避雷針（線）防直擊雷的作用



摘 要: 本文主要內容有二：

（1）反對用“幾何原理”理解避雷針（線）的防直擊雷的作用；

（2）多支避雷針（線）之間保護范圍過小，是“花錢招禍”。

關鍵詞 ： 避雷針（線）保護范圍 發變電所防直擊雷 建筑物電子信息系統防雷保護

關于避雷針防直擊雷的作用，筆者在文[1、2、3]闡述了個人看法，這里不再重述。本文著重從以下兩個方面闡述：（1）“幾何原理”是不符合雷電放電規律的。（2）多支避雷針之間保護范圍規定得過小，是禍不是福。


1 “幾何原理”是不符合雷電放電規律的，用其理解避雷針（線）防直擊雷的作用，是誤導

關于避雷針（線）保護范圍的物理概念和計算方法，資深防雷專家劉繼、馬宏達和筆者均有很多論文闡述。世界各國確定避雷針（線）保護范圍的計算方法，一般地是要經電磁場理論分析、實驗室模擬試驗研究、本國長期多年的實踐運行經驗證明，三者結合才能作為正式推薦使用。這是由于：（1）至今世界上所有實驗室都不能逼真模擬自然雷電放電現象。（2）各國的實踐經驗不完全一致，各行業要求的避雷針（線）保護范圍內允許的繞擊率也不一致等原因。到現在，國際上尚無公論統一的計算方法。還必須強調指出的是：世界各國的避雷針（線）保護范圍計算方法，均是經驗公式。規定的避雷針（線）保護范圍內遭受雷擊概率（通常稱繞擊率）是具有統計分布規律的。我國電力行業標準DL/T 620-1997[4]推薦的保護范圍計算方法的經驗公式，是經電力行業大量的發變電所五十多年運行經驗證明的，繞擊率小于0.1%，對發變電所防護直擊雷是合適的，遠比發變電所雷電侵入波安全可靠性高很多。也經1994年以前大量建筑物多年運行經驗證明的，是適合我國使用的。發變電所的雷電危險主要來自雷電侵入波。電子信息系統也是如此，危險主要來自雷電電磁脈沖（LEMP）。

1994年制訂的GB50057-94，引進了國外一種推薦性的計算方法，后來“搖身一變”，成了中國強制性的GB50057-94（2000年版）《建筑物防雷設計規范》。《規范》條文解釋中說：“滾球法”是 “根據立體幾何和平面幾何的原理，再用圖解法并列出計算式而得出的”。并在實例告訴人們：雷擊是按幾何直線距離，滾球對誰距離最短就擊中誰。這是不符合觀測到的雷電放電規律的，也不符合大型模擬實驗結果。不能用“幾何原理”來解釋避雷針（線）防直擊雷作用。按“幾何原理”來理解避雷針（線）保護范圍會產生誤導。

I EC 61024-1：1990《建筑物防雷》中第1、2、3條亦明確告之：“一次閃擊（lightning flash）可有多個雷擊點（point of stroke）”。我們曾在實驗室做過這樣的實驗：用人工的沖擊電壓發生器，產生相同數值的電壓沖擊波，擊中距離20m和29m的物體。只能理解距離愈遠擊中概率愈小。GB50057-94（2000年版）中推薦采用4種滾球半徑——30m、45m、60m、100m（見第3.5.5節），事實上是承認接受4種繞擊率。很遺憾的是：當初《規范》制訂者決定棄用1994年前建筑物避雷針保護范圍計算方法時，并未提出科學論證報告；從1994年至今10多年過去了，又未提出建筑物避雷針采用滾球法這4種滾球半徑（30m、45m、60m、100m）實踐統計的繞擊率及其分析。

避雷針（線）保護范圍計算采用滾球法是古已有之，并不是什么新鮮事[5]。筆者在此談些滾球法在電力行業上遇到的情況：在上個世紀五十年代后，世界上一些國家，投運了一些330～500kV超高壓架空輸電線路，雷擊跳閘率比預測高很多，一時難以解釋，就有專家提出用幾何擊距法（滾球法）來分析這些架空輸電線路雷擊跳閘率過高問題。后來有人把其引入變電所避雷針保護范圍計算上。從“幾何原理”來看，避雷針和避雷線“幾何”擊距（滾球半徑）是無差異的；被保護物材質和形狀以及是否帶電、帶多少，在“幾何”擊距（滾球半徑）亦是無差異的。可實踐證明差異很大！實踐經驗告訴我們，用滾球法（幾何擊距法）解釋不了特高壓750kV和1150kV架空線路雷擊跳閘統計結果。因為這些特高壓（UHV）架空輸電線路絕緣水平非常高，例如，U-n=1150kV架空輸電線路對地沖擊絕緣強度在3200kV以上，導線上遭受較小的雷擊電流（例如，IEC 62350-1中表4所列的滾球半徑R=20m、30m、45m、60m時相應的雷電流I=3kA、5kA、10kA）時，Un=750kV和1150kV特高壓架空輸電線路按理是不會引起閃絡跳閘的。實際上卻發生了閃絡跳閘！這證明“幾何原理”不符合雷電放電規律。用“幾何原理”更解釋不了特高壓架空輸電線路采用“負保護角”的經驗。


 世界上一些國家，仍是按本國實踐經驗和科研成果總結出的方法——經驗公式。例如，俄羅斯（以及前蘇聯），現行標準РД34.21.122-87《建筑物和構筑物防雷保護配置規程》和РД153.34.3-35.125-99《6～1150kV電網雷電和內過電壓防護導則》，不用滾球法，用統一推薦的經驗公式。由于中俄電力行業經驗的差異，中國現行的DL/T 620-1997和俄羅斯РД153.34-3-35.125-99也不一樣。

關于接閃器的種類和布置，在IEC 61024第2.1.1、2.1.2條和IEC 62305-2 Ed 1第5.2.1條以及GB50057-94（2000年版）第5.1.1條中均規定有：避雷針、避雷線（帶）、避雷網三類；布置方法有：保護角法、滾球法、網格法等三種。

網格法是對避雷網而言的。避雷網格尺寸，《規范》中有的規定為8m×8m，有的規定為≤5m×5m或≤6m×4m等等。有人對此不甚了解，而誤言這對那錯。事實上，從接閃直擊雷的概率而論（即所謂外部的雷電防護系統——ELPS），幾乎無區別。而僅是允許從網孔中進入屋內的電磁脈沖（LEMP）強度（即所謂內部的雷電防護系統——ILPS）有差異而已。


2 多避雷針之間保護范圍規定得過小，是禍不是福

我國資深防雷專家馬宏達多次指出[5、6]：GB50057-94（2000年版）規定的兩支和多支避雷針之間的保護范圍過小，“已達到工程上無法合理運用的程度”，并認為《規范》中“多支避雷針保護范圍的計算公式應刪去”，恢復“按IEC防雷規范的原文條款去做”。

有人這樣解釋說：“多針之間保護范圍規定的過小，不是更安全嗎！”筆者認為，不是這樣的。多針之間保護范圍規定得過小，要達到規定的保護范圍，勢必要增多或增高單支避雷針高度。不要忘記，避雷針是引雷的。雷擊頻率隨避雷針高度增加是要顯著增多的。美國標準IEEE Std.142-1991提醒人們“應注意到，利用建筑物或結構物上安裝接閃器，是要增加該建筑物或結構物遭受雷擊頻率。雖然建筑物采用了正確配置的防雷保護系統。增加了雷擊頻率，對建筑物內部電子信息系統運行是有不利影響。”是“花錢招禍”。

DL/T 620-1997規定的兩支和多支避雷針之間保護范圍計算方法，經大量的發變電所50多年實踐運行經驗證明，繞擊率等于或小于0.1%，對發變電所防直擊雷是合適的。在前節已說過，發變電所防護直擊雷的安全可靠性遠高于防護沿導線的雷電侵入波。發變電所的雷害主要來自沿導線的雷電侵入波。建筑物電子信息系統防雷保護，也是如此，重點應放在雷電電磁脈沖（LEMP）的防護。

3 結論

（1）“幾何原理”不符合雷電放電規律。用其解釋避雷針（線）保護范圍會給人們產生誤導。

（2）兩支和多支避雷針（線）之間保護范圍過小，是“花錢招禍”。


參考文獻

1 許穎.避雷針（線）保護范圍不應“絕對化”.中國雷電與防護，2003年第3期

2 許穎.淺析避雷針（線）防直擊雷的作用.防雷世界，2003年第12期

3 許穎.再析避雷針（線）防直擊雷的作用.雷電防護與標準化，2005年第1期

4 中華人民共和國電力行業標準 DL/T 620-1997 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合

5 馬宏達.再談避雷針的保護范圍.雷電防護與標準化，2006年第1期

6 馬宏達.避雷針保護范圍的理論與實驗.雷電防護與標準化，2004年第2期


作者簡介：

許 穎, 男，1930年生，江西省南昌市人，中國電力科學研究院（正研）高級工程師，長期從事電力系統過電壓科研工作，中國著名資深防雷技術專家。



許 穎 中國電力科學研究院