避雷針--直擊雷防護(hù)

避雷針，又名防雷針，是用來保護(hù)建筑物等避免雷擊的裝置。在高大建筑物頂端安裝一個(gè)金屬棒，用金屬線與埋在地下的一塊金屬板連接起來，利用金屬棒的放電，使云層所帶的電和地上的電逐漸中和，從而不會(huì)引發(fā)事故。避雷針規(guī)格必須符合GB標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)級(jí)別的防雷需要的避雷針規(guī)格都不一樣。

避雷針的種類

　　直擊雷避雷針/特殊避雷針/提前預(yù)放電避雷針

直擊雷避雷針

　　適用于石化倉庫、廣播電視、加油站、建筑大樓、信標(biāo)臺(tái)，通信基站、氣象臺(tái)、軍事基地、雷達(dá)機(jī)房、銀行大樓

特殊避雷針

　　適用于較高的建筑大樓微波通訊站、雷達(dá)基站、信標(biāo)臺(tái)，通信基站、軍事基地、雷達(dá)機(jī)房、銀行大樓、天文氣象臺(tái)等重要場(chǎng)所。

提前預(yù)放電避雷針

　　當(dāng)避雷針截受雷擊時(shí)，由接閃體接閃，通過雷電波形處理裝置，利用外殼與中心接地桿之間有3mm間隙，構(gòu)成耦合電容，同時(shí)外殼通過一個(gè)電感線圈接地（中心接地桿）當(dāng)下行先導(dǎo)接近接閃器時(shí)，由于頻率，電感呈開路狀態(tài)，電容對(duì)高頻呈現(xiàn)短路特性，因此耦合電容作用下，接閃器表面電場(chǎng)強(qiáng)度迅速增加，直至觸發(fā)雪崩過程，從而能在頃刻間將雷電流泄放入地，以至有效的達(dá)到防雷害保安全的目的。

避雷針為什么要裝在樓頂　　帶電的云,首先是從上往下運(yùn)行,在高處安避雷針,就首先將云中的電放掉,以后到房子接觸云的時(shí)候,就基本沒有或只有少部分電而沒有危險(xiǎn)了．

避雷針的機(jī)理

　　避雷針的防雷作用是它能把閃電從保護(hù)物上方引向自己并安全地通過自己泄入大地，因此，其引雷性能和泄流性能是至關(guān)重要的。避雷針的引雷性能已有實(shí)驗(yàn)和理論分析如下：

　　一個(gè)豎立在平地的避雷針其引雷空域如圖1所示［1］。其中簡(jiǎn)化包絡(luò)線是一條拋物線，此線即為在正、負(fù)雷雨云下該避雷針的50％擊針擊地平均分界線。圖中小圈為空中各點(diǎn)實(shí)驗(yàn)放電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，表示模擬實(shí)驗(yàn)下行先導(dǎo)的針尖位置，黑圈表示擊針，白圈表示擊地，黑白各半表示50％擊針及擊地。

雷擊避雷針和地的放電強(qiáng)度與雷電極的極性有關(guān)：當(dāng)雷的極性為正時(shí)，雷對(duì)避雷針的放電強(qiáng)度高于雷對(duì)地；當(dāng)雷的極性為負(fù)時(shí)，雷對(duì)避雷針的放電強(qiáng)度略低于雷對(duì)地。所以在同樣電壓下雷電極對(duì)針的放電距離R與雷電極對(duì)地的放電距離H是不同的。根據(jù)長間隙放電的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大致有：

　　雷電極為負(fù)、地為正時(shí)，k＝R／H＝1．1；

　　雷電極為正、地為負(fù)時(shí)，k＝R／H＝0．8～0．9，

　2為雷擊針地分界面的理論分析圖，據(jù)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(duì)地高度為H，E為雷電極正下方的投影點(diǎn)，L、P之間的距離為R。當(dāng)P點(diǎn)維持k等于某一常數(shù)在圖面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)就是立體的分界面。分界面內(nèi)為雷擊避雷針的空域，分界面以外為雷擊大地的空域，分界面附近引下的雷擊地面為散擊區(qū)。

　　結(jié)合避雷針的引雷空域再分析避雷針的保護(hù)范圍問題，取k＝1的情況可得避雷針的保護(hù)作用，見圖3。　

圖3中O1 L為避雷針，K為其高度的中點(diǎn)；MO2為被保護(hù)物，N為其高度的中點(diǎn)。假設(shè)雷擊距離為hr，雷電先導(dǎo)端頭位于P，PK（實(shí)線）為避雷針的引雷分界線，PN（虛線）為被保護(hù)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(nèi)。因此，距地面高度大于hr的雷擊將被引向避雷針，被保護(hù)物MO2將免于雷擊，這種現(xiàn)象稱為截?fù)粜?yīng)；但當(dāng)雷電先導(dǎo)從低于hr的右側(cè)襲來時(shí)，避雷針將起不到保護(hù)作用，這稱為對(duì)被保護(hù)物的側(cè)擊。所以以P點(diǎn)為圓心，以hr為半徑作圓，此圓從避雷針頂點(diǎn)L經(jīng)M地面O3點(diǎn)，它以下的部分就是雷擊距離為hr時(shí)避雷針的保護(hù)范圍。這一分析結(jié)果與按電氣幾何理論（EGM）滾球法推出的結(jié)果是一致的。

　EGM理論認(rèn)為，雷電先導(dǎo)首入哪一物體的雷擊距離就對(duì)那一物體放電，雷擊距離是雷電流的函數(shù)［2］：

　　hr＝10I0．65 （1）

　　式中　hr為雷擊距離，m；I為雷電流幅值，kA。

　　美國R．H．Lee建議以10 kA作為一般建筑物的臨界電流Ic，小于這個(gè)雷電流幅值時(shí)不會(huì)造成雷擊事故，其對(duì)應(yīng)的臨界雷擊半徑hrc為45 m。這一觀點(diǎn)把被保護(hù)物的耐雷水平與避雷針的保護(hù)率聯(lián)系起來。我國防雷標(biāo)準(zhǔn)GB50057－94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定三類防雷建筑物的避雷針保護(hù)范圍按hrc為60 m畫定。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明這一規(guī)定符合我國通用建筑物的防雷要求。

　　近年來一些學(xué)者對(duì)EGM理論又做了修正，稱為先導(dǎo)傳播模型理論（LPM）。該理論認(rèn)為確定雷擊點(diǎn)除了考慮雷擊距離外尚需考慮迎面先導(dǎo)和下行先導(dǎo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。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來表述。Ra不僅是雷電流的函數(shù)，也是地物高度的函數(shù)，并和地物的幾何形狀有關(guān)。因?yàn)椴煌螤詈透叨鹊牡匚?，在同一雷電流的下行先?dǎo)作用下感應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度不同。

　　Ra（I，h）＝2．83I0．63h0．40 （2）

　　式中　Ra為吸引半徑，m；I為雷電流幅值，kA；h為針狀物高度，m。

　　分析結(jié)果指出：當(dāng)臨界半徑hrc大于避雷針高度h時(shí)，EGM所得保護(hù)半徑比LPM要小，但不顯著；當(dāng)臨界半徑hrc小于針高h(yuǎn)時(shí)，EGM所得保護(hù)半徑比LPM要小許多，某些情況下甚致小50％左右；當(dāng)針高h(yuǎn)＞hrc時(shí)，EGM認(rèn)為高出臨界半徑的針體部分沒有保護(hù)范圍，而LPM理論則認(rèn)為保護(hù)半徑隨針體高度的增加而增加。

　　根據(jù)對(duì)塔形建筑物吸引雷擊次數(shù)隨其高度增加而變化的觀測(cè)以及長間隙放電棒對(duì)棒的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明，避雷針的引雷能力隨其高度的增加而增強(qiáng)，但增加的速度是變緩的。這對(duì)LPM的結(jié)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(hù)范圍偏小的原因。從理論角度看，滾球法是一種偏于保守、偏于嚴(yán)格的方法，它能對(duì)避雷針的保護(hù)區(qū)給出直觀的物理圖象。

　　考慮迎面先導(dǎo)和下行先導(dǎo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可得出避雷針的引雷空域　　

　　hr＝vzhT＋vxiaT （3）

　　式中　hr為雷擊距離，即雷擊半徑，m；vzh為地物或避雷針上迎面先導(dǎo)的發(fā)展速度，m／s；vxia為地閃下行先導(dǎo)的發(fā)展速度，m／s；T為大氣間隙的放電時(shí)延，s。

　　參考圖3可得到LPM理論的一切結(jié)論。

　　避雷針的上部有一段可能自身遭受側(cè)向雷擊的空間，稱為對(duì)針桿側(cè)擊區(qū)；高架避雷針的引雷能力強(qiáng)，當(dāng)側(cè)方襲來的下行雷電先導(dǎo)被避雷針引近而未能在針端接閃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)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(qū)。高聳的建筑物和高架避雷針附近地面出現(xiàn)散擊區(qū)，遠(yuǎn)離避雷針的地方雷擊率不受避雷針的影響，稱為正常區(qū)。避雷針周圍空間側(cè)擊區(qū)、地面的保護(hù)區(qū)、地面的散擊區(qū)和正常區(qū)見圖5所示。

　按我國統(tǒng)計(jì)的雷電流幅值約為300 kA，其對(duì)應(yīng)的雷擊高度為408 m。取雷擊定位高度為400m，可得出不同高度避雷針的保護(hù)區(qū)和散擊區(qū)的地表半徑見表1。我國舊式民房一般高度在10 m以下，避雷帶和避雷網(wǎng)的高度與房高相同，安裝的短針防雷其高度為1～2 m，它們引起的散擊現(xiàn)象不明顯；高聳建筑物和高架避雷針引雷招致雷擊率增高和存在散擊區(qū)。我國防雷學(xué)者歷來不主張用高架避雷針保護(hù)建筑物，主張用屋頂短針和避雷帶防雷就是考慮了既能發(fā)揮它的引雷作用，又避免增加散雷區(qū)。

避雷針的保護(hù)范圍

1根避雷針的保護(hù)范圍

當(dāng)避雷針的高度h≤hr時(shí)

　　距地面hr處作一條平行于地面的平行線，以避雷針的針尖為圓心，hr為半徑畫弧，交水平線于A、B兩點(diǎn)，又分別以A、B兩點(diǎn)為圓心，hr為半徑，從針尖向地面畫弧。如圖1所示，則圖中曲線就是避雷針保護(hù)范圍的邊界，保護(hù)范圍是一個(gè)對(duì)稱的錐體。

　　Hr的取值

　　一類防雷建筑物為30米

　　二類防雷建筑物為45米

　　三類防雷建筑物為60米

避雷針制作、安裝

　?。?所有金屬部件必須鍍鋅，操作時(shí)注意保護(hù)鍍鋅層。

　?。?采用鍍鋅鋼管管制作針尖，管壁厚度不得小于3mm,針尖刷錫長度不得小于70mm

　?。?避雷針應(yīng)垂直安裝牢固。垂直度允許偏差為3/1000。

c水塔頂部避雷針采用直徑25mm或40mm的鍍鋅鋼管

　　d煙囪頂上避雷針采用直徑25mm鍍鋅圓鋼或直徑為40mm鍍鋅鋼管e避雷環(huán)用直徑12mm鍍鋅圓鋼或截面為100mm2鍍鋅扁鋼，其厚度應(yīng)為4mm．

　　避雷針宜采用圓鋼或焊接鋼管制成，其直徑不應(yīng)小于下列數(shù)值：

　　針長1m以下：圓鋼為12mm

　　焊接處一不飽滿，焊藥處理不干凈，漏刷防銹漆。應(yīng)及時(shí)予以補(bǔ)焊，將藥皮敲掉，刷上防銹漆。

　　針體彎曲，安裝的垂直度超出允許偏差。應(yīng)將針體重新調(diào)直，符合要求后再安裝

　　獨(dú)立避雷針及其接地裝置與道路或建筑物的出入口保護(hù)距離不符合規(guī)定。其距離應(yīng)大于3m，當(dāng)小于3m時(shí)，應(yīng)采取均壓措施或鋪設(shè)卵石或?yàn)r青地.

　　注意：

　　避雷針如果沒接地將是個(gè)迎雷針 ，所以必須謹(jǐn)慎。

　　補(bǔ)充：

　　避雷針的作用沒有一般人想像的那么好，建筑物是否遭雷擊有很多因素，有無避雷針只是其中一種。

　　很多古代的建筑物建筑在山頂上，沒有遭受雷擊，反而是附近的山谷中容易雷擊，這就是因?yàn)橥寥离娮杪什煌?。山上砂石多，土壤電阻率大；山谷中多有河流，土壤中水分大，土壤電阻率小?

避雷針的工作原理

　　在雷雨天氣，高樓上空出現(xiàn)帶電云層時(shí)，避雷針和高樓頂部都被感應(yīng)上大量電荷，由于避雷針針頭是尖的，所以靜電感應(yīng)時(shí)，導(dǎo)體總是聚集了最多的電荷。這樣，避雷針就聚集了大部分電荷。避雷針又與這些帶電云層形成了一個(gè)電容器，由于它較尖，即這個(gè)電容器的兩極板正對(duì)面積很小，電容也就很小，也就是說它所能容納的電荷很少。而它又聚集了大部分電荷，所以，當(dāng)云層上電荷較多時(shí)，避雷針與云層之間的空氣就很容易被擊穿，成為導(dǎo)體。這樣，帶電云層與避雷針形成通路，而避雷針又是接地的，避雷針就可以把云層上的電荷導(dǎo)入大地，使其不對(duì)高層建筑構(gòu)成危險(xiǎn)，保證了它的安全。

避雷針的作用

　　常規(guī)防雷電可分為防直擊雷電、防感應(yīng)雷電和綜合性防雷電。防直擊雷電的避雷裝置一般由三部分組成，即接閃器、引下線和接地體；接閃器又分為避雷針、避雷線、避雷帶、避雷網(wǎng)。以避雷針作為接閃器的防雷電原理是：避雷針通過導(dǎo)線接入地下，與地面形成等電位差，利用自身的高度，使電場(chǎng)強(qiáng)度增加到極限值的雷電云電場(chǎng)發(fā)生畸變，開始電離并下行先導(dǎo)放電；避雷針在強(qiáng)電場(chǎng)作用下產(chǎn)生放電，形成向上先導(dǎo)放電；兩者會(huì)合形成雷電通路，隨之瀉入大地，達(dá)到避雷效果。實(shí)際上，避雷針是引雷針，可將周圍的雷電引來并提前放電，將雷電電流通過自身的接地導(dǎo)體傳向地面，避免保護(hù)對(duì)象直接遭雷擊^[1]。

避雷線、避雷帶和避雷網(wǎng)有什么區(qū)別

　　避雷線是鐵質(zhì)的，避雷針是銅質(zhì)（也可以是銀質(zhì)的），避雷針頂端向天，避雷線連接避雷網(wǎng)埋地，避雷線連接避雷針，雷雨季節(jié)，雷電從天空從避雷針進(jìn)入避雷線直至埋地的避雷網(wǎng)，是消除雷擊保護(hù)建筑物或儀器的設(shè)施。

　　大都用于建筑，變壓器電線竿，機(jī)房，發(fā)射架等。

　　避雷線分圓截面和扁截面兩大類型。接復(fù)層金屬包基體金屬的不同分為：鉛包鋼、鉛包銅、銅包鋼、鉛包鋼避雷線。

　　避雷針用于高層建筑、煙囪或油罐上。下引可用避雷線連接。避雷針由針體及安裝類別結(jié)構(gòu)件組成。針類采用不銹鋼；針體須用銅包鋼圓棒或鋼管為基材 。

　　避雷帶是指沿屋脊、山墻、通風(fēng)管道以及平屋頂?shù)倪呇氐茸羁赡苁芾讚舻牡胤椒笤O(shè)的導(dǎo)線。當(dāng)屋頂面積很大時(shí)，采用避雷網(wǎng)。它是為了保護(hù)建筑的表層不被擊壞，避雷網(wǎng)和避雷帶宜采用鍍鋅圓鋼或扁鋼，應(yīng)優(yōu)先選用圓鋼，其直徑不應(yīng)小于8mm，扁鋼寬度不應(yīng)小于12mm，厚度不應(yīng)小于4mm。避雷線適用于長距離高壓供電線路的防雷保護(hù)。架空避雷線和避雷網(wǎng)宜采用截面積大于35mm²的鍍鋅鋼絞線。

網(wǎng)絡(luò)用語

　　在網(wǎng)上經(jīng)常見到避雷針這一詞語，指的是為即將或已經(jīng)看到雷人的事物而做好心理準(zhǔn)備。

　　例如：

　　此帖很雷，請(qǐng)帶好避雷針再進(jìn)。

　　雷死我了，樓主也不事先提醒我們帶避雷針。

　　避雷針原理

　　一種保護(hù)建筑物和電力設(shè)備免遭直接雷擊的裝置。其作用是將雷電流引向自身，并使之安全泄入大地，從而使被保護(hù)物受到遮蔽。

　　避雷針由接閃器、接地引下線和接地體 3部分組成。接閃器通常采用直徑為 15～20mm、長度為1～2m的圓鋼或鋼管，固定于支柱上端經(jīng)接地引下線與接地體連接。

　　當(dāng)雷云對(duì)地放電通道發(fā)展到臨近地面時(shí)，由于避雷針突出地面并有良好接地，在針尖附近的電場(chǎng)強(qiáng)度提高，聚積相反極性的電荷，引導(dǎo)放電向避雷針方向發(fā)展，最終擊中避雷針，把雷擊能量有效地引入大地。 避雷針具有一定的保護(hù)作用。保護(hù)范圍的計(jì)算方法是由運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)結(jié)果確定的。工程設(shè)計(jì)中常用的方法是認(rèn)為保護(hù)半徑是避雷針高度的函數(shù)。據(jù)中國的規(guī)范規(guī)定,單支避雷針的保護(hù)范圍是一個(gè)錐體(見圖)。高度為h 的避雷針, 其在地面上的保護(hù)半徑r＝1.5h;在被保護(hù)物高度hx的水平面上，其保護(hù)半徑rx為

　　當(dāng)hx≥時(shí) ，　rx=(h-hx)P＝h0P

　　當(dāng)hx＜ 時(shí)，　rx=(1.5h-2hx)P

　　當(dāng)h≤30m時(shí)，　P＝1

　　當(dāng)30≤h≤120m時(shí)，　

　　60年代以來，又提出了計(jì)算避雷針保護(hù)范圍的擊距法，認(rèn)為保護(hù)范圍還受雷電流大小的影響。但迄今為止，還沒有一種為各國科學(xué)家和工程師的、計(jì)算保護(hù)范圍的完善方法。

山東濟(jì)南華天防雷公司 技術(shù)部 供稿 相關(guān)標(biāo)題：避雷針