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各种避雷针的结构及其防雷性能(一)
十几年来我国防雷学者一直在进行消雷器、排雷器和限流避雷针的研究和讨论,促进了我国防雷事业的发展和进步。其中关于用辩证唯物论的思想分析避雷针的防雷性能,如今有了较为充实的实验和理论基础。综合国内外防雷专家的研究成果,笔者试图提出一个初步概论,与同行商榷,如有错误和不当之处欢迎大家批评指正。
1避雷针的引雷性能
避雷针的防雷作用是它能把闪电从保护物上方引向自己并安全地通过自己泄入大地,因此,其引雷性能和泄流性能是至关重要的。避雷针的引雷性能已有实验和理论分析如下:
一个竖立在平地的避雷针其引雷空域如图1所示[1]。其中简化包络线是一条抛物线,此线即为在正、负雷雨云下该避雷针的50%击针击地平均分界线。图中小圈为空中各点实验放电统计数据,表示模拟实验下行先导的针尖位置,黑圈表示百分之百击针,白圈表示百分之百击地,黑白各半表示50%击针及击地。
雷击避雷针和地的放电强度与雷电极的极性有关:当雷的极性为正时,雷对避雷针的放电强度高于雷对地;当雷的极性为负时,雷对避雷针的放电强度略低于雷对地。所以在同样电压下雷电极对针的放电距离R与雷电极对地的放电距离H是不同的。根据长间隙放电的实验数据大致有:
雷电极为负、地为正时,k=R/H=1.1;
雷电极为正、地为负时,k=R/H=0.8~0.9,
图2为雷击针地分界面的理论分析图,据此可以求出雷击避雷针和地的理论分界线。
图中L为避雷针尖,其高度为h,P为雷电极头部,其对地高度为H,E为雷电极正下方的投影点,L、P之间的距离为R。当P点维持k等于某一常数在图面上运动时,其运动轨迹就是雷击避雷针和地的理论分界线。分界线以y轴为中心旋转就是立体的分界面。分界面内为雷击避雷针的空域,分界面以外为雷击大地的空域,分界面附近引下的雷击地面为散击区。
分界线有3种:k=0.9情况下其分界线为一椭圆;k=1.1情况下其分界线为一双曲线;k=1情况下其分界线为一抛物线,后者为一般分析避雷针接闪性能的理论基础,它是正负雷击情况的平均数。图2的分析结果与图1的实验结果是相一致的。
结合避雷针的引雷空域再分析避雷针的保护范围问题,取k=1的情况可得避雷针的保护作用,见图3。
图3中O1L为避雷针,K为其高度的中点;MO2为被保护物,N为其高度的中点。假设雷击距离为hr,雷电先导端头位于P,PK(实线)为避雷针的引雷分界线,PN(虚线)为被保护物的引雷分界线,它的上部空域都在避雷针的引雷分界线以内。因此,距地面高度大于hr的雷击将被引向避雷针,被保护物MO2将免于雷击,这种现象称为截击效应;但当雷电先导从低于hr的右侧袭来时,避雷针将起不到保护作用,这称为对被保护物的侧击。所以以P点为圆心,以hr为半径作圆,此圆从避雷针顶点L经M地面O3点,它以下的部分就是雷击距离为hr时避雷针的保护范围。这一分析结果与按电气几何理论(EGM)滚球法推出的结果是一致的。
EGM理论认为,雷电先导首先进入哪一物体的雷击距离就对那一物体放电,雷击距离是雷电流的函数[2]:
hr=10I0.65(1)
式中hr为雷击距离,m;I为雷电流幅值,kA。
美国R.H.Lee建议以10kA作为一般建筑物的临界电流Ic,小于这个雷电流幅值时不会造成雷击事故,其对应的临界雷击半径hrc为45m。这一观点把被保护物的耐雷水平与避雷针的保护率联系起来。我国防雷标准GB50057-94《建筑物防雷设计规范》规定三类防雷建筑物的避雷针保护范围按hrc为60m画定。运行经验表明这一规定符合我国通用建筑物的防雷要求。
近年来一些学者对EGM理论又做了修正,称为先导传播模型理论(LPM)。该理论认为确定雷击点除了考虑雷击距离外尚需考虑迎面先导和下行先导的相对运动。一定几何形状和高度的地物能否被一定雷电流幅值的雷电击中,可用吸引半径Ra来表述。Ra不仅是雷电流的函数,也是地物高度的函数,并和地物的几何形状有关。因为不同形状和高度的地物,在同一雷电流的下行先导作用下感应的电场强度不同。
Ra(I,h)=2.83I0.63h0.40(2)
式中Ra为吸引半径,m;I为雷电流幅值,kA;h为针状物高度,m。
分析结果指出:当临界半径hrc大于避雷针高度h时,EGM所得保护半径比LPM要小,但不显著;当临界半径hrc小于针高h时,EGM所得保护半径比LPM要小许多,某些情况下甚致小50%左右;当针高h>hrc时,EGM认为高出临界半径的针体部分没有保护范围,而LPM理论则认为保护半径随针体高度的增加而增加。
根据对塔形建筑物吸引雷击次数随其高度增加而变化的观测以及长间隙放电棒对棒的实验结果都证明,避雷针的引雷能力随其高度的增加而增强,但增加的速度是变缓的。这对LPM的结论给予了支持,可见EGM滚球法未考虑吸引能力随高度变化是其保
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