淺議接閃桿在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

嚴(yán)明

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

近年來隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人類對(duì)高層建筑和超高層建筑不斷進(jìn)行挑戰(zhàn)，一大批占地更廣、尺寸更高的建筑應(yīng)運(yùn)而生。在實(shí)際的設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中人們對(duì)雷電的防護(hù)更加重視，同時(shí)也積累了大量對(duì)雷電防護(hù)的經(jīng)驗(yàn)。接閃桿作為接閃器的一個(gè)重要部分，其在雷電防護(hù)過程中起著舉足輕重的作用。

1 接閃桿的原理及分類

1.1 接閃桿的原理

雷電流的正負(fù)極中大約存在10%的正極性和90%的負(fù)極性，所以負(fù)極性的雷電流占有很大比例。雷電流每一次對(duì)接閃桿的雷擊都可以分為三個(gè)階段，先導(dǎo)放電階段，主導(dǎo)放電階段，余輝放電階段。

1）先導(dǎo)放電階段：先導(dǎo)放電的電流很小，一般只有100A左右，持續(xù)時(shí)間大約在0.005～0.01s，時(shí)間也很短。先導(dǎo)放電主要是由雷云中相互的摩擦碰撞產(chǎn)生大量的電荷，由于靜電感應(yīng)的作用，在接閃桿頂端會(huì)感應(yīng)出與雷云中極性相反的電荷。這樣雷云與接閃桿之間就形成了已充電的間隙電容。由于雷云所帶電荷為不均勻分布，當(dāng)雷云中某電荷密集區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到空氣被擊穿的限值時(shí)空氣被擊穿，與接閃桿之間形成一段微弱的導(dǎo)電通道，形成了最初的先導(dǎo)放電階段。

2）主導(dǎo)放電階段：主導(dǎo)放電電流巨大，大部分雷電流峰值可達(dá)到數(shù)十千安到數(shù)百千安，放電時(shí)間約為50～100μs。在主導(dǎo)放電階段雷電流與接閃桿之間所聚集的大量電荷，會(huì)通過先導(dǎo)放電的路徑進(jìn)行猛烈的電荷中和，過程中會(huì)產(chǎn)生巨大的光和熱，會(huì)使周圍空氣迅速膨脹。如果接閃桿沒有良好的引流裝置把雷電流泄放到大地中，會(huì)發(fā)生雷擊事故。2010年4月13日凌晨在上海東方明珠電視塔塔頂發(fā)生的火災(zāi)事故，就是由于塔頂?shù)慕娱W桿采用的“半導(dǎo)體少長(zhǎng)針避雷針”，據(jù)事后調(diào)查此接閃桿約15a沒有進(jìn)行檢維修，導(dǎo)致接閃桿未能對(duì)雷電流進(jìn)行及時(shí)的泄放而產(chǎn)生的事故。

3）余輝放電階段：余輝放電燈電流僅為幾百安，持續(xù)時(shí)間可維持在0.03～0.05s。在主放電結(jié)束后雷云中的剩余電荷沿主放電路徑繼續(xù)下移，讓此通道持續(xù)維持一定的殘余電荷。

1.2 接閃桿的分類

1）直接雷接閃桿：由一根直立的鋼管組成，不帶任何附件，上細(xì)下粗，可滿足結(jié)構(gòu)承載力的要求。主要適用于廣播電視塔，加油站，建筑大樓，通許基站等場(chǎng)所。

2）特殊優(yōu)化接閃桿：其主體為一根上細(xì)下粗的直立鋼管，在接閃桿中間靠下部位設(shè)置幾個(gè)橫向的放側(cè)擊雷的引流葉片裝置。主要適用于軍事基地，銀行大樓，天文氣象臺(tái)等重要場(chǎng)所。

3）預(yù)放電式接閃桿：此種接閃桿構(gòu)造較為特殊，在接閃桿外殼與中心接地桿之間人為構(gòu)造3mm的間隙，當(dāng)遭受雷擊中接閃桿外殼時(shí)，外殼與中心接地桿之間可構(gòu)成耦合電容，同時(shí)外殼通過一個(gè)電感線圈接地（即經(jīng)中心接地桿），當(dāng)先導(dǎo)電流靠近接閃桿時(shí)，由于雷電流頻率很高，電感線圈成開路狀態(tài)，而耦合電容對(duì)高頻電流成短路特性，因此在耦合電容的作用下，接閃桿表面的電場(chǎng)強(qiáng)度迅速增大，直至觸發(fā)電流雪崩效應(yīng)，可達(dá)到迅速將雷電流泄放至大地中的目的。

2 接閃桿在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)的計(jì)算

年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N，是表征建筑物可能遭受雷擊的一個(gè)頻率參數(shù)，通過其數(shù)值的大小可定性建筑物的防雷類別。

年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù):N=k×Ng×Ae

年平均密度：Ng=0.1×Td

等效面積:當(dāng)(H＜100m)

當(dāng)(H≥100m)Ae=[L×W+2×(L+W)×πH2]×10-6

L、W、H分別為建筑物的長(zhǎng)、寬、高；Td為年平均雷暴日。

2.2 建構(gòu)筑物的防雷分類及用接閃桿設(shè)防設(shè)計(jì)

根據(jù)建筑物的重要性、使用性質(zhì)及發(fā)生雷擊事故的可能性和事故后果，按防雷要求分為三類防雷。1）第一類防雷建筑物，應(yīng)裝設(shè)獨(dú)立接閃桿或架空接閃線或網(wǎng)，架空接閃網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸不應(yīng)大于6m×4m或5m×5m。2）第二類防雷建筑物，外部防雷的措施，宜采用裝設(shè)在建筑物上的接閃網(wǎng)、接閃帶或接閃桿，也可采用由接閃網(wǎng)、接閃帶或接閃桿混合組成的接閃器。接閃網(wǎng)、接閃帶應(yīng)沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷擊的部位敷設(shè)，并應(yīng)在整個(gè)屋面組成不大于12m×8m或10m×10m網(wǎng)格。3）第三類防雷建筑物，外部防雷的措施宜采用裝設(shè)在建筑物上的接閃網(wǎng)、接閃帶或接閃桿，也可采用由接閃網(wǎng)、接閃帶和接閃桿混合組成的接閃器。接閃網(wǎng)、接閃帶應(yīng)沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷擊的部位敷設(shè)，并應(yīng)在整個(gè)屋面組成不大于24m×16m或20m×20m網(wǎng)格。

2.3 接閃桿的材質(zhì)和規(guī)格尺寸

接閃桿采用熱鍍鋅圓鋼或鋼管制成時(shí)，其直徑應(yīng)符合下列規(guī)定：1）接閃桿長(zhǎng)＜1m時(shí)，圓鋼≥12mm，鋼管≥20mm；2）接閃桿長(zhǎng)1～2m時(shí)，圓鋼≥16mm，鋼管≥25mm；3）獨(dú)立煙囪頂上的桿，圓鋼≥20mm，鋼管≥40mm。

接閃桿的接閃端宜做成半球狀，其最小彎曲半徑宜為4.8mm，最大宜為12.7mm。

2.4 接閃桿的保護(hù)原理

接閃桿保護(hù)范圍的計(jì)算主要有滾球法和折線法兩種。根據(jù)接閃桿的數(shù)量又可分為單支接閃桿的保護(hù)范圍、兩支等高接閃桿的保護(hù)范圍、兩支等高接閃桿的保護(hù)范圍和多支接閃桿的保護(hù)范圍等。本文主要介紹單支接閃桿的保護(hù)范圍的滾球法和折線法的計(jì)算。

1）滾球法：接閃桿在hx高度的xx`平面上保護(hù)半徑rx和地面上的保護(hù)半徑r0。

hr為滾球半徑。hx為被保護(hù)體的高度。h為接閃桿高。

2）折線法：a接閃桿在地面上的保護(hù)半徑r0=1.5hP；b接閃桿在hx平面上的保護(hù)半徑rx；當(dāng)hx≥0.5h時(shí),保護(hù)半徑rx=（h-hx)×P；當(dāng)hx＜0.5h時(shí),保護(hù)半徑rx=（1.5h-2hx)×P

式中h為接閃桿高。P為高度影響系數(shù)。hx為被保護(hù)體的高度。

2.5 發(fā)電廠、變電站獨(dú)立接閃桿的設(shè)計(jì)要求

2.5.1 避雷針與易燃油貯罐和氫氣天然氣罐體及其呼吸閥之間的空氣中距離，避雷針及其接地裝置與罐體、罐體的接地裝置和地下管道的地中距離應(yīng)符合規(guī)范要求。避雷針與呼吸閥的水平距離不應(yīng)＜3m，避雷針尖高出呼吸閥不應(yīng)＜3m。

2.5.2 獨(dú)立避雷針的接地裝置應(yīng)符合下列要求：①獨(dú)立避雷針宜設(shè)獨(dú)立的接地裝置；②在非高土壤電阻率地區(qū)，接地電阻不宜超過10Ω；③該接地裝置可與主接地網(wǎng)連接，避雷針與主接地網(wǎng)的地下連接點(diǎn)至35kV及以下設(shè)備與主接地網(wǎng)的地下連接點(diǎn)之間，沿接地極的長(zhǎng)度不得小于15m；④獨(dú)立避雷針不應(yīng)設(shè)在人經(jīng)常通行的地方，避雷針及其接地裝置與道路或出入口的距離不宜＜3m，否則應(yīng)采取均壓措施或鋪設(shè)礫石或?yàn)r青地面。

3 接閃桿的固定安裝

接閃桿的安裝位置可利用現(xiàn)有建筑物、燈塔等高聳物體，在其頂端固定安裝。如在建筑物女兒墻上固定安裝時(shí)，在女兒墻上預(yù)埋鋼板，由接閃短桿與預(yù)埋鋼板進(jìn)行焊接；如在建筑物的山墻上或側(cè)墻上進(jìn)行安裝時(shí)，需在墻體或結(jié)構(gòu)柱體一次澆筑時(shí)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)件的預(yù)埋，接閃桿可與其進(jìn)行螺栓連接或焊接；接閃桿還可以在地面上做基礎(chǔ)，不借助高聳建筑，單獨(dú)樹立一根接閃桿進(jìn)行防雷保護(hù)。無論采用哪種安裝方式，接閃桿都要與主接地網(wǎng)可靠連接，保證接閃桿、引下線、主接地網(wǎng)之間有持久連續(xù)的電氣通路。

總之，接閃桿這樣一件防雷裝置的發(fā)明，雖然已經(jīng)問世260余年，經(jīng)過幾代人的研究不斷完善，由起初的一根風(fēng)箏線，發(fā)展到如今的鋼管式獨(dú)立接閃桿，再到預(yù)放電式接閃桿，凝聚了科學(xué)研究人員的智慧與辛勤。目前人類對(duì)雷電的認(rèn)識(shí)并非十分全面，仍然有許多雷電現(xiàn)象無法用現(xiàn)有的科學(xué)進(jìn)行解釋。同時(shí)人類對(duì)未知的探索從未停止過，深信在不久的將來通過科學(xué)的研究，系統(tǒng)的試驗(yàn)，人們對(duì)雷電會(huì)有更清楚更全面的認(rèn)知。同樣人們也會(huì)更好的對(duì)其進(jìn)行防護(hù)，甚至可以合理的利用雷電。