3.1 避雷針

早在1749年，美國的富蘭克林就發(fā)明了避雷針，但安裝避雷針后，避雷針本身不但沒有避雷，而更容易遭受雷擊。根據(jù)此現(xiàn)象，俄國的羅蒙索夫于1753年提出“避雷針是歪變電場而引雷于自身，使其周圍物體免遭雷擊”，即避雷針本身實(shí)為引雷針。

3.1.1 避雷針的原理和結(jié)構(gòu)

雷電引起的電力系統(tǒng)過電壓是由雷云對地放電所引起的。當(dāng)雷云與大地之間場強(qiáng)大于大氣游離臨界強(qiáng)度時(shí)，就產(chǎn)生局部放電通道，由雷云邊緣向大地發(fā)展，即先導(dǎo)放電。當(dāng)雷云先導(dǎo)電流接近地面時(shí)，地面上高聳物體頂部周圍的電場達(dá)到能使空氣電離和產(chǎn)生流注的強(qiáng)度，在它們的頂部發(fā)出向上發(fā)展的迎面先導(dǎo)，而避雷針安裝在這些高聳物體的頂部，其高度高于這些物體，并且避雷針的頂部是尖端導(dǎo)體，尖端處電荷面密度大。因此避雷針頂部會(huì)先于周圍物體出現(xiàn)迎面先導(dǎo)，最容易接通下行先導(dǎo)，使下行先導(dǎo)的發(fā)展方向走向避雷針，使其僅對避雷針放電，從而使避雷針附近的物體得到保護(hù)，免遭雷擊。吸引雷電擊于自身，并使雷電流泄入大地，這就是避雷針的保護(hù)作用原理。

避雷針系統(tǒng)屬于結(jié)構(gòu)最簡單的防雷裝置，由接閃器、引下線和接地裝置構(gòu)成，如圖3-1所示。根據(jù)其作用原理，其構(gòu)成的基本思路是：利用接閃器高出被保護(hù)物的突出地位，將雷云放電通道引向自身，然后通過引下線和接地裝置將雷電流泄入大地。

3.1.1.1 接閃器

接閃器是直接承受雷擊的部分，它實(shí)質(zhì)上就是“引雷器”，以截獲通向被保護(hù)物的閃擊為任務(wù)。

避雷針是接閃器的一種，主要用來保護(hù)露天發(fā)電、變配電裝置和建筑物，一般用鍍鋅圓鋼或鋼管制成。針長1m以下者，圓鋼直徑不得小于12mm，鋼管直徑不得小于20mm；針長1～2m者，圓鋼直徑不得小于12mm，鋼管直徑不得小于25mm。

為防止腐蝕，接閃器應(yīng)鍍鋅或涂漆。在腐蝕性較強(qiáng)的場所，還應(yīng)采取加大截面積的方法或其他防腐措施。接閃器焊接處應(yīng)涂防腐漆，其截面銹蝕30%以上時(shí)應(yīng)予以更換。

3.1.1.2 引下線

引下線是連接接閃器與接地裝置的金屬導(dǎo)體，其作用是構(gòu)建雷電流向大地泄放的通道。材料選用經(jīng)過防腐處理的圓鋼或扁鋼等耐腐蝕、熱穩(wěn)定好的材料，還需滿足機(jī)械強(qiáng)度的要求，圓鋼直徑不得小于8～12mm，扁鋼截面不得小于12mm×4mm。

實(shí)踐證明，引下線可以專門敷設(shè)，也可以利用建筑物的金屬構(gòu)件。建筑物的消防梯、鋼柱等金屬構(gòu)件均可作為引下線，但其各部件之間均應(yīng)連成電氣通路。引下線在鋪設(shè)的時(shí)候應(yīng)沿支持構(gòu)架及建筑物外墻以最短路徑入地，使雷電流以最短時(shí)間導(dǎo)入大地，減小雷電流在引下線上產(chǎn)生的電壓降。在易受機(jī)械損壞和防人身接觸的地方，地面上1.7m至地面下0.3m的一段接地線應(yīng)采取暗敷或鍍鋅鋼管、改性塑料管或橡膠管的保護(hù)措施。

要經(jīng)常性檢查引下線各部分連接是否良好；檢查其上有無閃絡(luò)或燒損痕跡。引下線截面銹蝕超過30%者應(yīng)予以更換。

3.1.1.3 接地裝置

接地裝置是接地體和接地線的總和，其作用是將引下線引下的雷電流迅速泄流到大地土壤中去，是避雷針將雷電流導(dǎo)入大地的最后裝置。

1．接地體

接地體是指埋入土壤中或混凝土基礎(chǔ)上作為散流用的金屬導(dǎo)體。接地體分人工接地體和自然接地體兩種。自然接地體為兼作為接地用的直接與大地相接觸的各種金屬構(gòu)件、結(jié)構(gòu)，如建筑物的鋼結(jié)構(gòu)、行車鋼軌、埋地的金屬管道。在裝設(shè)接地裝置時(shí)，首先應(yīng)充分利用自然接地體，以節(jié)約投資。

若經(jīng)實(shí)地測量所利用的自然接地體電阻不能滿足規(guī)范要求，應(yīng)考慮添加裝設(shè)人工接地體作為補(bǔ)充。人工接地體是專門作為接地用的按照規(guī)范工藝加工過的各種型鋼或鋼管等，按照其敷設(shè)方式可分為垂直接地體和水平接地體。垂直接地體一般為垂直埋入地下的角鋼、圓鋼、鋼管等，一般采用管形金屬；水平接地體是水平敷設(shè)于土壤中的鍍鋅扁鋼或鍍鋅圓鋼。接地體埋設(shè)要符合一定的埋設(shè)深度，接地體之間要有一定的間距。

對接地電流系統(tǒng)，當(dāng)IR≤2000V時(shí)對人身和設(shè)備是安全的，所以接地電阻要求要足夠小以保證安全。

2．接地線

接地線是從引下線斷接卡子或換線處接至接地體的連接導(dǎo)體。接地線也分人工接地線和自然接地線。人工接地線在一般情況下應(yīng)采用扁鋼或圓鋼，并應(yīng)敷設(shè)在易于檢查的地方，且應(yīng)有防止機(jī)械損傷及防止化學(xué)腐蝕的保護(hù)措施。

3．接地裝置的檢查和維護(hù)

對接地裝置進(jìn)行定期檢查的主要內(nèi)容有：各部位連接是否牢固、有無松動(dòng)、有無脫焊、有無嚴(yán)重銹蝕；接地線有無機(jī)械損傷或化學(xué)腐蝕、涂漆有無脫落；人工接地體周圍有無堆放強(qiáng)烈腐蝕性物質(zhì)；地面以下50cm以內(nèi)接地線的腐蝕和銹蝕情況如何，接地電阻是否合格。

對接地裝置進(jìn)行維修的情況有：焊接連接處開焊；螺絲連接處松動(dòng)；接地線有機(jī)械損傷、斷股或有嚴(yán)重銹蝕或腐蝕；銹蝕或腐蝕超過30%者應(yīng)予以更換；接地體露出地面；接地電阻超過規(guī)定值。

3.1.2 避雷針的保護(hù)范圍

避雷針的保護(hù)范圍是用模擬試驗(yàn)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定的。滾球法是國際電工委員會(huì)（IEC）推薦的接閃器保護(hù)范圍計(jì)算方法之一。《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057—2010）也把滾球法強(qiáng)制作為計(jì)算避雷針保護(hù)范圍的方法。滾球法是以hr為半徑的一個(gè)球體沿著需要防止直擊雷的部位滾動(dòng)，當(dāng)球體只觸及接閃器（包括被用作接閃器的金屬物）或只觸及接閃器和地面（包括與大地接觸并能承受雷擊的金屬物）而不觸及需要保護(hù)的部位時(shí)，則該部分就得到接閃器的保護(hù)。滾球法確定接閃器保護(hù)范圍見表3-1。

應(yīng)用滾球法計(jì)算的保護(hù)范圍的具體方法包括單只避雷針、等高雙避雷針和其他避雷針配置組合的保護(hù)范圍。

3.1.2.1 單只避雷針的保護(hù)范圍

單只避雷針的保護(hù)范圍如圖3-2所示。

1.h≤hr時(shí)

距地面hr處作一平行于地面的平行線。以針尖為圓心，hr為半徑，作弧線交平行線于A、B兩點(diǎn)。以A、B為圓心，hr為半徑作圓弧，該弧線與針尖相交并與地面相切，這兩條弧線之間的范圍就是單支避雷針的保護(hù)范圍。

由圖3-2可知，在距地面越來越高時(shí)，保護(hù)半徑越小，由數(shù)學(xué)知識(shí)可得

式中　rx——避雷針在hx高度的水平保護(hù)半徑，m；

hr——滾球半徑，m；

hx——被保護(hù)物的高度，m；

r0——避雷針在地面上的保護(hù)半徑，m。

2.h＞hr時(shí)

在避雷針的豎直延長線上取距地面高度hr的一點(diǎn)代替避雷針針尖作為圓心，其余的計(jì)算方法與h≤hr相同。

3.1.2.2 等高雙避雷針的保護(hù)范圍

等高雙避雷針的保護(hù)范圍如圖3-3所示。

1.h≤hr時(shí)

（1）兩支避雷針的距離時(shí)，應(yīng)按單支避雷針的方法確定保護(hù)范圍。

（2）兩支避雷針的距離時(shí)：

1）AEBC外側(cè)的保護(hù)范圍按照單支避雷針的計(jì)算方法來確定保護(hù)半徑。

2）C、E點(diǎn)位于兩針間的垂直平分線上，在地面每側(cè)的最小保護(hù)寬度b0為

在AOB軸線上，距中心線任一距離x處，其在保護(hù)范圍邊線上的保護(hù)高hx為

該保護(hù)范圍邊線是以中心線距地面的hr一點(diǎn)O′為圓心，以為半徑所作的圓弧AB。

3）兩針之間AEBC內(nèi)的保護(hù)范圍應(yīng)分成四個(gè)部分，即ACO、BCO、AEO、BEO，分別確定其中一部分的保護(hù)范圍后，合起來就是兩針間的保護(hù)范圍。如ACO部分的保護(hù)范圍的確定方法為：在任一保護(hù)高度hx和C點(diǎn)所處的垂直平面上，以hx作為假想避雷針，按單支避雷針的方法逐點(diǎn)確定，如圖3-4所示。

4）確定xx′平面上保護(hù)范圍截面，以單支避雷針的保護(hù)半徑rx為半徑，以A、B為圓心作弧線與四邊形AEBC相交；以單支避雷針的r0-rx為半徑，以E、C為圓心作弧線與上述弧線相接，此范圍就是xx′平面上的保護(hù)截面。

2.h＞hr時(shí)

在避雷針上取高度hr的一點(diǎn)代替針尖作圓心，再重復(fù)以上的做法。

3.1.2.3 其他避雷針配置組合的保護(hù)范圍

避雷針還有很多種組合形式，包括不同空間布置組合和不同參數(shù)組合，如兩只不等高避雷針、三只等高或不等高避雷針任意布置、四只等高避雷針矩形布置等，其計(jì)算原理和上面一樣，都?xì)w屬于立體幾何的計(jì)算，不再一一贅述。

3.1.3 避雷針（帶、網(wǎng)）的檢查與維護(hù)

避雷針等防雷裝置都需要進(jìn)行定期的檢查和維護(hù)，保證設(shè)備能夠安全運(yùn)行并延長設(shè)備的使用壽命。對避雷針（帶、網(wǎng)）進(jìn)行維護(hù)的主要內(nèi)容如下：

（1）檢查接閃器有無因遭受雷擊而熔化或折斷的情況；檢查引下線是否短而直，引下線距地2m一段的保護(hù)處有無破損情況；檢查斷接卡子有無接觸不良情況。

（2）檢查接地裝置周圍的土壤有無沉陷情況；有否因挖土方敷設(shè)其他管道與種植樹木等而挖斷或損傷接地裝置。

（3）檢查有否由于修繕建筑物或建筑物本身變形，而使防雷保護(hù)裝置受到影響或發(fā)生變化；木質(zhì)結(jié)構(gòu)的接閃器支架有無腐朽現(xiàn)象。

（4）檢查避雷針（線、帶、網(wǎng)）各處明裝導(dǎo)體是否有裂紋、歪斜與銹蝕，或因機(jī)械力損傷而發(fā)生折斷等現(xiàn)象，各導(dǎo)線部分的電氣連接是否緊密牢固。發(fā)現(xiàn)接觸不良或脫焊時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行檢修。