温故知新 | 避雷针的电磁感应作用及其控制原理

　　避雷针的电磁感应作用及其控制原理

　　马宏达 中国科学院电工研究所

　　摘要：

　　本文论述了避雷针的电磁感应作用及其控制的原理。说明必须重视防雷结构的优化设计，其中不仅有建筑物本身的结构，还包括与之相连的电气线路的结构。

　　关键词：

　　建筑物防雷 雷电电磁脉冲防护（LEMP） 工程方法论

　　笔者在《再析避雷针的保护范围》[1]一文中（发表在中国防雷，2006年第1期）讨论了避雷针的感应静电场控制原理，本文重点讲述（建筑物防雷使用的）避雷针的感应电磁场控制原理。这里说的避雷针是广义的，它包括了各种接闪器的防雷结构，即避雷针、避雷带、避雷网和法拉第笼等形式。

　　1. 独立避雷针和单独引下线的电磁感应效应

　　我国早期建筑物防雷曾较多地使用独立避雷针，其中多数是危险品仓库。那时，为了预防避雷针的反击电压危险，曾经规定独立避雷针要离开房屋三米以上距离。民用建筑物防雷的避雷针多数直接安装在屋顶上，使用单一引下线和接地体。后来，人们发现这种独立避雷针和单根引下线的防雷结构很不理想，它的电磁感应效应最强，往往造成其周边电气线路和电气设备的感应过电压事故。我们先计算单根引下线流过雷电流时Sa处某一电气设备框架内产生的电磁感应电压，见图1。

　　图1 雷电流流经单根引下线对距离为Sa处电气设备的电磁感应效应

　　当仪器框架尺寸远小于它与引下线间的距离Sa时，其所在处磁场强度的最大变化率

　　式中，（di/dt）max—流经引下线雷电流的最大变化率，A/s；

　　Sa—仪器到引下线的平均距离，m。

　　在仪器框架平面中产生的最大感应电势：

　　式中，0—真空磁导率，4π×10-7H/m；

　　A—仪器框架的面积，m2；

　　Hmax—仪器处的磁场强度的最大变化率，A/ms；

　　Sa—引下线到仪器间的水平距离，m；

　　（di/dt）max—引下线中雷电流的最大变化率，A/s。

　　解广润老师曾在1980年就著文[2]指出独立避雷针电磁感应效应的危害性。在此摘要引用他举出的两个雷电事故事例：

　　（1）苏州娄门变电所多年来运行良好。1974年在变电所内建成了一个70米高的微波铁塔，接地电阻0.8欧姆左右，距离周围设备和线路都在5米左右。它本身相当于在该变电所内树立了一根独立避雷针。1975年8月该塔第一次遭受雷击，附近10kV架空线导线烧断、瓷瓶爆裂。这并不是偶然的一次。在修理好线路的第二天该塔又落雷、不仅线路烧坏，连母线上的少油断路器也全都坏了。

　　（2）上海杨树浦电厂35kV变电所解放前是没有安装避雷针的。上世纪50年代贯彻新电力规程加装了一根独立避雷针，针高21.9米,接地电阻5.1欧姆，一次雷击避雷针，距离避雷针11米远处变压器的35kV套管发生闪络。

　　以上事故可以这样来解释：原来未装避雷针的变电所受雷击的机会很少，平均要50～200年左右才会受到一次雷击；装设高架避雷针后雷击的次数明显地增加了。独立避雷针通过全部的雷电流，它周围的电磁感应效应特别强烈。这些因素共同作用造成了雷电事故的增多。

　　1993年北京市气象局大楼的消雷器遭受雷击，消雷器被击毁。消雷器的单根引下线敷设在大楼外侧的转角处。在靠近该转角处的两间房屋之间有一段电话线从两间屋子的窗外穿过，此段电话线被感应电流烧断，大楼内部一些电信设备和电子计算机受到雷电感应而损坏，直接损失达数十万元。如果该楼的防雷引下线改用大楼的钢筋网，则大楼内部的感应电磁场强度将要小很多，那次雷击事故的损失就不会那样大（后文还要深入讨论和证明）。许多防雷工程的样本都画有这种屋顶避雷针和单根引下线的建筑物防雷原理说明，其实，这是一种非常糟糕的防雷结构，按优化结构分析它是不应该采用的。

　　IEC 1312-1 雷电电磁脉冲的防护 第一部分、一般原则（通则）第3.4.1.1条推荐的“进入建筑物的各种设施之间的雷电流分配”模型图如下：

　　图2 IEC 推荐的进入建筑物的各种设施之间的雷电流分配(GB50057《规范》[1]图

　　6.3.4-1及IEC 1312-1 Figure 13)

　　笔者已经多次批判过这个物理模型[3、4]，一般情况下没有人主张从室内安装引下线的。此图的主要错误是没有考虑电源进线的屏蔽措施。我们曾经遇到过的、具有挑战性的防雷工程是锅炉房和大屋顶彩灯的防雷。锅炉房的烟囱是金属的，它可能直接遭受雷击，它与其附近的鼓风机机壳是相连的，里边就是电动机；锅炉房中的工人经常是光着脚干活的，他们对跨步电压危险最敏感、最需要防护。屋顶彩灯的供电线路与避雷针和避雷带是靠在一起的，打雷时可能直接把雷电引导到配电室去。在上世纪五十年代，我国防雷工作者就采用把电源进线用埋地屏蔽铁管穿线引入室内的办法和均压接地网的办法解决了上述难题，并从经验上总结了埋地铁管段的长度要在10米以上。总结50余年的运行经验，电力部门给出的结论是：铁管埋地长度小于6米时，则有防雷失效的事故。那时，我国还没有大容量的SPD，配电室中的过电压保护器就是采用20kA、8/20μs的通用避雷器，埋地屏蔽铁管段的长度大于10米，就能得到可靠地保护。有人对《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-2004）把屏蔽列入外部防雷的措施表示不解，这是他们被IEC防雷规范所束缚、思想不解放的缘故。毛主席在《人的正确思想是从哪里来的？》一文中明确指出：人的正确思想，只能从社会实践中来，只能从社会的生产斗争、阶级斗争和科学实验这三项实践中来。奉劝那些死扣定义、死扣书本的同志们警醒起来吧。

　　2. 避雷带和避雷网的引下线分布与其感应电磁场的关系

　　《古建筑防雷系统的雷电电磁暂态分析》一文[5]介绍了故宫中典型的三种外部防雷结构及其雷电暂态计算结果：其中第1种只有一根入地引下线，防雷措施最为简单；第2种有2根入地引下线，它们分别从两侧山墙引下，屋脊和斜脊上敷设有避雷带；第3种房体分为前后两部分，屋脊、斜脊和屋檐上的避雷带连接成避雷网，共有8根入地引下线，分别见图3、图4和图5。

　　图3 单根引下线防雷系统结构简图

　　图4 双引下线防雷系统结构简图

　　对比三种建筑物引下线的电流分布情况，其中：第3种防雷系统中的电流分布最为均匀，第2种次之，第1种最差。它说明雷电流的分布与防雷系统的结构紧密相关。第3种防雷系统中一根引下线的最大电流约占全部雷电流的27%，这是由于其多根引下线的结构，另外建筑物的高檐和低檐上的环状避雷带起到了均压和分流的作用。因此，在建筑物防雷系统中，应尽量采用多根引下线，对称分布敷设，并利用屋檐避雷带围成具有均压和分流性能的防雷结构。建筑物中各种高度平面上的磁场分布，明显地以第3种类型的分布最为均匀，且磁感应强度的最大值也最小，第2种次之，第1种磁场分布最不均匀，其磁感应强度值也最大。在建筑物内安装电子设备时，应该尽量远离磁感应强度最大的地方，并尽量远离防雷引下线和其分流导体。

　　文[6]计算分析了雷电流沿钢筋引下分流的情况，模型假设雷击点在矩形多层大楼的一角，对长宽高均等的对称性结构进行电流分布计算，得到的分流系数为0.46，这与国标GB50057-94《建筑物防雷设计规范》推荐的0.44接近，但对于长宽高不相等的非对称结构，计算表明其分流系数将有较大的变化，必须具体地量化分析。如果建筑物为多层结构，越接近底层，垂直导体中的电流分布越均匀。对于离顶层的间隔达到四层以上时，可以认为各垂直导体中的电流分布大致相等。

　　3. 通讯大楼结构散流过程及其屏蔽措施

　　文[7]介绍了一座通讯大楼雷击电流分布的模拟计算，见图6。

　　图6 一座通讯大楼的雷击计算模型

　　该通讯大楼顶上设有微波塔，当闪电击中铁塔的避雷针时雷电流经铁塔的塔脚侵入通讯大楼的钢筋结构，建筑物断面A--A，的电流分布计算结果如图7所示。

　　图7 一座通讯大楼接闪的雷电流分布

　　图中数字为流经钢筋的雷电流百分比，箭头为电流的方向。图7所示95%的雷电流均流经大楼的立柱和墙壁钢筋。流经避雷针引下线的雷电流不足1%，入侵大楼结构的雷电流大部分分布在外墙，大楼内部的雷电流几乎都是沿柱子纵向流下。除顶部和上部几层外横向的电流很少。当雷击电流为50kA时，大楼中的磁场强度分布见图8。

　　图8 雷击通讯大楼时其室内磁场强度的分布（假设雷击电流为50kA）

　　图8表明，在四角立柱附近的磁场强度最高，柱子之间的磁场强度较弱，室内中央部位的磁场强度最弱，但也会达到0.1A/m(峰值电场强度约38V/m)。钢筋结构构成的笼式避雷网在遭受雷击时，其内部的磁场比较普通多根引下线房屋内部的磁场大为降低，单根引下线房屋内部的磁场最大。所以，如果不利用钢筋结构泄漏雷电流，另拉引下线或用同轴电缆做引下线都是错误的，其结果都是增大泻流的阻力，增加室内的磁场强度。

　　1976年长沙通讯大楼的雷击模拟试验和1992年在广西苹果变电站主控楼的模拟雷击试验，使人们对通讯大楼的雷电流分布及其波形变化有了进一步的认识。试验表明：通讯大楼遭受雷击时，天线波导管引入的雷电流还有相当的数值，约为塔顶雷电流的10%左右。因此，通讯大楼楼顶的各种通讯电缆、同轴电缆及波导管在进入大楼前的接地措施格外重要，有的要采用相应的避雷器件进行保护，在大楼中部位置雷电电磁场强度最弱，而其外部位置的钢筋柱子附近的雷电电磁场强度最大，在引流柱子上测得的电压波头上有附加的高频振荡成分，它是钢筋结构形成的空腔电磁振荡。这些浪涌电流产生的电磁场将对电讯信号产生干扰，甚至造成电子元件的损坏。所以，我们对通讯大楼要进行内部防雷，即采取DBSGP（分流、均压、屏蔽、接地和过电压保护）的措施。

　　我们认为，通讯大楼内部重要的电讯设施和电气设备（有如人的大脑和心脏）必须加强保护，它们的电气线路都应该采用铁管布线或用金属线槽布线，此项措施对预防雷电反击和各种电磁脉冲（包括雷电电磁脉冲、核电磁脉冲、静电放电和内部过电压）都具有良好的屏蔽能力。电气线路的干线应该集中敷设在建筑物的中心部位，即雷电干扰电磁场最弱的部位，如建筑物的电梯竖井里。穿线铁管和线槽都应该与各楼层的等电位连接排相连，和接地母线相连，以达到良好的屏蔽效果。

　　4. 要重视和采纳我国的防雷理论和经验

　　笔者介绍了一些我国科学家对建筑物防雷研究方面的贡献，要宣传和介绍我国建筑物防雷技术的研究成果，这件工作还要大家共同来做。现代建筑物防雷设计应该用系统论哲学思想指导，对该建筑物及其周边环境整体的防雷安全负责，优化其防雷结构，以达到防雷可靠性和经济合理的要求。这个问题不是本文一次能够讲明白的，诸如：如何建立正确的防雷物理模型，如何利用自然接地体，如何利用电气线路绝缘器件的闪络特性，如何屏蔽架空线路和屏蔽埋地线路，如何掌握工作接地和防雷接地的要求及其合理的测量方法等，这些被搞乱了的问题，我们留待以后再谈。我们不应该把IEC防雷规范当作“廉价的”进口设计软件，不应该把它当作圣经来读；不应该丢掉我国的先进防雷理论和经验。

　　有些人为了商业的利益，故意片面夸大IEC防雷规范中的某些有瑕玷的条款（如变相否定屏蔽在防雷中的作用，不重视防范雷电反击的问题，防雷模型没有优化结构等），把这些不合理的条款写入我国防雷国标之中，并阻挠对这些不合理的条款进行修改，这种情况是不得人心的。我们应当把防雷的正确理论讲给大家听，要容许别人讲错话，要讲道理，而不要给别人扣帽子，更不应该骂人。搞防雷的商人、工程设计人员和管理人员都需要有合理的收入，人民支持他们的正常工作。现在防雷行业中追求暴利和虚假宣传之风又有所增长，如各种花样的避雷理论和各种花样的非常规避雷针，我们要对这些事情保持警惕。

　　参考文献

　　1.马宏达.再析避雷针的保护范围.中国防雷，2006年第1期；

　　2.解广润.避雷针一般应该停用.过电压专集,四川省电力局，1980年3月；

　　3.马宏达.关于反击雷电流问题的讨论.雷电防护与标准化,2003年第1期；

　　4.马宏达.关于反击雷电流分配计算方法的讨论.雷电防护与标准化，2004年第3期；

　　5.陈水明，王磊，吴维韩，张适昌.古建筑防雷系统的雷电电磁暂态分析.建筑电气，199年第3期；

　　6.陈水明，刘荣，吴维韩，刘继.建筑物钢筋引下线电流分布计算.工程物理，1999年副刊，现代防雷专集（二）；

　　7.刘吉克.综合通信大楼的防雷接地及电流分布.雷电与静电，1994年第2期。