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避雷针是如何起到防护作用的

发布时间:2016-12-03  来源:  浏览次数:0

       在雷雨天气,高楼上空出现带电云层时,避雷针和高楼顶部都被感应上大量电荷,由于避雷针针头是尖的,所以静电感应时,导体尖端总是聚集了最多的电荷。这样,避雷针就聚集了大部分电荷。避雷针又与这些带电云层形成了一个电容器,由于它较尖,即这个电容器的两极板正对面积很小,电容也就很小,也就是说它所能容纳的电荷很少。而它又聚集了大部分电荷,所以,当云层上电荷较多时,避雷针与云层之间的空气就很容易被击穿,成为导体。这样,带电云层与避雷针形成通路,而避雷针又是接地的,避雷针就可以把云层上的电荷导入大地,使其不对高层建筑构成危险,保证了它的安全。

       避雷针的防雷作用是它能把闪电从保护物上方引向自己并安全地通过自己泄入大地,因此,其引雷性能和泄流性能是至关重要的。避雷针的引雷性能已有实验和理论分析如下:

一个竖立在平地的避雷针其引雷空域如图1所示。其中简化包络线是一条抛物线,此线即为在正、负雷雨云下该避雷针的50%击针击地平均分界线。图中小圈为空中各点实验放电统计数据,表示模拟实验下行先导的针尖位置,黑圈表示百分之百击针,白圈表示百分之百击地,黑白各半表示50%击针及击地。
雷击避雷针和地的放电强度与雷电极的极性有关:当雷的极性为正时,雷对避雷针的放电强度高于雷对地;当雷的极性为负时,雷对避雷针的放电强度略低于雷对地。所以在同样电压下雷电极对针的放电距离R与雷电极对地的放电距离H是不同的。根据长间隙放电的实验数据大致有:
雷电极为负、地为正时,k=R/H=1.1
雷电极为正、地为负时,k=R/H=0.8~0.9,
图2为雷击针地分界面的理论分析图,据此可以求出雷击避雷针和地的理论分界线。
图中L为避雷针尖,其高度为h,P为雷电极头部,其对地高度为H,E为雷电极正下方的投影点,L、P之间的距离为R。当P点维持k等于某一常数在图面上运动时,其运动轨迹就是雷击避雷针和地的理论分界线。分界线以y轴为中心旋转就是立体的分界面。分界面内为雷击避雷针的空域,分界面以外为雷击大地的空域,分界面附近引下的雷击地面为散击区。
分界线有3种:k=0.9情况下其分界线为一椭圆;k=1.1情况下其分界线为一双曲线;k=1情况下其分界线为一抛物线,后者为一般分析避雷针接闪性能的理论基础,它是正负雷击情况的平均数。图2的分析结果与图1的实验结果是相一致的。
结合避雷针的引雷空域再分析避雷针的保护范围问题,取k=1的情况可得避雷针的保护作用,见图3。
图3中O1 L为避雷针,K为其高度的中点;MO2为被保护物,N为其高度的中点。假设雷击距离为hr,雷电先导端头位于P,PK(实线)为避雷针的引雷分界线,PN(虚线)为被保护物的引雷分界线,它的上部空域都在避雷针的引雷分界线以内。因此,距地面高度大于hr的雷击将被引向避雷针,被保护物MO2将免于雷击,这种现象称为截击效应;但当雷电先导从低于hr的右侧袭来时,避雷针将起不到保护作用,这称为对被保护物的侧击。所以以P点为圆心,以hr为半径作圆,此圆从避雷针顶点L经M地面O3点,它以下的部分就是雷击距离为hr时避雷针的保护范围。这一分析结果与按电气几何理论(EGM)滚球法推出的结果是一致的。
EGM理论认为,雷电先导首先进入哪一物体的雷击距离就对那一物体放电,雷击距离是雷电流的函数[2]:
hr=10I0.65 (1)
式中 hr为雷击距离,m;I为雷电流幅值,kA。
美国R.H.Lee建议以10 kA作为一般建筑物的临界电流Ic,小于这个雷电流幅值时不会造成雷击事故,其对应的临界雷击半径hrc为45 m。这一观点把被保护物的耐雷水平与避雷针的保护率联系起来。我国防雷标准GB50057-94《建筑物防雷设计规范》规定三类防雷建筑物的避雷针保护范围按hrc为60 m画定。运行经验表明这一规定符合我国通用建筑物的防雷要求。
一些学者对EGM理论又做了修正,称为先导传播模型理论(LPM)。该理论认为确定雷击点除了考虑雷击距离外尚需考虑迎面先导和下行先导的相对运动。一定几何形状和高度的地物能否被一定雷电流幅值的雷电击中,可用吸引半径Ra来表述。Ra不仅是雷电流的函数,也是地物高度的函数,并和地物的几何形状有关。因为不同形状和高度的地物,在同一雷电流的下行先导作用下感应的电场强度不同。
Ra(I,h)=2.83I0.63h0.40 (2)式中 Ra为吸引半径,m;I为雷电流幅值,kA;h为针状物高度,m。
分析结果指出:当临界半径hrc大于避雷针高度h时,EGM所得保护半径比LPM要小,但不显著;当临界半径hrc小于针高h时,EGM所得保护半径比LPM要小许多,某些情况下甚致小50%左右;当针高h>hrc时,EGM认为高出临界半径的针体部分没有保护范围,而LPM理论则认为保护半径随针体高度的增加而增加。
根据对塔形建筑物吸引雷击次数随其高度增加而变化的观测以及长间隙放电棒对棒的实验结果都证明,避雷针的引雷能力随其高度的增加而增强,但增加的速度是变缓的。这对LPM的结论给予了支持,可见EGM滚球法未考虑吸引能力随高度变化是其保护范围偏小的原因。从理论角度看,滚球法是一种偏于保守、偏于严格的方法,它能对避雷针的保护区给出直观的物理图象。
考虑迎面先导和下行先导的相对运动可得出避雷针的引雷空域,见图4。
图中hr=vzhT+vxiaT (3)式中 hr为雷击距离,即雷击半径,m;vzh为地物或避雷针上迎面先导的发展速度,m/s;vxia为地闪下行先导的发展速度,m/s;T为大气间隙的放电时延,s。
参考图3可得到LPM理论的一切结论。
避雷针的上部有一段可能自身遭受侧向雷击的空间,称为对针杆侧击区;高架避雷针的引雷能力强,当侧方袭来的下行雷电先导被避雷针引近而未能在针端接闪时,会出现闪电击中避雷针附近地面的情况,使得高架避雷针附近的地面落雷密度较该处平均落雷密度大,该地面称为散击区。高耸的建筑物和高架避雷针附近地面出现散击区,远离避雷针的地方雷击率不受避雷针的影响,称为正常区。避雷针周围空间侧击区、地面的保护区、地面的散击区和正常区见图5所示。
按我国统计的雷电流幅值最大约为300 kA,其对应的雷击高度为408 m。取雷击定位高度为400m,可得出不同高度避雷针的保护区和散击区的地表半径见表1。我国旧式民房一般高度在10 m以下,避雷带和避雷网的高度与房高相同,安装的短针防雷其高度为1~2 m,它们引起的散击现象不明显;高耸建筑物和高架避雷针引雷招致雷击率增高和存在散击区。我国防雷学者历来不主张用高架避雷针保护建筑物,主张用屋顶短针和避雷带防雷就是考虑了既能发挥它的引雷作用,又避免增加散雷区。

保护范围

1根避雷针的保护范围
当避雷针的高度h≤hr时
距地面hr处作一条平行于地面的平行线,以避雷针的针尖为圆心,hr为半径画弧,交水平线于A、B两点,又分别以A、B两点为圆心,hr为半径,从针尖向地面画弧。如图1所示,则图中曲线就是避雷针保护范围的边界,保护范围是一个对称的锥体。
Hr的取值
一类防雷建筑物为30米
二类防雷建筑物为45米

三类防雷建筑物为60米

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