一,、歷史的回顧及理論概述

??????? 日本學者宮本慶己在《雷及避雷》[2]一書中論述了避雷針的引雷和防護地物的功能。他用模擬試驗說明單支豎立在平地的避雷針的引雷空域如圖2所示。其中簡化包絡線是一條拋物線，此線即為在正、負雷雨云下該避雷針的50％擊針擊地平均分界線,。圖中小圈為窄中各點實驗放電統(tǒng)計資料，表示類比實驗下行先導的針尖位置,，黑圈表示百分之百出針,，白圈表示百分之百擊地，黑白各半表示50％擊針及擊地,。


圖2 單支避雷針的引雷空域

雷擊避雷針和地的放電強度與雷電極的極性有關,，當雷的極性為正時，雷對避雷針的放電強度高於雷對地,；當雷的極性為負時,，雷對避雷針的放電強度略低於雷甫對地。所以在同樣電壓下雷電極對針的放電距離R與雷電極對地的放也距離H是不同的,。根據(jù)長間隙放電的實驗資料大致有：

雷電極為負,、地為正時，k=R/H=1.1,；
雷電極為正,、地為負時，k=R/H=0.8～0.9.



圖3 雷擊針地分介面的理論分析圖

圖3為雷擊針地分介面的理論分析圖,，據(jù)此可以求出雷擊避雷針和地的理論分界線,。圖中L為避雷針尖,，其高度為h，P為雷電極頭部,，其對地高度為H,，E為雷電極正下方的投影點，L,、P之間的距離為R,。當P點維持k等於某一常數(shù)在圖面上運動時，其運動軌跡就是雷擊避雷針和地的理論分界線,。分界線以y軸為中心旋轉(zhuǎn)就是立體的分介面,。分介面內(nèi)為雷擊避雷針的空域,，分介面以外為雷擊大地的空域,。分介面附近引下的雷擊地面為散擊區(qū)。

分界線有三種：k=O.9的情況下其分界線為,；
k=1.1的情況下其分界線為——雙曲線,；
k=1.0的情況下其分界線為——拋物線。

後者為一般分析避雷針接閃性能的理論基礎,，它是正負雷擊情況的平均數(shù),。圖3的分析結(jié)果與圖2的實驗結(jié)果是相一致的。結(jié)合避雷針的引雷空域再分析避雷針的保護作用,，見圖4,。


圖4 單支避雷針保護作用的分析

圖4中O1L為避雷針，K為其高度的中點,；MO2為被保護物,，N為其高度的中點。假設雷擊距離為hr,，雷電先導端頭位於P,，PK(實線)為避雷針的引雷分界線，PN(虛線)為被保護物的引雷分界線,。它的上部空域都在避雷針的引雷分界線以內(nèi),。因此，距地面高度大於hr的雷擊將被引向避雷針,，被保護物MO2將免於雷擊,，這種現(xiàn)象稱為截擊效應；但當雷電先導從低於hr的右側(cè)襲擊來時,，避雷針將起不到保護作用,，這稱為對保護物的側(cè)擊。所以以P點為圓心,，以hr為半徑作圓,，此圓從避雷針頂點L經(jīng)M地面O3點,，它以下的部分就是雷擊距離為hr時避雷針的保護范圍。這一分析結(jié)果與按電氣幾何理論(EGM)滾球法推出的結(jié)果是一致的,。

EGM理論[4]認為,，雷電先導首先進入哪一物體的雷擊距離就對那一物體放電，雷擊距離是雷電流的函數(shù)：

式中,，hr為雷擊距離,，m；I為雷電流幅值,，kA,。

我國防雷標準GB 50057-94《建筑物防雷計規(guī)范》規(guī)定三類建筑物的避雷針保護范圍按hr為60m畫定。運行經(jīng)驗表明這一規(guī)定符合我國通用建筑防雷保護可*性的要求,。
近幾年來一些學者對EGM理論又做了修正,，稱為先導傳播模型理論[4](LPM)。該理論認為確定雷擊點除了考慮雷擊距離以外尚需考慮迎面先導和下行先導的相對運動,。一定幾何形狀和高度的地物能否被一定雷電流幅值的雷電擊中,，可用吸引半徑Ra來表示，Ra不僅是雷電流的函數(shù),，也是地物高度的函數(shù),，并和地物的幾何形狀有關。因為不同形狀和高度的地物,，在同一雷電流的下行先導作用下感應的電場強度不同,。

式中Ra為吸引半徑，m,；I為雷電流幅值,，kA；h為針狀物的高度,，m,。

分析結(jié)果表明：當臨界徑hr大於避雷針高度h時，EGM所得保護半徑比LPM要小,，但不顯著,；當臨界半徑hr小於針高h時，EGM所得保護半徑比LPM要小許多,，某些情況下甚至小50％左右,；當針高h>hr時，EGM認為高出臨界半徑的針體部分沒有保護范圍,，而LPM理論認為保護半徑隨針體高度的增加而增加,。

根據(jù)對塔形建筑物吸引雷擊次數(shù)隨其高度增加而變化的觀測以及長間隙放電棒對棒的實驗結(jié)果都證明，避雷針的引雷能力隨其高度的增加而增強，但增加的速度是變緩的,。這對LPM的結(jié)論給予了支持,，可見EGM滾球法未考慮吸引能力隨高度變化是其保護范圍偏於保守、偏於嚴格的方法,，它的優(yōu)點是能對避雷針的保護范圍給出直觀的物理圖像,。

避雷針的上部有一段可能自身遭受側(cè)向雷擊的空間，稱為對針桿的側(cè)擊區(qū),；高架避雷針的引雷能力強,，當側(cè)方襲擊來的下行雷電先導被避雷針引近而未能在針端接閃時，會出現(xiàn)閃電擊中避雷針附近地面的情況,，使得高架避雷針附近的地面落雷密度較該處平均落雷密度大,，該地面稱為散擊區(qū)。高聳的建筑物和高架避雷針附近地面出現(xiàn)散擊區(qū),，遠離避雷針的地方雷擊率不受避雷針的影響,，稱為正常區(qū)。避雷針周圍空間側(cè)擊區(qū),、地面的保護區(qū),、地面的散擊區(qū)和正常區(qū)見圖5所示,。


圖5 避雷針的側(cè)擊區(qū),、保護區(qū)、散擊區(qū)和正常區(qū)

按我國統(tǒng)計的雷電流幅值最大約為300kA,，其對應的雷擊高度為408m,。取雷擊定位高度為400m，可得出不同高度避雷針的保護區(qū)和散擊區(qū)的地表半徑見表1,。

我國舊式民房一般高度在10m以下,，避雷帶和避雷網(wǎng)的高度與房高相同，安裝的短針防雷其高度為1-2m,，它們引起的散擊現(xiàn)象有明顯,；高聳建筑物和高架避雷針引雷招致雷擊率增高和存在散擊區(qū)。我國防雷學者歷來不主張用高架避雷針保護建筑物,，主張用屋頂短針和避雷帶防雷就是考慮了既能發(fā)揮它的引雷作用,，又避免增加散雷區(qū)。試裝消雷器的運行結(jié)果表明：它不能消雷而且增大了雷擊率,，所以許多部門拆除了這些消雷器,。

二、避雷針保護范圍的模擬實驗研究

1. 單支避雷針的模擬實驗[5]

自從佛蘭克林證明大氣閃電與脈沖放電是同一種現(xiàn)象以後,，人們就開始了雷電模擬的實驗研究,。長間隙放電試驗表明，脈沖放電電壓與其放電路徑都具有統(tǒng)計特性人們用針做上部電極，代表雷電先導端部,；用金屬板做下部電極,，代表大地。實驗中放電擊中的地面部位經(jīng)常變化,，即使針對針的針的放電其放電閃光的弧道也經(jīng)常不同,。自然雷電與模擬雷電的放電結(jié)果都是統(tǒng)計性的。例如,，一根避雷針的駁回范圍的大小與其保護率有關,，要使保護率高，其保護范圍就小,，如果使保護率降低,，其保護范圍就增大。在工程上一般認為取保護率為99%就可以了,，即發(fā)生100次雷擊時要使99%次雷閃擊中避雷針,，允許有1次擊在被保護物上，這是出於防雷工程的經(jīng)濟性和可*性綜合考慮確定的,。

防雷模擬實驗通常在3-5m以下的放電間隙條件進行,，它比實際自然落地閃電短得多。實驗時按假定的雷雨云定位高度和先導放電的位置放置上部電極,，然後按幾何比例縮小建筑物模型和避雷針模型的尺寸,。這種實驗方法實際上是幾何類比，不是嚴格的物理類比,，所以這些實驗結(jié)果沒有絕對的定量意義,，它必須與雷擊事故統(tǒng)計資料相對照才能得到，較為確切的定量評價,。模擬試驗的意義在於它能在比較短的時間內(nèi)得出雷擊的規(guī)律性,，給出相對的定量資料。

從上世紀三十年代到五十年代,，世界的防雷學者做了大量避雷針防雷的模擬實驗,。地面上用長針代表避雷針，短針代表被保護物,。另一電極懸掛在一定高度(一般取避雷針高的5-10倍)模擬雷電先導的斷頭,，用直流、標準波或操作波的高電壓的設備進行放電實驗并統(tǒng)計在不同條件下避雷針與被保護物的雷擊次數(shù),。實驗表明,，用正極性先導尖放電得出的保護范圍小負極性先導尖放電得到的保護范圍。為了使結(jié)果更為嚴格,，實驗采用正極性放電,。

模擬實驗的設計，即雷擊率的計算和實驗過程的安排，因?qū)W者不同很大差異,。如美國C.F.瓦格聶爾(wagner)等人取在一定針(避雷針)物(被保護針)尺寸比例的條件下,，移動上部電極依次進行固定次數(shù)的雷擊放電，記錄各位置上的雷擊針與物的次數(shù)并繪成圖,，取雷擊被保護物次數(shù)的面積與雷擊二針的總次數(shù)相比作為雷擊率(繞擊率),，見圖6。

(a) 避雷針的模擬試驗
h-避雷針高度,；hx-被保護物高度,；H-假想雷擊高度；1,、2,、3-雷電先導位置上部電極移動位置X


(b) 試驗資料統(tǒng)計示意圖
1-擊針次數(shù)；2-擊被保護物次數(shù)
注：在針物要對尺寸hx/h和相對距離r/h固定的情況下,，按圖中曲線1,、2下面的面積S1和S2計算雷擊率(不計對地放電次數(shù))，公式為雷擊率=S2/(S1+S2)
圖6 變動上部電極位置的實驗過程及取實驗值的方法

而前蘇聯(lián)的A.A.阿柯平等人則將上部電極固定在針地各50％放電位置上,，然後再布置被保護針,，并記錄各種針物相對尺寸和位置的雷擊次數(shù)，如圖7所示,，取雷擊被保護物的雷擊次數(shù)與雷擊二針的總次數(shù)相比為雷擊率,。


圖7 固定上部電極法實驗布置示意圖
注：雷擊率=擊中被保護針次數(shù)標/擊中二針次數(shù)之和，計算中不計對地放電次數(shù)
取一定的雷擊率(例如1％)整理實驗結(jié)果,，則可以繪出避雷針的保護范圍,，見圖8。


注：圖中曲線1和2是美國C.F.瓦格顳爾等人的實驗曲線,，曲線1的雷擊率為1%，曲線2的雷擊率為0.1%,，曲線3和4是蘇聯(lián)A.A.阿柯平均數(shù)實驗曲線,，曲線3 是避雷針高為30m的保護范圍，曲線4是避雷針高為60m時的保護范圍,。折線5系我國電力系統(tǒng)防雷規(guī)范DL/T 620-1997規(guī)定的避雷針保護范圍,。
圖8 單支避雷針的保護范圍(類比實驗曲線)
這些實驗結(jié)果都是相對的，由於影響雷電放電的因素很多,，不同學者的實驗方法不同,，統(tǒng)計方法、類比雷云電極,、電壓波形,、放電針的位置等等都不一樣，實驗室模擬實驗的結(jié)果不能與自然雷電完全一致，所以除類比實驗以外還需要與雷擊事故統(tǒng)計資料進行比較,，加以校正和證實,。我國電力系統(tǒng)大量避雷針(4萬針年)和多年(4千所年)運行經(jīng)驗表明，折線形的避雷針保護范圍的規(guī)定是可*的,，其繞擊率為0.5％,，筆者在北京收集自1954年以來的建筑物雷擊事故，雷擊點均在折線保護范圍以外,，有兩次事故發(fā)生在折線法的邊緣處,。折線法避雷針保護范圍的規(guī)定符合LPM理論和構筑物的防雷的需要。所以仍被電力系統(tǒng)的防雷規(guī)范所采用,。高度30m以下的避雷針按滾球法計算的保護范圍與按折線法汁算的結(jié)果是相同或相近的,，高度30m以上的避雷針按滾球法汁算的保護范圍與按折線法計算的結(jié)果比較，則滾球法偏於保守,，其計算的保護范圍偏小,。

圖9消雷器的雷擊模擬試驗布置圖[9]
1-雷雨云板(3.4×2.4m2)，H=1m,；2-先導頭(10-25cm),；3-消雷器模型(高h)
2. 消雷器的模擬實驗[5、9]
圖9為半導體消雷器保護范圍的模擬試驗布置圖,，此試驗模擬比取1/500,，消雷器高度取50m，雷雨云定位高度為500m,，試驗采用直流電壓,，云板為負極性，云板下方的接地鋁板上鋪一層白紙來記錄雷擊點,。

試驗是在上電極先導尖對地放電次數(shù)與對消雷器模型放電次數(shù)基本相等的條件下進行的,。即圖9中先導尖的設置預先就取定在對消雷器模型和地面的放電次數(shù)各約一半的位置上。單支消雷器雷擊模擬試驗的條什：模擬塔高h=10cm,，放電總次數(shù)為161次,，其中對地放電83次，對模型塔放電78次,，試驗結(jié)果見圖10,。


圖10 消雷器試驗擊地次數(shù)的分布圖[5]
注：本圖是按文(9)的試驗整理資料(直接按點分布求得消雷器繞擊率)反推，所還原出該試驗擊地次數(shù)的分布圖

請讀者將圖10與圖2,、圖3比較,，可知這個試驗乃是避雷針的引雷空域的實驗，圖10中的對地放電次數(shù)乃是對地散擊的次數(shù),。文(9)把它誤認為是繞擊,，這是不對的,。因為試驗中并無被保護物(針)的模型，他們處理試驗的概念有錯誤,，計算方法也不合理,。對地放電點的分布呈現(xiàn)一定的散度是大氣放電的一種特性，怎麼能按其計算繞擊率呢,？在圖10擊在50cm處,，文(9)給出的“繞擊率”為0.66%，把對地散擊當作“繞擊”,，從而錯誤地提出“消雷器具有5倍于塔高(約80°)的保護范圍”,。

由前面我們講述的避雷針保護原理和實驗可以看出，避雷針(包括消雷器)的引雷空域和保護范圍是兩個不同的概念,，前者是閃電弧道可能分布的空間,，它在高空；後者是避雷針能有效地遮罩被保護物免於遭受雷擊的空間,，它是避雷針四周一定高度和半徑內(nèi)的低空,；它們的空間位置不同，大小不同,，作用不同,，因此是不能混淆的。

3. 雙支避雷針的模擬實驗[6,、7]
雙支避雷針的類比實驗資料很少,，但是很重要，因為它決定著多支避雷針的保護范圍的制定,。圖11是雙支避雷針模擬實驗得到的幾種不同的試驗曲線,。


圖11 幾種雙支避雷針模擬雷擊實驗結(jié)果[6]

注：曲線1是蘇聯(lián)科學院動辦研究所推薦的、高60m以下的保護范圍關系曲線,；
曲線2和2是美國C.F.瓦格聶爾等人的實驗曲線,，曲線2保護范圍內(nèi)雷擊率為0.1%，曲線2保護范圍內(nèi)雷擊率為1%,；
曲線3是蘇聯(lián)A.A.阿柯平的實驗曲線,；
曲線4是蘇聯(lián)1951年過電壓保護導則的規(guī)定，也是我國電力系統(tǒng)防雷規(guī)范的依據(jù),。
圖11中的第4條曲線是最保守的曲線,，它就是我國電力系統(tǒng)防雷規(guī)范的依據(jù),。按此模型實驗表明，避雷針具有某種“100%雷擊區(qū)”(圖12a),，在該范圍內(nèi)雷電先導總是向避雷針發(fā)展,。在雷電定向高度上,，此范圍的半徑rx約等於3.5ha，此處ha為避雷針的有效高度,。


圖12 避雷針的100%雷擊區(qū)[7]

如果在距離s=7ha處安裝第二支等高的避雷針,，則兩支避雷針的100%雷擊區(qū)在H高度相切。如此,，兩支避雷針的保護范圍將擴大許多,。距離s=7ha乃是兩個100%雷擊區(qū)尚可在H高度相切的極限條件。為了消除從位於Y-Y軸上距X-X軸有某些距離的條點發(fā)生雷擊放電的可能性,，必須將兩支避雷針移近,，如圖12，b所示,。據(jù)此可以實驗確定兩支避雷針間的保護范圍，這范圍的輪廓見圖13,，其計算曲線和公式見我國電力系統(tǒng)防雷規(guī)范DL/T 620-1997規(guī)定的避雷針保護范圍[10],。

圖13 等高雙支避雷針的保護范圍[7]該規(guī)范規(guī)定,，兩支避雷針間的距離與針高之比s/h不宜大於5，這就保證了圖11曲線4不會超出合理的實驗數(shù)值范圍,。

我國《建筑物防雷設計規(guī)范》GB 50057-94(以下簡稱《規(guī)范》)規(guī)定的雙支等高避雷針的保護范圍是按純幾何模型推算出來的(即它的滾球半徑要與雙針的頂部相切；而球的突出部分要深切雙針的中部),。它完全沒有考慮兩支避雷針互相遮罩的效應,，它是過於保守的。當針高30m時其s/h之值小於3.46,，當針高60m時其s/h之值小於2。按滾球法計算的雙針和多針的保護范圍將是很小的,。IEC建筑物防雷規(guī)范中沒有雙針和多針保護范圍的計算方法,，只有沿建筑物表面滾球的規(guī)定。這個問題暴露在我國《規(guī)范》第3.5.5條,，為了糾正滾球法得出的保護范圍過小的問題,，我國《規(guī)范》第3.5.5條竟將一類防雷建筑物用的滾球半徑放大到100m！這是很不合理的,。

三,、對各種避雷針保護范圍的評論

1. 應用避雷針保護范圍要注重物理概念的明了，不要把規(guī)范中的計算方法絕對化,。

避雷針能否截擊閃電,，關建在於針與物的電場強度的對比度和閃電襲來的方位,。筆者在書[8]中比較詳細地介紹了R.H.哥路德關於閃電發(fā)展過程的描述，以及避雷針接閃作用與雷電流幅值的關系,。自然界雷電流的幅值是統(tǒng)計性的，所以避雷針的保護作用也是統(tǒng)計性的,。也就是說,，避雷針的保護作用在大多數(shù)強雷擊時是有效的，但在弱雷擊時可能失效,。這種保護失敗的現(xiàn)象稱為繞擊,，哥路德推出避雷針的高度和其保護效果的關系如圖14所示。


圖14 避雷針高度及其保護效果[8]
圖14中的橫坐標是避雷針地面上的保護半徑r與避雷針高度h的比值,縱坐標是避雷針的保護率,即避雷針的落雷幾率,，圖中曲線顯示避雷針的保護范圍不是與其高度成正比例增大的,，長針的保護范圍比短針的保護范圍相對地要縮小，或者說長針的保護率比短針的保護率要求小,。

不論是理論的還是實驗的避雷針保護范圍的模擬研究成果都是局限性的,，它們都是統(tǒng)計意義上的結(jié)果，而不是絕對準確的論斷,。人們還不知道30-60m長間隙空氣放電的擊穿電壓值,，用3-10m間隙模擬實驗得出的結(jié)果外推所得到的論斷是否合理？我們必須認識這些理論的局限性和不確定性,。避雷針保護范圍不是絕對的,、精確的規(guī)定。有人把有關公式做成電腦軟體,，這對設計師來說