防雷技术

避雷针（线）防直击雷的作用



摘 要: 本文主要内容有二：

（1）反对用“几何原理”理解避雷针（线）的防直击雷的作用；

（2）多支避雷针（线）之间保护范围过小，是“花钱招祸”。

关键词 ： 避雷针（线）保护范围 发变电所防直击雷 建筑物电子信息系统防雷保护

关于避雷针防直击雷的作用，笔者在文[1、2、3]阐述了个人看法，这里不再重述。本文着重从以下两个方面阐述：（1）“几何原理”是不符合雷电放电规律的。（2）多支避雷针之间保护范围规定得过小，是祸不是福。


1 “几何原理”是不符合雷电放电规律的，用其理解避雷针（线）防直击雷的作用，是误导

关于避雷针（线）保护范围的物理概念和计算方法，资深防雷专家刘继、马宏达和笔者均有很多论文阐述。世界各国确定避雷针（线）保护范围的计算方法，一般地是要经电磁场理论分析、实验室模拟试验研究、本国长期多年的实践运行经验证明，三者结合才能作为正式推荐使用。这是由于：（1）至今世界上所有实验室都不能逼真模拟自然雷电放电现象。（2）各国的实践经验不完全一致，各行业要求的避雷针（线）保护范围内允许的绕击率也不一致等原因。到现在，国际上尚无公论统一的计算方法。还必须强调指出的是：世界各国的避雷针（线）保护范围计算方法，均是经验公式。规定的避雷针（线）保护范围内遭受雷击概率（通常称绕击率）是具有统计分布规律的。我国电力行业标准DL/T 620-1997[4]推荐的保护范围计算方法的经验公式，是经电力行业大量的发变电所五十多年运行经验证明的，绕击率小于0.1%，对发变电所防护直击雷是合适的，远比发变电所雷电侵入波安全可靠性高很多。也经1994年以前大量建筑物多年运行经验证明的，是适合我国使用的。发变电所的雷电危险主要来自雷电侵入波。电子信息系统也是如此，危险主要来自雷电电磁脉冲（LEMP）。

1994年制订的GB50057-94，引进了国外一种推荐性的计算方法，后来“摇身一变”，成了中国强制性的GB50057-94（2000年版）《建筑物防雷设计规范》。《规范》条文解释中说：“滚球法”是 “根据立体几何和平面几何的原理，再用图解法并列出计算式而得出的”。并在实例告诉人们：雷击是按几何直线距离，滚球对谁距离最短就击中谁。这是不符合观测到的雷电放电规律的，也不符合大型模拟实验结果。不能用“几何原理”来解释避雷针（线）防直击雷作用。按“几何原理”来理解避雷针（线）保护范围会产生误导。

I EC 61024-1：1990《建筑物防雷》中第1、2、3条亦明确告之：“一次闪击（lightning flash）可有多个雷击点（point of stroke）”。我们曾在实验室做过这样的实验：用人工的冲击电压发生器，产生相同数值的电压冲击波，击中距离20m和29m的物体。只能理解距离愈远击中概率愈小。GB50057-94（2000年版）中推荐采用4种滚球半径——30m、45m、60m、100m（见第3.5.5节），事实上是承认接受4种绕击率。很遗憾的是：当初《规范》制订者决定弃用1994年前建筑物避雷针保护范围计算方法时，并未提出科学论证报告；从1994年至今10多年过去了，又未提出建筑物避雷针采用滚球法这4种滚球半径（30m、45m、60m、100m）实践统计的绕击率及其分析。

避雷针（线）保护范围计算采用滚球法是古已有之，并不是什么新鲜事[5]。笔者在此谈些滚球法在电力行业上遇到的情况：在上个世纪五十年代后，世界上一些国家，投运了一些330～500kV超高压架空输电线路，雷击跳闸率比预测高很多，一时难以解释，就有专家提出用几何击距法（滚球法）来分析这些架空输电线路雷击跳闸率过高问题。后来有人把其引入变电所避雷针保护范围计算上。从“几何原理”来看，避雷针和避雷线“几何”击距（滚球半径）是无差异的；被保护物材质和形状以及是否带电、带多少，在“几何”击距（滚球半径）亦是无差异的。可实践证明差异很大！实践经验告诉我们，用滚球法（几何击距法）解释不了特高压750kV和1150kV架空线路雷击跳闸统计结果。因为这些特高压（UHV）架空输电线路绝缘水平非常高，例如，U­n=1150kV架空输电线路对地冲击绝缘强度在3200kV以上，导线上遭受较小的雷击电流（例如，IEC 62350-1中表4所列的滚球半径R=20m、30m、45m、60m时相应的雷电流I=3kA、5kA、10kA）时，Un=750kV和1150kV特高压架空输电线路按理是不会引起闪络跳闸的。实际上却发生了闪络跳闸！这证明“几何原理”不符合雷电放电规律。用“几何原理”更解释不了特高压架空输电线路采用“负保护角”的经验。


 世界上一些国家，仍是按本国实践经验和科研成果总结出的方法——经验公式。例如，俄罗斯（以及前苏联），现行标准РД34.21.122-87《建筑物和构筑物防雷保护配置规程》和РД153.34.3-35.125-99《6～1150kV电网雷电和内过电压防护导则》，不用滚球法，用统一推荐的经验公式。由于中俄电力行业经验的差异，中国现行的DL/T 620-1997和俄罗斯РД153.34-3-35.125-99也不一样。

关于接闪器的种类和布置，在IEC 61024第2.1.1、2.1.2条和IEC 62305-2 Ed 1第5.2.1条以及GB50057-94（2000年版）第5.1.1条中均规定有：避雷针、避雷线（带）、避雷网三类；布置方法有：保护角法、滚球法、网格法等三种。

网格法是对避雷网而言的。避雷网格尺寸，《规范》中有的规定为8m×8m，有的规定为≤5m×5m或≤6m×4m等等。有人对此不甚了解，而误言这对那错。事实上，从接闪直击雷的概率而论（即所谓外部的雷电防护系统——ELPS），几乎无区别。而仅是允许从网孔中进入屋内的电磁脉冲（LEMP）强度（即所谓内部的雷电防护系统——ILPS）有差异而已。


2 多避雷针之间保护范围规定得过小，是祸不是福

我国资深防雷专家马宏达多次指出[5、6]：GB50057-94（2000年版）规定的两支和多支避雷针之间的保护范围过小，“已达到工程上无法合理运用的程度”，并认为《规范》中“多支避雷针保护范围的计算公式应删去”，恢复“按IEC防雷规范的原文条款去做”。

有人这样解释说：“多针之间保护范围规定的过小，不是更安全吗！”笔者认为，不是这样的。多针之间保护范围规定得过小，要达到规定的保护范围，势必要增多或增高单支避雷针高度。不要忘记，避雷针是引雷的。雷击频率随避雷针高度增加是要显著增多的。美国标准IEEE Std.142-1991提醒人们“应注意到，利用建筑物或结构物上安装接闪器，是要增加该建筑物或结构物遭受雷击频率。虽然建筑物采用了正确配置的防雷保护系统。增加了雷击频率，对建筑物内部电子信息系统运行是有不利影响。”是“花钱招祸”。

DL/T 620-1997规定的两支和多支避雷针之间保护范围计算方法，经大量的发变电所50多年实践运行经验证明，绕击率等于或小于0.1%，对发变电所防直击雷是合适的。在前节已说过，发变电所防护直击雷的安全可靠性远高于防护沿导线的雷电侵入波。发变电所的雷害主要来自沿导线的雷电侵入波。建筑物电子信息系统防雷保护，也是如此，重点应放在雷电电磁脉冲（LEMP）的防护。

3 结论

（1）“几何原理”不符合雷电放电规律。用其解释避雷针（线）保护范围会给人们产生误导。

（2）两支和多支避雷针（线）之间保护范围过小，是“花钱招祸”。


参考文献

1 许颖.避雷针（线）保护范围不应“绝对化”.中国雷电与防护，2003年第3期

2 许颖.浅析避雷针（线）防直击雷的作用.防雷世界，2003年第12期

3 许颖.再析避雷针（线）防直击雷的作用.雷电防护与标准化，2005年第1期

4 中华人民共和国电力行业标准 DL/T 620-1997 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合

5 马宏达.再谈避雷针的保护范围.雷电防护与标准化，2006年第1期

6 马宏达.避雷针保护范围的理论与实验.雷电防护与标准化，2004年第2期


作者简介：

许 颖, 男，1930年生，江西省南昌市人，中国电力科学研究院（正研）高级工程师，长期从事电力系统过电压科研工作，中国著名资深防雷技术专家。



许 颖 中国电力科学研究院