劉得軍 王 凱 李亞南 曹文浩

（北京特種工程設計研究院）

0 引言

雷云放電過程具有很大的隨機性，在防雷設計中，一般采用接閃針（線）作為接閃裝置，經(jīng)過多年的研究與實驗發(fā)現(xiàn)，雷云對接閃針（線）的放電具有一定的統(tǒng)計規(guī)律，接閃系統(tǒng)存在著一個具有較低繞擊率的空間范圍。因此，接閃裝置的設計要根據(jù)被保護物的空間大小來確定接閃針（線）的保護范圍。國內(nèi)外比較常用的確定接閃針（線）的保護范圍方法主要有以下四種：

（1）折線法；

（2）滾球法；

（3）引雷空間法；

（4）先導模型法。

上述幾種方法不是為了改變避雷針的保護范圍，只是隨著對雷擊現(xiàn)象的研究越來越深入、認識越來越多，對接閃針（線）的保護范圍的計算與其實際的保護范圍越來越接近。

1 折線法

早期關(guān)于接閃針保護范圍的確定與研究，都是通過觀察雷電放電的照片、在高電壓實驗室以一定的縮比模型進行模擬雷擊放電試驗為主要依據(jù)。雖然科學家自己根據(jù)觀察和試驗提出的保護范圍不盡相同，但主流觀點認為保護范圍是圓錐形的。折線法又稱保護角法，是最早被用來評價接閃器防雷效果的一種方法。早期很多國家的標準和部分國家的現(xiàn)行標準也是采用折線法。按折線法計算，接閃針的保護范圍從上至下呈圓錐體狀，接閃針的高度越高，其保護范圍所覆蓋的體積就越大。20世紀初，對接閃針的保護角進行估算是研究的主要任務。根據(jù)美國的經(jīng)驗，一般情況采用63°保護角、重要設施采用45°保護角；英國則認為45°的保護角只能保護一般建筑，重要設施的保護角度不應超過30°。

我國現(xiàn)行的電力行業(yè)標準中均使用折線法確定接閃針（線）的保護范圍，將接閃針上、下分為兩個半高度形成以接閃針為軸線的圓錐形狀空間區(qū)域，兩段固定斜率的直線段所組成的折線來確定接閃針的保護范圍［1］。

折線法是一種完全經(jīng)驗做法，所用的經(jīng)驗系數(shù)固定，由實驗室內(nèi)模擬試驗確定，在設計中，無法在這些計算步驟中引入概率統(tǒng)計算法，不能從雷電隨機性這一固有自然特征觸發(fā)來估算接閃器的實際保護范圍，因此難以用量化評估的方法評價接閃器的實際保護效果。

2 滾球法

采用折線法確定保護范圍的接閃系統(tǒng)，在現(xiàn)實運行中卻出現(xiàn)了雷擊入圓錐體保護區(qū)內(nèi)的情形，這種現(xiàn)象被稱為“側(cè)擊”或“繞擊”。產(chǎn)生側(cè)擊或繞擊的物理機理，直到20世紀60年代，在全世界眾多雷電防護研究工作者的不懈努力下，根據(jù)積累了大量的雷電觀測數(shù)據(jù)，開始漸漸摸索出雷擊電流發(fā)生頻度分布、雷電電荷的頻度分布和雷電放電的機制，依據(jù)這些數(shù)據(jù)并結(jié)合試驗，最終提出了電氣幾何理論（EGM），才解釋了側(cè)擊發(fā)生的緣由。

EGM理論認為，當雷電先導到達接閃針或被保護建筑物的閃擊距離之前，雷電的擊中點是不確定的，而在到達閃擊距離時，接閃針或被保護建筑物就開始產(chǎn)生方向迎向雷電先導的迎面先導，雷電先導與迎面先導一旦相遇，就會形成雷電的主放電，當接閃針的迎面先導比被保護建筑的迎面先導先一步遇到雷電先導時，雷電對接閃針放電，雷電流迅速泄放入地，雷電電荷減少，被保護建筑物的迎面先導消失，從而實現(xiàn)對建筑物的保護［2］。

雷電先導首先進入哪一物體的雷擊距離，就對哪一物體放電，雷擊距離是雷電流的函數(shù)，雷擊距離與雷電流幅值的關(guān)系為：

式中，r為雷擊距離，m；Im為雷電流幅值，kA。

而且認為雷電先導對大地、導線及針形物體的雷擊距離是一致的。

在折線法基礎(chǔ)上，利用EGM理論，Schwaiger于1935年提出用弧形邊界來代替直線邊界的類似保護空間，根據(jù)下行先導發(fā)展的隨機性和定向性來確定建筑物上以及地面上可能出現(xiàn)的雷擊點，這就是滾球法的基本思想。

設想一個半徑為R的球體沿地面和接閃裝置周圍隨機滾動，球體所不能夠碰到的空間，即是滾球法對應一定雷電流幅值的有效的保護空間。

滾球法是當前國際上最為流行的防雷設計方法，我國設計規(guī)范和IEC標準均推薦采用此方法，滾球法示意圖如下圖所示。滾球法的基本思想是將雷擊地面或地面物體的過程等值地描述為一個以雷擊距離為半徑的假想球體從天空而降，沿隨機路徑逼近地面或地面上物體，球體最先觸及的且處于地電位的點是最可能的雷擊點，若被保護物不會觸及滾球，則認為受到了保護［3］。

圖 滾球法示意圖

滾球半徑是與雷電防護水平相對應的，我國防雷設計標準中根據(jù)防雷等級不同，把建筑物的防雷等級設置為三類，可耐受雷電流最小值及對應的滾球半徑見下表。

表 各防雷等級雷擊雷電流參數(shù)的最小值及其對應的滾球半徑

滾球法已經(jīng)成為建筑防雷設計中普遍使用的方法，它是國際電工委員會（IEC）與國標GB 50057-2010中共同推薦的一種方法。但滾球法沒有考慮接閃器的尖端作用和不同尖端具有不同的引雷作用，因而滾球法在某種程度上偏于保守。

3 引雷空間法

隨著雷電理論的深入研究、試驗技術(shù)的進步和計算機數(shù)據(jù)處理能力的提高，產(chǎn)生了新的防雷設計方法。1971年，匈牙利學者Horvath提出了引雷空間概念（Attractive Volume Concept）［2］。1987年，南非學者Eriksson也進行了相關(guān)研究并在電氣幾何模型（EGM）基礎(chǔ)上提出了一種改進的EGM方法，這便是引雷空間的發(fā)展開端［4］。

在雷云對地放電時，下行先導自雷云向地面發(fā)展，地面物體不同點都有可能發(fā)出上行先導，主要與地面物體的幾何形狀、材料、邊緣曲率、電場強度的大小、土壤條件等因素有關(guān)。當下行先導的頭部下降到被保護物體的臨界定向范圍時，下行先導因受到上行先導的影響，開始定向發(fā)展。

引雷空間法的主要不足在于其邊界參數(shù)的合理性和準確性難以評判，各研究者采用的參數(shù)值之間存在著頗為明顯的差異。

4 先導模擬法

先導模擬法是20世紀90年代后期在國際上出現(xiàn)的一種接閃器保護范圍計算方法。這種方法認為，下行先導在距離地面較高的位置是不容易受到地面物體影響的，因此隨機發(fā)展，而當先導降低至某一位置時，先導中的電荷所引起的電場會影響被保護的物體，從而使被保護物體達到了產(chǎn)生先導的起始條件，這時被保護物體便會產(chǎn)生上行先導。上行先導與下行先導在空間電場作用下，會沿著一定的方向隨機發(fā)展，如果上行先導與下行先導最終相遇從而進行放電，即可認為雷閃擊中了目的物。

先導模擬法可以較為粗略反映雷擊的先導機制，近似模擬雷電下行先導和起自接閃器或地面物體頂部上行先導的空間傳輸和對接過程。但是，該方法所必需的先導起始判據(jù)以及先導速度等參量目前尚無統(tǒng)一的研究結(jié)果，不同研究者提出的計算判據(jù)差別較大，一些從高壓實驗室中得出的臨界數(shù)據(jù)與實際自然雷之間的等價性尚無從證實，且由各計算判據(jù)得出的預測結(jié)果出入較為明顯，其在防雷設計中的工程實用價值還沒有體現(xiàn)出來。

5 結(jié)束語

目前，國際與國內(nèi)相關(guān)標準規(guī)范，如《建筑物防雷設計規(guī)范》（GB 50057-2010）、《民用建筑電氣設計標準》（GB 51348-2019）、以及IEC和美國一些相關(guān)標準，均推薦采用滾球法來確定接閃針（線）保護范圍，我國《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》（GB／T 50064-2014）中對折線法確定避雷針與避雷線的保護范圍也進行了詳細的描述，并在條文解釋中采用數(shù)據(jù)說明了采用折線法確定避雷針和避雷線的保護范圍的做法也是安全可行的。而其他兩種方法多在著作論述中有提及，并未見有現(xiàn)行發(fā)布的相關(guān)標準規(guī)范推薦使用。