在雷 电直击避雷针（线）时，很高的引流线电抗和接地电阻可能产生很高电压，引起避雷针（线） 对被保护物在空气中（或绝缘物上）或地中反击。避雷针（线）在受雷击向大地泄放电流时产生高电压对于金属、砖石或混凝土结构一般 不会造成破坏。所以像烟囱、冷水塔、架空线路杆塔、高压配电装置架构的避雷针（线）及 其引流线，均可尚定在其木体上。但上述这种高电压，对于易燃、易爆和敏感电了设备和低 压电气设备，便可能因出现火花或发生反击而造成起火爆炸或绝缘击穿。通常要采取降低接 地电阻或设置独立避雷针（线）等措
7、施来消除这种危险。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I韦I是指被保护物在此空间内可遭受雷击概率在可接受值Z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0.999o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
8、约为0.5%。避雷针（线）的引雷（拦截）效应，也即是对被保护物的保护作用（保护范伟I）,与雷 电极性、雷电通道电荷分布、空间电荷分布、先导头部电位、放电定位高度、避雷针数量和 高度、被保护物高度，这些相互Z间位置，以及当时的大气条件和地理条件等因索有关。一 般地说，地理条件（包括地形地貌和地质结构）影响先导阶段电场分布，从而影响到主放电 的发展；大气条件是，空气湿度和温度愈高，避雷针（线）保护效果愈小。还有，雷电流幅 值（即放电定位高度）愈大，避雷针（线）引雷（拦截）范围愈大，也即保护范围愈大。避 雷针（线）保护范围与这么多因素有关。这些因素多是随机性的。所以确定保护范I韦1采用方法正确性不可
9、能严格证明。一般地，是理论分析、实验室模型 研究、长期多年的实际运行经验证明三者结合，才能作为正式推荐使用。有的人，企图从已知很不够的一些条件和参数下开发岀定量求出避雷针（线）不同保护 范囤绕击率计算方法，如电气几何击距法（EGM）、修 正EGM的先导传播模型法（LPM）、 滚球法、抛球法等，这样做是积极的、有益的。但至今为止，这些方法计算岀的避雷针（线） 的不同保护范围的绕击率，祁是定性的，而定量是不可信的。正如前述，避雷针（线）保护 范围受很多因素影响，其中一些因素至今无法定量。例如，这些方法中应用的一个关键参数, 击距（或球半径）。从定性上说，击距或球半径随雷电流增大而增大。但定量就难了
10、，至今, 人们还不知道击距或球半径3060m长空气间隙击穿电压值，不讨论实验室空气间隙放电 是否逼真H然雷击放电，至今卅界上最大实验室做的雷电冲击波空气间隙放电距离，最长的, 也只有10m左右,将其外延伸用到3060m或以上,有的按3kV / cm,有的按5kV / cm, 还有的按10kV/cm，来推算，出现了很多在同一雷电流下不同击距或球半径的计算公式。例 如，刘继1980 W 500kV变电所的直击雷防护及计算方法（见电力技术1980年第3 期）一文中就提出了这个问题并列举了不同作者的很多不同公式，不重复。这里列举近年出 现的不同公式；（1） JIAPI4H0在 JI E K T P I
11、I H E C T B ONo.4/99 上引用CIGRE和IEC的公式，击距7? = 27 + 3O（l-e,/6-8） （R以m计，雷电流/以kA计）；（2） C1GRE, WG33-O1成员，中国电力科学研究院名誉院长郑健超院士在1999年引用C1GRE 推荐的击距计算经验公式：/? = 6.8Z-8（R以m计，/以kA计）；（3）中科院电工研究所马 宏达高级工程师在电网技术2000年第12期中介绍的EGM理论的击距R = 10/065和LPM 理论的击距/? = 2.38疋啊040 （R以皿计，/以kA计，H为针状物高度以m计）。不再列举, 总之，至今，没有公认的击距R计算公式，而是备
12、人备自用，五花八门，实际上击距R计 算公式仍属经验公式。也即世界上所有避雷针（线）保护范围计算方法都是经验公式。还有, 电气几何击距法、滚球法、抛球法一个共同点是谁距离短就击谁，这也不符合实验室获得的 放电现象，放电有分散性和1111折多分支路，并不一定击中距离短的物体。这是先导头部不是 一点，先导头部是一个电荷囊，电晕半径约0.66m,下行负先导会分数支，地上迎面先导 也可是儿个。鉴于上述理由，电力行业标准DLTT620-1997（1关于避雷针（线）保护范围仍用过去方 法，统计了我国4272变电所年的运行经验，表明低于预计的0,是可接受的，没有必要 改变，否则造成混乱和浪费。变电所现行直击雷
13、防护可靠性，比沿架空输电线路导线上侵入雷电波防护高很多。变电所的危险主要来门沿架空输电线路导线上的侵入波。需要说明的，DLTT620-1997关于避雷针（线）保护范围没有采用电气几何击距法、滚 球法、抛球法等，并不是反对这些方法。世界上那种未标明保护范围内绕击率的计算方法实 在太多，难以认同。5.电力行标DL/T620-1997有关规定中华人民共和国电力行业标准DLfT620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合 5.2中关于避雷针（线）保护范围。在避雷针（线）高度 底30m时的保护范围是A.A. A K O n SI TT在19361940年间在广泛的实验室研究基础上确定的。它的可靠性
14、经苏联、 中国等国家长期运行经验证实，可靠性为0.999。后来扩大用于避雷针（线）高度至120m,对高度影响保护范围作了修正（P）;力W30m, p=l； 30mV/rW120, p=5.54h1;这是考虑避雷针（线）有效性降低，高度大于30m,由于侧击雷，雷击避雷针（线）低于它的顶点。5.1单支避雷针的保护范围单支避雷针保护范囤（图1）是靠近避雷针建立一栋“尖帐篷”，自由表面旋转，形成如下的经验公式：（a）避雷针在地面上的保护半径，按式（1）确定:r = i.5hp(1)式中：/保护半径，m；h避雷针高度，m；高度修正系数；/zW30rrb p=l ； 30m/zW120m, p=5.57Tb）在被保护高度九水平面上的保护半径按下列方法确定:（1）当 hx0.5h 时，G = (h hJp = haP(2)式中：rx避雷针在久水平血上的保护半径，m；hx被保护物高度，m；ha避雷针有效高度，g（2）当心rx时，取bx=rx0求图3两等高（h）避雷针间保护范围的一侧最小宽度（区）与D/?汐的关
