浅析避雷针(线)防直击雷作用

1 浅析避雷针（线）防直击雷作用 许 颖 （中国电力科学研究院，北京清河，100085）

【摘 要】 本文介绍七个内容：（1）中国建筑物直击雷防护技术源远流长。防雷技术和防洪技术历史悠久，著名《大禹治水》的疏导将洪水排入大海，古建筑将雷电引入大地。（2）电力行业50多年都是金属结构屋顶接地防雷无须避雷针。（3）避雷针（线）的防雷保护作用，在于它比被保护物高，能把雷电从被保护上方引向自身并安全泄入大地。（4）世界上所有避雷针（线）保护范围计算方法都是经验公式。保护范围是指被保护物在此空间内可遭受雷击概率在可接受值之内。各种文献规定的不同保护范围是允许遭受雷击概率不同。保护范围计算方法是要经理论分析、实验室模型研究、长期多年实际运行经验证明三者结合，才能作为正式推荐使用。（5）电力行标DL/T620-1997对避雷针（线）保护范围计算方法。（6）精确确定避雷针高度超过120m的保护是现在世界上一个技术难题，在高度超过300m，就可能伸入云层。（7）避雷针（线）及接地引流线的配置。 【关键词】 建筑物直击雷防护 避雷针（线）的保护范围 避雷针（线）的引流和接地极

现代建筑物防雷保护由两部分组成：一是建筑物直击雷防护。二是雷电电磁脉冲防护（LEMP）。 进入建筑物内的雷电电磁脉冲渠道有：一是沿各种金属导体（电源线、信号线、金属管道、接地引流线和接地极）。二是电容耦合通道。三是电感耦合通道。防护措施是屏蔽、均压、等电位、分流、限压（SPD）等，将另文论述。 本文主要内容是浅析建筑物直击雷防护。

1．中国建筑物直击雷防护技术源远流长 中国著名《大禹治水》，疏导将洪水排入大海的防治思路沿用至今。将雷电引入大地的防雷技术历史悠久。1949年后，中国科学院电工研究所、北京市建筑设计院和清华大学等单位组成了北京建筑防雷研究组，对建筑物防雷进行了大量调查、试验和研究。1959年出版了《民用建筑物防雷保护》一书。后来总结了很多实践经验，包括天安门、人民大会堂等建筑物防雷技术经验。改版《建筑物防雷设计》，其中很多原理和原则，一直沿用至今。

2 金属结构屋顶防雷无须避雷针 电力行业标准，从1956年《3—220kV交流电气设备过电压保护导则》开始至今标准规定：金属结构屋顶的直击雷保护，将金属屋顶接地即可，无须避雷针（屋顶上其它设备防雷 2

保护需要除外）。这样的做法，经电力系统大量建筑物运行证明，是有效的。 3 避雷针（线）的防雷保护原理 避雷针（线）的防雷保护作用，在于它比被保护物高，能把雷电从被保护物上方引向自身并安全泄入大地。因此，避雷针（线）的引雷和安全泄入大地是至关重要的。 避雷针（线）的引雷作用，基本上是这样的，在雷电先导阶段，避雷针（线）顶部聚积电荷，在发展先导和避雷针（线）顶端之间通道中建立了很大电场强度，避雷针（线）迎面先导的产生和发展大大加强这通道中的场强，最后选定击中避雷针（线），布置在靠近避雷针（线）的被保护物比避雷针（线）低，由于避雷针（线）的屏蔽和迎面先导作用，所以被保护物遭受雷击的概率很小。利用避雷针（线）可实现直击雷保护。虽然这方法不是主动的，但能提供99.5%至99.9%保护效果。对密闭在完全金属壳体（或金属网）内被保护物才能提供完全保护。例如，人在金属壳体内或在停放的金属壳体汽车内，能安全免遭雷击伤害。按避雷针（线）引雷性能，确切名称应是“引雷针（线）”，在二十世纪五十年代，我国有的学者称为《导闪针（线）》，后来在一些文献上称为《接闪器》或《拦截器》。但因避雷针（线）这一名词已被广泛地使用，成为惯用名词，一时难以变动。 避雷针（线）的防雷保护作用，除引雷作用（保护范围）外，可靠保护的必要条件是要求避雷针（线）的泄流通道（回路）的阻抗（包括引流线电抗和接地电阻）很低，因为在雷电直击避雷针（线）时，很高的引流线电抗和接地电阻可能产生很高电压，引起避雷针（线）对被保护物在空气中（或绝缘物上）或地中反击。 避雷针（线）在受雷击向大地泄放电流时产生高电压对于金属、砖石或混凝土结构一般不会造成破坏。所以像烟囱、冷水塔、架空线路杆塔、高压配电装置架构的避雷针（线）及其引流线，均可固定在其本体上。但上述这种高电压，对于易燃、易爆和敏感电子设备和低压电气设备，便可能因出现火花或发生反击而造成起火爆炸或绝缘击穿。通常要采取降低接地电阻或设置独立避雷针（线）等措施来消除这种危险。

4 避雷针（线）保护范围 避雷针（线）保护范围，在不同标准（规程、规范等）中规定的不同，不同文献中推荐的计算方法不同。有人写文章说这个对那个错，或说这个错那个对。这是误解。 所谓保护范围是指被保护物在此空间内可遭受雷击概率在可接受值之内。各种文献规定的不同保护范围是允许遭受雷击概率不同。例如，电力行标DL／T620-1997规定的避雷针（线）保护范围内可能遭受雷击概率为0.1%，即保护范围可靠率达0.999。又如，美国推荐性的IEEE Std 142-1991规定的避雷针保护范围，滚球半径（击距）为30m，大约保护范围内遭受雷击概率（绕击率）为0.1%，采用45m，大约为0.5%。 避雷针（线）的引雷（拦截）效应，也即是对被保护物的保护作用（保护范围），与雷电极性、雷电通道电荷分布、空间电荷分布、先导头部电位、放电定位高度、避雷针数量和 3

高度、被保护物高度，这些相互之间位置，以及当时的大气条件和地理条件等因素有关。一般地说，地理条件（包括地形地貌和地质结构）影响先导阶段电场分布，从而影响到主放电的发展；大气条件是，空气湿度和温度愈高，避雷针（线）保护效果愈小。还有，雷电流幅值（即放电定位高度）愈大，避雷针（线）引雷（拦截）范围愈大，也即保护范围愈大。避雷针（线）保护范围与这么多因素有关。这些因素多是随机性的。 所以确定保护范围采用方法正确性不可能严格证明。一般地，是理论分析、实验室模型研究、长期多年的实际运行经验证明三者结合，才能作为正式推荐使用。 有的人，企图从已知很不够的一些条件和参数下开发出定量求出避雷针（线）不同保护范围绕击率计算方法，如电气几何击距法（EGM）、修正EGM的先导传播模型法（LPM）、滚球法、抛球法等，这样做是积极的、有益的。但至今为止，这些方法计算出的避雷针（线）的不同保护范围的绕击率，都是定性的，而定量是不可信的。正如前述，避雷针（线）保护范围受很多因素影响，其中一些因素至今无法定量。例如，这些方法中应用的一个关键参数，击距（或球半径）。从定性上说，击距或球半径随雷电流增大而增大。但定量就难了，至今，人们还不知道击距或球半径30～60m长空气间隙击穿电压值，不讨论实验室空气间隙放电是否逼真自然雷击放电，至今世界上最大实验室做的雷电冲击波空气间隙放电距离，最长的，也只有10m左右，将其外延伸用到30—60m或以上，有的按3kV／cm，有的按5kV／cm，还有的按10kV/cm，来推算，出现了很多在同一雷电流下不同击距或球半径的计算公式。例如，刘继1980年在《500kV变电所的直击雷防护及计算方法》（见《电力技术》1980年第3期）一文中就提出了这个问题并列举了不同作者的很多不同公式，不重复。这里列举近年出现的不同公式；（1）ЛАРИНОВ.В.П在《ЭЛЕКТРИЧЕСТВО》No.4/99上引用CIGRE和IEC的公式，击距8.6/1302IeIR（R以m计，雷电流I以kA计）；（2）CIGRE，WG33-01成员，中国电力科学研究院名誉院长郑健超院士在1999年引用CIGRE推荐的击距计算经验公式：8.08.6IR（R以m计，I以kA计）；（3）中科院电工研究所马宏达高级工程师在《电网技术》2000年第12期中介绍的EGM理论的击距65.010IR和LPM理论的击距40.063.038.2hIR（R以m计，I以kA计，H为针状物高度以m计）。不再列举，总之，至今，没有公认的击距R计算公式，而是各人各自用，五花八门，实际上击距R计算公式仍属经验公式。也即世界上所有避雷针（线）保护范围计算方法都是经验公式。还有，电气几何击距法、滚球法、抛球法一个共同点是谁距离短就击谁，这也不符合实验室获得的放电现象，放电有分散性和曲折多分支路，并不一定击中距离短的物体。这是先导头部不是一点，先导头部是一个电荷囊，电晕半径约0.6～6m，下行负先导会分数支，地上迎面先导也可是几个。 鉴于上述理由，电力行业标准DL/T620-1997[1]关于避雷针（线）保护范围仍用过去方法，统计了我国4272变电所年的运行经验，表明低于预计的0.1%，是可接受的，没有必要 4

改变，否则造成混乱和浪费。变电所现行直击雷防护可靠性，比沿架空输电线路导线上侵入雷电波防护高很多。变电所的危险主要来自沿架空输电线路导线上的侵入波。 需要说明的，DL/T620-1997关于避雷针（线）保护范围没有采用电气几何击距法、滚球法、抛球法等，并不是反对这些方法。世界上那种未标明保护范围内绕击率的计算方法实在太多，难以认同。

5．电力行标DL/T620-1997有关规定 中华人民共和国电力行业标准DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》§5.2中关于避雷针（线）保护范围。在避雷针（线）高度h≤30m时的保护范围是А.А.АКОПЯН在1936～1940年间在广泛的实验室研究基础上确定的。它的可靠性经苏联、中国等国家长期运行经验证实，可靠性为0.999。后来扩大用于避雷针（线）高度至120m，

对高度影响保护范围作了修正（P）；h≤30m，p=1；30m＜h≤120，p=h5.5＜1；这是考虑避雷针（线）有效性降低，高度大于30m，由于侧击雷，雷击避雷针（线）低于它的顶点。 5.1 单支避雷针的保护范围 单支避雷针保护范围（图1）是靠近避雷针建立一栋“尖帐篷”，自由表面旋转，形成如下的经验公式： （a）避雷针在地面上的保护半径，按式（1）确定： hpr5.1 （1） 式中： r——保护半径，m； h——避雷针高度，m；

p——高度修正系数；h≤30m，p=1；30m＜h≤120m，p=h5.5 （b）在被保护高度hx水平面上的保护半径按下列方法确定： （1）当hx≥0.5h时， phphhraxx)( （2） 式中： rx——避雷针在hx水平面上的保护半径，m； hx——被保护物高度，m； ha——避雷针有效高度，m； （2）当hx＜0.5h时， phhrxx)25.1( （3）