传统避雷针的改进

传统避雷针的改进


作者: 佚名 发布时间: 2004-6-10



传统避雷针的改进

刘欣生

自Franklin发明避雷针以来，它的形状一直是尖的，并一直沿用到现在。但迄今尚没有大家一致接受的形状结构标准。避雷针的安装减少了建筑物被雷电的破坏，但它邻近的物体有时会遭到雷击。众所周知，避雷针实际是引雷针，但在什么样的条件下，下行雷电先导能被吸引到避雷针上进而产生回击，尚缺乏量化的研究。最近美国学者从理论分析计算、尖端放电过程的实验室测量研究以及不同形状避雷针的现场测量和运行结果比较等各方面全面系统地研究了这一问题，得出结论认为顶端钝的避雷针要优于传统上一直沿用的尖的避雷针，并进而提出了避雷针结构形状的具体设计。
　　在当顶云携带负极性电荷的情况下，空气中存在的自由电子，会被地面接地尖端的强电场吸引向尖端加速运动，因碰撞中性分子释放更多自由电子，从而产生雪崩现象，并在其后留下一个正离子形成的电荷柱。当环境电场足够强时，雪崩持续发生，其后的正离子电荷柱（即正先导）可以在环境电场的作用下持续向上传播，并和下行负先导连接而形成回击。虽然在常压下，产生电子雪崩的电场超过6MV/m，但正先导在约440kV/m的环境电场中即可持续传播。避雷针必须在其顶端一定距离范围内产生这种电场才能吸引下行雷；另外下行先导接近避雷针时，它所产生的电场增强率必须使正离子柱的累积伸展超过它因在电场作用下的迁移而被清除的速率。而头部钝的避雷针要比尖的更能满足这些条件。
　　将避雷针等效为接地的垂直细长半椭球体，可以计算其顶端电场增强因子随距离的变化。结果表明，形状尖的顶端（其曲率半径远小于椭球体半长轴高度），其电场随离开顶端的距离迅速减小。当距离等于一个曲率半径时，电场减弱为顶端的1/3。而钝的顶端，电场随距离的减弱要小得多。当距离超过6mm时，10mm半径的椭球体顶端附近的电场增强要远大于0.1mm半径的椭球体。计算还表明，曲率半径小于0.5mm的椭球体，在距离顶端超过0.25mm时，电场将小到不可能产生电子雪崩的程度。计算也表明，当下行负先导逼近时，在钝的椭球体顶端因电子雪崩的产生而形成的累积正电荷柱，其正离子因迁移和相互排斥而被清除（因而使正先导不能向上持续传播）的时间要远大于尖的椭球体。
　　根据以上分析，还进行了不同尖端形状避雷针的野外现场实验。实验用的尖避雷针由防雷公司提供，长305mm直径12.7mm，上部被加工成逐渐变细的尖端，头部成45°角，曲率半径约0.1mm。钝的避雷针为高305mm、直径9.5到51mm的圆金属棒，顶端加工成半球形并抛光。所有避雷针都装在高6.1m、直径44mm的金属圆管上，并良好接地（接地导线串有2A保险丝）。在传统Franklin避雷针和所谓流光早期发射型ESE(early-streamer-emitting)避雷针（据称有大得多的保护范围）附近（5-20m）都装有顶端钝的避雷针。在1994-2000连续7年的野外现场实验中，有12次雷电击中钝的避雷针，其直径在12.7-25.4mm之间，大多为19mm。但没有一次击中传统Franklin型避雷针及ESE型避雷针。
　　根据以上分析和野外实验结果，研究者建议采用高度与顶端曲率半径之比为680/1的钝型避雷针（其头部电场增强230倍），认为它更能吸引下行雷电，从而起到保护作用。

　

中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 刘欣生