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1、第二章第二章 接闪器保护原理接闪器保护原理与建筑物外部防雷与建筑物外部防雷 南京信息工程大学南京信息工程大学 大气物理学院大气物理学院 肖稳安肖稳安Tel：13605180353 E-mail： 17511751年富兰克林出版了著作年富兰克林出版了著作电的实验与观电的实验与观察察，指出：，指出：“关于尖端的功能的知识，可以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，在其下端接一导线支更高的镀金的磨尖铁棒，在其下端接一导线挂在建筑物
2、外通到地下，对于船则是通到水中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。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。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我国建筑物防雷规范GB50057GB500579494规定建筑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（避雷针、线、带、网），通过引下线与埋在地下的接地体连接，将雷电流泄流入地，避免被保下的接地体连接，将雷电流泄流入地，避免被保护物体遭受雷击，从而达到保护的目的；
3、除此而护物体遭受雷击，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。导雷电流等方法。 第一节第一节 接闪器接闪器 避雷针防雷，亦称富兰克林法，一种最古老、最传统避雷针防雷，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。接地装置。 中国大百科全书中国大百科全书定义避雷针定义避雷针 ：“将雷电引向自身将雷电引向自身并泄入大地
4、使被保护物免遭直接雷击的针形防雷装置并泄入大地使被保护物免遭直接雷击的针形防雷装置”。避雷针实际上是避雷针实际上是“雷电拦截雷电拦截” 。 IECIEC定义：装在建筑物上，将雷电流释放到大地中去的定义：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。金属棒或金属条。 在在GB50057GB500579494中说明：避雷针、避雷带中说明：避雷针、避雷带( (线线) )、避雷网、避雷网是直接接受雷击的，统称为接闪器。是直接接受雷击的，统称为接闪器。第二节第二节 避雷针的防雷保护避雷针的防雷保护一一. . 避雷针接闪避雷针接闪 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避雷针的针状
5、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到邻近地面，在接闪器的顶端处电场场将发生畸变，出现局部集中的高电场将发生畸变，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它地方，这就为先导向接闪器
6、发展创造了十分有利的件，容易地将先导吸造了十分有利的件，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器的顶端，而不致出现在其下面的被保护物体上。保护物体上。避雷针接闪器顶端处的电场畸变避雷针接闪器顶端处的电场畸变 雷击点处热量雷击点处热量 现代建筑、高层、金属结构，兼作防雷装置，引导现代建筑、高层、金属结构，兼作防雷装置，引导雷电流。雷电流。雷电流作用，对金属物体的破坏作用必须考虑，雷击金雷电流作用，对金属物体的破坏作用必须考虑，雷击金属物时，属物时，雷电放电通道直接与金属物接触，在雷击点产生的热量雷电放电通道直接与金属物接触，
7、在雷击点产生的热量可通过在可通过在雷电流持续时间内的积分来计算，即雷电流持续时间内的积分来计算，即式中式中 W W 热量，热量，J J； U UARAR金属物体上雷击点处电弧压降，其经验值取为金属物体上雷击点处电弧压降，其经验值取为202030V30V； i i从雷击点注入金属物体的雷电流，从雷击点注入金属物体的雷电流，A A。 二二. 避雷针做接闪器的要求避雷针做接闪器的要求 雷击点处的温度升高雷击点处的温度升高由于雷电流的作用时间很短，在计算雷击点处的由于雷电流的作用时间很短，在计算雷击点处的温温度升高度升高以及雷电流通过金属物体所产生的以及雷电流通过金属物体所产生的温度升高温度升高时，时
8、，均可忽略散热的影响，于是温均可忽略散热的影响，于是温升升可表示为：可表示为：式中式中TT温升，温升，； m m 金属物体质量，金属物体质量，； 比热，比热，J/J/）。）。 雷击点的热量与雷击点的热量与避雷针接闪器最小直径要求：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，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：积当量为： 铝：铝：12mm12mm3 3/c/c； 铜：铜：5
9、.4mm5.4mm3 3/c/c； 钢：钢：4.4mm4.4mm3 3/c/c。 避雷针接闪器宜采用圆钢或焊接钢管制成，为了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。的尖度，且应光滑。避雷针接闪器最小直径避雷针接闪器最小直径针针 型型直径直径圆钢圆钢(mm(mm）钢管钢管(mm(mm）针长针长1m1m以下以下12122020针长针长1 12m2m16162525烟囱顶上的针烟囱顶上的针20204
10、040进入建筑物的各种设施的雷电流分配进入建筑物的各种设施的雷电流分配 金属屋顶或金属罐体做金属屋顶或金属罐体做接闪器时的厚度要求：接闪器时的厚度要求： 金属的熔化深度：金属的熔化深度： 雷击点加热面积的直径取雷击点加热面积的直径取5050 100mm100mm，相应的面积为，相应的面积为19631963 7854mm7854mm2 2。若已知电荷。若已知电荷Q Q值，可估算金属的熔化深度。值，可估算金属的熔化深度。 按正闪击的全部电荷的平均值（按正闪击的全部电荷的平均值（50%50%的概率）为的概率）为80C80C负闪击的相负闪击的相应值仅为应值仅为8C8C），则熔化深度：），则熔化深度：
11、铁：铁： 0.0450.179mm0.0450.179mm； 铜：铜： 0.0550.22mm 0.0550.22mm ； 铝：铝： 0.1220.489mm 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当其厚度小于4mm4mm时才可能。时才可能。 在在建建筑筑物物遭遭受受雷雷击击后后，雷雷电电流流会会沿沿建建筑筑体体内内各各种种金金属属导导体体通通路路流流入入大大地地，由由于于金金属属体体自自身身存存在在着着电电阻阻，雷雷电电流流流流过过它它们们时时也也会会产产生生热热量，这种热量可表示
12、为量，这种热量可表示为式中式中 R金属导体电阻，金属导体电阻， ； i雷电流，雷电流，A。 从从上上式式还还可可以以看看出出，严严重重的的热热效效应应还还会会出出现现在在雷雷电电流流通通路路上上有有较较高高电电阻阻的的地地方方，特特别别是是那那些些引引流流导导体体之之间间的的接接触触不不良良处处，在在这这些些地地方方常常可可能能产产生生很很高高的的温温升升，使使金金属属熔熔化化，甚甚至至出出现现熔熔体体飞飞溅溅。这这种种飞飞溅溅熔熔体体产产生生的的火火花花对对存存储储易燃易爆物品的建筑物来说，是极具危害性的。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的形状示意 避雷针保护
13、的疑问？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；果因雷击而引起爆炸； 广东某变电站内装有广东某变电站内装有5 5根避雷针联合保护，仍遭受雷根避雷针联合保护，仍遭受雷击；击； 莫斯科莫斯科537m高的电视塔，雷曾绕击塔顶下高的电视塔，雷曾绕击塔顶下200m和和300m的塔身，甚至打到离塔水平的塔身，甚至打到离塔水平150m的地面。据报道，的地面。据报道，其附近其附近1.5km内雷击率比莫斯科市平均雷击率高内雷击率比莫斯科市平均雷击率高2.54倍。倍。其周围不可能起到保护作用，相反起到了负作用。其周围不可能
14、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。避雷针保护范围有十分清楚的了解。三三. .滚球法的滚球法的保护范围保护范围 我国我国GBJ57GBJ578383标准，使用了标准，使用了3030、4545、6060的的圆锥体，按此方法，避雷针越高，则其覆盖的保护范围圆锥体，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，往往自身的中上的避雷针不但无法按圆锥体实现保护
15、，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顶部避雷针的“绕击雷绕击雷”。 从从8080年代起，经过讨论和研究，世界上大多数国家年代起，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。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来表示，在们可能防护直接雷击的空间区域来表示，在此空间区域内被保护物体遭受直接雷击的
16、概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。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）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，他才会定向的击向范围时，他才会定向的击向该物体，如图该物体，如图2.12.1， 当先导当先导头部进入建筑物顶上避雷针头部进入建筑物顶上避雷针的雷击范围时，它就定向地的雷击范围时，它就定向地向避雷针顶端发展，这样避向避雷针顶端发展，这样避雷针的顶端即为雷击点。从雷针的顶端即为雷击点。从下行先导头部达到地面上被下行先导头部达到地面上被击物体的距离就称为击物体的距离就称为雷击距。雷击距。图图2.1 雷击距范围（雷击距范围（雷击距）雷击距） 从雷云对地放电过程来看，下行先导在到达由雷击从雷云对地放电
