關(guān)于獨(dú)立避雷針保護(hù)內(nèi)邊界問(wèn)題的探討

高云鵬，章 程，李鵬飛

（無(wú)錫市防雷中心，江蘇 無(wú)錫 214101）

1 引言

避雷針是一種簡(jiǎn)單的防直擊雷裝置，冠以“避雷”二字，是指能使被保護(hù)物體避免雷擊。由于避雷針較高，而且具有良好的接地，因而避雷針上容易因靜電感應(yīng)而積聚與雷電先導(dǎo)極性相反的電荷，使雷電先導(dǎo)通道與避雷針間的電場(chǎng)強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，進(jìn)而將先導(dǎo)放電的路徑引向避雷針并繼續(xù)發(fā)展，直到對(duì)避雷針發(fā)生主放電。因此，低于避雷針并分布在其附近的物體遭受雷擊的概率很小。

獨(dú)立避雷針是指不借助其他建筑物、構(gòu)筑物，擁有獨(dú)立的接閃器、引下線和接地裝置的專門組裝金屬構(gòu)筑物，如桿塔、鐵塔等。利用獨(dú)立避雷針可實(shí)現(xiàn)對(duì)直擊雷的防護(hù)，但是日常生活中被保護(hù)物體明明安裝了獨(dú)立避雷針且處于其保護(hù)范圍之內(nèi)卻仍然遭受雷擊的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。從筆者日常檢測(cè)中遇到的實(shí)際情況來(lái)看，造成“花錢找雷打”的主要原因就是大多數(shù)獨(dú)立避雷針的安裝都忽視了其引下線與被保護(hù)物之間的距離問(wèn)題，從而導(dǎo)致獨(dú)立避雷針引下線與被保護(hù)物之間發(fā)生放電，形成雷電反擊。為了防止雷電反擊現(xiàn)象的發(fā)生，被保護(hù)物與獨(dú)立避雷針引下線之間應(yīng)保持一定的安全距離，這個(gè)距離就是文章所討論的“獨(dú)立避雷針保護(hù)內(nèi)邊界”，它與“由滾球法確定的保護(hù)外邊界”共同組成了“獨(dú)立避雷針經(jīng)過(guò)修正后的保護(hù)范圍”。下面來(lái)討論其保護(hù)范圍的內(nèi)邊界。

圖1 獨(dú)立避雷針經(jīng)過(guò)修正后的保護(hù)范圍

2 獨(dú)立避雷針的保護(hù)內(nèi)邊界

當(dāng)閃電直接擊中獨(dú)立避雷針時(shí)，會(huì)在避雷針引下線和接地體上產(chǎn)生很高的電位。由于獨(dú)立避雷針的接地裝置相對(duì)獨(dú)立，所以必須保證獨(dú)立避雷針與被保護(hù)物之間的空氣間隙Sa及避雷針接地裝置與被保護(hù)物接地裝置之間的地中距離Se同時(shí)滿足一定的要求，見(jiàn)圖1。

其中：H：獨(dú)立避雷針針高，m；

Sa：獨(dú)立避雷針引下線與被保護(hù)物之間的安全距離，m；

Ri：獨(dú)立避雷針接地裝置的沖擊接地電阻，Ω。

獨(dú)立避雷針在接閃瞬間，引下線上高度hx（0≤hx≤H）處的電位Ux應(yīng)為電阻壓降與電感壓降之和。其計(jì)算公式如下：

根據(jù)雷電反擊原理，被保護(hù)物與獨(dú)立避雷針引下線之間的空氣間隙Sa應(yīng)滿足下式：

式中：UR：雷電流流過(guò)獨(dú)立避雷針接地裝置時(shí)其上產(chǎn)生的電阻電壓降（kV）；

UL：雷電流流過(guò)獨(dú)立避雷針引下線時(shí)其上產(chǎn)生的電感電壓降（kV）；

如“昆南”陰入聲字“滑”的唱調(diào)（《牡丹亭·拾畫(huà)》【顏?zhàn)訕?lè)】“蒼苔滑擦”，715），該單字唱調(diào)的過(guò)腔是。雖然這個(gè)過(guò)腔的音樂(lè)材料都相同，都來(lái)自于本唱調(diào)音階的級(jí)音，但由此組成的樂(lè)匯或句型可分作三節(jié)。其中的是第一個(gè)樂(lè)匯型級(jí)音性過(guò)腔，是第二個(gè)樂(lè)匯型級(jí)音性過(guò)腔，是第三個(gè)樂(lè)匯型級(jí)音性過(guò)腔。這個(gè)過(guò)腔即由同一種音樂(lè)材料組成的“級(jí)音+級(jí)音+級(jí)音”多節(jié)型過(guò)腔。

I：雷電流幅值，kA；

L0：獨(dú)立避雷針引下線的單位長(zhǎng)度的等值電感，μH/m，取其等于1.5μH/m；

ER：電阻電壓降的空氣擊穿強(qiáng)度，kV/m，一般取其等于500 kV/m；

EL：電感電壓降的空氣擊穿強(qiáng)度（kV/m）。

根據(jù)IEC-TC81的有關(guān)文件，有：EL=600（kV／m），其中T1：雷電流波頭時(shí)間（μs）。由于獨(dú)立避雷針常用于第一類防雷建筑物的防直擊雷設(shè)計(jì)，故取首次雷擊的雷電流幅值I=200kA，波頭時(shí)間T1=10μs；后續(xù)雷擊的雷電流幅值I=50 kA，波頭時(shí)間T1=0.25 μs。

從而首次雷擊時(shí)，EL=660 kV／m=20 kA／μs；后續(xù)雷擊時(shí)，EL=3 000 kV/m=200 kA/μs。

將以上數(shù)據(jù)代入式（2）有：

首次雷擊時(shí)：sa≥0.4Ri+0.455hx（3）

后續(xù)雷擊時(shí)：sa≥0.1Ri+0.1hx（4）

令式（3）與式（4）相等，有 hx=5.5 Ri。

從而：當(dāng) hx＜5.5 Ri時(shí)，式（3）的計(jì)算值大于式（4）的計(jì)算值，故取式（2.3）。

當(dāng) hx＞5.5 Ri時(shí)，式（4）的計(jì)算值大于式（3）的計(jì)算值，故取式（4）。

獨(dú)立避雷針接地裝置與被保護(hù)物接地裝置之間的地中距離Se應(yīng)滿足下式：

式中：EP：土壤的擊穿強(qiáng)度（kV/m），一般取其等于500kV/m。仍取首次雷擊的雷電流幅值I=200 kA，代入上式，有：

從而，由式（3）、式（4）以及式（6）得出圖 1中的“由防止雷電反擊理論計(jì)算得出的保護(hù)內(nèi)邊界”曲線。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)以上問(wèn)題的討論，為了防止在接閃瞬間獨(dú)立避雷針引下線上形成的高電位對(duì)被保護(hù)物體造成反擊，就必須做到合理使用、正確安裝獨(dú)立避雷針。

首先，要清楚獨(dú)立避雷針對(duì)直擊雷防護(hù)的實(shí)質(zhì)，即利用其自身的“引雷”效應(yīng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)附近物體的保護(hù)。所以在使用獨(dú)立避雷針之前，要充分論證其安裝的必要性，有必要的時(shí)候安裝，沒(méi)有必要時(shí)則不要安裝，避免“花錢找雷打”。

其次，在獨(dú)立避雷針安裝過(guò)程中，要尤其注意其保護(hù)范圍的確定。其保護(hù)范圍除了由傳統(tǒng)滾球法確定的保護(hù)外邊界之外，同樣還應(yīng)包括由防止雷電反擊理論計(jì)算而得出的保護(hù)內(nèi)邊界。除了保證獨(dú)立避雷針地上部分的引下線與被保護(hù)物保持一定的安全距離之外，還應(yīng)保證其地下部分的接地裝置與被保護(hù)物的接地裝置保持一定的安全距離，使整個(gè)被保護(hù)物完全處在獨(dú)立避雷針經(jīng)過(guò)修正后的保護(hù)范圍之內(nèi)。

[1]鄭江，林苗.關(guān)于將避雷針更名為引雷針的建議[J].建筑電氣，2007，（2）：64.

[2]應(yīng)洪正，陳正明.避雷針設(shè)置不當(dāng)造成的雷擊事故例[J].建筑電氣，2005，（2）：32-35.

[3]林維勇.GB 50057-94（2000版），建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001：82.

[4]曹和生，吳少豐，匡本賀.GB/T 21431-2008，建筑物防雷裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008：54.