避雷针

论避雷针防雷机理

张其远

[摘　要]本文论证了当前电工规范中将避雷针保护范围边界采用双曲线描述的理论依据，并对两例避雷装置进行了调查。

[关键词]避雷针?避雷机理?保护范围?双曲线

 

18世纪50年代，**的美国科学家富兰克林通过有名的风筝实验，证实了雷是一种电的现象，从而揭开了人们对雷电科学研究的序幕。

1. 雷电的危害及避雷针避雷机理

雷电是大气放电的自然现象。在大气中雷云带有大量的电荷，如果带正电的雷云和带负电的雷云相遇便会放电，产生雷鸣和闪电。低空中的雷云由于静电感应会对建筑物、尖端物体等感应出异性电荷，*后通过空气放电，也会产生雷鸣和闪电。由于放电时间极短（约1秒）而电流极大，放电时温度高达20,000℃，空气受热急剧膨胀，所以雷击时会引起热的、电磁的、机械的、化学的和静电的作用，从而造成对人畜、建筑物、树木、电气设备的直接或间接的破坏。

大气中总是带有电荷的。如果含有大量电荷的雷云与其他云朵或大地接近时，由于静电感应就使另一方感应出异性电荷，*后通过空气放电。当在被保护物上装上避雷针后，避雷针就对雷电场产生一个附加电场，从而使雷电场发生畸变，使雷云放电通路由原来向被保护物发展的方向，吸引到避雷针自身上来，并由它将雷电流泄放到大地中去，从而使被保护物免受雷击。

但是避雷针只在一定的高度和一定的面积内才能对被保护对象起保护作用，因此应根据被保护对象的大小和高度决定安装避雷针的高度和根数。

实验表明，静电感应电荷总是等量异号地同时产生，同时消失，因而人们总结出物理学的一个普遍而重要的规律：一个与外界没有电荷交换的系统内，正、负电荷的代数和在任何物理过程中始终保持不变，这就是电荷守恒定律。对于静电势能：

 

当将（q₁·q₂）视为常量时，U_（r）的曲线成为双曲线。

个人认为，上式可作为电工规范中将单根避雷针的保护范围的边界定为双曲线的理论依据。

形状比较简单的孤立导体，电荷分布与导体的几何形状有关。在尖端，电荷密度大，在远离导体“电荷中心”的地方，可以把导体看成点电荷，在那里，等位面应是球面。

个人认为，上段论述可作为对避雷针进行定量计算时按点电荷处理的依据。

2. 避雷针的保护范围

2. 1 单根避雷针的保护范围单根避雷针的保护范围很象一圆锥形帐篷，其边界为双曲线，为分析方便其边界用两折线代替，如图一所示。图中h为避雷针高度，h_x为被保护物的高度，h_a = h-h_x为避雷针的有效高度，r_x为避雷针对应h_x高度在水平面上的保护半径(下同)。

图一

避雷针在地面上的保护半径：r = 1.5h而在被保护物高度上的保护半径r_x，应按下述情况分别计算：

当hx≥	h	时，rx =（h - hx）P
	——
	2

 

当hx≥	h	时，rx =（1.5h -2 hx）P
	——
	2

P称为高度影响系数(下同)。?

当h≤30m时，P=1；当h＞30m时, P=	5.5
	——
	h-2

2. 2 两支等高避雷针的保护范围

当被保护范围较大时，往往用两支及以上较矮的避雷针进行联合保护。如图二所示。其保护范围计算如下：

图二

①两针外侧的保护范围，按单支避雷针的计算方法确定。

②两针间的上部保护范围，由通过两针顶点及保护范围上部边缘*低点O的圆弧确定，圆弧的半径为R₀。O点为假想避雷针的顶点，其高度h₀为

h0=h-	a
	—
	7P

a为两避雷针间的距离。

在地面上的保护半径r_a=1.6h。

③两针间在hx水平面上保护的一侧*小宽度bx由下式确定

b_x=1.6（h₀-h_x）

b_x为在h_x水平面保护范围*小宽度的一半。

当a=7h_aP时，b_x=0，即再增大两针间的距离，就不能构成联合保护范围。

2. 3?两支不等高避雷针的保护范围。

如图三，其保护范围确定方法如下：

两针外侧保护范围，按单针的计算方法确定。两针内侧保护范围，先按单针法作其中较高1的保护范围，然后经过较低针2的顶点作水平线与1的保护范围相交于3点，设3点为等效避雷针的顶点，再按两等高避雷针的方法确定2和3的保护范围。即由通过避雷针2、3顶点及保护范围上部边缘*低点O的圆弧确定。

图三

O点高度按下式计算：h0=h2-	D'
	————
	7P

式中D′为避雷针2和等效避雷针3间的距离。

2. 4?多支避雷针的保护范围

当被保护面积较大时，可采用多支避雷针联合保护将更有效地增大保护范围，现以三支为例说明保护范围的确定方法。如图四所示，三支等高避雷针所形成的三角形保护范围，应分别按两支等高避雷针的计算方法确定。在三角形内被保护物*大高度h_x水平面上，各相邻避雷针间保护范围的一侧*小宽度b_x≥0时，则全部面积受到保护。

图四

3. 避雷针的组成

避雷针由接闪器（针头）、接地引下线和接地体（接地电极）组成。?接闪器：为直径d=10～12mm，长1=1～2m的钢棒，或为截面S不小于35mm2的镀锌钢绞线（避雷导线）。它们架设在一定高度起引雷作用。

接地引下线：由它将雷电流安全导入埋于地中的接地体，因而接地引下线应保证在强大的雷电流通过时不熔化。一般用直径6mm的圆钢，或截面不小于25mm²的镀锌钢绞线。当用钢筋混凝土杆、钢结构用支持物时，可用钢筋作接地引下线。

接地体：埋于地下与土壤直接接触的金属物体，它的电阻值很小，一般不小于10Ω，因而可更有效地将雷电流泄入地中。

4. 防雷调查实例

例1?某35/10KV变电所面积为633m²，用高度h=25m的两避雷针作防雷保护，两针距离a=43.3m，被保护物高度h_x=7m。避雷针对应h_x高度在水平面上的保护半径r_x=(1.5h-2h_x)p = (1.5×25-2×7)×1=23.5(m) 假想避雷针高度的水平距离*小保护宽度

h0=h-	a		43.3	18.8(m)
	----	=25-	----
	7P		7×1

假想避雷针的水平距离*小保护宽度

b_x=1.6(h₀-h_x)=1.6(18.8-7)=18.8(m)

变电所防雷保护范围如图五所示。整个变电所在避雷针保护范围，变电所得到保护。

图五

例2?某机械厂用电压为35/0.4KV，配电变压器型号为S9型，容量800KVA，配电所用地为粘质土壤，主接地极角钢为L50mm×5mm×2500mm共35根，接地干线为扁铁- 40×5，测得接地电阻为Re=0.5Ω，接地装置布置尺寸如图六所示。假设避雷针高度为h=25m，地面保护半径为37.5m，被保护物高度h_x=7m，保护半径r_x=23.5m。避雷针接地角钢型号为L50mm×5mm×2500mm，共3根，接地电阻为Rx=10Ω，避雷针安装位置如图六所示。

图六

参考文献:

[1] 狄富清. 城乡电网配电装置[M]. 中国电力出版社出版,　2001. 6.

 

(原载于2003. 3.《中国高教论丛》)

 

 

企业名片