再析避雷针的保护范围中国科学院电工研究所 马宏达摘要 本文讨论了避雷针的感应静电场控制原理，说明了避雷针应用的环境性，提出了对 避雷针（接闪器）的选择和设计的几点建议关键词 避雷针 接闪器 建筑物防雷笔者在“避雷针保护范围的理论与实验”[1]一文中介绍了避雷针保护范围的 主要历史资料，本文重要从物理学的角度，也就是从感应静电场控制的角度讨论这个问题 可供防雷工作者参考，如有谬误之处欢迎同行和读者批评指正1． 避雷针是引雷针1.1 为避雷针正名避雷针实际上是引雷针，它的保护作用是拦截闪电打在自己身上，从而使建筑物避免 遭受直接雷击，它把雷电的能量沿着引下线安全地导入地中；它不能阻止雷电的行进，也 不能消除雷电现在只有中国和日本仍然使用“避雷针”这个名词；英国和美国都把它称 为“导电针”；俄国称它为“接闪器”等等由于我们祖先用的是象形文字系统，望文生 义是我们的习惯，为了避免误解“避雷针”的保护原理，有人提出“要为避雷针正名”的 建议在防雷学科本科的教科书《高电压工程学》中，接受直接雷击的防雷装置称为接闪 器，避雷针是接闪器的一种，是棒形的；接闪器的形式还包括：避雷带、避雷网和法拉第 笼（金属箱体和罐体）等。
2.2 击选择性原理接闪器是按照雷击选择性原理设计的雷电先导放电的路径服从于统计规律，在所有 可能放电的方向中，最主要的方向决定于最大电场强度雷雨云中的电荷积集到一定密度， 首先从云中某处产生空气的电离而形成下行先导流注，高空先导流注放电的方向是随机的， 不受地面物体的影响雷雨云下面的地面和地物受雷云电荷的静电感应，产生出与雷电异 号的电荷，并使各地物表面的电场强度增强当下行先导流注发展到某种高度，即所谓雷 电定位高度 H 处时，大气电场开始被地物感应电场所歪曲，雷电先导向歪曲后的最大电场1强度方向发展当下行先导流注行进到雷击高度 H 后，某一个或几个地物表面电场强度达2 到了击穿空气的数值，该地物就会产生迎面先导流注，它向上发展与下行先导流注汇合， 然后就产生强烈的主放电，该地物就遭到了雷击正如文［2］所指出的，在这一过程中，地 物表面的电场强度表征了该地物某处遭受雷击危险性的大小文［2］给出了几种典型建筑物 的形式及其表面电场强度的分布计算图，它表明建筑物边缘的棱角处电场强度比平面处电 场强度大了2-3 个数量级，所以那些棱角处的雷击危险性最高，这就是截击闪电的物理根 据在 1958-1960 年我们进行了多种民用房屋的雷击模拟实验，最初提出 “民用建筑简化 防雷方式研究”的报告［3、4］，后来，为了与避雷针保护规范区别，改名为“建筑物防雷重点 保护方式” ［5］。
这些报告与王时煦先生发现的北京市建筑物雷击部位统计规律一致，这些 规律已经写入GB50057-94《建筑物防雷设计规范》附录二中，见图1图 1 建筑物易受雷击的部位注：（1）平屋顶或坡度不大于1/10的屋面雷击多发生在檐角，女儿墙和屋檐处，（a）和（b）；⑵屋面坡度大于1/10但小于1/2者雷击多发生在屋角，屋脊，檐角和屋檐处，（c）；⑶屋面坡度不小于 1/2 的，雷击多发生在屋角，屋脊和檐角处， （d）；⑷对图1 （c）和（d）,在屋脊有避雷带的情况下，当屋檐处于屋脊避雷带的保护范围 内时屋檐上可不设避雷带上述避雷带设计的建议在防雷工程中应用，经过四十余年的运行经验证明防雷效果明显可靠现在文［2］的分析又给了我们理论上的充分根据1.3 控制论在电场理论中的应用在房屋屋顶的周边处敷设避雷带和避雷网的做法是由麦克斯韦（Maxwell ）于1856年提出的，在德国的防雷规范中早有规定，在我国倡议推广的是王时煦先生从现代系统工 程论的哲学思想来说这是感应静电场控制在防雷技术中的应用避雷针防雷应用的也是感 应静电场控制的原理，它是在房屋的附近或顶部树立避雷针，在雷雨时避雷针的上端形成 超强感应静电电场，从而掩盖了屋顶的感应静电电场，使闪电向避雷针发展和放电，不再 对屋顶放电。
我国确定避雷针保护范围的方法有两种：一种是折线法，用于电力系统的防 雷；一种是滚球法，用于建筑物防雷这两种避雷针保护范围的设计方法各有其使用条件， 它们都是工程设计规定，都是科学的；问题是设计人员要掌握它们的使用条件2． 球法是几何模拟法2.1 避雷针保护范围的滚球法古已有之避雷针保护范围的滚球法，又称击距法，是1938年由施瓦格首先提出的，他的理论基于以下假设：“避雷针和避雷线的保护范围相同，都是按照它们与雷电先导之间的距离判 定的，即在所有电压形式（交流、直流和脉冲波形），所有火花放电间隙形状下，其放电 电压与击穿距离都是线性的关系；电极形状对击穿电压没有影响，都可按照双针间隙的放 电规律估算，这些规律是从小到大线性地增长的”学过《高电压工程学》的人都知道，施瓦格的假设是片面的，不充分的，不能绝对地 看待它两个间隙之间的放电电压主要决定于他们之间的距离；但是还与间隙的形状、电 压形式以及距离的大小等都有关系，要区别不同情况分别对待［6］尤其是长间隙放电与短 间隙放电的规律不同，放电电压和间隙之间的距离不是线性关系，雷电放电是长间隙放电 时有异常放电现象发生雷电现象的规律不是函数相关；而是统计相关。
雷电流幅值与雷 击距离也是统计相关，不是函数相关所以避雷针的保护范围的各种计算方法都不是函数 相关，而是统计相关对于防雷设计人员来说，这是什么意思呢？就是设计人员不能绝对 地看待避雷针保护范围的计算公式，在处理统计相关的现象时，设计人员不仅要知道计算 方法，还必须对这种高电压现象有比较全面地了解，即对其物理概念要清楚，要有《高电 压工程学》的基础，下面笔者将举例说明表 1 滚球法与折线法比较简表比较项目滚球法（几何模拟法）折线法（放电模拟法）理论依据以放电距离为准（击距法）以实验室放电模拟为准，兼顾 运行统计结果雷电先导高度以定位咼度为准H ,1以击穿咼度为准H，2H = 20m, 30m, 45m, 60m2H = 300m, 450m1保护范围比较较严格，此理论有片面性运行统计结果安全可靠多针保护范围公式不符合实际，工程上难于应用工程安全可靠性已经达标存在问题其避雷线的保护范围和保护率的估算值与实际运行经验数据差别很大有双针中部保护宽度超过避雷针底部保护宽度的情况表 1 说明滚球法与折线法都有科学理论依据，但是又都有不符合实际的问题我们的 首要目标是解决现实的防雷工程设计的问题，理论完善还要进行大量的研究与实验工作。
2.2 滚球法的正确应用在于滚当年林维勇先生选用滚球法为建筑物避雷针保护范围时我们并没有提出异议因为现 代建筑物多数是钢筋混凝土结构的，它们本身具有一定的抗雷击的能力，如果在其顶部敷 设避雷带或避雷网，选用滚球法设计其防雷装置就更合理没有必要统一按折线法计算笔者在文［1］曾介绍过避雷针的引雷空域和保护范围，见图 2图 2 避雷针的引雷空域和保护范围图 2 表明在避雷针的上部有一段 KL 部分处于引雷空域之中，这部分空间中都可能遭受 雷击，不论针、线在此空间中都没有保护效果莫斯科市 537m 高的电视塔的 200m 和 300m 处曾遭受到雷击；北京市故宫神武门（后门）城楼房角（兽头）避雷针的多处留有雷击的 斑痕，这些事例证明这一理论是客观存在的大楼的顶部也有这样的引雷空域，在此引雷 空域中只能用击距法（滚球法）判定雷击点和屋顶避雷针的保护范围《中国防雷》杂志 曾刊登了一张宝贵的雷击照片，见图 3图 3 大楼顶部的雷击照片此照片说明在高层建筑物的顶部发生雷电侧击和对顶部突出物的多点闪击的情况，这样的大楼的顶部棱角处装有接闪器可以直接接受闪电，所以我们可以用滚球法做防雷设计避雷针不是避雷，而是引雷；滚球半径不是保护范围，而是拦截距离；避雷针的上部是引雷空域，下部才是保护范围；在引雷空域内没有保护范围，而有拦截距离；在保护范围以 内没有拦截距离。
严格地说，滚球法中的滚球半径没有保护范围的意思，而是避雷带和避雷网的最小截 击距离请注意，避雷带和避雷网在强雷击时截击闪电的能力有余；而对弱雷击的截击能 力可能不足，容易发生遗漏弱雷击到建筑物的情况所以有 20m、30m、45m 和 60m 相对应 的不同“保护几率”的标准我们在文［1］中已经分析过，在避雷针的上部空间是它的引雷 空域，不是保护范围，避雷针的保护范围在它的下部空间中在楼顶的空间中没有保护范 围，有的是雷击危险距离，即所谓的“滚球半径”为了工程技术人员便于掌握，我们仍 用“滚球法保护范围”的提法，不想这又造成概念上的混乱2.3GB 50057-94《建筑物防雷设计规范》中的多针计算公式不符合实际，应该删除IEC 防雷规范中没有规定多支避雷针保护范围的公式，只规定了滚球的方法，我们认为 是有道理的因为第一类建筑物的结构不允许直接接受闪电者不能用滚球法滚球法多针 保护范围公式的有关规定是我国《建筑物防雷设计规范》的创造，它是由几何模拟法和叠 加法联合推导出的结果，它没有考虑多针相互屏蔽的效果，它估算保护率的统计方法不对， 它不是物理意义上的模拟，即它不符合自然界的实际情况折线法保护范围是根据以雷电定位高度 H1 为基准进行雷击模拟实验的结果制定的，折 线法得出的多针保护范围比较滚球法的宽松许多。
电力系统运用折线法多针保护范围设计 的防雷工程运行安全程度已经达到要求根据我国电力系统运行的统计 4272 所变电站的避 雷针（线）运行的事故率低于 0.1%［7］，说明折线法的避雷针保护范围规定是可以接受的， 它一直沿用至今，没有必要改变，否则将造成混乱和浪费相比之下滚球法的多针保护范围不符合实际，以至《规范》不得不规定第 3.5.5 条把 独立避雷针和架空避雷线保护范围的滚球半径h放大到100m这种随意放大滚球半径的做 r 法与雷电风险分析的原则相悖，是不合逻辑的如果我们教条式地按照滚球法的多针保护 范围公式去设计，必然要增加避雷针的高度，其结果是增加避雷针的引雷能力高架避雷 针的运行经验表明，它将招致雷击率增加滚球法避雷针保护范围不应该用在不允许直接接受闪电的第一类建筑物结构上这种 情况下应该用折线法估算避雷针的保护范围我们研究避雷针保护范围的目的是为了解决 现实的防雷工程，要考虑防雷技术方案的技术经济合理性，在安全可靠性达到要求的情况 下，还要有经济性和可实现性的观点，所以我们认为《规范》中多支避雷针保护范围的计 算公式应该删除，保留其他滚球法的有关规定，即仍然按 IEC 防雷规范的原文条款去做。
3． 避雷针应用的环境性3.1 避雷针适合用于平原地区矮小建筑物的防雷经验表明，在开阔的平原地区矮小建筑物（群）采用避雷针防雷是技术经济合理的， 变电站的防雷如此，火工品的厂房和储备库如此，危险品仓库也是如此这些建筑群的多 支避雷针高出建筑物有几米或十几米，建筑物的高度都低于避雷针的引雷空域，所以人们 无须担心其防雷安全性这些避雷针应该用折线法判定其保护范围3.2 山区建筑物不宜用避雷针防雷在雷雨云低于山头的坡地上往往产生侧向雷击，此处的建筑物应该用避雷带和避雷网 防雷，譬如安徽黄山气象台，那里的雷击多发生在屋顶上的金属护栏处，屋顶上保护气象 测量设备的避雷针却很少截击闪电像这样的地理情况，建筑物的防雷就不宜采用避雷针 防雷3.3 高层建筑物不宜用避雷针防雷高架避雷针的保护效果比较低高度避雷针的保护效果差避雷针的上部有一段可能自 身遭受侧向雷击的空间，称为对针杆的侧击区有人说：“避雷针高度在 120m 以上时，其 折线法的保护范围是无效的”，我们说：“对！按《规范》避雷针高度在 60m 以上时，其 滚球法的保护范围就已经是无效的了”高架避雷针的引雷能力强，当侧方袭击来的下行 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，该地面称为雷电散击区。
莫斯 科市有一座 537m 高的电视塔，在离塔水平距离 150m 的地面曾遭受到雷击，在其周围 1.5km 内的地面落雷率比莫斯科市平均落雷率高 2.5- 4 倍，这种高架电视塔（避雷针）使其附近 地区的房屋增大了雷击的危险程度所以，我们不推荐在城乡的建筑物中架设避雷针保护， 这些建筑物应该尽量采用避雷带和避雷网防雷，只有天线和局部突出物用短针防雷ESE 避雷针的宣传资料称它能够扩大雷击距离，这一说法没有被国际防雷学术界认可，它所谓“提前接闪”的性能是否有利于建筑物防雷，即是否引来更多的雷电，是否增加雷 击的频度，这些都是不明确的问题钢筋混凝土建筑物的钢筋网就是避雷网，设计师预防地震的危险对其内部主筋结构提出焊接要求，使它具有良好的防雷性能雷击时为了不损坏建筑物屋面，人们要求在屋面棱角处敷设明装避雷带和避雷网，这种建筑物上无须安装避雷针高层建筑物无须安装避 雷针（不宜安装避雷针）还有更重要的道理，就是防雷装置的感应电磁场的控制问题，这 已经超出本文的讨论范围，我们把它留到以后讨论4．结论（1）避雷针保护范围的滚球法和折线法都是科学的，防雷设计人员要了解它们的使用 条件2）GB 50057-94《建筑物防雷设计规范》中的多针计算公式不符合实际，应该删除； 保留其他滚球法的有关规定，即仍然按 IEC 防雷规范的原文条款去做。
3） 层建筑物无须安装避雷针（不宜安装避雷针）本文经许颖和欧清礼先生审阅并提出宝贵意见，特此致谢——作者注）。