单支接闪杆保护范围的探讨

单支 接闪杆保护范围的探讨

程传军

南阳市气象局，河南 南阳 473000

摘 要: 为有效防范雷击，减少雷击对人身财物的损害。通过对滚球法计算接闪杆保护范围的分析，对接闪杆的现有保护范围概念进行质疑，共防雷工作者参考。

关键词: 接闪杆防雷保护;跨步电压; 接触电压; 旁侧闪络；

引言

虽然国际和国内采用“防雷保护范围”的计算方法有所不同，但都是立足于定量描述防雷保护范围空间的划分。他们都有一个共同点，都是接闪杆越高，保护范围越宽。但是长期的实践证明这一理论与实际不完全符合，如高层建筑物，即使顶层装上了理论上足够覆盖范围的接闪杆，但在顶层以下的楼层也经常会遇到侧击雷的袭击；例如莫斯科537 m高的电视塔，位于北纬55^。45^/，东经37^。40^/，在四个半雷暴季节中，最多遭12次雷击。其中一部分闪击击于塔顶下方12~36m处。有两次闪电甚至打到塔顶下方200~300m 之间。除了塔本身吸引雷电外，似乎1km范围内的对地闪击比1~3km距离之外的对地闪击要多，这表明塔体具有“负保护效果”。

我国采用防雷保护范围的计算方法“滚球法”是指以某一定半径（30m、45m、60m、100m）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，便是该接闪器保护范围。装有同样接闪器的同一座建筑物，选择不同半径的滚球，保护范围也不同。另GB50057-2010第6.2.1条防雷区的划分LPZ0_A区和LPZ0_B区之间无实物界面。

1、接闪杆保护方法的分析

使用接闪杆防范直击雷的避雷方法出现得最早，目前使用最为广泛，又有多年的实验室模拟研究，这对正确确定接闪杆的保护范围有着决定性的意义。但调查统计资料会受到地理条件、时间等的限制；模拟实验统计资料也受到设备、技术条件等的限制；条件不同得到的结论也不完全相同。目前世界各国关于接闪杆保护范围的计算公式在形式上各有不同，大体上有如下几种计算方法：①曲线法，即单支接闪杆的保护范围为一曲线锥体。②折线法，即单支接闪杆的保护范围为一折线圆锥体。③直线法，日本建筑物防雷规程规定，接闪杆的保护范围是以接闪杆的针尖为顶点作一俯角的角度来确定，如有爆炸危险的建筑物用45^。角，对一般建筑物采用60^。角。由于用角度确定接闪杆的保护范围，实质上保护范围为一直线圆锥体。

2、单支接闪杆保护范围的滚球法计算

“滚球法”是指以某一定半径的球体，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，如图1中带斜纹部分，便是该接闪器保护范围。装有同样接闪器的同一座建筑物，使用不同半径的滚球，其带斜纹部分的空间范围是不同的，即保护范围也不同。

图.1 滚球法保护范围

由如下的数学模型进行分析

h_r =9.4I^0.67 （图1）

h_r：滚球半径，实际上是雷闪的最后闪络距离（击距），它与I值是正相关的。

I： 是与h_r 相对应的得到变化的最小雷电流（KA）。当雷电流小于此值时，雷闪有可能穿过接闪器击于被保护物上，截闪失败；当等于或大于此值时，雷闪将击在接闪器上，又称截闪成功。

按我国规范GB50057——2010规定，根据建筑物的重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，把建筑物分为三大类型，分别选择从30~60m不同半径的滚球予以计算。如表1所示：

表1 接闪器布置

（1）单支接闪杆保护范围的计算

图2 单支接闪杆的保护范围

① 接闪杆高度小于或等于滚球半径时（图2）

a. 距地面h_r处作一平行于地面的平行线；

b. 以杆尖为圆心，h_r为半径，作弧线交于平行线的A、B两点；

c. 分别以A、B为圆心，h_r为半径作弧线与避雷针尖相交并与地面相切。此对称的锥体内即为保护范围。

d. 接闪杆在h_x高度的xx′平面上和地面上的保护半径：

式中r_x：接闪杆在h_x高度xx′平面上的保护半径（m）；

r_o：接闪杆在地面上的保护半径（m）；

h：接闪杆高度（必须是h≤h

_r）；

h_x：被保护物的高度（m）；

h_r：滚球半径（m），第一类防雷建筑物30m；第二类防雷建筑物45m；第三类防雷建筑物60m；在粮、棉及易燃物大量集中的露天堆场为100 m 。

② 当接闪杆高度h大于h_r时（图3），在接闪杆上取高度h_r的一点代替接闪杆为圆心, 其余做法同上(注：上式中的h用h_r代入)。由此得到这样一个结论：当接闪杆高度大于或等于相应的滚球半径时，再提高接闪杆高度无助于扩大其保护范围。由此又带出两个问题：

图3 单支接闪杆的保护范围（h＞h_r）

a. 高于60 m 、45 m、30 m的建筑物如何防直击雷？

GB5007—2010规定：建筑物高于滚球半径高度以上部分，应使用水平接闪带（网）敷设于楼顶平面。同时在滚球高度以上部分每隔不大于6 m沿建筑物四周设水平接闪带（均压环）, 并与引下线相连，将此高度以上的栏杆、门窗等较大的金属物与防雷装置连接，实质上是不希望在接闪杆的“保护伞”下防雷。而采取自我防护的策略。

b. 建筑物屋面上高于水平接闪带的物体如何防雷保护？

在建筑物上安装有广告牌，发射或接收天线等物体，这些物体往往会因先行接闪而损坏。

GB50057—2010规定，在屋面接闪器保护范围之外的非金属物体应装设接闪器实行保护，金属物体可不装接闪器、但应与屋面防雷装置相连。

接闪器的保护范围可以从屋面接闪带算起，即以屋面为0，之后做距接闪带h_r的平行线，计算对屋面物体的保护范围。

3、独立接闪杆接闪对人体的间接危害

3.1跨步电压：当雷电流经地面（或参考地面）雷击点或接地体时，流散入周围土壤时，在它周围形成电压梯度不均。如果有人在接近接地体附近行走，就会受到雷电流所造成的“跨步电压”的危害。

图4 跨步电压

3.2接触电压：当雷电流经引下线和接地装置时，由于引下线本身和接地装置都有阻抗，因而会产生较高的电位差，这种电压有时高达几万伏，甚至几十万伏。这时如果有人或牲畜接触引下线或接地装置，就会受到雷电流所产生的“接触电压”的危害。

必须注意，不仅仅是在引下线和接地装置上才发生接触电压，当某些金属导体与防雷装置连通，或者这些金属导体与防雷装置的绝缘距离不够，受到反击时，也会出现这种现象。

3.3旁侧闪络：旁侧闪络和上面讲的接触雷击共同点都是雷电没有直接击中受害人，而是击中受害人附近的物体，由于被雷击物体带高电位，而向它附近的人闪击放电。旁侧闪击是受害人根本没有直接接触受雷击的物体，只是在它的附近，直接被雷击的物体的高电压击穿附近的空气触及受害人。

4、防雷区的划分

GB50057-2010第6.2.1条防雷区的划分应符合下列规定：

LPZ0_A区：直击雷非防护区，本区内的各物体都可能遭受到直接雷击并导走全部雷电流，本区内的雷击电磁场强度没有衰减，属完全暴露的未设防区。

LPZ0_B区：直击雷防护区，本区内的各物体不可能遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击，本区内雷击电磁场强度仍然没有衰减，属充分暴露的直击雷防护区。

LPZ1区：第一屏蔽防护区，本区内的各物体不可能遭到直接雷击，在本区内所有导电部件上的雷电流比LPZ0区内的雷电流进一步减小。本区内的电磁场因屏蔽措施而有所衰减。

LPZ2：第二屏蔽保护区：为了进一步减小导体部件上的雷电流和电磁场而引入的后续雷电防护区。

LPZn：第n屏蔽保护区：须要进一步减小雷击电磁脉冲，以保护敏感度水平高的设备的后续雷电保护区。

5、 结束语

笔者查询相关资料显示：接闪杆的防雷保护范围只是给出了几个空间概念，并且按照实验室设定的数值进行计算难免有些不足。提出相关异议仅供同行参考，1、接闪杆接闪瞬间接闪杆近距离周围空间是不安全的，易引起跨步电压、接触电压、旁侧闪络对人体伤害。2、LPZ0_B区：直击雷防护区，本区内的各物体不可能遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击。从理论上本区不可能遭受直击雷，而事实上有这种可能。希望在实际防雷工作中讨论防雷保护范围时应该把接闪杆周围近距离空间摘出来分析更为妥当。

参考文献：

[1] 国家技术监督局、中华人民共和国建设部 《建筑物防雷设计规范》（GB50057——2010）中国计划出版社 2001年

[2] 梅卫群，江燕如 《建筑防雷教程》 南京气象学院电子信息工程系 2002年2月

[3] 陈渭民 《雷电学原理》 气象出版社 2003年11月