避雷針的基礎知識

簡介

在雷雨天氣，高樓上空出現帶電云層時，避雷針和高樓頂部都被感應上大量電荷，由于避雷針針頭是尖的，所以靜電感應時，導體尖端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電容器，由于它較尖，即這個電容器的兩極板正對面積很小，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，當云層上電荷較多時，避雷針與云層之間的空氣就很容易被擊穿，成為導體。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入大地，使其不對高層建筑構成危險，保證了它的安全。

避雷針的防雷作用是它能把閃電從保護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重要的。避雷針的引雷性能已有實驗和理論分析如下：

一個豎立在平地的避雷針其引雷空域如圖1所示。其中簡化包絡線是一條拋物線，此線即為在正、負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實驗放電統計數據，表示模擬實驗下行先導的針尖位置，黑圈表示百分之百擊針，白圈表示百分之百擊地，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于雷對地；當雷的極性為負時，雷對避雷針的放電強度略低于雷對地。所以在同樣電壓下雷電極對針的放電距離R與雷電極對地的放電距離H是不同的。根據長間隙放電的實驗數據大致有：

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為雷擊針地分界面的理論分析圖，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等于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界面。分界面內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)。

分界線有3種：k=0．9情況下其分界線為一橢圓；k=1．1情況下其分界線為一雙曲線；k=1情況下其分界線為一拋物線，后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2的分析結果與圖1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范圍問題，取k=1的情況可得避雷針的保護作用，見圖3。

圖3中O1 L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，雷電先導端頭位于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，距地面高度大于hr的雷擊將被引向避雷針，被保護物MO2將免于雷擊，這種現象稱為截擊效應；但當雷電先導從低于hr的右側襲來時，避雷針將起不到保護作用，這稱為對被保護物的側擊。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時避雷針的保護范圍。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[2]：

hr=10I0．65 （1）

式中　hr為雷擊距離，m；I為雷電流幅值，kA。

球式避雷針美國R．H．Lee建議以10 kA作為一般建筑物的臨界電流Ic，小于這個雷電流幅值時不會造成雷擊事故，其對應的臨界雷擊半徑hrc為45 m。這一觀點把被保護物的耐雷水平與避雷針的保護率聯系起來。我國防雷標準GB50057－94《建筑物防雷設計規(guī)范》規(guī)定三類防雷建筑物的避雷針保護范圍按hrc為60 m畫定。運行經驗表明這一規(guī)定符合我國通用建筑物的防雷要求。

一些學者對EGM理論又做了修正，稱為先導傳播模型理論（LPM）。該理論認為確定雷擊點除了考慮雷擊距離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來表述。Ra不僅是雷電流的函數，也是地物高度的函數，并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。

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。

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

根據對塔形建筑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、偏于嚴格的方法，它能對避雷針的保護區(qū)給出直觀的物理圖象。

考慮迎面先導和下行先導的相對運動可得出避雷針的引雷空域，見圖4。

圖中

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的發(fā)展速度，m/s；vxia為地閃下行先導的發(fā)展速度，m/s；T為大氣間隙的放電時延，s。

參考圖3可得到LPM理論的一切結論。

避雷針的上部有一段可能自身遭受側向雷擊的空間，稱為對針桿側擊區(qū)；高架避雷針的引雷能力強，當側方襲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(qū)。高聳的建筑物和高架避雷針附近地面出現散擊區(qū)，遠離避雷針的地方雷擊率不受避雷針的影響，稱為正常區(qū)。避雷針周圍空間側擊區(qū)、地面的保護區(qū)、地面的散擊區(qū)和正常區(qū)見圖5所示。

按我國統計的雷電流幅值最大約為300 kA，其對應的雷擊高度為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)。我國防雷學者歷來不主張用高架避雷針保護建筑物，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)。

保護范圍

1根避雷針的保護范圍

當避雷針的高度h≤hr時

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，又分別以A、B兩點為圓心，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范圍的邊界，保護范圍是一個對稱的錐體。

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

聯合接地

隨著防雷接地技術的成熟，人們逐漸認識到，防雷和接地是一個系統工程，提出了聯合接地的概念（如圖所示）。

人們將建筑物外圍所有鋼筋全部焊接成籠狀，利用建筑物的外圍鋼筋結構，作為雷電的引下線，建筑物鋼筋在地基處通過接地網與大地可靠連接，雷電通過避雷針（避雷帶、避雷網）引入，通過建筑外圍鋼筋入地，從而有效保護建筑物內部，效果比單獨雷電引下線更佳。

7制作

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1.所有金屬部件必須鍍鋅，操作時注意保護鍍鋅層。

2.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

3.避雷針應垂直安裝牢固。垂直度允許偏差為3/1000。

4.焊接要求焊接應采用搭接焊，其搭接長度必須符合下列規(guī)定：

5.扁鋼為其寬度的2倍(且至少3個棱邊焊接)。

6.圓鋼為其直徑的6倍。

7.圓鋼與扁鋼連接時，其長度為圓鋼直徑的6倍。

8.避雷針一般采用圓鋼或鋼管制成，其直徑不應小于下列數值：

a獨立避雷針一般采用直徑為19mm鍍鋅圓鋼。

b屋面上的避雷針采用直徑25mm鍍鋅鋼管。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，其厚度應為4mm．

避雷針宜采用圓鋼或焊接鋼管制成，其直徑不應小于下列數值：

針長1m以下：圓鋼為12mm，鋼管為20 mm

針長1-2m：圓鋼為16mm，鋼管為25mm

煙囪頂上的針：圓鋼為20 mm，鋼管為40 mm

8問題

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避雷針(2)焊接處不飽滿，焊藥處理不干凈，漏刷防銹漆。應及時予以補焊，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。應將針體重新調直，符合要求后再安裝。

獨立避雷針及其接地裝置與道路或建筑物的出入口保護距離不符合規(guī)定。其距離應大于3m，當小于3m時，應采取均壓措施或鋪設卵石或瀝青地.

注意：

避雷針如果沒接地將是個迎雷針 ，所以必須謹慎。

補充：

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，這就是因為土壤電阻率不同。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。

9作用

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常規(guī)防雷電可分為防直擊雷電、防感應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。以避雷針作為接閃器的防雷電原理是：避雷針通過導線接入地下，與地面形成等電位差，利用自身的高度，使電場強度增加到極限值的雷電云電場發(fā)生畸變，開始電離并下行先導放電；避雷針在強電場作用下產生尖端放電，形成向上先導放電；兩者會合形成雷電通路，隨之瀉入大地，達到避雷效果。實際上，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體傳向地面，避免保護對象直接遭雷擊。

10選購

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1、合理選用避雷針保護范圍的計算方法

常用避雷針（這里僅指單針）保護范圍的計算方法主要有折線法和滾球法。“折線法”的主要特點是設計直觀，計算簡便，可節(jié)省投資，但不適用于高度大于20m的建筑物；“滾球法”的主要特點是可以計算避雷針或避雷帶與網格組合時的保護范圍，但計算相對復雜，按此方法計算出的投資成本較大。

在這二種計算方法中，“折線法”是比較成熟的方法，在電力系統又稱“規(guī)程法”，即單支避雷針的保護范圍是一個以避雷針為軸的折線圓錐體。單支避雷針的保護范圍在DL/T620-997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》標準中有所規(guī)定；“滾球法”是國際電工委員會（IEC）推薦的接閃器保護范圍計算方法之一。我國建筑防雷規(guī)范GB50057-1994Z中也把“滾球法”強制作為計算避雷針保護范圍的方法。滾球法是以hR為半徑的一個球體沿需要防止擊雷的部位滾動，當球體只觸及接閃器（包括被用作接閃器的金屬物）或只觸及接閃器和地面（包括與大地接觸并能承受雷擊的金屬物），而不觸及需要保護的部位時，則該部分就得到接閃器的保護。近幾年來，國標中規(guī)定的“滾球法”也開始得到行業(yè)的認同，但在實際運用中“滾球法”也碰到一些問題，特別是在計算天面避雷針保護范圍的時候�？偟膩碚f這二種算法各有特點，一般高層建筑更多的使用“滾球法”。

2、用了提前放電避雷針就能萬無一失嗎？

事實上沒有避雷設備是萬無一失的，在保護范圍內并不是沒有雷擊，只是雷擊能量較小。從經濟觀點出發(fā)，要達到萬無一失也將十分浪費，因此《建筑物防雷設計規(guī)范》及其它設計規(guī)范和標準均已“減少”雷擊為要求。所以按照國家和國際標準進行設計的防雷裝置，其防雷安全度也并不是100%。除了直擊雷，高層建筑還可能受到側擊雷和感應雷的影響。

提前放電避雷針的優(yōu)點主要有兩個，一是它可以“提前放電”，比普通避雷針具有更好的引雷性能。二是將它的提前放電時間換算成提前放電距離后，相當于增加了避雷針的高度，從而可以增大保護半徑。但是對于側擊雷和感應雷依舊是沒有辦法防護的。

3、保證避雷針的泄流能力很重要

各種防雷規(guī)范均要求避雷針擁有獨立的下引接地，如此能可保證閃電電流迅速泄入大地。采購時絕對不可聽信一些不正規(guī)廠家的建議，把避雷針接入建筑本身的接地系統來節(jié)約成本。

4、選擇正規(guī)防雷廠商非常重要

避雷針其實是引雷針，所以防雷工程需要經過嚴謹的科學計算，稍有不慎可能反而“引雷入室”。所以選擇避雷針供應商時需要查看其是否具有防雷工程專業(yè)設計資質和防雷工程專業(yè)施工資質。國內避雷針市場魚龍混雜，一些代理國外品牌的經銷商大肆宣傳自己的產品符合國外先進標準，其中真假難辨，建議采購時按照國標和IEC的標準來考察產品。

11辨析

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

大都用于建筑，變壓器電線竿，機房，發(fā)射架等。

避雷線分圓截面和扁截面兩大類型。接復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構件組成。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、通風管道以及平屋頂的邊沿等最可能受雷擊的地方敷設的導線。當屋頂面積很大時，采用避雷網。它是為了保護建筑的表層不被擊壞，避雷網和避雷帶宜采用鍍鋅圓鋼或扁鋼，應優(yōu)先選用圓鋼，其直徑不應小于8mm，扁鋼寬度不應小于12mm，厚度不應小于4mm。避雷線適用于長距離高壓供電線路的防雷保護。架空避雷線和避雷網宜采用截面積大于35mm2的鍍鋅鋼絞線。

12網語

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在網上經常見到避雷針這一詞語，指的是為即將或已經看到雷人的事物而做好心理準備。

例如：

此帖很雷，請帶好避雷針再進。

雷死我了，樓主也不事先提醒我們帶避雷針。

13組成

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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，固定于支柱上端經接地引下線與接地體連接。

當雷云對地放電通道發(fā)展到臨近地面時，由于避雷針尖端突出地面并有良好接地，在針尖附近的電場強度提高，聚積相反極性的電荷，引導放電。進而防止建筑物或儀器蓄積過多電荷而遭受雷擊。一般來講，雷電并不會直接擊中避雷針，而避雷針本身如果被閃電擊中也有著融化及爆炸的危險。 避雷針具有一定的保護作用。保護范圍的計算方法是由運行經驗和實驗室模型試驗結果確定的。工程設計中常用的方法是認為保護半徑是避雷針高度的函數。據中國的規(guī)范規(guī)定，單支避雷針的保護范圍是一個錐體(見圖)。高度為h的避雷針，其在地面上的保護半徑r=1.5h;在被保護物高度hx的水平面上，其保護半徑rx為

當hx≥時 ，rx=(h-hx)P=h0P

當hx< 時，rx=(1.5h-2hx)P

當h≤30m時，P=1

當30≤h≤120m時，

60年代以來，又提出了計算避雷針保護范圍的擊距法，認為保護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家和工程師公認的、計算保護范圍的完善方法。

14記載

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據《后漢書》記載，一次當時的重要宮殿未央宮和柏梁臺遭雷電襲擊發(fā)生火災不久，就有一位名叫勇之的方士向漢武帝建議，在宮殿的屋脊上安裝“鴟魚”來防止災難。此后兩千年來，我國古建筑的屋脊上大多安裝這一類金屬瓦飾，有的是龍，有的是飛魚和雄雞，它們雖然形狀各異，卻都有尖狀物指向天空，盡管沒有引導線與地面連接，但大雨淋濕的屋檐和墻壁自然起到了連接地面的作用。由于這類瓦飾高于建筑物之上，即使是猛烈地落地雷，也通常只是擊毀瓦飾而保留建筑物主體。

15設計

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GFL避雷針塔由于避雷針根據保護范圍的要求，需要一定的安裝高度，后來在此基礎上就有了避雷針塔，也就是塔式避雷針（避雷塔），常見有以下幾種規(guī)格：GFL角鋼避雷針塔、GJT圓鋼避雷針塔、GH鋼管桿避雷針塔等多種形式的金屬塔，右圖所示的就是GFL系列的角鋼避雷針塔。

避雷針塔的保護范圍還要按照滾球法來計算保護半徑和保護范圍。

16設置

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(1)獨立避雷針與被保護物之間應有不小于5m距離，以免雷擊避雷針時出現反擊。獨立避雷針宜設獨立的接地裝置，與接地網間地中距離不小于3m。

(2)35kV及以下高壓配電裝置構架及房頂上不宜裝設避雷針。裝在構架上的避雷針應與接地網相連，并裝設集中接地裝置。

(3)變壓器的門型構架上不應安裝避雷針。

(4)避雷針及接地裝置距道路及出口距離應大于3m，否則應鋪碎石或瀝青面5～8cm厚，以保人身不受跨步電壓危害。

(5)嚴禁將架空照明線、電話線、廣播線、天線等裝在避雷針或構架上。

(6)如在獨立避雷針或構架上裝設照明燈，其電源線必須使用鉛皮電纜或穿入鋼管，并直接埋入地中長度10m以上。

17詞條圖冊