论文部分内容阅读
[摘 要]本文介绍了直击雷危害的相关知识，对直击雷接闪器的原理与保护范围计算进行了系统的阐述，以提高建筑物防雷的可靠性和安全性。
[关键词]直击雷 接闪器 接地 屏蔽 地网
中图分类号：TD327.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）11-0253-02
1 雷电基本理论
通常所谓雷击是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层，或者是带电的云层与大地之间的迅猛的放电。
通常雷击有三种形式：其一是直击雷，是指带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。其二是感应雷，是带电云层由于静电感应作用，使地面某一范围内带上异种电荷。当直击雷发生以后，云层带电迅速消失，而地面上某些范围由于散流电阻大，以致出现局部高电压，或者由于直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压以致发生闪击的现象。其三是球形雷，在雷电频繁的雷雨天，偶然会发现紫色，红色，灰红色，蓝色的“火球”。这些火球有时从天空降落，然后又在空中或沿地面水平方向移动，有时平移有时滚动。这种火球能通过烟囱，开着的窗户，门和其它缝隙进入室内，或者无声地消失，或者发出丝丝的声音，或者发生剧烈的爆炸。球形雷发生的机会很少，存在时间又十分短暂，所以对它的研究十分困难，它的成因目前为止并没有完满的解释。
2 接闪器原理
到目前为止防直击雷都是采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网作为接闪器，然后通过良好的接地装置迅速而安全地把它送回大地。
当高空中出现雷云的时候，大地上由于静电感应作用，必然带上与雷云相反的电荷，然而接闪器都处于地面上建筑物的最高处，与雷云的距离最近，以致接闪设备附近空间电场强度相对比较大，比较容易吸引雷电先驱，使主放电集中在它上面，因而在它附近尤其是比它低的物体受雷击的几率就大大减少。由于接闪器都与大地有良好的电气连接，使大地积存的电荷能量迅速与雷云的电荷中和。这样由雷击而造成的过电压的时间大大的缩短，雷击危害性就大大减少。
雷击的时候，雷云通过接闪器向大地放电的过程，可以近似用RC放电过程来模拟。因为大地与雷云之间相当于一个充了电的电容器，如图1所示。
通过计算：
解此微分方程得：
Uc=A
由上式可以看出，当t=0时，A=Uc为最大值，所以A就是刚刚发生闪击那一瞬间接闪器对大地的电压，也就是雷云对大地的电压。并且R越小，Uc衰减的越快，表示雷击时散流得越快。
雷云时电源的电阻包括主放电通道的电阻，大约几千Ω，如果我们把带电的雷云当作电源，接闪器到大地看作是负载。那么，放电的时候就相当地一个有几千Ω内阻的电源，与一个仅有几Ω接地电阻和少许引线的阻抗的负载连接，这电源一般为几百V到几千万V，甚至更高。雷击时接闪器对大地的电压就是雷云的电压，在雷云内阻（包括通道电阻）与接地电阻（包括引线电阻）间分压，其分压值越小，相对来讲就越安全。所以理论上要求避雷装置接地电阻越小越好，但是如果要求做到接地电阻很小，势必造价很高。工程上往往只要求做到足够安全范围即可。
3 接闪器保护范围计算
我国建筑防雷规范GB 50057-2010中规定采用“滚球法”作接闪器保护范围的计算。所谓“滚球法”是指某一定半径的球体，在装有接闪器的建筑物上滚过，滚球被建筑物上所装的接闪器撑起，这时球体的弧与建筑物之间的范围，便是该接闪器避雷范围。接我国规范规定，根据建筑物被雷击后引起后果的严重程度，把建筑物分为三大类型，分别选择从30～60m不同的滚球予以计算。（如图3）为单支避雷针的保护范围图。
由图5可确定单支避雷针的保护范围
1. 当避雷针高度h≤hr时：（hr为滚球半径）
（1） 距地面hr处作一平行于地面的平行线；
（2） 以针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线于A、B两点；
（3） 分别以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切。从此弧线起到地面上就是保护范围。保护范围是一个对称的锥体；
（4） 避雷针在hr高度的xx′平面上的保护半径，按下列方法确定（如图3）；
可按上面的要求画出与hr，hx，h之间的关系，如图6所示。图中由Rt△BOP知：
其中：为避雷针在hx高度的xx′平面上的保护半径，m；
hr为滚球半径，m；
hx为被保护物的高度，m。
2.当h>hr时，在避雷针上取高度hr的一点代替单支避雷针针尖作为圆心。其余作法同上。
4 接闪器的选择
现代防雷在防直击雷的设计中接闪装置经常采用避雷针、避雷线和避雷网或避雷带。虽然雷云放电过程具有很大的随机性，任何避雷装置都不能获得一 个绝对免遭雷击的区域，但是雷云对避雷装置放电确实存在一个具有低绕击率的空间范围。因此，合理确定避雷装置的保护范围对能否设计出经济、可靠的防雷装置十分重要。
（1）随着建筑物防雷等级下降其滚球半径相应增大， 确定的保护范围也增大； 当接闪器高度超过它的滚球半径时它的保护范围不再增大。
（2）第一类防雷建筑物用滚球法确定的保护范围过小，除非这类建筑物低矮且面积较小，否则可能无法完全用避雷针保护， 對这类建筑物宜采用架空避 雷网、架空避雷线来保护。
（3）由于滚球法对于高度超过 60m 的避雷针， 其 60m 以上部分保护角为0°。因此 对于超高建筑不能使用避雷针做防直击雷保护， 建议采用避雷网或避雷带做防雷保护。
5 结语
通过合理选择接闪装置，灵活运用滚球法计算接闪器的保护范围，可以对建筑物进行有效的直击雷防护。
参考文献
[1] GB50057-2010.建筑物防雷设计规范.北京：中国计划出版社，2011-10-01
[2] 陈渭民.雷电学原理[M].北京：气象出版社，2003.
[3] 苏邦礼，崔秉球，吴望平，等.雷电与避雷工程[M].广东：中山大学出版社，1996.
[关键词]直击雷 接闪器 接地 屏蔽 地网
中图分类号：TD327.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）11-0253-02
1 雷电基本理论
通常所谓雷击是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层，或者是带电的云层与大地之间的迅猛的放电。
通常雷击有三种形式：其一是直击雷，是指带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。其二是感应雷，是带电云层由于静电感应作用，使地面某一范围内带上异种电荷。当直击雷发生以后，云层带电迅速消失，而地面上某些范围由于散流电阻大，以致出现局部高电压，或者由于直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压以致发生闪击的现象。其三是球形雷，在雷电频繁的雷雨天，偶然会发现紫色，红色，灰红色，蓝色的“火球”。这些火球有时从天空降落，然后又在空中或沿地面水平方向移动，有时平移有时滚动。这种火球能通过烟囱，开着的窗户，门和其它缝隙进入室内，或者无声地消失，或者发出丝丝的声音，或者发生剧烈的爆炸。球形雷发生的机会很少，存在时间又十分短暂，所以对它的研究十分困难，它的成因目前为止并没有完满的解释。
2 接闪器原理
到目前为止防直击雷都是采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网作为接闪器，然后通过良好的接地装置迅速而安全地把它送回大地。
当高空中出现雷云的时候，大地上由于静电感应作用，必然带上与雷云相反的电荷，然而接闪器都处于地面上建筑物的最高处，与雷云的距离最近，以致接闪设备附近空间电场强度相对比较大，比较容易吸引雷电先驱，使主放电集中在它上面，因而在它附近尤其是比它低的物体受雷击的几率就大大减少。由于接闪器都与大地有良好的电气连接，使大地积存的电荷能量迅速与雷云的电荷中和。这样由雷击而造成的过电压的时间大大的缩短，雷击危害性就大大减少。
雷击的时候，雷云通过接闪器向大地放电的过程，可以近似用RC放电过程来模拟。因为大地与雷云之间相当于一个充了电的电容器，如图1所示。
通过计算：
解此微分方程得：
Uc=A
由上式可以看出，当t=0时，A=Uc为最大值，所以A就是刚刚发生闪击那一瞬间接闪器对大地的电压，也就是雷云对大地的电压。并且R越小，Uc衰减的越快，表示雷击时散流得越快。
雷云时电源的电阻包括主放电通道的电阻，大约几千Ω，如果我们把带电的雷云当作电源，接闪器到大地看作是负载。那么，放电的时候就相当地一个有几千Ω内阻的电源，与一个仅有几Ω接地电阻和少许引线的阻抗的负载连接，这电源一般为几百V到几千万V，甚至更高。雷击时接闪器对大地的电压就是雷云的电压，在雷云内阻（包括通道电阻）与接地电阻（包括引线电阻）间分压，其分压值越小，相对来讲就越安全。所以理论上要求避雷装置接地电阻越小越好，但是如果要求做到接地电阻很小，势必造价很高。工程上往往只要求做到足够安全范围即可。
3 接闪器保护范围计算
我国建筑防雷规范GB 50057-2010中规定采用“滚球法”作接闪器保护范围的计算。所谓“滚球法”是指某一定半径的球体，在装有接闪器的建筑物上滚过，滚球被建筑物上所装的接闪器撑起，这时球体的弧与建筑物之间的范围，便是该接闪器避雷范围。接我国规范规定，根据建筑物被雷击后引起后果的严重程度，把建筑物分为三大类型，分别选择从30～60m不同的滚球予以计算。（如图3）为单支避雷针的保护范围图。
由图5可确定单支避雷针的保护范围
1. 当避雷针高度h≤hr时：（hr为滚球半径）
（1） 距地面hr处作一平行于地面的平行线；
（2） 以针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线于A、B两点；
（3） 分别以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切。从此弧线起到地面上就是保护范围。保护范围是一个对称的锥体；
（4） 避雷针在hr高度的xx′平面上的保护半径，按下列方法确定（如图3）；
可按上面的要求画出与hr，hx，h之间的关系，如图6所示。图中由Rt△BOP知：
其中：为避雷针在hx高度的xx′平面上的保护半径，m；
hr为滚球半径，m；
hx为被保护物的高度，m。
2.当h>hr时，在避雷针上取高度hr的一点代替单支避雷针针尖作为圆心。其余作法同上。
4 接闪器的选择
现代防雷在防直击雷的设计中接闪装置经常采用避雷针、避雷线和避雷网或避雷带。虽然雷云放电过程具有很大的随机性，任何避雷装置都不能获得一 个绝对免遭雷击的区域，但是雷云对避雷装置放电确实存在一个具有低绕击率的空间范围。因此，合理确定避雷装置的保护范围对能否设计出经济、可靠的防雷装置十分重要。
（1）随着建筑物防雷等级下降其滚球半径相应增大， 确定的保护范围也增大； 当接闪器高度超过它的滚球半径时它的保护范围不再增大。
（2）第一类防雷建筑物用滚球法确定的保护范围过小，除非这类建筑物低矮且面积较小，否则可能无法完全用避雷针保护， 對这类建筑物宜采用架空避 雷网、架空避雷线来保护。
（3）由于滚球法对于高度超过 60m 的避雷针， 其 60m 以上部分保护角为0°。因此 对于超高建筑不能使用避雷针做防直击雷保护， 建议采用避雷网或避雷带做防雷保护。
5 结语
通过合理选择接闪装置，灵活运用滚球法计算接闪器的保护范围，可以对建筑物进行有效的直击雷防护。
参考文献
[1] GB50057-2010.建筑物防雷设计规范.北京：中国计划出版社，2011-10-01
[2] 陈渭民.雷电学原理[M].北京：气象出版社，2003.
[3] 苏邦礼，崔秉球，吴望平，等.雷电与避雷工程[M].广东：中山大学出版社，1996.