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1、“避雷针”形状设计 The shape design of lightning rod 摘要：本文介绍了对现在生产和使用的各种不同形状的避雷针头进行的模拟实验和分析比较并得出结论:单根尖形的避雷针头的引雷效果最佳, 多尖分叉形的避雷针头的引雷效果反而不好。提出了应停止生产和使用分叉形的避雷针头的建议。Abstract: The simulation experiment of lightning rod which have been produced and used in all sorts of different shapes and has been analyzed by comp
2、arison has been introduced in this paper, besides the conclusions can be arrived at that single root of Lighting rod head has best effect, while the Lighting rod with more lead thunder lightning rod head has bad effect instead. And some advices are putted forward that the production and use of fork
3、head shape of lightning rod shall be stopped.关键词：避雷针 尖端放电 引雷效应 雷电压 雷击电流Key words: lightning rod Point discharge Lead thunder effect volt caused by lighting thunder-strike current正文：前言：早在1749年, 美国的富兰克林, 基于尖端放出异号电荷去中和雷云中的电荷,即可避免雷击的设想, 发明了避雷针。但安装避雷针后, 避雷针本身不但没有避雷, 而更容易遭受雷击。根据此现象, 苏联的罗蒙索夫于1753年提出了“ 避雷针是
4、歪变电场而引雷于自身, 使其周围物体免遭雷击” ,即避雷针本身实为引雷针的解释。1755年, 雷兰克林又发表文章论避雷针本身既具有引雷, 有避雷的双重作用, 只是在不同条件下, 或呈现出引雷作用, 或呈现避雷作用。这对避雷针就做了较为客观、全面的解释。遗憾的是很多人未注意到富兰克林1755对避雷针作用的解释。 二百多年来, 避雷针在直击雷防护领域虽得到了广泛的应用, 然而由于雷击过程的复杂性, 对避雷针作用的认识也很不相同, 造成现在应用的避雷针头的形状多种多样, 有的是按富兰克林1749年的概念, 基于尖端放电中和雷云电荷, 避免雷击, 而采用分叉的多尖针。多见于建筑物与构筑物上的避雷针。有
5、的是按罗蒙索夫1753年的概念, 避雷针是变雷云与大地的电场, 引雷于自身, 避免周围设备遭雷击, 而采用单根平头的金属管或棒。多见于电力系统发、变电站中的避雷针。有的更认为避雷针头的实际尺寸大一些或小一些相对于大地或雷云来说都是很尖的尖端,故避雷针头做成小球形也不影响其引雷的作用, 多见于金属管端带有金属小球的旗杆型避雷针。而各式避雷针头的引雷效果有什么不同却很少有人研究。在一些权威的杂志上, 避雷针头形状常如图 1所示 的叉形。这就造成叉形避雷针头的防雷效果似乎更佳的概念, 甚至出现了雷害事故, 一也归罪于避雷针头没有分叉, 认为在防雷上分叉的雷针头才更可靠, 要求安装分叉的避雷针头的情况
6、。例如, 某部队弹药库的直击雷防护装置原设计安装的是平头的钢管避雷针, 但部队换防时, 新来部队提出避雷针头未分叉, 又非铜材, 认为防雷效果不可靠而拒绝签手接收。这就使得部分地方专门生产、销售有色金属的分叉型避雷针头。为验证各式避雷针头的防雷效果, 我们对各种形状的避雷针头进行了对比模拟试验。 二、各种形状避雷针头的引雷模拟试验雷击放电被击穿的空气间隙长达数十至数百米, 据雷击光学照片分析, 可将其分为三个阶段, 即先导放电阶段, 主放电阶段和后光放电阶段而直击雷防护问题与后光放电阶段无关。直击雷防护的引雷的问题主要取决于先导放电阶段（过电压防护问题主要取决于主放电阶段）。故只要模拟先导放电
7、阶段, 长度在一米以上的长空气间隙放电, 在本质上就与雷击放电具有同样的性质。由于雷击放电在时间上和地点上都不可控, 为研究避雷针的引雷的效果和规律, 只能通过长间隙放电来进行模拟实验。试验中雷云用2 2 的平板来模拟, 通过保护电阻与一台1200KV直流电压发生器联接, 为控制“ 雷云” 的起始电点, 在“ 雷云” 电极的中心安装一个20cm长的金属棒, 用来模拟雷云先导。电极对地距离为1.1m。避雷针模型用钢丝制成，高88。其示意图如图1。避雷针针头形状分别为针头磨得很尖锐, 简称尖针；把避雷针顶部磨平, 简称平针；在避雷针顶上焊一个1.55mm的滚珠, 简称球针；除中心的一个尖避雷针外,
8、 从针尖向下 ,在模型全高的3.75处, 互差120 、仰角为45、焊三个斜向上辐射、长为模型全高3.75的避雷尖针, 简称叉针。使用我们所研制的光导纤维直流高压场强测量仪对模拟雷云的直流高压电场强度进行测量, 对不同形状针头的避雷针上电场强度的测量结果如表 1, 测量的条件是：在雷云先导的正下方分别放入各种不同形状的避雷针, 测量仪器的探头置于避雷针正上方 两倍于避雷针高的位置, 尖针使电场放电的外加电压定为100。当外加电压一定时, 尖针和叉针在直流高压电场中电场强度的纵向分布曲线如图 2。模拟实验的YE (场强)曲线表明:接近避雷针附近的电场强度, 尖针要比叉针高得多, 而高度在“ 雷云
9、先导” 附近, 叉针反比尖针的场强高, 无论尖针还是叉针的E dy = U , U为模拟雷云电极上所加的直流电压。这与电工基础理论是符合的, 表明测量结果是可信的。 三、结论 现在投入使用的各种形状的避雷针头都有变电场、引雷于自身的作用。但他们的引雷效果却有很大的不同, 分叉型避雷针头浪费了有色金属和增加了加工费用,虽然因避雷针分叉所多投入的人力、物力在工程中所占的比例很小, 但分叉型避雷针的引雷效果最差, 有失而无得, 多花钱买雷害事故显然是不合算的。遗憾的是仍有不少人对此没有认识。通过进行模拟试验研究, 我们的结论是单根尖头的避雷针引雷效果最好, 其次是平头的避雷针、球头的避雷针、而分叉越多, 所占空间越大的分叉型避雷针头引雷效果越差。为避免雷害事故的发生, 我们提出应停止生产、销售和使用分叉型避雷针头的建议。一般情况下, 可使用平头的金属管或棒做避雷针头, 在方便的条件下, 最好采用锥度小的尖端做避雷针头。 。 参考文献 1刘庆余 吉林电力技术 吉林电业局 1991 2 牛马成 建筑物防雷保护 河南师大 19943 龙丽红 避雷针工作原理的探讨 物理系 2001 小组成员：梅兴安 张俊武 刘小红 李强 滕志龙 吴新词 雷鹏
