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避雷针保护范围及其物理模型 华中理工大学钱冠军王晓瑜 摘要简要介绍进 雷针保护 范围的滚球理论和新近发展起来的 考虑了以上 行先导起始和上行 下行先导相汁运动 的雷击 物理 模型 先导传播模型 将两种模型关于进雷针保护范围进行比较 并从物理本质上阐述其原因 关键词避雷针滚球法先导传播模型 避 雷针保护范围的研 究 贯穿于整个雷击 物理 现象研 究的历史 而且其 中蕴涵着 对雷 击物理过程的认识 从几何法到电气几何法 是对雷击现象认识的 一大进 步 认识 到闪击 距离与雷 电流幅 值相关 当然 也是对雷击物理过程的一种简化 有不少问 题在争论 中 如被击物的形 状如针状 线 状 及距地高度对闪击距离的 影响 等 主要经历了英国 美国 和加拿 大等人各自提出的几种模 型 肠氏 滚球 理 论就是基 于提 出的关于避雷装置保护范围的理论 并已被 美 加 澳等国的国家标准 所采用 我国也 有不少研究者以滚 球法为标准来评判国标及 避雷装置保护范围 的方 法 随着对 长间隙放电 现象的进一步认识 近年来意 大利 南非 埃及 凡 等人又提出了 基 于传播理论的先导传播 模型简称 廿 考虑了在下 行先导影 响下 的上 行和下 行先导之间的相对运行及最 后跃变 比经 典的对 雷击现象有了更 细致的认识 本文将对滚 球 法与关于 避雷针的保护 范围进行比较 这种比较将 是 有意义 的 一个是反映现场 运 行 经验的模 型 并为许多 国家所采 用一个则充分融 人 了对 长 间隙放电物理过程 的认识 避雷针保护 范围及其物 理模型 钱冠军王晓偷 一 滚球理论和廿理论简介 滚球理论 滚球理论的 基 础 是提出 的 其核心 概念 是击 距 认 为 雷 先 导首先进人哪一 物体的击距 就对哪一物 体放 电 击距 是雷电流幅值的函数 可 归纳 为三点 击距 与雷电流幅值的关系为 几二 产 式中 几 击距 雷电流幅值 雷先导对大地 导 线及 针形 物 的击距 是一致的 先导是斜人射的 其入射角呈概率分 布 即 盯句 二 一 一 因此 滚球 法认 为 可假想一具 有 临 界 半径 的 球 沿地面 和避雷 装置周围滚动 球 所不能触及 的空 间 即为对应于临 界半径 的 临界雷电流 的有 效屏蔽空 间 美国 玩建议作为一般建 筑 物及 电 力 设施的临界雷 电流 由此 得 到所 谓滚球法 理论 印 理论认 为 下行雷闪的先导在高处 1994 2008 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 不受 地面物体的影响而随机发展 当先导下 落至某一位置时 先 导中的 电荷云中电荷 的作用一般 可忽 略引起的 电场在目的物处 达到先导起始条件 这时便产上行先导 上 下行先导在其空 间电荷的动态电场作用下 沿一 定方向发展 若最终相遇 则认为雷闪 将击中目的物 由以上描述 可见 较对 雷击 物理过程有了更 细致的描述 也更符合客观 现象 认为 在下行先导 作用 下 若目 的物一旦 产生 上行先导 则被击中 则 不尽 然 尚需考虑上下行先导 的相对运动 提出 一定几何形状和高度的目的 物能否被一定雷电流 幅值的雷 闪击 中 可用 吸引半径 对针 形或吸 引距离 对线 形 这一参数来描述 该 参 数 定义为 能击 中目的物的垂 直下落先导与目的物的最大可 能水平距 离 值得注意的是 或 不仅 是雷电流的函数 也 是目的 物高度的函数 并和 目的 物 的 几何 形 状有关 因为不同形 状 高度的目的物 在 同一雷电流下行先导 作用下的感应场强 不同 由针状目的物吸引半径 随高 度和雷电流 幅值变化的曲线 对其进行二元回归 可 得到 关于针状目的物 吸 引半 径的 公式 即 及 了 入 二 入 式中 吸引半 径 雷 电流幅值 针状物高度 二 避雷针保护范 围 滚球法为许多国家所采用 具有一定 的 权威性 而反映了当前 对 雷击 物理过 程的最新认识 两者就避雷针保护范围是否 一致 不一致又能说明什么问题是值得探讨 的 滚球法 的临界半径由被保护物 所 承 受 的无损害雷电 流幅值来确定 玩氏按 二 产计算 对 于一般 建 筑设施和电力 设备 玩氏建 议 无 损 害 雷电流 幅值 取 对 应的 二 对 于危险或重要的 一类设施如炸药 库 的 取值为 对 应的 二 包 滚球法应用于避雷针保护范围一般分为 两种情形 如图 所示 分别是 和 的情形为避雷针高度 图 中圆的实线部分即为保护 范围的边界线 其 边界方程如下 当 二 时 二 侧厄兀天 一 丫 一 砚 当时 二 一 丫 二 一 入己 联合 产砧 可得 到某一 雷 电 流幅值 下 某一高度 二 处的保护 范围半径 住 一 士 一 犷 忡仁 生 巨己二一 一通 二 七己二止缸 饰 图滚球法避雷针保护范围 图中 避雷针高度 临界半径 关于 避雷针 保护范围如图所 示 避雷针高 在距 其 二 处有一物体高 若使该物体能被保护 需满足 二 份卜一 一 研琴黔 过丝 图关 于进雷针保护 范围示意 建筑 电气年第期 1994 2008 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 和式 即 了 叨 当式取 并将式代人 即得 保护范 围 二 华 一 人 根据上 面滚 球 法和关于避雷 针 的 保护范围 公式 计算并绘出雷电流幅值 二 避雷针高度分别为和的 保护半径 曲线 见 图 图 当针高 大于临界半 径时 滚球 法认为高于临界半径的 针体属无用部分 它 对小于临 界电流的雷 击起 不 到 任何屏蔽作 用 而廿法则认为保护半径随 针体高度 的增加而增 加见图 滚球法 中针体的无 用 高度在廿法 中使保护半径 随高度的 次幂而增 长 厂 卜 厂厂刃 刃 一刃 刃 八八丫 丫日州厂节节 奋奋 八八一 一盯了石 石 黔 甘 广一 一 八八二 二卜 叹 一场 场场场 一一 二 又又 二 丁丁 一 一 厂二二 甲 甲 门门 卜 二二 如 仁 日 梦 钾 心汽门 口 刃切 保 护半径 图法的保护半径随针 高的变化 二 被保护 物体 如书刃乃加 巧 保护高度 图滚球法和的保护范围 二 二 曰曰曰曰曰曰曰尸尸口口口口 周周周曰曰门门口口 曰曰曰口口门门门门口口门门 疚疚疚阵阵画画曰曰门门厂下 下下 豹豹豹曰曰口口口口口曰曰曰 图图图厂叔叔曰曰门门曰曰口口 曰曰曰反笠下 下冈 冈曰曰曰曰曰曰 盯盯盯 杯杯口口闪 闪口口口口 印印切刃 保护高度 爪 保护半径 图滚球法与廿的保护范围 二 三 讨论 滚球 法和廿法就避雷针保护范围的 争论 焦点可归结 为当针体高度增 加时 对 于一定雷电流幅值的雷 击 其吸 引能力 有如 何的变化趋势 提出 的认为闪击距离仅 是雷 电流 幅值的函数 与被击物的高度及几 何 形 状都无 关 因此 滚 球 法的一个重要洁 论 是当针高大于临界半径时 吸引小于临界 电流 雷 击的能力不再随 针高的 增 加而变化 则通过对上行雷电 先导起始和 上行 先导与下行先导相对运动的判 断 考虑了波 击物高度 几何形状对 吸引雷击能 力的影 响 对 一式求偏导 由图 图对两种 理论滚球法和 的保护 半径作如下比较 当临界半 径时 大 于针高 时见图 滚球法所 得 保护半径 比要小 但不显著 当临界半径 小于 针高时见 图 滚 球法 所 得保护范围比廿显著 地减 小 如 二 二 时 两者 保 护范 围相 差 即滚球法保护 半径仅 为保护半径的 左右 避雷针 保护范围及其物理 模型 钱冠 军王浇瑜 尸 一一抓 因此 根据式和 式 的结 论是 避 雷针的吸引雷电能力随 针高的增 加而增 加 但是 随着 针体高度的增加 吸 引雷电能力 的增 加趋 势将变缓 根据对 塔型建筑物 吸引 雷击 次 数随 可达 于针棒形 士菩形建筑 物 于针棒物在 长间隙放 电 中 的临界 电 晕半径 可认 为与 避雷针 的 引雷 能力 等效 1994 2008 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 高度变化的观浦 经数据分析处理 在仅 考 虑下行雷击的情况下塔形建筑物的平均吸 引半径 凡 其中为 建 筑物高 度 不同 高 度 塔 形 物 的 吸引半径见 图 观测数据表明 避雷针高 度增 加 时 其雷电吸 引能力 是不 断增强 的 但增强的变化趋势将变缓 幕次为 扣 阴 图不 同高度塔形物 的吸引半径 图 中 塔形物高度 凡 吸引半径 此 外 棒对棒的试 验见图结 果 表 明 在负 极性下 放 电间隙距离保持 不变时 随着下电极棒高度 的增加 击穿电 压是下降的 并可由下式表达 一 一 一 叨 式中 放电 间隙 下极棒 高度 气象修正 系数 若用击穿电压来衡量吸引能力 低 的击 穿电 压表示强 的 吸 引能力 可见 在棒对棒的试 验尺寸 范围内 下电极 棒的 吸 引能 力随高度的增加而增加 但 趋 势是变缓的 幂次 为 以上现场观侧和试验 结 果 都对的 结论 给予了支持 可见 滚肆法 未考虑吸 引 能力随高度变化是 其保护 范围偏小 的原因 笔者认 为 从理论 角度看 滚球 法是一种偏 保守 偏严格的方 法 但 就目前雷击物理研 究尚有诸多不详的状况和运行经验来看 滚 球法是一种安全可行的方法 通过本文的讨论可以看出 法 与试 验和现场观测的结果相符 避雷针的吸引能 力随高度 的增加而增 强 但增加的速度是变 缓 的 从理论角度看 滚球法是一种偏严格的 方法 从应 用角度看 滚球法则是一种安全 可行的方法 参考文献 凡 邢叼日亩吃 如曰画目 鹅 和到比 击 献 户而勺谧化 剧 翔 刃地 忱 列 卯 止兑 沙面 锐兹 城呼以 手旧 记匀 咧 石 幻日 卯 一巧 一 应顺溯遵雷装置保 护 范围研 究的进展高电压 技 术 奥娜 一 唐兴作关于 遵 雷针的 保 护 范围高 电压技术 一 王晓瑜 几种雷 电屏 蔽 分析模型物理基 础 研究 高电压技术 臾拜 一 伟 二沙 吧川 此 除 口们 盯 尽 即 卜 助 几 听司 涌 枯咭 一 哪 民 切 夕仅玉 一 本刊 年合订本征订启事 二 二十 一