确定接闪针（线）保护范围常用方法分析与比较

刘得军 王 凯 李亚南 曹文浩

（北京特种工程设计研究院）

0 引言

雷云放电过程具有很大的随机性，在防雷设计中，一般采用接闪针（线）作为接闪装置，经过多年的研究与实验发现，雷云对接闪针（线）的放电具有一定的统计规律，接闪系统存在着一个具有较低绕击率的空间范围。因此，接闪装置的设计要根据被保护物的空间大小来确定接闪针（线）的保护范围。国内外比较常用的确定接闪针（线）的保护范围方法主要有以下四种：

（1）折线法；

（2）滚球法；

（3）引雷空间法；

（4）先导模型法。

上述几种方法不是为了改变避雷针的保护范围，只是随着对雷击现象的研究越来越深入、认识越来越多，对接闪针（线）的保护范围的计算与其实际的保护范围越来越接近。

1 折线法

早期关于接闪针保护范围的确定与研究，都是通过观察雷电放电的照片、在高电压实验室以一定的缩比模型进行模拟雷击放电试验为主要依据。虽然科学家自己根据观察和试验提出的保护范围不尽相同，但主流观点认为保护范围是圆锥形的。折线法又称保护角法，是最早被用来评价接闪器防雷效果的一种方法。早期很多国家的标准和部分国家的现行标准也是采用折线法。按折线法计算，接闪针的保护范围从上至下呈圆锥体状，接闪针的高度越高，其保护范围所覆盖的体积就越大。20世纪初，对接闪针的保护角进行估算是研究的主要任务。根据美国的经验，一般情况采用63°保护角、重要设施采用45°保护角；英国则认为45°的保护角只能保护一般建筑，重要设施的保护角度不应超过30°。

我国现行的电力行业标准中均使用折线法确定接闪针（线）的保护范围，将接闪针上、下分为两个半高度形成以接闪针为轴线的圆锥形状空间区域，两段固定斜率的直线段所组成的折线来确定接闪针的保护范围［1］。

折线法是一种完全经验做法，所用的经验系数固定，由实验室内模拟试验确定，在设计中，无法在这些计算步骤中引入概率统计算法，不能从雷电随机性这一固有自然特征触发来估算接闪器的实际保护范围，因此难以用量化评估的方法评价接闪器的实际保护效果。

2 滚球法

采用折线法确定保护范围的接闪系统，在现实运行中却出现了雷击入圆锥体保护区内的情形，这种现象被称为“侧击”或“绕击”。产生侧击或绕击的物理机理，直到20世纪60年代，在全世界众多雷电防护研究工作者的不懈努力下，根据积累了大量的雷电观测数据，开始渐渐摸索出雷击电流发生频度分布、雷电电荷的频度分布和雷电放电的机制，依据这些数据并结合试验，最终提出了电气几何理论（EGM），才解释了侧击发生的缘由。

EGM理论认为，当雷电先导到达接闪针或被保护建筑物的闪击距离之前，雷电的击中点是不确定的，而在到达闪击距离时，接闪针或被保护建筑物就开始产生方向迎向雷电先导的迎面先导，雷电先导与迎面先导一旦相遇，就会形成雷电的主放电，当接闪针的迎面先导比被保护建筑的迎面先导先一步遇到雷电先导时，雷电对接闪针放电，雷电流迅速泄放入地，雷电电荷减少，被保护建筑物的迎面先导消失，从而实现对建筑物的保护［2］。

雷电先导首先进入哪一物体的雷击距离，就对哪一物体放电，雷击距离是雷电流的函数，雷击距离与雷电流幅值的关系为：

式中，r为雷击距离，m；Im为雷电流幅值，kA。

而且认为雷电先导对大地、导线及针形物体的雷击距离是一致的。

在折线法基础上，利用EGM理论，Schwaiger于1935年提出用弧形边界来代替直线边界的类似保护空间，根据下行先导发展的随机性和定向性来确定建筑物上以及地面上可能出现的雷击点，这就是滚球法的基本思想。

设想一个半径为R的球体沿地面和接闪装置周围随机滚动，球体所不能够碰到的空间，即是滚球法对应一定雷电流幅值的有效的保护空间。

滚球法是当前国际上最为流行的防雷设计方法，我国设计规范和IEC标准均推荐采用此方法，滚球法示意图如下图所示。滚球法的基本思想是将雷击地面或地面物体的过程等值地描述为一个以雷击距离为半径的假想球体从天空而降，沿随机路径逼近地面或地面上物体，球体最先触及的且处于地电位的点是最可能的雷击点，若被保护物不会触及滚球，则认为受到了保护［3］。

图 滚球法示意图

滚球半径是与雷电防护水平相对应的，我国防雷设计标准中根据防雷等级不同，把建筑物的防雷等级设置为三类，可耐受雷电流最小值及对应的滚球半径见下表。

表 各防雷等级雷击雷电流参数的最小值及其对应的滚球半径

滚球法已经成为建筑防雷设计中普遍使用的方法，它是国际电工委员会（IEC）与国标GB 50057-2010中共同推荐的一种方法。但滚球法没有考虑接闪器的尖端作用和不同尖端具有不同的引雷作用，因而滚球法在某种程度上偏于保守。

3 引雷空间法

随着雷电理论的深入研究、试验技术的进步和计算机数据处理能力的提高，产生了新的防雷设计方法。1971年，匈牙利学者Horvath提出了引雷空间概念（Attractive Volume Concept）［2］。1987年，南非学者Eriksson也进行了相关研究并在电气几何模型（EGM）基础上提出了一种改进的EGM方法，这便是引雷空间的发展开端［4］。

在雷云对地放电时，下行先导自雷云向地面发展，地面物体不同点都有可能发出上行先导，主要与地面物体的几何形状、材料、边缘曲率、电场强度的大小、土壤条件等因素有关。当下行先导的头部下降到被保护物体的临界定向范围时，下行先导因受到上行先导的影响，开始定向发展。

引雷空间法的主要不足在于其边界参数的合理性和准确性难以评判，各研究者采用的参数值之间存在着颇为明显的差异。

4 先导模拟法

先导模拟法是20世纪90年代后期在国际上出现的一种接闪器保护范围计算方法。这种方法认为，下行先导在距离地面较高的位置是不容易受到地面物体影响的，因此随机发展，而当先导降低至某一位置时，先导中的电荷所引起的电场会影响被保护的物体，从而使被保护物体达到了产生先导的起始条件，这时被保护物体便会产生上行先导。上行先导与下行先导在空间电场作用下，会沿着一定的方向随机发展，如果上行先导与下行先导最终相遇从而进行放电，即可认为雷闪击中了目的物。

先导模拟法可以较为粗略反映雷击的先导机制，近似模拟雷电下行先导和起自接闪器或地面物体顶部上行先导的空间传输和对接过程。但是，该方法所必需的先导起始判据以及先导速度等参量目前尚无统一的研究结果，不同研究者提出的计算判据差别较大，一些从高压实验室中得出的临界数据与实际自然雷之间的等价性尚无从证实，且由各计算判据得出的预测结果出入较为明显，其在防雷设计中的工程实用价值还没有体现出来。

5 结束语

目前，国际与国内相关标准规范，如《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-2010）、《民用建筑电气设计标准》（GB 51348-2019）、以及IEC和美国一些相关标准，均推荐采用滚球法来确定接闪针（线）保护范围，我国《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》（GB／T 50064-2014）中对折线法确定避雷针与避雷线的保护范围也进行了详细的描述，并在条文解释中采用数据说明了采用折线法确定避雷针和避雷线的保护范围的做法也是安全可行的。而其他两种方法多在著作论述中有提及，并未见有现行发布的相关标准规范推荐使用。