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避雷针的概述
避雷针概述:
  避雷针,又名引雷针,是用来保护建筑物等避免雷击的装置。在高大建筑物顶端安装一个金属棒,用金属线与埋在地下的一块金属板连接起来,利用金属棒的尖端放电,使云层所带的电和地上的电逐渐中和。
避雷针相关简介:
  唐代《炙毂子》一书在记载了这样一件事:汉朝时柏梁殿遭到火灾,一位巫师建议,将一块鱼尾形状的铜瓦放在层顶上,就可以防止雷电所引起的天火。屋顶上所设置的鱼尾开头的瓦饰,实际上兼作避雷之用,可认为是现代避雷针的雏形。而早在以前,中国已经有了避雷针,一般以龙头为装饰,龙嘴里有避雷针头。
   法国旅行家卡勃里欧别·戴马甘兰1688年所著的《中国新事》一书中记有:中国屋脊两头,都有一个仰起的龙头,龙口吐出曲折的金属舌头,伸向天空,舌根连结一根细的铁丝,直通地下。这种奇妙的装置,在发生雷电的时刻就大显神通,若雷电击中了屋宇,电流就会从龙舌沿线睛行至地底,避免雷电击毁建筑物。这说明,中国古代建筑上的避雷装置,在大批量和结构上已和现代避雷针基本相似。
现代避雷针是美国科学家富兰克林发明的。富兰克林认为闪电是一种放电现象。为了证明这一点,他在1752年7月的一个雷雨天,冒着被雷击的危险,将一个系着长长金属导线的风筝放飞进雷雨云中,在金属线末端拴了一串银钥匙。当雷电发生时,富兰克林手接近钥匙,钥匙上迸出一串电火花。手上还有麻木感。幸亏这次传下来的闪电比较弱,富兰克林没有受伤。
   “注意”:这个试验是很危险的,千万不要擅自尝试。1753年,俄国著名电学家利赫曼为了验证富兰克林的实验,不幸被雷电击死,这是做雷电实验的第一个牺牲者。
   在成功地进行了捕捉雷电的风筝实验之后,富兰克林在研究闪电与人工摩擦产生的电的一致性时,他就从两者的类比中作出过这样的推测:既然人工产生的电能被尖端吸收,那么闪电也能被尖端吸收。他由此设计了风筝实验,而风筝实验的成功反过来又证实了他的推测。他由此设想,若能在高物上安置一种尖端装置,就有可能把雷电引入地下。富兰克林把这种避雷装置:把一根数米长的细铁棒固定在高大建筑物的顶端,在铁棒与建筑物之间用绝缘体隔开。然后用一根导线与铁棒底端连接。再将导线引入地下。富兰克林把这种避雷装置称为避雷针。经过试用,果然能起避雷的作用。避雷针的发明是早期电学研究中的第一个有重大应用价值的技术成果。

富兰克林捕捉雷电的试验


   而避雷针在最初发明与推广应用时,教会曾把它视为不祥之物,说是装上了富兰克林的这种东西,不但不能避雷,反而会引起上帝的震怒而遭到雷击,但是,在费城等地,拒绝安置避雷针的一些高大教堂在大雷雨中相继遭受雷击。而比教堂更高的建筑物由于已装上避雷针,在大雷雨中却安然无恙。
   由于避雷针已在费城等地初显神威,它立即传到北美各地,随后又传入欧洲后来才进入亚洲。
   避雷针传入法国后,法国皇家科学院院长诺雷等人开始反对使用避雷针,后来又认为圆头避雷针比富兰克林的尖头避雷针好。但法国人仍然选用富兰克林的尖头避雷针。据说当时的法国人把富兰克林看作是苏格拉底的化身。富兰克林成了人们崇拜的偶像。他的肖像被人们珍藏在枕头下面,而仿照避雷针式样的尖顶帽成了1778年巴黎最摩登的帽子。
   避雷针传入英国后,英国人也曾广泛采用了富兰克林的尖头避雷针。但美国独立战争爆发后,富兰克林的尖头避雷针在英国人眼中似乎成了将要诞生的美国的象征。据说英国当时的国王乔治二世出于反对美国革命的盛怒,曾下令把英国全部后家建筑物上的避雷针的尖头统统换成圆头,以示与作为美国象征的尖头避雷针势不两立,这真是避雷针应用史上一件有趣的事情。
  

  避雷针的种类:直击雷避雷针/特殊避雷针/提前预放电避雷针
   避雷针为什么要装在楼顶?
   带电的云,首先是从上往下运行,在高处安避雷针,就首先将云中的电放掉,以后到房子接触云的时候,就基本没有或只有少部分电而没有危险了.
   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O1 L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10 kA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45 m。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60 m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护范围偏小的原因。从理论角度看,滚球法是一种偏于保守、偏于严格的方法,它能对避雷针的保护区给出直观的物理图象。
   考虑迎面先导和下行先导的相对运动可得出避雷针的引雷空域,见图4。
  

图中
   hr=vzhT+vxiaT (3)
   式中 hr为雷击距离,即雷击半径,m;vzh为地物或避雷针上迎面先导的发展速度,m/s;vxia为地闪下行先导的发展速度,m/s;T为大气间隙的放电时延,s。
   参考图3可得到LPM理论的一切结论。
   避雷针的上部有一段可能自身遭受侧向雷击的空间,称为对针杆侧击区;高架避雷针的引雷能力强,当侧方袭来的下行雷电先导被避雷针引近而未能在针端接闪时,会出现闪电击中避雷针附近地面的情况,使得高架避雷针附近的地面落雷密度较该处平均落雷密度大,该地面称为散击区。高耸的建筑物和高架避雷针附近地面出现散击区,远离避雷针的地方雷击率不受避雷针的影响,称为正常区。避雷针周围空间侧击区、地面的保护区、地面的散击区和正常区见图5所示。
  


   按我国统计的雷电流幅值最大约为300 kA,其对应的雷击高度为408 m。取雷击定位高度为400m,可得出不同高度避雷针的保护区和散击区的地表半径见表1。我国旧式民房一般高度在10 m以下,避雷带和避雷网的高度与房高相同,安装的短针防雷其高度为1~2 m,它们引起的散击现象不明显;高耸建筑物和高架避雷针引雷招致雷击率增高和存在散击区。我国防雷学者历来不主张用高架避雷针保护建筑物,主张用屋顶短针和避雷带防雷就是考虑了既能发挥它的引雷作用,又避免增加散雷区。
1根避雷针的保护范围
   当避雷针的高度h≤hr时
   距地面hr处作一条平行于地面的平行线,以避雷针的针尖为圆心,hr为半径画弧,交水平线于A、B两点,又分别以A、B两点为圆心,hr为半径,从针尖向地面画弧。如图1所示,则图中曲线就是避雷针保护范围的边界,保护范围是一个对称的锥体。
   Hr的取值
   一类防雷建筑物为30米
   二类防雷建筑物为45米
   三类防雷建筑物为60米

避雷针制作、安装

   1.所有金属部件必须镀锌,操作时注意保护镀锌层。
   2.采用镀锌钢管管制作针尖,管壁厚度不得小于3mm,针尖刷锡长度不得小于70mm
   3.避雷针应垂直安装牢固。垂直度允许偏差为3/1000。
   4.焊接要求焊接应采用搭接焊,其搭接长度必须符合下列规定:
   5.扁钢为其宽度的2倍(且至少3个棱边焊接)。
   6.圆钢为其直径的6倍。
   7.圆钢与扁钢连接时,其长度为圆钢直径的6倍。
   8.避雷针一般采用圆钢或钢管制成,其直径不应小于下列数值:
   a独立避雷针一般采用直径为19mm镀锌圆钢。
   b屋面上的避雷针采用直径25mm镀锌钢管。


   c水塔顶部避雷针采用直径25mm或40mm的镀锌钢管
   d烟囱顶上避雷针采用直径25mm镀锌圆钢或直径为40mm镀锌钢管e避雷环用直径12mm镀锌圆钢或截面为100mm2镀锌扁钢,其厚度应为4mm.
   避雷针制作与安装注意的质量问题:
   焊接处一不饱满,焊药处理不干净,漏刷防锈漆。应及时予以补焊,将药皮敲掉,刷上防锈漆。
   针体弯曲,安装的垂直度超出允许偏差。应将针体重新调直,符合要求后再安装
   独立避雷针及其接地装置与道路或建筑物的出入口保护距离不符合规定。其距离应大于3m,当小于3m时,应采取均压措施或铺设卵石或沥青地.
   注意:
   避雷针如果没接地将是个迎雷针 ,所以必须谨慎。
   补充:
   避雷针的作用没有一般人想像的那么好,建筑物是否遭雷击有很多因素,有无避雷针只是其中一种。
   很多古代的建筑物建筑在山顶上,没有遭受雷击,反而是附近的山谷中容易雷击,这就是因为土壤电阻率不同。山上砂石多,土壤电阻率大;山谷中多有河流,土壤中水分大,土壤电阻率小。

避雷针的工作原理

   在雷雨天气,高楼上空出现带电云层时,避雷针和高楼顶部都被感应上大量电荷,由于避雷针针头是尖的,而静电感应时,导体尖端总是聚集了最多的电荷.这样,避雷针就聚集了大部分电荷.避雷针又与这些带电云层形成了一个电容器,由于它较尖,即这个电容器的两极板正对面积很小,电容也就很小,也就是说它所能容纳的电荷很少.而它又聚集了大部分电荷,所以,当云层上电荷较多时,避雷针与云层之间的空气就很容易被击穿,成为导体.这样,带电云层与避雷针形成通路,而避雷针又是接地的.避雷针就可以把云层上的电荷导人大地,使其不对高层建筑构成危险,保证了它的安全.

避雷针的作用

   避雷针是用来保护发电厂、变电所的室外配电装置、输电线路个别区段以及工业与民用高层建筑的。避雷针直接接地,针的高度高于线路,在雷电先导电路向地面延伸过程中,由于受到避雷针畸变电场的影响,会逐渐转向并击中避雷针,从而避免了雷电先导向被保护设备发展。由此可见,避雷针实质上是引雷针,它将雷电引向自己从而保护其他设备免遭雷击。
   避雷线、避雷带和避雷网有什么区别?
   避雷线是铁质的,避雷针是铜质(也可以是铜质的),避雷针顶端向天,避雷线连接避雷网埋地,避雷线连接避雷针,雷雨季节,雷电从天空从避雷针进入避雷线直至埋地的避雷网,是消除雷击保护建筑物或仪器的设施。
   大都用于建筑,变压器电线竿,机房,发射架等。
   避雷线分圆截面和扁截面两大类型。接复层金属包基体金属的不同分为:铅包钢、铅包铜、铜包钢、铅包钢避雷线。
   避雷针用于高层建筑、烟囱或油罐上。下引可用避雷线连接。避雷针由针体及安装类别结构件组成。针类采用不锈钢;针体须用铜包钢圆棒或钢管为基材 。
   避雷带是指沿屋脊、山墙、通风管道以及平屋顶的边沿等最可能受雷击的地方敷设的导线。当屋顶面积很大时,采用避雷网。它是为了保护建筑的表层不被击坏,避雷网和避雷带宜采用镀锌圆钢或扁钢,应优先选用圆钢,其直径不应小于8mm,扁钢宽度不应小于12mm,厚度不应小于4mm。避雷线适用于长距离高压供电线路的防雷保护。架空避雷线和避雷网宜采用截面积大于35mm²的镀锌钢绞线。
  
 
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