首页 . 工学 . 安全科学与工程 . 〔安全技术与工程〕 . 电气安全 . 防雷装置

接闪杆

/lightning rod/
条目作者钮英建

钮英建

最后更新 2024-02-29
浏览 587
最后更新 2024-02-29
浏览 587
0 意见反馈 条目引用

由金属杆部件构成的用于承接雷电闪击的一种接闪器。旧称避雷针。

英文名称
lightning rod
旧称
避雷针
所属学科
安全科学与工程

接闪杆、接闪带、接闪线、接闪网、金属屋面、金属构件等,统称为接闪器。接闪器、引下线和接地装置构成了雷电防护系统的外部防雷装置。

当雷云放电接近地面时,地面电场受其影响发生畸变。因接闪杆安装高度相对于被保护物的突出地位,在其顶端附近区域会形成局部电场集中,从而影响雷电先导放电的发展方向,将雷电流引向自身,然后经由与其相连接的金属引下线,雷电流被传导至接地装置,再通过接地装置流散进入大地。形成一条安全的雷电流泄放通路,使被保护物免受雷击之害。正是因为接闪杆的作用是将雷闪引向自身,而不是避开雷闪,旧称避雷针不够科学且可能形成误导,在GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》中用接闪杆替代了避雷针。

犹太历史学家J.弗拉维乌斯在《犹太的历史》中有如下描述:“所罗门的寺院的墙壁和屋顶上使用了无数个金属盘板密布装饰。雨水能够通过大量金属管从屋顶导入储水池内。尽管这座寺院处于特别的雷击危险中,然而从公元前925年到公元587年期间,竟没有遭受过一次雷害。据史料记载,中国最晚在17世纪前,已有在建筑物的屋脊两头,分别装设一个仰起的龙头,从其张开的龙口吐出一根弯曲的金属长舌,伸向天空,而舌根则连结一根细的铁丝,直通地下的做法。这两例建筑物的共同点是其金属部件均构成了雷电流安全泄放的通路,从功能上起到了防雷击效果。

接闪杆被最为广泛认可的发明人是美国科学家B.富兰克林。富兰克林通过一系列实验研究认识了尖端放电现象,为了判断天电是否与地电相同,也可被尖端所吸引,他于1752年夏季的一天,在雷云将要到来时将一个用麻绳作牵引线,骨架安装有金属尖端的风筝放飞到空中,并在牵引线下端挂了一个金属环,环上吊了一把铜钥匙,以便于将收集到的电荷引导到莱顿瓶储存;还在金属环上系了一条干燥的丝绳,由人手拉着丝绳躲在遮雨的小屋里,以保证丝绳是不导电的。当雷云到来时,富兰克林把手指关节靠近铜钥匙,发现从铜钥匙迸发出电火花到指关节上。他随即用莱顿瓶收集了天电,并用收集的天电做了各种实验,证明了其与地电完全相同。必须认识到,这个著名的风筝试验是十分危险的。1753年,在俄罗斯工作并成为彼得堡科学院院士的德国著名电学家G.W.利赫曼为了验证富兰克林的实验,不幸被引下到室内的雷电击中身亡。这是为雷电研究牺牲的第一位科学家。1755年,富兰克林第一次提出:“顶端制作为尖头的杆其目的不只是为了雷云的静电放电,还可作为避雷装置吸引雷电流,将其导入没有危险的潮湿大地。”几乎在同一时期,捷克斯洛伐克学者也进行了尖端放电实验,并基于所得到的知识于1754年组装了称作“气象装置”的实验装置,布置在野外。该装置的基本构成是在14米(后来增加到40米)高的木架上竖立的216根刺针,刺针通过金属链与大地相连,用以探索这些刺针促使雷云的静电荷放电的作用。这是在欧洲最早的有关雷电防护装置的实验。

专门敷设的接闪杆分为独立接闪杆和装设在建筑物上的接闪杆两类。前者通常由拔地而起的钢结构针塔构成,后者由附设在建筑物顶部的金属杆构成。独立避雷针被用于防雷措施要求高的第一类建筑物。装设在建筑物上的接闪杆可用在第二类防雷建筑物和第三类防雷建筑物上。

除第一类防雷建筑物和具有爆炸危险的建筑物之外,建筑物宜利用屋顶上导电截面符合要求的永久性金属物,如旗杆、栏杆、装饰物等作为建筑物的接闪杆。

GB50057《建筑物防雷设计规范》规定按照滚球法确定接闪器的保护范围。滚球法是将电气几何理论应用在建筑物防雷分析中的简化分析方法。假想以为半径的球体沿需要防直击雷的部位滚动,当球体只触及接闪器(包括被利用作为接闪器的金属物),或只触及接闪器和地面(包括与大地接触且能承受雷击的金属物),而未触及需要保护的某部位时,该部位能得到接闪器的保护。对应于第一类、第二类和第三类防雷建筑物的滚球半径分别为30米、45米、60米。滚球法的应用基于以下简化的雷闪数学模型(电气-几何模型):

。式中,为雷闪的最后闪击距离(击距),即在此所规定的滚球半径(米);为雷电流幅值,即与相对应的可以防护的最小雷电流幅值(千安)。

雷电先导放电的发展起初是不确定的,直到先导的头部电压足以击穿它与地面目标间的间隙时,也即先导与地面目标的距离等于击距时,才受到地面影响而开始定向。如对于第一类防雷建筑物为30米,根据公式,能够计算出按滚球半径为30米布置的接闪器其可防护的最小雷电流幅值I为5.4千安。当雷电流大于和等于该数值时,雷闪将击于接闪器上,而当雷电流小于该值时,雷闪有可能穿过接闪器击于被保护物上。

接闪杆一般用镀锌圆钢或钢管制成,也可以用铜、镀锡铜、铝、铝合金、不锈钢、外表面镀铜的钢等各种材料制成。所用材料应能满足机械强度和耐腐蚀的要求,还应有足够的热稳定性,以能承受雷电流的热破坏作用。

关于接闪杆的接闪端形状问题,在20世纪70年代就有过争议,富兰克林认为基于尖端放电效应,针端必须是尖的。之后其观点得到了认可,并在长期的实践中得以实施。然而到了20世纪90年代,美国学者新的研究成果表明,接闪杆的接闪端做成钝形可以更好地吸引闪电的下行先导。因此,中国防雷标准规定,接闪杆的接闪端宜做成半球状,其最小弯曲半径宜为4.8毫米,最大宜为12.7毫米。这也是用接闪杆替代了避雷针称呼的原因之一。

相关条目

阅读历史

    意见反馈

    提 交

    感谢您的反馈

    我们会尽快处理您的反馈!
    您可以进入个人中心的反馈栏目查看反馈详情。
    谢谢!