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见图5所示。
按我国统计的雷电流幅值最大约为300kA,其对应的雷击高度为408m。取雷击定位高度为400m,可得出不同高度避雷针的保护区和散击区的地表半径见表1。我国旧式民房一般高度在10m以下,避雷带和避雷网的高度与房高相同,安装的短针防雷其高度为1~2m,它们引起的散击现象不明显;高耸建筑物和高架避雷针引雷招致雷击率增高和存在散击区。我国防雷学者历来不主张用高架避雷针保护建筑物,主张用屋顶短针和避雷带防雷就是考虑了既能发挥它的引雷作用,又避免增加散雷区。试装消雷器的运行结果表明:它不能消雷而且增大了雷击概率,所以许多部门拆除了这些消雷器。
2 避雷针的结构及其接闪性能
雷害事故统计表明,雷击点选择有一定的规律性,实验室长间隙放电可以演示这些规律。研究表明,在雷电放电和实验室长间隙放电中,雷击点选择的过程是各目的物迎面放电的竞争过程。迎面放电发展的迟早和快慢,与下行放电先导相遇的概率相关,它是确定雷击点的决定性物理参量。我们开展了建筑物雷击规律的研究,在1959年提出了民用建筑物简化防雷方式[3],根据我国建筑物屋顶结构,其雷击规律见图6。图中(a)(b)为平屋面或坡度不大于1/10的屋面(如檐角、女儿墙、屋檐)易受雷击的部位;图(c)为坡度大于1/10且小于1/2的屋面(如屋角、屋脊、檐角、屋檐)易受雷击的部位;图(d)为坡度不小于1/2的屋面(如屋角、屋脊、檐角)易受雷击的部位。对图(c)(d),在屋脊有避雷带的情况下,当屋檐处于屋脊避雷带的保护范围内时屋檐上可不设避雷带。按这些屋顶雷电易击点装设短针和避雷带防雷可以达到引雷而不增加散击区的目的。40年来,这种防雷方式取得了良好的防雷效果。
华中理工大学的防雷学者对不同结构的避雷针进行了对比放电试验,试验表明各模拟因素对放电击中点的影响如下[4]:
(1)几何击距是放电击中点的决定性因素之一;
(2)目的物几何形状的影响:负雷电压下,当棒头曲率半径比较小时,对棒头引雷能力没有影响;当棒头的曲率半径大于试验条件下棒头临界电晕半径时,由于表面电场强度降低,上行迎面放电的起始时间推后,其引雷能力降低。正雷电压下,棒头曲率半径对雷击点概率分布的影响不明显。负雷电压下,多针棒形物模型的引雷能力小于尖棒的引雷能力,大于具有与多针棒形物针长相同半径的球头棒的引雷能力。随着间隙尺寸的增加,多针棒形物模型与球头棒的引雷能力差异有缩小的趋势。
(3)接地电阻的影响:负雷电压下,接地电阻超过一定临界值后将抑制上行迎面先导发展的速度和强度,使电阻棒的引雷能力降低;当阻值小于这一临界值时,接地电阻对击中点概率无影响;随接地电阻的增大其击中率下降,当棒浮地时,放电不再击中它;随着接地电阻的增大,出现双通道的机会增大,即散击率增大。正雷电压下,接地电阻对雷击点概率的影响不明显。
试验表明,放电击中点的概率分布与上电极对各目的物的击穿电压、击穿时间和迎面放电通道的发展存在以下几个层次的关系:当对不同目的物的空间击穿电压存在差异时,空气击穿电压低者被击中的概率较大;当各击穿电压差异不明显时,击穿时间小者被击中的概率较大;当对不同目的物的击穿电压和击穿时间均无明显差异时,迎面放电发展速度快,通道电流强度大者被击中的概率较大。