各种"避雷针"的结构及其防雷性能分析
1 避雷针的引雷性能
避雷针的防雷作用是它能把闪电从保护物上方引向自己并安全地通过自己泄入大地，因此，其引雷性能和泄流性能是至关重要的。避雷针的引雷性能已有实验和理论分析如下：一个竖立在平地的避雷针其引雷空域如图1所示［1］。其中简化包络线是一条抛物线，此线即为在正、负雷雨云下该避雷针的50％击针击地平均分界线。图中小圈为空中各点实验放电统计数据，表示模拟实验下行先导的针尖位置，黑圈表示百分之百击针，白圈表示百分之百击地，黑白各半表示50％击针及击地。
雷击避雷针和地的放电强度与雷电极的极性有关：当雷的极性为正时，雷对避雷针的放电强度高于雷对地；当雷的极性为负时，雷对避雷针的放电强度略低于雷对地。所以在同样电压下雷电极对针的放电距离R与雷电极对地的放电距离H是不同的。根据长间隙放电的实验数据大致有：
雷电极为负、地为正时，k＝R／H＝1．1；雷电极为正、地为负时，k＝R／H＝0．8～0．9，
图2为雷击针地分界面的理论分析图，据此可以求出雷击避雷针和地的理论分界线。图中L为避雷针尖，其高度为h，P为雷电极头部，其对地高度为H，E为雷电极正下方的投影点，L、P之间的距离为R。当P点维持k等于某一常数在图面上运动时，其运动轨迹就是雷击避雷针和地的理论分界线。分界线以y轴为中心旋转就是立体的分界面。分界面内为雷击避雷针的空域，分界面以外为雷击大地的空域，分界面附近引下的雷击地面为散击区。
分界线有3种：k＝0．9情况下其分界线为一椭圆；k＝1．1情况下其分界线为一双曲线；k＝1情况下其分界线为一抛物线，后者为一般分析避雷针接闪性能的理论基础，它是正负雷击情况的平均数。图2的分析结果与图1的实验结果是相一致的。
结合避雷针的引雷空域再分析避雷针的保护范围问题，取k＝1的情况可得避雷针的保护作用，见图3。
图3中O1 L为避雷针，K为其高度的中点；MO2为被保护物，N为其高度的中点。假设雷击距离为hr，雷电先导端头位于P，PK（实线）为避雷针的引雷分界线，PN（虚线）为被保护物的引雷分界线，它的上部空域都在避雷针的引雷分界线以内。因此，距地面高度大于hr的雷击将被引向避雷针，被保护物MO2将免于雷击，这种现象称为截击效应；但当雷电先导从低于hr的右侧袭来时，避雷针将起不到保护作用，这称为对被保护物的侧击。所以以P点为圆心，以hr为半径作圆，此圆从避雷针顶点L经M地面O3点，它以下的部分就是雷击距离为hr时避雷针的保护范围。这一分析结果与按电气几何理论（EGM）滚球法推出的结果是一致的。
EGM理论认为，雷电先导首先进入哪一物体的雷击距离就对那一物体放电，雷击距离是雷电流的函数［2］：hr＝10I0．65 （1）
式中 hr为雷击距离，m；I为雷电流幅值，kA。美国R．H．Lee建议以10 kA作为一般建筑物的临界电流Ic，小于这个雷电流幅值时不会造成雷击事故，其对应的临界雷击半径hrc为45 m。这一观点把被保护物的耐雷水平与避雷针的保护率联系起来。我国防雷标准GB50057－94《建筑物防雷设计规范》规定三类防雷建筑物的避雷针保护范围按hrc为60 m画定。运行经验表明这一规定符合我国通用建筑物的防雷要求。
近年来一些学者对EGM理论又做了修正，称为先导传播模型理论（LPM）。该理论认为确定雷击点除了考虑雷击距离外尚需考虑迎面先导和下行先导的相对运动。一定几何形状和高度的地物能否被一定雷电流幅值的雷电击中，可用吸引半径Ra来表述。Ra不仅是雷电流的函数，也是地物高度的函数，并和地物的几何形状有关。因为不同形状和高度的地物，在同一雷电流的下行先导作用下感应的电场强度不同。
Ra（I，h）＝2．83I0．63h0．40 （2）
式中 Ra为吸引半径，m；I为雷电流幅值，kA；h为针状物高度，m。
分析结果指出：当临界半径hrc大于避雷针高度h时，EGM所得保护半径比LPM要小，但不显著；当临界半径hrc小于针高h时，EGM所得保护半径比LPM要小许多，某些情况下甚致小50％左右；当针高h＞hrc时，EGM认为高出临界半径的针体部分没有保护范围，而LPM理论则认为保护半径随针体高度的增加而增加。
根据对塔形建筑物吸引雷击次数随其高度增加而变化的观测以及长间隙放电棒对棒的实验结果都证明，避雷针的引雷能力随其高度的增加而增强，但增加的速度是变缓的。这对LPM的结论给予了支持，可见EGM滚球法未考虑吸引能力随高度变化是其保护范围偏小的原因。从理论角度看，滚球法是一种偏于保守、偏于严格的方法，它能对避雷针的保护区给出直观的物理图象。
考虑迎面先导和下行先导的相对运动可得出避雷针的引雷空域，见图4。图中
hr＝vzhT＋vxiaT （3）
式中 hr为雷击距离，即雷击半径，m；vzh为地物或避雷针上迎面先导的发展速度，m／s；vxia为地闪下行先导的发展速度，m／s；T为大气间隙的放电时延，s。 参考图3可得到LPM理论的一切结论。
避雷针的上部有一段可能自身遭受侧向雷击的空间，称为对针杆侧击区；高架避雷针的引雷能力强，当侧方袭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，该地面称为散击区。高耸的建筑物和高架避雷针附近地面出现散击区，远离避雷针的地方雷击率不受避雷针的影响，称为正常区。避雷针周围空间侧击区、地面的保护区、地面的散击区和正常区见图5所示。
按我国统计的雷电流幅值最大约为300 kA，其对应的雷击高度为408 m。取雷击定位高度为400m，可得出不同高度避雷针的保护区和散击区的地表半径见表1。我国旧式民房一般高度在10 m以下，避雷带和避雷网的高度与房高相同，安装的短针防雷其高度为1～2 m，它们引起的散击现象不明显；高耸建筑物和高架避雷针引雷招致雷击率增高和存在散击区。我国防雷学者历来不主张用高架避雷针保护建筑物，主张用屋顶短针和避雷带防雷就是考虑了既能发挥它的引雷作用，又避免增加散雷区。试装消雷器的运行结果表明：它不能消雷而且增大了雷击概率，所以许多部门拆除了这些消雷器。
2 避雷针的结构及其接闪性能
雷害事故统计表明，雷击点选择有一定的规律性，实验室长间隙放电可以演示这些规律。研究表明，在雷电放电和实验室长间隙放电中，雷击点选择的过程是各目的物迎面放电的竞争过程。迎面放电发展的迟早和快慢，与下行放电先导相遇的概率相关，它是确定雷击点的决定性物理参量。我们开展了建筑物雷击规律的研究，在1959年提出了民用建筑物简化防雷方式［3］，根据我国建筑物屋顶结构，其雷击规律见图6。图中（a）（b）为平屋面或坡度不大于1／10的屋面（如檐角、女儿墙、屋檐）易受雷击的部位；图（c）为坡度大于1／10且小于1／2的屋面（如屋角、屋脊、檐角、屋檐）易受雷击的部位；图（d）为坡度不小于1／2的屋面（如屋角、屋脊、檐角）易受雷击的部位。对图（c）（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。按这些屋顶雷电易击点装设短针和避雷带防雷可以达到引雷而不增加散击区的目的。40年来，这种防雷方式取得了良好的防雷效果。
华中理工大学的防雷学者对不同结构的避雷针进行了对比放电试验，试验表明各模拟因素对放电击中点的影响如下［4］：
（1）几何击距是放电击中点的决定性因素之一；
（3）接地电阻的影响：负雷电压下，接地电阻超过一定临界值后将抑制上行迎面先导发展的速度和强度，使电阻棒的引雷能力降低；当阻值小于这一临界值时，接地电阻对击中点概率无影响；随接地电阻的增大其击中率下降，当棒浮地时，放电不再击中它；随着接地电阻的增大，出现双通道的机会增大，即散击率增大。正雷电压下，接地电阻对雷击点概率的影响不明显。
试验表明，放电击中点的概率分布与上电极对各目的物的击穿电压、击穿时间和迎面放电通道的发展存在以下几个层次的关系：当对不同目的物的空间击穿电压存在差异时，空气击穿电压低者被击中的概率较大；当各击穿电压差异不明显时，击穿时间小者被击中的概率较大；当对不同目的物的击穿电压和击穿时间均无明显差异时，迎面放电发展速度快，通道电流强度大者被击中的概率较大。
3 对异型避雷针的看法
普通避雷针有针、带（线）、网3种形式，国际上统称为常规避雷针或富兰克林避雷针；其它各种避雷针均为异型避雷针，异型避雷针大致有以下几种：（1）球头避雷针
球头避雷针当其球头半径大于雷击距离下其临界电晕半径时，雷电对避雷针的放电强度高于雷对地，有k＝R／H＝0．8～0．9，其引雷分界线为一椭圆。这种球头避雷针（包括同等曲率半径的多针避雷针）的高度如与被保护目的物相等或相近，可能使目的物附近空间电场分布趋于均匀，从而减少目的物的引雷概率。但这不能认为是“排雷效应”，而是一种控制接闪点的技术行为。因为下行雷电先导仍要发展，直到对地物放电。若要可靠保护目的物并不增加相邻建筑物的雷击率，还必须在其两侧安装避雷针或避雷线，以保证雷电流的安全泻放。建筑物屋顶为平面和球面的就相当于改善局部电场结构，我们进行过大型平顶房屋的模型雷击试验，负雷击下绝大部分放电都击于四周的檐部，屋面上很少雷击；正雷击下屋面上的雷击次数也很少，但略多于负雷击的情况。
（2）限流避雷针
模拟试验表明，限流电阻可以减小主放电电流，但也减小了迎面放电的发展速度vzh，所以限流避雷针的引雷能力降低，在高电阻的条件下将有（vzh＋vxia）／（vd＋vxia）＜1的情况，其中vd为地面迎面放电的发展速度。高电阻限流避雷针的引雷空域为一椭圆（见图7的定性物理图象），其具体数值须由试验求得。所以限流避雷针的保护范围将小于常规避雷针，模拟试验表明其散击被保护物的概率增大，即雷击避雷针后仍然会向建筑物放电，发生多点雷击的现象。高阻抗限流避雷针也必须研究其保护范围的变化，有几种限流避雷针至今没有明确的原理说明，因此是不可信的。
图7中 MP＝（vzh＋vxia）T；
PE＝（vd＋vxia）T
1987年前苏联学者提出在避雷针的上部加装圆球形或圆盘形导体，并从理论和试验上证明了这种增大避雷针固有电容的办法能提高避雷针的引雷能力［5］。笔者认为，这种避雷针结构不耐风压，应改用高压电容器进行试验。试验中发现当高压电容器的保护间隙被击穿时其模拟雷电间隙的放电电压显著降低。因此结合快脉冲放电的技术基础，我们研制了高效避雷针。长间隙的直流和操作波的试验证明，在负雷击下高效避雷针的雷击距离是常规避雷针的1．3倍，在正雷击下高效避雷针与常规针的放电性能无显著差异［6］。这些试验结果尚不能冒然推广到自然雷电情况，我们有选择性地试装了这种避雷针，其实际性能还有待实际运行的验证。
由于避雷针上部有一段遭受侧击的空间，所以不能认为雷击距离大的避雷针就能高效保护屋顶上的天线和其它突出物。法国标准规定脉冲避雷针有钟罩形的保护范围，并未得到国际防雷协会的认可。他们没有考虑避雷针的引雷区域问题，在遭受侧击的引雷区域以内，避雷针的保护率不是99％，而是50％～80％或更低。有人用避雷针或脉冲避雷针保护天线，他们以为针端高出天线就可以使天线免除雷击，这种想法也是不全面的。
（4）放射避雷针
国内外的模拟试验均已证实放射避雷针的防雷性能与普通避雷针相同，它并无增大避雷针保护范围的效能。由于放射避雷针使用放射性元素，一旦放射性元素失散会造成环境污染，因此是一种被否定的技术。对各种国外避雷针应该有分析地引进和使用，不能盲目相信他们的商业宣传。有人把已为国内外否定的技术（如放射性避雷针）改头换面地拿出来冠以“高技术”推广，是应该揭露和批评的。
（1）我国防雷学者对避雷针的研究和讨论促进了我国防雷技术和理论水平的提高，EGM理论和LPM理论在我国有了新的发展。
（2）为了改善和提高避雷针的防雷性能，人们提出了各种异型避雷针。对这些异型避雷针的性能还要进行全面的研究和论证，对其防雷性能的利弊应做出系统工程的科学评价，这些工作还应认真去做，当前不宜轻易地推广和应用这些技术。参考文献
［1］ 宫本庆己．雷及避雷［M］．昭和十六年，东京；［2］ 钱冠军，王晓瑜．避雷针保护范围及其物理模型［J］．建筑电气，1997，（4）．
［3］ 马宏达．民用建筑简化防雷方式的研究［C］．高电压会议文集，1959．
［4］ 钱冠军．下行雷闪屏蔽问题的研究及其在输电线路中的应用［D］．武汉：华中理工大学，1998．
［5］ АлександровГН，КодзовГД． Оповышенииэффективностимол －ниезащиты．Элктричество，1987，（2）．
［6］ 马宏达，张适昌，楮宗兰．高效避雷针保护范围的确定［J］．电工电能新技术，1995（1）．