13. 避雷針保護範圍的理論與實驗
作者：佚名--------文章來源： 網站一、歷史的回顧及理論概述
日本學者宮本慶己在《雷及避雷》[2]一書中論述了避雷針的引雷和防護地物的功能。他用模擬試驗說明單支豎立在平地的避雷針的引雷空域如圖2所示。其中簡化包絡線是一條拋物線，此線即為在正、負雷雨雲下該避雷針的50％擊針擊地平均分界線。圖中小圈為窄中各點實驗放電統計資料，表示類比實驗下行先導的針尖位置，黑圈表示百分之百出針，白圈表示百分之百擊地，黑白各半表示50％擊針及擊地。
圖1 單支避雷針的引雷空域
雷擊避雷針和地的放電強度與雷電極的極性有關，當雷的極性為正時，雷對避雷針的放電強度高於雷對地；當雷的極性為負時，雷對避雷針的放電強度略低於雷甫對地。所以在同樣電壓下雷電極對針的放電距離R與雷電極對地的放也距離H是不同的。根據長間隙放電的實驗資料大致有：
雷電極為負、地為正時，k=R/H=1.1；
雷電極為正、地為負時，k=R/H=0.8～0.9.
圖2 雷擊針地分介面的理論分析圖
圖3為雷擊針地分介面的理論分析圖，據此可以求出雷擊避雷針和地的理論分界線。圖中L為避雷針尖，其高度為h，P為雷電極頭部，其對地高度為H，E為雷電極正下方的投影點，L、P之間的距離為R。當P點維持k等於某一常數在圖面上運動時，其運動軌跡就是雷擊避雷針和地的理論分界線。分界線以y軸為中心旋轉就是立體的分介面。分介面內為雷擊避雷針的空域，分介面以外為雷擊大地的空域。分介面附近引下的雷擊地面為散擊區。
- 分界線有三種：k=O.9的情況下其分界線為；
k=1.1的情況下其分界線為——雙曲線；
k=1.0的情況下其分界線為——拋物線。
後者為一般分析避雷針接閃性能的理論基礎，它是正負雷擊情況的平均數。圖3的分析結果與圖2的實驗結果是相一致的。結合避雷針的引雷空域再分析避雷針的保護作用，見圖4。
圖4 單支避雷針保護作用的分析
- 圖4中O1L為避雷針，K為其高度的中點；MO2為被保護物，N為其高度的中點。假設雷擊距離為hr，雷電先導端頭位於P，PK(實線)為避雷針的引雷分界線，PN(虛線)為被保護物的引雷分界線。它的上部空域都在避雷針的引雷分界線以內。因此，距地面高度大於hr的雷擊將被引向避雷針，被保護物MO2將免於雷擊，這種現象稱為截擊效應；但當雷電先導從低於hr的右側襲擊來時，避雷針將起不到保護作用，這稱為對保護物的側擊。所以以P點為圓心，以hr為半徑作圓，此圓從避雷針頂點L經M地面O3點，它以下的部分就是雷擊距離為hr時避雷針的保護範圍。這一分析結果與按電氣幾何理論(EGM)滾球法推出的結果是一致的。
EGM理論[4]認為，雷電先導首先進入哪一物體的雷擊距離就對那一物體放電，雷擊距離是雷電流的函數：
式中，hr為雷擊距離，m；I為雷電流幅值，kA。
我國防雷標準GB 50057-94《建築物防雷計規範》規定三類建築物的避雷針保護範圍按hr為60m畫定。運行經驗表明這一規定符合我國通用建築防雷保護可*性的要求。
近幾年來一些學者對EGM理論又做了修正，稱為先導傳播模型理論[4](LPM)。該理論認為確定雷擊點除了考慮雷擊距離以外尚需考慮迎面先導和下行先導的相對運動。一定幾何形狀和高度的地物能否被一定雷電流幅值的雷電擊中，可用吸引半徑Ra來表示，Ra不僅是雷電流的函數，也是地物高度的函數，並和地物的幾何形狀有關。因為不同形狀和高度的地物，在同一雷電流的下行先導作用下感應的電場強度不同。
式中Ra為吸引半徑，m；I為雷電流幅值，kA；h為針狀物的高度，m。
分析結果表明：當臨界徑hr大於避雷針高度h時，EGM所得保護半徑比LPM要小，但不顯著；當臨界半徑hr小於針高h時，EGM所得保護半徑比LPM要小許多，某些情況下甚至小50％左右；當針高h>hr時，EGM認為高出臨界半徑的針體部分沒有保護範圍，而LPM理論認為保護半徑隨針體高度的增加而增加。
根據對塔形建築物吸引雷擊次數隨其高度增加而變化的觀測以及長間隙放電棒對棒的實驗結果都證明，避雷針的引雷能力隨其高度的增加而增強，但增加的速度是變緩的。這對LPM的結論給予了支持，可見EGM滾球法未考慮吸引能力隨高度變化是其保護範圍偏於保守、偏於嚴格的方法，它的優點是能對避雷針的保護範圍給出直觀的物理圖像。
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；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，該地面稱為散擊區。高聳的建築物和高架避雷針附近地面出現散擊區，遠離避雷針的地方雷擊率不受避雷針的影響，稱為正常區。避雷針周圍空間側擊區、地面的保護區、地面的散擊區和正常區見圖5所示。
圖5 避雷針的側擊區、保護區、散擊區和正常區
- 我國統計的雷電流幅值最大約為300kA，其對應的雷擊高度為408m。取雷擊定位高度為400m，可得出不同高度避雷針的保護區和散擊區的地表半徑見表1。
我國舊式民房一般高度在10m以下，避雷帶和避雷網的高度與房高相同，安裝的短針防雷其高度為1-2m，它們引起的散擊現象有明顯；高聳建築物和高架避雷針引雷招致雷擊率增高和存在散擊區。我國防雷學者歷來不主張用高架避雷針保護建築物，主張用屋頂短針和避雷帶防雷就是考慮了既能發揮它的引雷作用，又避免增加散雷區。試裝消雷器的運行結果表明：它不能消雷而且增大了雷擊率，所以許多部門拆除了這些消雷器。
二、避雷針保護範圍的模擬實驗研究
- 1.
單支避雷針的模擬實驗[5]
自從佛蘭克林證明大氣閃電與脈衝放電是同一種現象以後，人們就開始了雷電模擬的實驗研究。長間隙放電試驗表明，脈衝放電電壓與其放電路徑都具有統計
特性人們用針做上部電極，代表雷電先導端部；用金屬板做下部電極，代表大地。實驗中放電擊中的地面部位經常變化，即使針對針的針的放電其放電閃光的弧道
也經常不同。自然雷電與模擬雷電的放電結果都是統計性的。例如，一根避雷針的駁回範圍的大小與其保護率有關，要使保護率高，其保護範圍就小，如果使保護
率降低，其保護範圍就增大。在工程上一般認為取保護率為99%就可以了，即發生100次雷擊時要使99%次雷閃擊中避雷針，允許有1次擊在被保護物上，這是出於
防雷工程的經濟性和可*性綜合考慮確定的。
防雷模擬實驗通常在3-5m以下的放電間隙條件進行，它比實際自然落地閃電短得多。實驗時按假定的雷雨雲定位高度和先導放電的位置放置上部電極，然後按何
比例縮小建築物模型和避雷針模型的尺寸。這種實驗方法實際上是幾何類比，不是嚴格的物理類比，所以這些實驗結果沒有絕對的定量意義，它必須與雷擊事
故統計資料相對照才能得到，較為確切的定量評價。模擬試驗的意義在於它能在比較短的時間內得出雷擊的規律性，給出相對的定量資料。
從上世紀三十年代到五十年代，世界的防雷學者做了大量避雷針防雷的模擬實驗。地面上用長針代表避雷針，短針代表被保護物。另一電極懸掛在一定高度(一
般取避雷針高的5-10倍)模擬雷電先導的斷頭，用直流、標準波或操作波的高電壓的設備進行放電實驗並統計在不同條件下避雷針與被保護物的雷擊次數。實驗表
明，用正極性先導尖放電得出的保護範圍小負極性先導尖放電得到的保護範圍。為了使結果更為嚴格，實驗採用正極性放電。
模擬實驗的設計，即雷擊率的計算和實驗過程的安排，因學者不同很大差異。如美國C.F.瓦格聶爾(wagner)等人取在一定針(避雷針)物(被保護針)尺寸比例的條
件下，移動上部電極依次進行固定次數的雷擊放電，記錄各位置上的雷擊針與物的次數並繪成圖，取雷擊被保護物次數的面積與雷擊二針的總次數相比作為雷擊率
(繞擊率)，見圖6。
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(a) 避雷針的模擬試驗
h-避雷針高度；hx-被保護物高度；H-假想雷擊高度；1、2、3-雷電先導位置
上部電極移動位置X (b) 試驗資料統計示意圖 1-擊針次數；2-擊被保護物次數
- 注：在針物要對尺寸hx/h和相對距離r/h固定的情況下，按圖中曲線1、2下面的面積S1和S2計算雷擊率(不計對地放電次數)，公式為雷擊率=S2/(S1+S2)
圖6 變動上部電極位置的實驗過程及取實驗值的方法 - 而前蘇聯的A.A.阿柯平等人則將上部電極固定在針地各50％放電位置上，然後再佈置被保護針，並記錄各種針物相對尺寸和位置的雷擊次數，如圖7所示，取雷擊被保護物的雷擊次數與雷擊二針的總次數相比為雷擊率。
圖7 固定上部電極法實驗佈置示意圖
- 注：雷擊率=擊中被保護針次數標/擊中二針次數之和，計算中不計對地放電次數 取一定的雷擊率(例如1％)整理實驗結果，則可以繪出避雷針的保護範圍，
見圖8。
圖8 單支避雷針的保護範圍(類比實驗曲線)
- 注：圖中曲線1和2是美國C.F.瓦格顳爾等人的實驗曲線，曲線1的雷擊率為1%，曲線2的雷擊率為0.1%，曲線3和4是蘇聯A.A.阿柯平均數實驗曲線，曲線3
是避雷
針高為30m的保護範圍，曲線4是避雷針高為60m時的保護範圍。折線5系我國電力系統防雷規範DL/T 620-1997規定的避雷針保護範圍。 - 這些實驗結果都是相對的，由於影響雷電放電的因素很多，不同學者的實驗方法不同，統計方法、類比雷雲電極、電壓波形、放電針的位置等等都不一樣，實驗室模擬實驗的結果不能與自然雷電完全一致，所以除類比實驗以外還需要與雷擊事故統計資料進行比較，加以校正和證實。我國電力系統大量避雷針(4萬針年)和多年(4千所年)運行經驗表明，折線形的避雷針保護範圍的規定是可*的，其繞擊率為0.5％，筆者在北京收集自1954年以來的建築物雷擊事故，雷擊點均在折線保護範圍以外，有兩次事故發生在折線法的邊緣處。折線法避雷針保護範圍的規定符合LPM理論和構築物的防雷的需要。所以仍被電力系統的防雷規範所採用。高度30m以下的避雷針按滾球法計算的保護範圍與按折線法汁算的結果是相同或相近的，高度30m以上的避雷針按滾球法汁算的保護範圍與按折線法計算的結果比較，則滾球法偏於保守，其計算的保護範圍偏小。
圖9消雷器的雷擊模擬試驗佈置圖[9]
- 1-雷雨雲板(3.4×2.4m2)，H=1m；2-先導頭(10-25cm)；3-消雷器模型(高h)
2. 消雷器的模擬實驗[5、9]
圖9為半導體消雷器保護範圍的模擬試驗佈置圖，此試驗模擬比取1/500，消雷器高度取50m，雷雨雲定位高度為500m，試驗採用直流電壓，雲板為負極性，雲板下方的接地鋁板上鋪一層白紙來記錄雷擊點。
試驗是在上電極先導尖對地放電次數與對消雷器模型放電次數基本相等的條件下進行的。即圖9中先導尖的設置預先就取定在對消雷器模型和地面的放電次數各約一半的位置上。單支消雷器雷擊模擬試驗的條什：模擬塔高h=10cm，放電總次數為161次，其中對地放電83次，對模型塔放電78次，試驗結果見圖10。
圖10 消雷器試驗擊地次數的分佈圖[5]
- 注：本圖是按文(9)的試驗整理資料(直接按點分佈求得消雷器繞擊率)反推，所還原出該試驗擊地次數的分佈圖
請讀者將圖10與圖2、圖3比較，可知這個試驗乃是避雷針的引雷空域的實驗，圖10中的對地放電次數乃是對地散擊的次數。文(9)把它誤認為是繞擊，這是不對的。因為試驗中並無被保護物(針)的模型，他們處理試驗的概念有錯誤，計算方法也不合理。對地放電點的分佈呈現一定的散度是大氣放電的一種特性，怎麼能按其計算繞擊率呢？在圖10擊在50cm處，文(9)給出的“繞擊率”為0.66%，把對地散擊當作“繞擊”，從而錯誤地提出“消雷器具有5倍于塔高(約80°)的保護範圍”。
由前面我們講述的避雷針保護原理和實驗可以看出，避雷針(包括消雷器)的引雷空域和保護範圍是兩個不同的概念，前者是閃電弧道可能分佈的空間，它在高空；後者是避雷針能有效地遮罩被保護物免於遭受雷擊的空間，它是避雷針四周一定高度和半徑內的低空；它們的空間位置不同，大小不同，作用不同，因此是不能混淆的。
3. 雙支避雷針的模擬實驗[6、7]
雙支避雷針的類比實驗資料很少，但是很重要，因為它決定著多支避雷針的保護範圍的制定。圖11是雙支避雷針模擬實驗得到的幾種不同的試
驗曲線。
圖11 幾種雙支避雷針模擬雷擊實驗結果[6]
- 注：曲線1是蘇聯科學院動辦研究所推薦的、高60m以下的保護範圍關係曲線；
曲線2和2'是美國C.F.瓦格聶爾等人的實驗曲線，曲線2保護範圍內雷擊率為0.1%，曲線2'保護範圍內雷擊率為1%；
曲線3是蘇聯A.A.阿柯平的實驗曲線；
曲線4是蘇聯1951年過電壓保護導則的規定，也是我國電力系統防雷規範的依據。
圖11中的第4條曲線是最保守的曲線，它就是我國電力系統防雷規範的依據。按此模型實驗表明，避雷針具有某種“100%雷擊區”(圖12a)，在該範圍內雷電先導總是向避雷針發展。在雷電定向高度上，此範圍的半徑rx約等於3.5ha，此處ha為避雷針的有效高度。
圖12 避雷針的100%雷擊區[7]
- 如果在距離s=7ha處安裝第二支等高的避雷針，則兩支避雷針的100%雷擊區在H高度相切。如此，兩支避雷針的保護範圍將擴大許多。距離s=7ha乃是兩個100%雷擊區尚可在H高度相切的極限條件。為了消除從位於Y-Y軸上距X-X軸有某些距離的條點發生雷擊放電的可能性，必須將兩支避雷針移近，如圖12，b所示。據此可以實驗確定兩支避雷針間的保護範圍，這範圍的輪廓見圖13，其計算曲線和公式見我國電力系統防雷規範DL/T
620-1997規定的避雷針保護範圍[10]。
圖13 等高雙支避雷針的保護範圍[7]
-
該規範規定，兩支避雷針間的距離與針高之比s/h不宜大於5，這就保證了圖11曲線4不會超出合理的實驗數值範圍。
我國《建築物防雷設計規範》GB 50057-94(以下簡稱《規範》)規定的雙支等高避雷針的保護範圍是按純幾何模型推算出來的(即它的滾球半徑要與雙針的頂部相切；而球的突出部分要深切雙針的中部)。它完全沒有考慮兩支避雷針互相遮罩的效應，它是過於保守的。當針高30m時其s/h之值小於3.46，當針高60m時其s/h之值小於2。按滾球法計算的雙針和多針的保護範圍將是很小的。IEC建築物防雷規範中沒有雙針和多針保護範圍的計算方法，只有沿建築物表面滾球的規定。這個問題暴露在我國《規範》第3.5.5條，為了糾正滾球法得出的保護範圍過小的問題，我國《規範》第3.5.5條竟將一類防雷建築物用的滾球半徑放大到100m！這是很不合理的。
三、對各種避雷針保護範圍的評論
- 1.
應用避雷針保護範圍要注重物理概念的明瞭，不要把規範中的計算方法絕對化。
避雷針能否截擊閃電，關建在於針與物的電場強度的對比度和閃電襲來的方位。筆者在書[8]中比較詳細地介紹了R.H.哥路德關於閃電發展過程的描述，以及避雷針接閃作用與雷電流幅值的關係。自然界雷電流的幅值是統計性的，所以避雷針的保護作用也是統計性的。也就是說，避雷針的保護作用在大多數強雷擊時是有效的，但在弱雷擊時可能失效。這種保護失敗的現象稱為繞擊，哥路德推出避雷針的高度和其保護效果的關係如圖14所示。
圖14 避雷針高度及其保護效果[8]
- 圖14中的橫坐標是避雷針地面上的保護半徑r與避雷針高度h的比值,縱坐標是避雷針的保護率,即避雷針的落雷幾率，圖中曲線顯示避雷針的保護範圍不是與其高度成正比例增大的，長針的保護範圍比短針的保護範圍相對地要縮小，或者說長針的保護率比短針的保護率要求小。
不論是理論的還是實驗的避雷針保護範圍的模擬研究成果都是局限性的，它們都是統計意義上的結果，而不是絕對準確的論斷。人們還不知道30-60m長間隙空氣放電的擊穿電壓值，用3-10m間隙模擬實驗得出的結果外推所得到的論斷是否合理？我們必須認識這些理論的局限性和不確定性。避雷針保護範圍不是絕對的、精確的規定。有人把有關公式做成電腦軟體，這對設計師來說有計算方便的好處，但是它帶來一個負面影響，就是把這些公式絕對化了。一方面有了折線法與滾球法之爭，另一方面有人誤用了滾球法。
先談談誤用滾球法的情況：圖5說明避雷針的上部有一段側擊區，在這個區間內避雷針的保護作用是不確定的，比如說煙囪的防雷。煙囪上周邊都可能遭到雷擊，為了安全人們在其上部周邊上安裝避雷帶或者安裝對稱的兩支短針，而不宜安裝較長的單支避雷針，儘管它按滾球法算也符合規定；屋頂上的天線的防雷也應注意到這一點。滾球法有一頂潛在的假設，就是假定建築物自身能夠接閃的。這一點許多人往往日用而沒有注意到，因此就產生了應用滾球法的局限性，把滾球法用在建築物上滾，必須在建築的周邊上裝有避雷帶或者建築物是金屬結構的。
2. 不要按一種模式規定避雷針的保護範圍，要按被保護物的類型來選用避雷針的保護範圍。
避雷針保護範圍折線法與滾球法之爭由來已久，我們要冷靜地討論它，把道理講明白。滾球法避雷針保護範圍是按純幾何原理分析而成，沒有考慮多針互相間電場遮罩的作用，它的雙針和多針的保護範圍過於保守，已經達到工程上無法合理運用的程度。我國《規範》第3.5.5條將一類防雷建築物用的避雷針保護範圍的滾球半徑放大到100m，這實在是迫於無奈！然而這又有悖於建築物防雷分類的規定，它違背了風險控制原則，須知IEC建築物防雷規範中一類防雷建築物用的避雷針的保護範圍的滾球半徑是20m。電力系統防雷規範不採納滾球法避雷針保護範圍[10]就是這個道理。所以筆者認為一類防雷建築物應該仍用折線法的避雷針的保護範圍來規範。圖11中曲線4是該圖中比較保守的一條規定，按它制定的雙針和多針保護範圍經過長期的運行經驗，證明它們是安全可*。折線法的避雷針保護範圍是從地面算起的，即不論繪圖還是計算都要以地面為參考面，而不能以屋頂為參考面，這一點工程設計人員要明白。
四、結論
-
1.建築物(房屋)防雷適於採用滾球法作避雷針保護範圍，它有物理圖像清楚、直觀性好的優點，即可*又便於應用；
2.構築物(結構物)防雷適於採用折線法作避雷針保護範圍，它具有保護可*，和工程合理性的優點，並有長期豐富的運行經驗。
3.採用兩種避雷針保護範圍不會造成規範的混亂，因為它們適用於不同類型的建築結構，還能顯示應用避雷針保護範圍規定的特殊性。
- 參考文獻
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