接闪器的保护范围及其应用

摘 要：讨论了接闪器的布置方法及其保护范围的确定方法，并针对应用中出现的一些问题提出了具体的解决方案。

关键词：接闪器 保护 应用

接闪器是指直接截受雷击的避雷针、避雷带、避雷线、避雷网，以及用作接闪的金属屋面和金属构件等。接闪器的保护范围是雷电防护工作中应用广泛，重要而又较难掌握的概念之一。笔者在长期学习和实践的基础上，试图通过本文对这一概念进行综述，并对其应用中容易混淆和忽视的一些问题进行阐述，以期更好地掌握和应用好这一概念。

1 接闪器的布置方法

1.1 IEC61024－1标准布置

IEC61024－1《建筑物防雷》的相关内容为：当符合表1的要求时，接闪器的布置就是合适的。在设计接闪器时，可单独或任意组合地采用以下方法:(1) 保护角法；(2) 滚球法；(3) 网格法。

保护角法是以滚球法作为基础，以等效法计算而得，使保护角保护的空间等于滚球法保护的空间。它适用于简单建筑物或较大建筑物的小部分，但其有几何学上的局限性，不适合于高度超过所选防雷装置保护级别对应的滚球半径的建筑物。当根据IEC61024－1和表1排除了采用保护角法进行接闪器设计时，应采用滚球法确定建筑物的各个部分及区域的被保护空间。滚球法适合于复杂形状的建筑物。网格法是用防雷网格形导体以给定的网格宽度和给定的引下线间距盖住需要防雷的空间。它是一种老的通用方法，即法拉第保护型式，特别适用于平面的保护。
1.2 GB50057－94标准布置

GB50057－94国家防雷标准的相关内容为：接闪器的布置应符合表2的规定。可单独或任意组合采用滚球法、避雷网。

表2是参考IEC61024－1国际防雷标准的 2.1.2款及表1，并结合我国具体情况和以往的习惯做法而定的。

2 接闪器保护范围的确定方法

接闪器保护范围的确定，有许多种方法，如直线法、折线法和滚球法等。但只有滚球法为GB50057－ 1994国家强制性执行标准，所以下面我们只讨论滚球法。

2.1 模型

滚球法是以hr为半径的1个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物），或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护。

滚球法基于以下的雷闪数学模型（电气—几何模型）：

或简化为：

式中hr为雷闪的最后闪络距离（击距），也就是滚球半径（m）；I为与hr相对应的得到保护的最小雷电流幅值（kA），即比该电流小的雷电流可能击到被保护的空间。

2.2 优点

(1) 除独立避雷针、避雷线受相应的滚球半径限制其高度外，凡安装在建筑物上的避雷针、避雷线（带），不管建筑物的高度如何，都可采用滚球法来确定保护范围。这是以前（GBJ57—83）的避雷针、线保护范围方法无法比拟的优点。

(2) 根据不同类别选用不同的滚球半径，区别对待。它比以前只有一种保护范围合理。

(3) 对避雷针、避雷线（带）采用同一种保护范围（即同一种滚球半径），这给设计工作带来种种方便，可使两种形式任意组合成为可能。

3 应用中的一些问题

3.1 较小的雷电流(弱雷 )可能击到被保护的空间

在前述电气—几何模型中，雷先导的发展起初是不确定的，直到先导头部电压足以击穿它与地面目标间的间隙时，也即先导与地面目标等于击距时，才受地面影响而开始定向。以表2中的hr值代入整理后的模型I=（hr/10)1.54中，可以发现，对第一类防雷建筑物，I=5.4 kA；对第二类防雷建筑物，I=10.1 kA；对第三类防雷建筑物，I=15.8 kA。当雷电流小于上述数值时，雷闪有可能穿过接闪器击于被保护物上；而等于和大于上述数值时，雷击将击于接闪器上。 /FONT

3.2 特殊场合滚球半径hr 的选取

如粮、棉及易然物大量集中的露天堆场，当其年计算雷击次数≥0.06时，宜采用独立避雷针和架空避雷线防直击雷。独立避雷针和架空避雷线保护范围的滚球半径hr可取100 m。在计算雷击次数时，建筑物的高度可按堆放物可能堆放的高度计算，其长度和宽度可按可能堆放面积的长度和宽度计算。

3.3 接闪器高度h的确定

当独立避雷针或架空避雷线支柱所处的地面与被保护平面不在同一高度时，接闪器高度h必须按接闪器高出被保护平面的高度来确定；在建筑物屋顶已采用避雷带（网）保护后，对高出避雷带（网）的突出物采用避雷针保护时，接闪器高度h应按避雷针高出屋面的高度来确定。

3.4 双支等高避雷针间保护范围的确定

当双支等高避雷针的水平距离D 2[h(2hr-h)]1/2时，2针形成联合保护。其间的保护范围可按下列方法确定：在图1 AOB轴线上，找出任意一点F（与中心线距离为x）作为假想针的针尖，然后按单支避雷针的方法逐点确定。假想针高度为hF=hr－[(hr－h)2＋(D/2)2－x2]1/2。双支不等高避雷针及2根等高避雷线间保护范围的确定可参照进行。

3.5 工作经验总结

3.5.1 女儿墙上避雷带支撑高度的计算

当女儿墙较宽大时，会因避雷带支撑高度不够造成女儿墙遭受雷击。因此在设计避雷带时，必须计算其支撑高度。其计算方法如下：

设建筑物高度为h1，避雷带支撑高度为h2，女儿墙的宽度为w，滚球半径为hr。根据GB50057－94的要求，当（h1＋h2） hr时，在平面高h=h1上，避雷带的外侧保护半径应满足rx≥w/2。将以上数据代入保护半径计算公式（略），经整理后得：

3.5.2 保护范围裕量的选取

在建筑物的图纸上采用滚球法时，应从各个方面来考虑建筑物，以保证没有任何一部分的建筑物凸入未保护区域，这样的部分在只考虑正视图、侧视图及俯视图时很可能被忽视。在实际工作中，主要从2个参数来把握：(1) 建筑物的最高高度；(2) 建筑物任一高度平面上离避雷针的最大水平距离，对球形建筑物尤其要注意。

从安全角度来看，仅达到上述要求是不够的，在设计和检测接闪器的保护范围时还必须留有裕量，一般情况下裕量Δ不得小于1 m。在设计时可根据图纸比例选取，范围为1～2 m。

3.5.3 磁感应强度的估算

当独立避雷针与建筑物的安全距离为r(不得 3 m)时，设雷击单针雷电流I=10 kA，可对r处的磁感应强度Br进行估算： /FONT