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作者：伏名 文章來源： 網站 |
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摘要 本文討論了避雷針的感應靜電場控制原理，說明了避雷針應用的環境性，提出了對避雷針（接閃器）的選擇和設計的幾點建議。 關鍵字 避雷針 接閃器 建築物防雷 筆者在“避雷針保護範圍的理論與實驗”[1]一文中介紹了避雷針保護範圍的主要歷史資料，本文重要從物理學的角度，也就是從感應靜電場控制的角度討論這個問題。可供防雷工作者參考，如有謬誤之處歡迎同行和讀者批評指正。 1．避雷針是引雷針 1.1為避雷針正名 避雷針實際上是引雷針，它的保護作用是攔截閃電打在自己身上，從而使建築物避免遭受直接雷擊，它把雷電的能量沿著引下線安全地導入地中；它不能阻止雷電的行進，也不能消除雷電。 現在只有中國和日本仍然使用“避雷針”這個名詞；英國和美國都把它稱為“導電針”；俄國稱它為“接閃器”等等。由於我們祖先用的是象形文字系統，望文生義是我們的習慣，為了避免誤解“避雷針”的保護原理，有人提出“要為避雷針正名”的建議。 在防雷學科本科的教科書《高電壓工程學》中，接受直接雷擊的防雷裝置稱為接閃器，避雷針是接閃器的一種，是棒形的；接閃器的形式還包括：避雷帶、避雷網和法拉第籠（金屬箱體和罐體）等。 2.2擊選擇性原理 接閃器是按照雷擊選擇性原理設計的。雷電先導放電的路徑服從於統計規律，在所有可能放電的方向中，最主要的方向決定於最大電場強度。雷雨雲中的電荷積集到一定密度，首先從雲中某處產生空氣的電離而形成下行先導流注，高空先導流注放電的方向是隨機的，不受地面物體的影響。 雷雨雲下面的地面和地物受雷雲電荷的靜電感應，產生出與雷電異號的電荷，並使各地物表面的電場強度增強。當下行先導流注發展到某種高度，即所謂雷電定位高度H1處時，大氣電場開始被地物感應電場所歪曲，雷電先導向歪曲後的最大電場強度方向發展。 當下行先導流注行進到雷擊高度H2後，某一個或幾個地物表面電場強度達到了擊穿空氣的數值，該地物就會產生迎面先導流注，它向上發展與下行先導流注匯合，然後就產生強烈的主放電，該地物就遭到了雷擊。正如文[2]所指出的，在這一過程中，地物表面的電場強度表徵了該地物某處遭受雷擊危險性的大小。 文[2]給出了幾種典型建築物的形式及其表面電場強度的分佈計算圖，它表明建築物邊緣的棱角處電場強度比平面處電場強度大了2-3個數量級，所以那些棱角處的雷擊危險性最高，這就是截擊閃電的物理根據。 平屋頂或坡度不大於1/10的屋面雷擊多發生在簷角，女兒牆和屋簷處，（a）和（b）； 屋面坡度大於1/10但小於1/2者雷擊多發生在屋角，屋脊，簷角和屋簷處，（c）； 屋面坡度不小於1/2的，雷擊多發生在屋角，屋脊和簷角處，（d）； 對圖1（c）和（d），在屋脊有避雷帶的情況下，當屋簷處於屋脊避雷帶的保護範圍內時屋簷上可不設避雷帶。 上述避雷帶設計的建議在防雷工程中應用，經過四十餘年的運行經驗證明防雷效果明顯可靠。現在文[2]的分析又給了我們理論上的充分根據。 1.3控制論在電場理論中的應用 在房屋屋頂的周邊處敷設避雷帶和避雷網的做法是由麥克斯韋（Maxwell）於1856年提出的，在德國的防雷規範中早有規定，在我國倡議推廣的是王時煦先生。 從現代系統工程論的哲學思想來說這是感應靜電場控制在防雷技術中的應用。避雷針防雷應用的也是感應靜電場控制的原理，它是在房屋的附近或頂部樹立避雷針，在雷雨時避雷針的上端形成超強感應靜電電場，從而掩蓋了屋頂的感應靜電電場，使閃電向避雷針發展和放電，不再對屋頂放電。我國確定避雷針保護範圍的方法有兩種：一種是折線法，用於電力系統的防雷；一種是滾球法，用於建築物防雷。 這兩種避雷針保護範圍的設計方法各有其使用條件，它們都是工程設計規定，都是科學的；問題是設計人員要掌握它們的使用條件。 2． 球法是幾何模擬法 2.1避雷針保護範圍的滾球法古已有之 避雷針保護範圍的滾球法，又稱擊距法，是1938年由施瓦格首先提出的，他的理論基於以下假設：“避雷針和避雷線的保護範圍相同，都是按照它們與雷電先導之間的距離判定的，即在所有電壓形式（交流、直流和脈衝波形），所有火花放電間隙形狀下，其放電電壓與擊穿距離都是線性的關係；電極形狀對擊穿電壓沒有影響，都可按照雙針間隙的放電規律估算，這些規律是從小到大線性地增長的”。 學過《高電壓工程學》的人都知道，施瓦格的假設是片面的，不充分的，不能絕對地看待它。兩個間隙之間的放電電壓主要決定於他們之間的距離；但是還與間隙的形狀、電壓形式。以及距離的大小等都有關係，要區別不同情況分別對待[6]。 尤其是長間隙放電與短間隙放電的規律不同，放電電壓和間隙之間的距離不是線性關係，雷電放電是長間隙放電，時有異常放電現象發生。雷電現象的規律不是函數相關；而是統計相關。雷電流幅值與雷擊距離也是統計相關，不是函數相關。 所以避雷針的保護範圍的各種計算方法都不是函數相關，而是統計相關。對於防雷設計人員來說，這是什麼意思呢？就是設計人員不能絕對地看待避雷針保護範圍的計算公式，在處理統計相關的現象時，設計人員不僅要知道計算方法，還必須對這種高電壓現象有比較全面地瞭解，即對其物理概念要清楚，要有《高電壓工程學》的基礎，下面筆者將舉例說明。 表1 滾球法與折線法比較簡表
表1說明滾球法與折線法都有科學理論依據，但是又都有不符合實際的問題。我們的首要目標是解決現實的防雷工程設計的問題，理論完善還要進行大量的研究與實驗工作。 2.2滾球法的正確應用在於滾 當年林維勇先生選用滾球法為建築物避雷針保護範圍時我們並沒有提出異議。因為現代建築物多數是鋼筋混凝土結構的，它們本身具有一定的抗雷擊的能力，如果在其頂部敷設避雷帶或避雷網，選用滾球法設計其防雷裝置就更合理。沒有必要統一按折線法計算。 避雷針不是避雷，而是引雷；滾球半徑不是保護範圍，而是攔截距離；避雷針的上部是引雷空域，下部才是保護範圍；在引雷空域內沒有保護範圍，而有攔截距離；在保護範圍以內沒有攔截距離。 嚴格地說，滾球法中的滾球半徑沒有保護範圍的意思，而是避雷帶和避雷網的最小截擊距離。請注意，避雷帶和避雷網在強雷擊時截擊閃電的能力有餘；而對弱雷擊的截擊能力可能不足，容易發生遺漏弱雷擊到建築物的情況。所以有20m、30m、45m和60m相對應的不同“保護幾率”的標準。 我們在文[1]中已經分析過，在避雷針的上部空間是它的引雷空域，不是保護範圍，避雷針的保護範圍在它的下部空間中。在樓頂的空間中沒有保護範圍，有的是雷擊危險距離，即所謂的“滾球半徑”。為了工程技術人員便於掌握，我們仍用“滾球法保護範圍”的提法，不想這又造成概念上的混亂。 IEC防雷規範中沒有規定多支避雷針保護範圍的公式，只規定了滾球的方法，我們認為是有道理的。因為第一類建築物的結構不允許直接接受閃電者不能用滾球法。它是由幾何模擬法和疊加法聯合推導出的結果，它沒有考慮多針相互遮罩的效果，它估算保護率的統計方法不對，它不是物理意義上的類比，即它不符合自然界的實際情況。 折線法保護範圍是根據以雷電定位高度H1為基準進行雷擊模擬實驗的結果制定的，折線法得出的多針保護範圍比較滾球法的寬鬆許多。電力系統運用折線法多針保護範圍設計的防雷工程運行安全程度已經達到要求。根據運行的統計4272所變電站的避雷針（線）運行的事故率低於0.1%[7]，說明折線法的避雷針保護範圍規定是可以接受的，它一直沿用至今，沒有必要改變，否則將造成混亂和浪費。 相比之下滾球法的多針保護範圍不符合實際，以至《規範》不得不規定第3.5.5條把獨立避雷針和架空避雷線保護範圍的滾球半徑hr放大到100m。這種隨意放大滾球半徑的做法與雷電風險分析的原則相悖，是不合邏輯的。 如果我們教條式地按照滾球法的多針保護範圍公式去設計，必然要增加避雷針的高度，其結果是增加避雷針的引雷能力。高架避雷針的運行經驗表明，它將招致雷擊率增加。 滾球法避雷針保護範圍不應該用在不允許直接接受閃電的第一類建築物結構上。這種情況下應該用折線法估算避雷針的保護範圍。我們研究避雷針保護範圍的目的是為了解決現實的防雷工程，要考慮防雷技術方案的技術經濟合理性，在安全可靠性達到要求的情況下，還要有經濟性和可實現性的觀點，所以我們認為《規範》中多支避雷針保護範圍的計算公式應該刪除，保留其他滾球法的有關規定，即仍然按IEC防雷規範的原文條款去做。 3． 避雷針應用的環境性 3.1避雷針適合用於平原地區矮小建築物的防雷 經驗表明，在開闊的平原地區矮小建築物（群）採用避雷針防雷是技術經濟合理的，變電站的防雷如此，火工品的廠房和儲備庫如此，危險品倉庫也是如此。 這些建築群的多支避雷針高出建築物有幾米或十幾米，建築物的高度都低於避雷針的引雷空域，所以人們無須擔心其防雷安全性。這些避雷針應該用折線法判定其保護範圍。 3.2山區建築物不宜用避雷針防雷 在雷雨雲低於山頭的坡地上往往產生側向雷擊，此處的建築物應該用避雷帶和避雷網防雷，譬如安徽黃山氣象臺，那裏的雷擊多發生在屋頂上的金屬護欄處，屋頂上保護氣象測量設備的避雷針卻很少截擊閃電。像這樣的地理情況，建築物的防雷就不宜採用避雷針防雷。 3.3高層建築物不宜用避雷針防雷 高架避雷針的保護效果比較低高度避雷針的保護效果差。避雷針的上部有一段可能自身遭受側向雷擊的空間，稱為對針杆的側擊區。有人說：“避雷針高度在120m以上時，其折線法的保護範圍是無效的”，我們說：“對！按《規範》避雷針高度在60m以上時，其滾球法的保護範圍就已經是無效的了”。 高架避雷針的引雷能力強，當側方襲擊來的下行雷電先導被避雷針引近而未能在針端接閃時，會出現閃電擊中避雷針附近地面的情況，使得高架避雷針附近的地面落雷密度較該處平均落雷密度大，該地面稱為雷電散擊區。 莫斯科市有一座537m高的電視塔，在離塔水準距離150m的地面曾遭受到雷擊，在其周圍1.5km內的地面落雷率比莫斯科市平均落雷率高2.5- 4倍，這種高架電視塔（避雷針）使其附近地區的房屋增大了雷擊的危險程度。所以，我們不推薦在城鄉的建築物中架設避雷針保護，這些建築物應該儘量採用避雷帶和避雷網防雷，只有天線和局部突出物用短針防雷。 ESE避雷針的宣傳資料稱它能夠擴大雷擊距離，這一說法沒有被國際防雷學術界認可，它所謂“提前接閃”的性能是否有利於建築物防雷，即是否引來更多的雷電，是否增加雷擊的頻度，這些都是不明確的問題。 鋼筋混凝土建築物的鋼筋網就是避雷網，設計師預防地震的危險對其內部主筋結構提出焊接要求，使它具有良好的防雷性能。雷擊時為了不損壞建築物屋面，人們要求在屋面棱角處敷設明裝避雷帶和避雷網，這種建築物上無須安裝避雷針。高層建築物無須安裝避雷針（不宜安裝避雷針）還有更重要的道理，就是防雷裝置的感應電磁場的控制問題，這已經超出本文的討論範圍，我們把它留到以後討論。
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