避雷针工作原理研究.pdf

电力系统66丨电力系统装备 2023.6Electric System2 0 2 3 年第6 期2023 No.6电力系统装备Electric Power System Equipment预防直接雷击的技术，全球普遍使用避雷针。富兰克林认为，“避雷针将释放掉雷云电荷，从而防止闪电的发生”，实践证明并非如此。后来，他又提出，“避雷针有双重目的，如果它不能防止闪电的发生，则会提供一个雷电首先选择的接闪点，然后提供一个雷电流到地下的安全路径”1。避雷针由一段端部为针状的导电金属材料组成。其工作原理传统的定义为：在雷电下行先导端部电场的作用下，感应出比其它地面物体更强，与下行先导电荷极性相反，向上发展的上行先导与下行先导相连接，建立放电通道并把雷电流泄放入地2。到目前为止，对直接雷击的预防，无一例外地从避雷针概念的本义出发，采用电气几何模型-保护角法（滚球法）进行保护范围的计算3-5。然而，安装了避雷针的许多场合，雷击事故依然频繁发生6-7。1 避雷针对雷电的吸引作用1.1 吸引作用的物理过程在地面一定高度安装避雷针后，在雷电下行先导端部电场作用下，避雷针尖达到电晕阈值，电离周围空气产生正负离子；其正离子受库仑定律约束（异性电荷相吸）形成上行先导（电晕电流），向雷电下行先导端部运动并与下行先导连接，建立放电通道，把雷电吸引到针尖并泄放到地。1.2 上、下行先导端部电荷间的吸引力观测表明，当雷电下行先导发展到最后一个梯级才与地面向上发展的流光会合（最后一跳）8。从光学照片可见，上行先导端部电荷与雷电下行先导端部电荷相互吸引，其吸引力可用式（1）计算9。（1）式（1）中，Q1为上行先导端部电荷（C）；Q2为下行先导端部电荷（C）；r 为 Q1与 Q2之间的距离（m）；c 为光速（m/s）；F 为吸引力（N）。摘 要避雷针是预防直接雷击的主要技术措施。在高压输电线路、风力发电机、户外化工场所、高速公路等专业领域均普遍使用。大量实践证明，安装避雷针，利用其吸引雷电的作用，采用保护角法进行保护的物体雷击事故依然频繁发生。为了解决上述领域的雷电灾害难题，气象、电力专家研究了避雷针的工作原理，发现避雷针具有吸引雷电和屏蔽雷电的两个作用。文章以负雷电为例，系统论述了避雷针吸引雷电和屏蔽雷电两个作用的物理过程，对于地面物体进行保护的工程应用方法及效果，重新定义了避雷针的工作原理。关键词避雷针；工作原理；吸引作用；屏蔽作用；保护角法；区域防雷中图分类号TM73 文献标志码A 文章编号1001523X（2023）06006604Study on the Working Principle of Lightning RodYANG Hui，SHI Zhongqiu，GUO Renhong，QIU Yixian，HUANG YuAbstractLightning rod is the main technical measure to prevent direct lightning strike.It is widely used in high-voltage transmission lines,wind turbines,outdoor chemical sites,expressways,and other professional fields.A large number of practice has proved that the installation of lightning rod,the use of attracting lightning,the protection Angle method to protect the object lightning accidents still occur frequently.In order to solve the problem of lightning disaster in the above fields,meteorological and electric power experts studied the working principle of the lightning rod,and found that the lightning rod has two functions of attracting lightning and shielding lightning.This paper systematically discusses the physical process of attracting lightning rod and shielding lightning protection,the engineering application method and effect of ground objects,and redefines the working principle of lightning rod.Keywordslightning rod;working principle;attraction;shielding effect;protection angle method;area lightning protection避雷针工作原理研究杨晖1，史忠秋2，郭仁宏2，丘翊仙3，黄昱4（1.广州市气象局，广东广州510530；2.广东粤电珠海海上风电有限公司，广东珠海519040；3.广东粤电阳江海上风电有限公司，广东阳江510630；4.广东佛山顺德伦教金盾防雷技术发展有限公司，广东佛山528308）基金项目：广东粤电珠海璧青湾海风场强电磁脉冲防护（雷电）技术研发项目（YJW-PK-23010）电力系统2023.6 电力系统装备丨67Electric System2 0 2 3 年第6 期2023 No.6电力系统装备Electric Power System Equipment设介质的介电常数，相对介电常数 s，真空介电常数 0，且=0s，空气的 s=1。设 Q1=0.1 C（相 当 于 电 晕 电 流 100 mA），Q2=5 C（梯级先导的平均电荷，相当于回击电流100 kA），r=200 m，按式（1）计算，可得吸引力 F=112.5103（N）。式（1）说明了避雷针产生的上行先导对雷电的吸引作用，解释了避雷针吸引雷电的物理过程。1.3 避雷针对雷电吸引作用的工程应用1.3.1 保护半径保护半径（闪击距离）定义为下行先导端部离地面某一高度，在这一高度下最终的空气间隙正好达到临界的击穿强度。瓦格纳（1963）假设下行先导端部与向上先导端部的临界击穿强度为500600 V/m 之间，闪击距离可由公式计算10：（2）式（2）中，r 为闪击距离（m）；v 为以光速的百分数表示的回击速度（m/s）。式（2）中，速度 v 是唯一与回击电流的幅值有关的量。按照此公式，瓦格纳得出当回击电流为10 kA 时，r=40 m；当回击电流为50 kA 时，r=100 m。阿姆斯特朗和怀特黑德（1963）最早提出闪击距离的解释表达式：r=Kip，其中，r 为闪击距离（m）；k、p为常数，i 为回击电流（A）。洛夫（1973）提出了关系式11：（3）式中：i0=vcq，vc为回击速度比 q 为下行先导电荷密度（）。为了方便计算，简化为公式：（4）式（4）就是现行国家标准 GB 500572010建筑物防雷设计规范的滚球半径公式12。1.3.2 保护范围13-14（1）45 角折线法。应用高压实验室模拟雷电放电试验，假定雷电距离为避雷针高度的510倍，经放电试验统计得出单根避雷针的保护范围，其在地面的保护半径为：r 1.5hp（5）式中：r 为保护半径（m）；h 为避雷针高度（m），h 30 m；p 为高度影响系数。保护范围是一个圆锥体。（2）滚球法。滚球法是几何模拟法，它以放电路径几何距离的长短作为避雷针保护的判据。假设雷电先导从雷云出发不受地面任何特征影响，即自由发展的放电。当雷电先导到达距地面一定高度 h 时，先导才开始向地面突出物偏转。从偏转点 p 到避雷针尖的距离为击距 r。利用 r 对地面画弧，圆弧下的面积为避雷针的保护范围。单根避雷针的保护范围为：（6）式（6）中：rx为避雷针在 hx高度的保护半径（m）；hr为滚球半径（m）；hx为被保护物的高度（m）；，r0为避雷针在地面上的保护半径（m）。2 避雷针对雷电的屏蔽作用2.1 屏蔽层形成的物理过程在雷电下行先导端部电场作用下，达到避雷针电晕阈值后，避雷针电离周围空气产生电晕。其负离子受雷电下行先导端部电场的排斥（同性电荷相斥）和风的影响，向下风向扩散形成离子屏蔽层，抑制向下风向地面物体尖端电晕的增长。2.2 两次雷击的时间间隔杨晖，陈禄文（2018）等对2004年广州市老八区闪电定位资料进行研究，雷电在一个特定区域内发生第一次放电后，将在平均间隔时间4 min33 s 后才会发生第二次放电，且伴有58级大风。与 Peckham 等（1984）对佛罗里达雷电观测的两次雷击之间的平均时间间隔为5 min，Pierce（1997）观测到平原雷击大风的风速为2030 km/hr 的研究结果类同15。2.3 电晕放电对下风向的屏蔽距离郄秀书等（2012）研究了雷暴地面电场（点云屏蔽层）随雷击点距离的变化特征，变化数值见表1。表1 地面电场随雷击点距离变化距离/km012345678电场强度/（kV/m）201916138532.50表1观测数据揭示了避雷针电晕后下风向屏蔽层的电场梯度分布，当避雷针电晕场强达到20 kV/m，其下风向屏蔽层衰电场强度减到0的距离约8 km，中值4 km。与杨晖等（2018）研究结果一致16。2.4 避雷针对雷电屏蔽作用的工程应用杨晖，杨彦等（2019）建立了雷暴云时空变化与接闪点避雷针接闪的物理模型。利用该物理模型，对接闪点避雷针与雷暴云时空变化的关系进行分析，并给出接闪点避雷针电场畸变最大值所需要的相对高度、电晕后离子屏蔽层对下风向区域的屏蔽作用和数值研究的成果、给出下风向屏蔽的范围17-19：2.4.1 单针接闪的屏蔽范围从雷电活动路径的上风向首个接闪点至下风向的直线距离内，没有超过上风向首个接闪点保护高度的区域按下式计算：A=r2/2（7）电力系统68丨电力系统装备 2023.6Electric System2 0 2 3 年第6 期2023 No.6电力系统装备Electric Power System Equipment式（7）中：A 为被保护区域的面积（m2），r 为两次雷击之间的距离（m）。屏蔽范围平面图如图1所示。单针拦截保护针高以下离子屏蔽层分布区域设计保护范围视在保护范围注：按两次雷击时间间隔5min，地面风速820m/s评估。保护范围A=r2/2雷电拦截器上风向下风向r风向图例4km1km 1km 1km 1km8km0km图1 单针的保护范围2.4.2 四针接闪的屏蔽范围从雷电活动路径的上风向第一个接闪点至下风向的直线距离内，没有超过上风向首个接闪点保护高度的区域按下式计算：A=LW（8）式中：A 为被保护区域的面积（m2）；L 为两针之间的直线距离（m）；W 为两针之间的直线距离（m）。四针屏蔽范围平面图如图2所示。ESLEENWNWNWSWS2-4km保护范围A=LW视在保护范围设计保护范围雷电拦截器风向图例视在保护范围图2 四针的保护范围上述对避雷针电晕屏蔽层的定量研究，解释了避雷针电晕屏蔽层对下风向地表物体屏蔽作用的物理过程。3 总结3.1 避雷针工作原理的新定义本文对避雷针传统认识和作用进行了系统研究，避雷针工作原理应包括吸引和屏蔽雷电两部分。定义为：在雷电下行先导端部电场作用下，避雷针尖达到电晕阈值，电离周围空气产生正负离子；其正离子受库仑定律约束（异性电荷相吸）形成上行先导（电晕电流），向雷电下行先导端部运动并与下行先导连接建立放电通道，把雷电吸引到针尖并泄放到地，起到吸引雷电的作用；其负离子受雷