避免“引雷入室”防雷工程科学严谨非常重要

2020-12-25 10:15:42

避雷针其实是引雷针,所以防雷工程需要经过严谨的科学计算,稍有不慎可能反而“引雷入室”。选择正规防雷厂商非常重要。

避雷针,又名防雷针,是用来保护建筑物、高大树木等避免雷击的装置。在被保护物顶端安装一根接闪器,用符合规格导线与埋在地下的泄流地网连接起来。避雷针规格必须符合GB标准,每一个防雷类别需要的避雷针高度规格都不一样。当雷云放电接近地面时它使地面电场发生畸变。在避雷针的顶端,形成局部电场集中的空间,以影响雷电先导放电的发展方向,引导雷电向避雷针放电,再通过接地引下线和接地装置将雷电流引入大地,从而使被保护物体免遭雷击。

典故炙毂子

唐代《炙毂子》一书在记载了这样一件事:汉朝时柏梁殿遭到火灾,一位巫师建议,将一块鱼尾形状的铜瓦放在层顶上,就可以防止雷电所引起的天火。屋顶上所设置的鱼尾开头的瓦饰,实际上兼作避雷之用,可认为是现代避雷针的雏形。而早在以前,中国已经有了避雷针,一般以龙头为装饰,龙嘴里有避雷针头。

中国新事

法国旅行家卡勃里欧别·戴马甘兰1688年所著的《中国新事》一书中记有:中国屋脊两头,都有一个仰起的龙头,龙口吐出曲折的金属舌头,伸向天空,舌根连结一根细的铁丝,直通地下。这种奇妙的装置,在发生雷电的时刻就大显神通,若雷电击中了屋宇,电流就会从龙舌沿线睛行至地底,避免雷电击毁建筑物。这说明,中国古代建筑上的避雷装置,在大批量和结构上已和现代避雷针基本相似。

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发展历史

避雷针是以前的叫法,在中华人民共和国国家标准GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》中,已经放弃了这一称呼,而代之以‘接闪杆’。接闪杆与接闪带、接闪线、接闪网、用以接闪的金属屋面、金属构件等,统称为接闪器;接闪器和引下线、接地装置共同组成了建筑物或构筑物的外部防雷装置,用以避免或减少闪电击中建筑物(构筑物)上或其附近造成的物理损害和人身伤亡。

之所以将避雷针改名为接闪杆,是因为以前的名称不科学,没有反映出接闪杆的原理。避雷针刚刚出现在中国时,人们以为它可以避免房屋遭受雷击,所以称其为避雷针。但事实上,避雷针保护建筑物的方式并不是避免房屋遭受雷击,而是引雷上身,然后通过其引下线和接地装置,将雷电流引入地下,从而起到保护建筑物的作用。正因为这个原因,也有人建议将避雷针改名为引雷针,但总的来说,还是接闪杆这个名称最为贴切。

安装

建筑物如果安装了接闪器但是没有接地或者接地效果不好的话,在接闪时反倒会对建筑物或其中的人员造成更大的损害,相比没有安装接闪器的建筑物反倒更加不安全。2007年发生在重庆开县的雷击事故,就是因为该教室屋顶是由钢筋水泥板构成,其中的钢筋没有良好接地,在打雷时发生接闪,无处泄放,从而通过教室的屋顶和墙壁对室内人员进行放电,造成教室里的小学生七人死亡数十人受伤的惨烈事故。

根据GB50057《建筑物防雷设计规范》中章节5‘ 防雷装置’的要求,接闪器可以用铜、镀锡铜、铝、铝合金、热浸镀锌钢、不锈钢、外表面镀铜的钢等各种材料制成,只要满足其最小截面和厚度的要求即可。也就是说,只要不是那么容易锈蚀,不至于因风吹雨打而轻易损坏,大多数常见的金属材料都可以用来制作接闪器。以最常见的铁质接闪杆为例,GB50057要求其最小直径不能小于 8 毫米即可。

对于广大的雷电防护行业的技术人员,按照GB50057给出的方法,可以用手工的方式对一些简单的情况进行计算,但是在日常工作中,经常遇到远比规范上列出的案例复杂得多的现场情况,比如:多支不等高的且不以规则方式布置的接闪杆、不等高的接闪线、接闪杆和接闪线的联合的保护范围,对这些复杂情况的计算,以手工方式是根本无法进行的,GB50057也没有给出具体的计算方法。这个问题是雷电防护行业中一个经常会遇到的技术难题。

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发明富兰克林

现代避雷针是美国科学家富兰克林发明的。富兰克林认为闪电是一种放电现象。为了证明这一点,他在1752年7月的一个雷雨天,冒着被雷击的危险,将一个系着长长金属导线的风筝放飞进雷雨云中,在金属线末端拴了一串银钥匙。当雷电发生时,富兰克林手接近钥匙,钥匙上迸出一串电火花。手上还有麻木感。幸亏这次传下来的闪电比较弱,富兰克林没有受伤。注意:这个试验是很危险的,千万不要擅自尝试。1753年,俄国著名电学家利赫曼为了验证富兰克林的实验,不幸被雷电击死,这是做雷电实验的第一个牺牲者。

在成功地进行了捕捉雷电的风筝实验之后,富兰克林在研究闪电与人工摩擦产生的电的一致性时,他就从两者的类比中作出过这样的推测:既然人工产生的电能被尖端吸收,那么闪电也能被尖端吸收。他由此设计了风筝实验,而风筝实验的成功反过来又证实了他的推测。他由此设想,若能在高物上安置一种尖端装置,就有可能把雷电引入地下。富兰克林把这种避雷装置:把一根数米长的细铁棒固定在高大建筑物的顶端,在铁棒与建筑物之间用绝缘体隔开。然后用一根导线与铁棒底端连接。再将导线引入地下。富兰克林把这种避雷装置称为避雷针。经过试用,果然能起避雷的作用。避雷针的发明是早期电学研究中的第一个有重大应用价值的技术成果。

北美传播

而避雷针在最初发明与推广应用时,教会曾把它视为不祥之物,说是装上了富兰克林的这种东西,不但不能避雷,反而会引起上帝的震怒而遭到雷击,但是,在费城等地,拒绝安置避雷针的一些高大教堂在大雷雨中相继遭受雷击。而比教堂更高的建筑物由于已装上避雷针,在大雷雨中却安然无恙。由于避雷针已在费城等地初显神威,它立即传到北美各地,随后又传入欧洲后来才进入亚洲。

传入法国

避雷针传入法国后,法国皇家科学院院长诺雷等人开始反对使用避雷针,后来又认为圆头避雷针比富兰克林的尖头避雷针好。但法国人仍然选用富兰克林的尖头避雷针。据说当时的法国人把富兰克林看作是苏格拉底的化身。富兰克林成了人们崇拜的偶像。他的肖像被人们珍藏在枕头下面,而仿照避雷针式样的尖顶帽成了1778年巴黎最摩登的帽子。

传入英国

避雷针传入英国后,英国人也曾广泛采用了富兰克林的尖头避雷针。但美国独立战争爆发后,富兰克林的尖头避雷针在英国人眼中似乎成了将要诞生的美国的象征。据说英国当时的国王乔治二世出于反对美国革命的盛怒,曾下令把英国全部后家建筑物上的避雷针的尖头统统换成圆头,以示与作为美国象征的尖头避雷针势不两立,这真是避雷针应用史上一件有趣的事情。

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原理

在雷雨天气,高楼上空出现带电云层时,避雷针和高楼顶部都被感应上大量电荷,由于避雷针针头是尖的,所以静电感应时,导体尖端总是聚集了最多的电荷。这样,避雷针就聚集了大部分电荷。避雷针又与这些带电云层形成了一个电容器,由于它较尖,即这个电容器的两极板正对面积很小,电容也就很小,也就是说它所能容纳的电荷很少。而它又聚集了大部分电荷,所以,当云层上电荷较多时,避雷针与云层之间的空气就很容易被击穿,成为导体。这样,带电云层与避雷针形成通路,而避雷针又是接地的,避雷针就可以把云层上的电荷导入大地,使其不对高层建筑构成危险,保证了它的安全。

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。

人们将建筑物外围所有钢筋全部焊接成笼状,利用建筑物的外围钢筋结构,作为雷电的引下线,建筑物钢筋在地基处通过接地网与大地可靠连接,雷电通过避雷针(避雷带、避雷网)引入,通过建筑外围钢筋入地,从而有效保护建筑物内部,效果比单独雷电引下线更佳。

注意:避雷针如果没接地将是个迎雷针 ,所以必须谨慎。

补充:建筑物是否遭雷击有很多因素,避雷针只是其中一种。很多古代的建筑物建筑在山顶上,没有遭受雷击,反而是附近的山谷中容易雷击,这就是因为土壤电阻率不同。山上砂石多,土壤电阻率大;山谷中多有河流,土壤中水分大,土壤电阻率小。

作用:常规防雷电可分为防直击雷电、防感应雷电和综合性防雷电。防直击雷电的避雷装置一般由三部分组成,即接闪器、引下线和接地体;接闪器又分为避雷针、避雷线、避雷带、避雷网。以避雷针作为接闪器的防雷电原理是:避雷针通过导线接入地下,与地面形成等电位差,利用自身的高度,使电场强度增加到极限值的雷电云电场发生畸变,开始电离并下行先导放电;避雷针在强电场作用下产生尖端放电,形成向上先导放电;两者会合形成雷电通路,随之泻入大地,达到避雷效果。实际上,避雷针是引雷针,可将周围的雷电引来并提前放电,将雷电电流通过自身的接地导体传向地面,避免保护对象直接遭雷击。

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选购

1、合理选用避雷针保护范围的计算方法 

2、用了提前放电避雷针就能万无一失吗?

事实上没有避雷设备是万无一失的,在保护范围内并不是没有雷击,只是雷击能量较小。从经济观点出发,要达到万无一失也将十分浪费,因此《建筑物防雷设计规范》及其它设计规范和标准均已“减少”雷击为要求。所以按照国家和国际标准进行设计的防雷装置,其防雷安全度也并不是100%。除了直击雷,高层建筑还可能受到侧击雷和感应雷的影响。

提前放电避雷针的优点主要有两个,一是它可以“提前放电”,比普通避雷针具有更好的引雷性能。二是将它的提前放电时间换算成提前放电距离后,相当于增加了避雷针的高度,从而可以增大保护半径。但是对于侧击雷和感应雷依旧是没有办法防护的。

3、保证避雷针的泄流能力很重要

各种防雷规范均要求避雷针拥有独立的下引接地,如此能可保证闪电电流迅速泄入大地。采购时绝对不可听信一些不正规厂家的建议,把避雷针接入建筑本身的接地系统来节约成本。

4、选择正规防雷厂商非常重要

避雷针其实是引雷针,所以防雷工程需要经过严谨的科学计算,稍有不慎可能反而“引雷入室”。所以选择避雷针供应商时需要查看其是否具有防雷工程专业设计资质和防雷工程专业施工资质。国内避雷针市场鱼龙混杂,一些代理国外品牌的经销商大肆宣传自己的产品符合国外先进标准,其中真假难辨,建议采购时按照国标和IEC的标准来考察产品。

组成

避雷针由接闪器、接地引下线和接地体 3部分组成。接闪器通常采用直径为 15~20mm、长度为1~2m的圆钢或钢管,固定于支柱上端经接地引下线与接地体连接。

当雷云对地放电通道发展到临近地面时,由于避雷针尖端突出地面并有良好接地,在针尖附近的电场强度提高,聚积相反极性的电荷,引导放电。进而防止建筑物或仪器蓄积过多电荷而遭受雷击。一般来讲,雷电并不会直接击中避雷针,而避雷针本身如果被闪电击中也有着融化及爆炸的危险。 避雷针具有一定的保护作用。保护范围的计算方法是由运行经验和实验室模型试验结果确定的。工程设计中常用的方法是认为保护半径是避雷针高度的函数。据中国的规范规定,单支避雷针的保护范围是一个锥体。

60年代以来,又提出了计算避雷针保护范围的击距法,认为保护范围还受雷电流大小的影响。但迄今为止,还没有一种为各国科学家和工程师公认的、计算保护范围的完善方法。

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记载

据《后汉书》记载,一次当时的重要宫殿未央宫和柏梁台遭雷电袭击发生火灾不久,就有一位名叫勇之的方士向汉武帝建议,在宫殿的屋脊上安装“鸱鱼”来防止灾难。此后两千年来,我国古建筑的屋脊上大多安装这一类金属瓦饰,有的是龙,有的是飞鱼和雄鸡,它们虽然形状各异,却都有尖状物指向天空,尽管没有引导线与地面连接,但大雨淋湿的屋檐和墙壁自然起到了连接地面的作用。由于这类瓦饰高于建筑物之上,即使是猛烈地落地雷,也通常只是击毁瓦饰而保留建筑物主体。

设计

由于避雷针根据保护范围的要求,需要一定的安装高度,后来在此基础上就有了避雷针塔,也就是塔式避雷针(避雷塔)。避雷针塔的保护范围还要按照滚球法来计算保护半径和保护范围。