浅议接闪杆在设计中的应用

严明

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

近年来随着社会的进步和经济的飞速发展，人类对高层建筑和超高层建筑不断进行挑战，一大批占地更广、尺寸更高的建筑应运而生。在实际的设计和应用过程中人们对雷电的防护更加重视，同时也积累了大量对雷电防护的经验。接闪杆作为接闪器的一个重要部分，其在雷电防护过程中起着举足轻重的作用。

1 接闪杆的原理及分类

1.1 接闪杆的原理

雷电流的正负极中大约存在10%的正极性和90%的负极性，所以负极性的雷电流占有很大比例。雷电流每一次对接闪杆的雷击都可以分为三个阶段，先导放电阶段，主导放电阶段，余辉放电阶段。

1）先导放电阶段：先导放电的电流很小，一般只有100A左右，持续时间大约在0.005～0.01s，时间也很短。先导放电主要是由雷云中相互的摩擦碰撞产生大量的电荷，由于静电感应的作用，在接闪杆顶端会感应出与雷云中极性相反的电荷。这样雷云与接闪杆之间就形成了已充电的间隙电容。由于雷云所带电荷为不均匀分布，当雷云中某电荷密集区的电场强度达到空气被击穿的限值时空气被击穿，与接闪杆之间形成一段微弱的导电通道，形成了最初的先导放电阶段。

2）主导放电阶段：主导放电电流巨大，大部分雷电流峰值可达到数十千安到数百千安，放电时间约为50～100μs。在主导放电阶段雷电流与接闪杆之间所聚集的大量电荷，会通过先导放电的路径进行猛烈的电荷中和，过程中会产生巨大的光和热，会使周围空气迅速膨胀。如果接闪杆没有良好的引流装置把雷电流泄放到大地中，会发生雷击事故。2010年4月13日凌晨在上海东方明珠电视塔塔顶发生的火灾事故，就是由于塔顶的接闪杆采用的“半导体少长针避雷针”，据事后调查此接闪杆约15a没有进行检维修，导致接闪杆未能对雷电流进行及时的泄放而产生的事故。

3）余辉放电阶段：余辉放电灯电流仅为几百安，持续时间可维持在0.03～0.05s。在主放电结束后雷云中的剩余电荷沿主放电路径继续下移，让此通道持续维持一定的残余电荷。

1.2 接闪杆的分类

1）直接雷接闪杆：由一根直立的钢管组成，不带任何附件，上细下粗，可满足结构承载力的要求。主要适用于广播电视塔，加油站，建筑大楼，通许基站等场所。

2）特殊优化接闪杆：其主体为一根上细下粗的直立钢管，在接闪杆中间靠下部位设置几个横向的放侧击雷的引流叶片装置。主要适用于军事基地，银行大楼，天文气象台等重要场所。

3）预放电式接闪杆：此种接闪杆构造较为特殊，在接闪杆外壳与中心接地杆之间人为构造3mm的间隙，当遭受雷击中接闪杆外壳时，外壳与中心接地杆之间可构成耦合电容，同时外壳通过一个电感线圈接地（即经中心接地杆），当先导电流靠近接闪杆时，由于雷电流频率很高，电感线圈成开路状态，而耦合电容对高频电流成短路特性，因此在耦合电容的作用下，接闪杆表面的电场强度迅速增大，直至触发电流雪崩效应，可达到迅速将雷电流泄放至大地中的目的。

2 接闪杆在设计中的应用

2.1 年预计雷击次数的计算

年预计雷击次数N，是表征建筑物可能遭受雷击的一个频率参数，通过其数值的大小可定性建筑物的防雷类别。

年预计雷击次数:N=k×Ng×Ae

年平均密度：Ng=0.1×Td

等效面积:当(H＜100m)

当(H≥100m)Ae=[L×W+2×(L+W)×πH2]×10-6

L、W、H分别为建筑物的长、宽、高；Td为年平均雷暴日。

2.2 建构筑物的防雷分类及用接闪杆设防设计

根据建筑物的重要性、使用性质及发生雷击事故的可能性和事故后果，按防雷要求分为三类防雷。1）第一类防雷建筑物，应装设独立接闪杆或架空接闪线或网，架空接闪网的网格尺寸不应大于6m×4m或5m×5m。2）第二类防雷建筑物，外部防雷的措施，宜采用装设在建筑物上的接闪网、接闪带或接闪杆，也可采用由接闪网、接闪带或接闪杆混合组成的接闪器。接闪网、接闪带应沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设，并应在整个屋面组成不大于12m×8m或10m×10m网格。3）第三类防雷建筑物，外部防雷的措施宜采用装设在建筑物上的接闪网、接闪带或接闪杆，也可采用由接闪网、接闪带和接闪杆混合组成的接闪器。接闪网、接闪带应沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设，并应在整个屋面组成不大于24m×16m或20m×20m网格。

2.3 接闪杆的材质和规格尺寸

接闪杆采用热镀锌圆钢或钢管制成时，其直径应符合下列规定：1）接闪杆长＜1m时，圆钢≥12mm，钢管≥20mm；2）接闪杆长1～2m时，圆钢≥16mm，钢管≥25mm；3）独立烟囱顶上的杆，圆钢≥20mm，钢管≥40mm。

接闪杆的接闪端宜做成半球状，其最小弯曲半径宜为4.8mm，最大宜为12.7mm。

2.4 接闪杆的保护原理

接闪杆保护范围的计算主要有滚球法和折线法两种。根据接闪杆的数量又可分为单支接闪杆的保护范围、两支等高接闪杆的保护范围、两支等高接闪杆的保护范围和多支接闪杆的保护范围等。本文主要介绍单支接闪杆的保护范围的滚球法和折线法的计算。

1）滚球法：接闪杆在hx高度的xx`平面上保护半径rx和地面上的保护半径r0。

hr为滚球半径。hx为被保护体的高度。h为接闪杆高。

2）折线法：a接闪杆在地面上的保护半径r0=1.5hP；b接闪杆在hx平面上的保护半径rx；当hx≥0.5h时,保护半径rx=（h-hx)×P；当hx＜0.5h时,保护半径rx=（1.5h-2hx)×P

式中h为接闪杆高。P为高度影响系数。hx为被保护体的高度。

2.5 发电厂、变电站独立接闪杆的设计要求

2.5.1 避雷针与易燃油贮罐和氢气天然气罐体及其呼吸阀之间的空气中距离，避雷针及其接地装置与罐体、罐体的接地装置和地下管道的地中距离应符合规范要求。避雷针与呼吸阀的水平距离不应＜3m，避雷针尖高出呼吸阀不应＜3m。

2.5.2 独立避雷针的接地装置应符合下列要求：①独立避雷针宜设独立的接地装置；②在非高土壤电阻率地区，接地电阻不宜超过10Ω；③该接地装置可与主接地网连接，避雷针与主接地网的地下连接点至35kV及以下设备与主接地网的地下连接点之间，沿接地极的长度不得小于15m；④独立避雷针不应设在人经常通行的地方，避雷针及其接地装置与道路或出入口的距离不宜＜3m，否则应采取均压措施或铺设砾石或沥青地面。

3 接闪杆的固定安装

接闪杆的安装位置可利用现有建筑物、灯塔等高耸物体，在其顶端固定安装。如在建筑物女儿墙上固定安装时，在女儿墙上预埋钢板，由接闪短杆与预埋钢板进行焊接；如在建筑物的山墙上或侧墙上进行安装时，需在墙体或结构柱体一次浇筑时进行钢结构件的预埋，接闪杆可与其进行螺栓连接或焊接；接闪杆还可以在地面上做基础，不借助高耸建筑，单独树立一根接闪杆进行防雷保护。无论采用哪种安装方式，接闪杆都要与主接地网可靠连接，保证接闪杆、引下线、主接地网之间有持久连续的电气通路。

总之，接闪杆这样一件防雷装置的发明，虽然已经问世260余年，经过几代人的研究不断完善，由起初的一根风筝线，发展到如今的钢管式独立接闪杆，再到预放电式接闪杆，凝聚了科学研究人员的智慧与辛勤。目前人类对雷电的认识并非十分全面，仍然有许多雷电现象无法用现有的科学进行解释。同时人类对未知的探索从未停止过，深信在不久的将来通过科学的研究，系统的试验，人们对雷电会有更清楚更全面的认知。同样人们也会更好的对其进行防护，甚至可以合理的利用雷电。