避雷针设计
摘要：文章对硅橡胶材料的优异性能从机理上作出了解析，指出甲基是憎水性的根源，氢氧化铝是耐电蚀的主体，防爆设计应采用楔形嵌槽，并将Solidworks三维电场计算与光纤实测相结合寻找最佳电位分布。作者还对避雷器爬电比距的选择提出新的观点，分析了线路避雷器具备的优缺点。
关键词：避雷器；雷击闪络；过电压；硅橡胶；氧化锌电阻片
1、引言
安全送电、防止因线路故障而跳闸是当前输变电工业的重要课题之一。雷击引起线路绝缘子串闪络及雷电波入侵变电站所造成的停电事故，在我国南方各省已占输电线路闪络事故的60%，特别是110kV线路，平原地区雷击率为0.1~0.5次/100km·年，山区可达1~4次/ 100km·年[1]。加装线路避雷器（MOA）是防止雷击事故、减少跳闸率的有效方法之一[2]。
日本、美国、俄罗斯已有许多应用线路避雷器防止雷击闪络事故的成功报道。日本在20世纪90年代已有超过30000相77~500kV线路避雷器投入系统中使用，加装线路避雷器后取得了良好的效果[3]。
我国在此领域的研究起步较晚，这与硅橡胶复合外套技术在避雷器上的应用起步较晚分不开。截至目前，已研究制造出多种类型110~500kV线路避雷器，共有7610相在系统中运行，收到良好的效果。我国线路避雷器分有串联间隙和无间隙两大系列。与国际上的不同之处是目前无间隙线路避雷器占50%以上。
2、线路避雷器设计技术
无间隙线路避雷器的成功应用得益于硅橡胶复合材料，它取代了原有瓷外套，使220kV 避雷器的质量从260kg降至50kg以下，从而实现在杆塔上悬挂安装。有串联间隙线路避雷
器由避雷器本体和外串联间隙组成。本体与普通的复合外套避雷器相当，外串联间隙（放电间隙）由两个环–环或棒–棒型放电电极组成。
避雷器本体两端采用金属法兰封口，内部装有非线性ZnO电阻片并用弹簧压紧的环氧玻璃纤维布筒，其外部采用硅橡胶伞裙包封。这样，避雷器大大减少了因―漏气‖而带来的受潮问题。
上、下法兰设计了经典的球头、球窝，分别与高压端、接地端连接。以2003年我国天生桥—广州线投入使用的500kV有间隙线路避雷器设计为例，除秉承电站避雷器技术基础外，还必须解决如下8点关键技术问题：
（1）优良性能的硅橡胶复合外套
采用硅橡胶等有机绝缘材料生产的避雷器复合外套必须具备耐天侯、抗紫外线、耐电蚀损等优良性能。与瓷套相比，硅橡胶复合外套在重量、耐污性能上占有很大优势，详见表1。复合外套可选用的材料、品种很多。
（2）具备耐久性粘接技术
避雷器在多年使用中要经受引线拉力、线震、风摆、冰雪等的作用。上、下法兰与环氧玻璃纤维布筒的粘接部分是避雷器负载力传递区域，也是密封技术的薄弱环节。笔者认为，采用高温、高强度环氧浇合剂和倒锥形结构是目前最成功的设计之一，实践也证明了这一点。
（3）对接口的包封技术
包封硅橡胶复合外套上、下法兰与环氧玻璃布筒连接的外露面是避雷器加强密封的良策，也是防止电蚀损的又一有效措施。目前许多国外同类产品在工艺上亦未能实现这样的包封；但必须保证硅橡胶与法兰各种金属材料及热处理后的镀层之间有良好的粘合。此外，可在法兰上增加一个下大上小的槽形结构，以增强硅橡胶不出现脱胶的机械应力。
（4）防爆技术
为取得良好的防爆性能可在模压硫化伞裙前将环氧玻璃纤维筒加工出长条梯形槽，并用专用楔形嵌件堵紧。梯形槽在避雷器故障时起排气作用，楔形嵌件保证注塑时硅橡胶不至于进入环氧玻璃纤维布筒内腔。梯形槽的长度、数量、防爆力须经严格计算及试验求得。该型避雷器在中国及俄罗斯都通过了40kA和800A的短路电流试验。
（5）吸收能量校核
有间隙线路避雷器由避雷器本体和外串联间隙构成。正常运行工况下避雷器本体的荷电率为10%以下，它主要承受雷击过电压，因此对它的其他技术性能要求大为降低。避雷器电阻片承受雷击过电压的能力极强，直径50mm的电阻片即能承受4/10ms、100kA大电流冲击。
（6）电位分布计算与调整
330kV、500kV线路避雷器的突出技术问题是电位分布不均匀。与瓷套式避雷器不同，它是悬挂在空中的，必须采用三维电场、用有限元法计算其电位分布[5]。由于在结构上不能采用外并电容的均压措施。避雷器高度超过5m时，如不采取措施，其电位分布不均匀系数将达1.2，荷电率达98%。这将加速高场强处电阻片的老化。因此，通过SolidWorks三维设计及改善电位分布的设计，并通过改变均压环的数量、大小、放置位置及下垂深度等措施使500kV无间隙线路避雷器（5.4m高）电位分布不均匀系数限制在10.4%以下。
（7）避雷器内部负压问题
在避雷器整体模压注射硅橡胶过程中，避雷器各部分均处于受热状态（100℃以上）。当模压硫化完成（即避雷器密封完成），冷却后内部将形成低气压。由―巴申曲线‖可知，此时电阻片沿面闪络电压大为下降，有可能在较低电压下损坏避雷器。这是生产厂家容易忽略的工艺技术问题。
（8）影响间隙放电稳定性的因素
间隙放电电压的稳定性是避雷器保护性能的标准，棒－棒纯空气间隙与环－环带绝缘子支撑间隙放电特性本身存在差异。前者是极不均匀电场，后者是稍不均匀电场；前者放电电压稍低、分散性小，后者不仅分散性大，且受绝缘子污秽性能影响明显，当污秽引起漏电流且达到一定值时，它与避雷器本体漏电流形成一个―分压器‖，明显地改变了整个避雷器电位分布，提高了避雷器放电电压值，这是设计者必须给予充分考虑的。
3、线路避雷器的试验
与瓷外套避雷器不同，复合外套避雷器的外套采用有机高分子材料，它必须进行许多验证其特性的试验[6]，如耐天侯试验、耐电蚀试验、耐盐雾试验等。这些试验的要求及试验方法大部分都已体现在IEC最新版本的标准中。
（1）复合外套起痕和电蚀试验
按比例制作了避雷器比例元件。雾室温度20~25℃，盐雾中NaCl含量为9.8kg/m3，以3.9L/m3·h速度喷向比例元件。同时将等比例持续运行电压Uc施加于比例元件上，持续时间1000h。试验期间无过流中断，比例元件复合外套无起痕、裂缝和树枝状裂纹产生，伞裙未击穿。
（2）热机试验及沸水煮试验
该项试验用于验证避雷器在冷热、机械力共同作用下法兰与环氧玻璃纤维布筒结合部分粘合剂的性能，该项试验分两步进行：
1）比例元件在下列条件同时作用下进行试验：①2次（-35±5）℃~（50±5）℃冷热循环，高低温度至少保持8h，每一循环持续24h；②给比例元件施加50%额定拉伸负荷的负荷力。
2）比例元件在0.1%NaCl的溶液中沸煮42h后，立即放进环境温度的水溶液中浸泡24 h，取出后在环境温度空气中静放24h，直到表面干燥。
（3）爬电比距的选择
硅橡胶的复合外套的耐污秽性能比瓷套高出66%。这是由硅橡胶的憎水性所决定的，憎水性来自硅橡胶分子中具有排斥水分子天性的甲基。试验结果表明：
1）复合外套耐污秽性能远高于瓷套，但尚未取得定量的结论。
2）复合外套提高的耐污性能可留给用户、电力部门作为裕度考虑。因此，爬电比距的设计仍按瓷外套标准考虑。这一设计还受两个外界因素影响：①复合外套比瓷套更容易提高爬电比距，但必须保证电弧最小距离（如110kV下≥1m）；②笔者认为，两类有串联间隙避雷器选择爬电比距应有所不同：棒－棒纯空气有间隙避雷器本体爬距≥1.7cm/kV即可认为是安全的，因为，正常运行电压下避雷器本体几乎不承受任何电压值；环－环绝缘支撑有间隙避雷器，其爬距应为避雷器本体爬距与支撑绝缘子爬距之和，作者建议，爬电比距应分别规定，避雷器本体≥1.7cm/kV，支撑绝缘子≥1.7cm/kV，因为在正常运行和雷击瞬间不同工况下，两者都需分别承受了几乎100%的过电压，避雷器总体爬电比距≥3.4cm/kV。
4、两种线路避雷器的比较
我国无间隙线路避雷器的使用量超过有间隙线路避雷器，90%的330kV、500kV线路使用无间隙线路避雷器。无间隙避雷器在绝缘配合上，保护性能分散性小，仅仅取决于一条U -I特性曲线，保护裕度大。避雷器运行事故率已低于0.03/100相·年以下，且无间隙线路避雷器限制操作过电压的优点是目前有间隙线路避雷器所不能达到的。表4列出两种线路避雷器的技术要求及性能[6]。
无间隙线路避雷器的运行条件除满足一般电站避雷器要求外，还应满足以下条件：
（1）承受各种内过电压作用，特别在线路中段，内过电压值最高，过电压出现频率高，要求通流容量较大。
（2）荷电率相对较高，与变电站内避雷器不同，线路中段没有限压措施，电容效应等都能引起电压升高，线路避雷器荷电率较高。
（3）线震、特强冷热作用、风摆、冰雪等可能破坏避雷器的密封。
我国有间隙线路避雷器的外串联间隙分两大类：纯空气的棒–棒间隙，见图1(b)；由复合绝缘子支撑的环–环间隙，见图1(a)。其技术性能比较见表5[6]。目前我国使用后者的较多，主要是安装方便的原因。
5、免维护设计
笔者认为达到免维护需满足如下条件：
（1）生产高质量避雷器，还应当适当提高无间隙线?（2）应对避雷器加装脱离器。
（3）应附加避雷器失效指示装置。
6、结论
线路避雷器能够有效地降低跳闸率，是目前中国避雷器发展方向之一。线路避雷器的设计必须解决多个特殊问题，本文提出的试验、计算、防爆设计、能量校核方法、阀片尺寸计算、电位分布计算方法都有一定的参考价值，并已在500kV线路避雷器中得到了应用。本文系统地给出了110~500kV线路避雷器技术参数表，强调线路避雷器的爬电距离在本体部分、间隙部分都应分别达到1.7cm/kV。比较了有间隙避雷器和无间隙避雷器，无间隙避雷器由于可靠性较高，具有保护裕度大、绝缘配合分散性小的优势，在中国使用量上也占有一定的优势；有间隙避雷器中的纯空气间隙分散性较小，持续运行稳定性相对较高。此外，线路避雷器应是免维护的。
基于MATLAB的避雷针保护范围可视化设计
价值工程 0引言 雷电是自然界中一种常见的自然现象，具体表现为带有不同电性的云层之间或带电云层与大地之间的放电过程。由于雷电能量巨大，在目前科技水平下还不能被人类所利用，导致雷电每年给各行业带来巨大的经济损失和人员伤亡，因此雷电防护一直是人们关心的问题。 避雷针作为建筑物雷电防护的主要措施之一，尤其在防护直击雷方面具有重要作用[1]。避雷针能否起到保护建筑物的作用，其保护范围的合理计算是其影响因素之一。采用MATLAB 工具设计避雷针保护范围可视化软件，可 以为避雷针的设计和改造提供直观、可靠的图像显示， 并有利于分析不同情况下关于建筑物的避雷针设计要求，进而合理设计避雷针。 1避雷针保护范围简介 避雷针保护范围的计算方法主要有折线法和滚球法两种[2,3]。 折线法，又称为规程法或放电模拟法，以实验室放电模拟为准，兼顾运行统计结果。其单支避雷针的保护范围是一个以避雷针为轴的折线圆锥体。多年来，我国各行业一直采用折线法确定避雷针保护范围。目前，主要在电力装置设计规范上要求采用折线法计算。 滚球法就是以h 为半径的一个球体，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）或接闪器和地面（包括与大地接触能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护，也就在避雷针的保护范围之内，不同类 别的防雷建筑物的滚球半径有所不同，见表1。目前， 建筑物遵循《建筑物防雷设计规范》的要求采用滚球法计算。 2避雷针保护范围可视化设计 2.1MATLAB 工具介绍MATLAB 将计算、可视化和编程功能集成在非常便于使用的环境中，是一个交互式的、 以矩阵计算为基础的科学和工程计算软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示等功能于一体，构成 了一个方便的、 界面友好的用户环境，是近几年来在国内外广泛流行的一种可视化科学计算软件。 MATLAB 现已发展成为功能强大的仿真平台和系统，除了可生成二维图形外，还提供了可以生成三维图形的各种函数。利用这些函数，可轻松实现在三维空间中绘制空 间曲线、 曲面和网格图形。图形结果处理后，还可以利用鼠标拖动可任意变换观察角度以寻找最佳观察角度。同时，MATLAB 还提供了强大的图形用户界面GUI 制作工具，可以制作用户菜单和控件，使用者可以根据自己的需求编写出满意的图形界面[2,4]。 2.2可视化软件功能设计利用MATLAB 的GUI 制作工具，设计避雷针保护范围三维分析的图形化界面；利用MATLAB 的编程工具，设计避雷针保护范围工程计算与三维分析的程序。结合程序与界面，实现可视化软件的参数选择、绘制仿真图像和判断分析等功能，如图1所示。 2.2.1参数选择 ①方法选择。可选择用折线法或滚球法来计算和显示 避雷针的保护范围； ②避雷针支数选择。可对避雷针的支数进行选择（单支或者双支）；③避雷针高度选择。可输入—————————————————————— —作者简介：李天鹏（1982-），男，山东荣成人，军械工程学院讲师，研究方向为弹药保障工程。 基于MATLAB 的避雷针保护范围可视化设计与分析 Visualization Design and Analysis of Protecting Area of Lighting Rod Based on MATLAB 李天鹏LI Tian-peng ；祁立雷QI Li-lei ；傅孝忠FU Xiao-zhong （军械工程学院，石家庄050003） （Ordnance Engineering College ， Shijiazhuang 050003，China ）摘要：利用MATLAB 设计避雷针保护范围可视化程序与界面，对避雷针保护范围采用折线法和滚球法进行对比分析，并对避雷 针保护范围进行可视化判断与显示分析，为提高避雷针工程应用效率和课堂教学质量提供一种手段。 Abstract:MATLAB was used to design the visualization programmers and interface for the protecting area of lightning rod.The protecting area of lightning rod was analyzed by the polygon method and the rolling sphere method,and was also judged and displayed visually.It offered a measure for improving the efficiency of engineering application and the quality of classroom teaching about the lightning rod. 关键词：避雷针；保护范围；可视化；MATLAB Key words:lightning rod ；protecting area ；visualization ；MATLAB 中图分类号：TP311.52文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）01-0050-03 表1滚球半径确定方法 建筑物防雷类别滚球半径 h r （m ）第一类防雷建筑物 第二类防雷建筑物第二类防雷建筑物 30 4560 图1可视化软件界面 ·50·
雷电现象和避雷针的发明
雷电现象和避雷针的发明 雷电是大气中一种剧烈的放电现象。由于云层相互摩擦、碰撞而使不同的云层带不同的电，当电压达到可以穿过空气的程度以后，临近的两片云层会发生放电现象，产生电花和巨大的响声。放电时的电流可达几万安到十几万安，产生很强的光和声。放电如果通过人体，能够立即致人死亡，如果通过树木、建筑物，巨大的热量和空气的振动都会使它们受到严重的破坏。 避雷针是一种防止直接雷击的装置。它的作用是将高空的雷电引向自身，使之泻入大地，从而保护周围的建筑物。实际上，避雷针在我国出现最早．据《谷梁传》《左传》《淮南子》等著作记载，在我国南北朝时期即出现了为防止雷击而在建筑物上安装“避雷室”。宋朝以来，许多建筑物都有不同形式的“雷公柱”。广西真武阁四柱不落地，德庆县文庙四柱不顶天，都是古代建筑师为使厅堂的人有地方避开雷击，消除了电学上所称“跨步电压”的危险。 现代避雷针是美国科学家富兰克林发明的。富兰克林认为闪电是一种放电现象。为了证明这一点，他在1752年7月的一个雷雨天，冒着被雷击的危险，将一个系着长长金属导线的风筝放飞进雷雨云中，在金属线末端拴了一串铜钥匙。当雷电发生时，富兰克林手接近钥匙，钥匙上迸出一串电火花。手上还有麻木感。幸亏这次传下来的闪电比较弱，富兰克林没有受伤。在成功地进行了捕捉雷电的风筝实验之后，富兰克林在研究闪电与人工摩擦产生的电的一致性时，他就从两者的类比中作出过这样的推测：既然人工产生的电能被尖端吸收，那么闪
电也能被尖端吸收。他由此设计了风筝实验，而风筝实验的成功反过来又证实了他的推测。他由此设想，若能在高物上安置一种尖端装置，就有可能把雷电引入地下。富兰克林把这种避雷装置：把一根数米长的细铁棒固定在高大建筑物的顶端，在铁棒与建筑物之间用绝缘体隔开。然后用一根导线与铁棒底端连接。再将导线引入地下。富兰克林把这种避雷装置称为避雷针。经过试用，果然能起避雷的作用。避雷针的发明是早期电学研究中的第一个有重大应用价值的技术成果。 防直击雷电的避雷装置一般由三部分组成，即接闪器、引下线和接地体；接闪器又分为避雷针、避雷线、避雷带、避雷网。以避雷针作为接闪器的防雷电原理是：避雷针通过导线接入地下，与地面形成等电位差，利用自身的高度，使电场强度增加到极限值的雷电云电场发生畸变，开始电离并下行先导放电；避雷针在强电场作用下产生尖端放电，形成向上先导放电；两者会合形成雷电通路，随之泻入大地，达到避雷效果。实际上，避雷针是引雷针，可将周围的雷电引来并提前放电，将雷电电流通过自身的接地导体传向地面，避免保护对象直接遭雷击。 而避雷针在最初发明与推广应用时，教会曾把它视为不祥之物，说是装上了富兰克林的这种东西，不但不能避雷，反而会引起上帝的震怒而遭到雷击，但是，在费城等地，拒绝安置避雷针的一些高大教堂在大雷雨中相继遭受雷击。而比教堂更高的建筑物由于已装上避雷针，在大雷雨中却安然无恙。
避雷针吊装及平面图
1、吊装准备 a 轴线、标高复查与放线，复核根据土建提供的基础基准轴线和标高点，以此为基准确定安装基准线。避雷针吊装前，对避雷针的外形尺寸、方位等等，进行全面复核。确认符合设计图纸要求后，划出避雷针上下两端的安装中心线和钢柱下端标高线. b 吊装前首先确定避雷针吊点位置为第四节处，用吊带捆绑避雷针，吊装时做好防护措施。 c 吊车站位后,应根据回转半径转杆、趴杆,检查是否抗杆。 d 设备吊装前,应掌握当地的天气预报，遇有大于五级的大风时,不得进行吊装作业。 2、正式吊装 a本工程吊装主要是独立避雷针吊装，现场根据设计要求组合完毕吊车直接吊装。 b另外，避雷针采用螺栓连接，对每两节之间的螺栓连接质量设立停检点，确保避雷针安装质量，螺栓连接完毕后进行自检、互检合格方可进行吊装，否则整改。 螺栓全部安装就位后，可以开始紧固。紧固方法一般分两步进行，即初拧和终拧。应将全部螺栓进行初拧，初拧扭矩应为标准轴力的60%～80%，具体还要根据材料厚度、螺栓间距等情况适当掌握。本工程钢材是Q235B故根据螺栓拧紧力矩技术标准拧紧力矩为225.6N.m 初拧扭矩力度为人的臂力受到最大阻碍时为宜。终拧时人的全身力气拧不动时为宜。为了防止螺栓受外部环境的影响故一般初拧、终拧应该在同一时间内完成。 c吊车的选取：根据避雷针的自身重量40米高为3.55T、30米高为2.45T，以最 大重量选择吊车的型号满足现场吊装要求故选择25T吊车，25T吊车主臂加副臂的 高度能满足最大40米高度的要求。 3、现场参数 金堤变：（吊车支点按照方案实施，现场线路与吊车有冲突时根据现场调整位置） 1#避雷针安装时不受周围环境影响，吊车站在大门口处先把旧塔基拆除吊到门口 外围进行拆散。吊车四角支撑点全部支撑在大门口处，现场能满足支撑要求。 2#避雷针安装时吊车的北边安全距离为5米不能带电施工。吊车支设时四角支撑点 为南侧靠南墙、吊车北侧支撑在路边石北1米左右范围处。
避雷器与避雷针的区别
1.避雷器与避雷针的区别 避雷针：避雷针实际是引雷针，一般避雷针比所有的被保护物体高，避雷针的顶部为金属尖端，底部与接地网作良好连接，接地电阻一般在10欧姆以下。在雷雨天气，由于顶部尖端对电场的强烈畸变作用，吸引附近雷云对避雷针尖端放电，通过良好的接地中和雷云电荷，从而保护其它物体免遭雷击。 避雷器：避雷器实际上是一种非线性极好的电阻，在高电压下电阻很小，在低电压下电阻很高，作用类似于稳压二极管。目前避雷器一般为氧化锌避雷器，主要元件为氧化锌阀片。避雷器在电力系统中与被保护设备并联，正常时泄漏电流很小，不影响系统运行。当系统有过电压时（即超过正常运行电压的高电压），避雷器即呈现低电阻泄放能量，同时限制系统电压的幅值，确保电气设备的绝缘不被击穿。 避雷针——直接接地。利用电荷尖端放电现象不让雷击发生。避雷针和被保护物体是分开的，可以保护比较集中的重要物体。 避雷器——间接接地。利用过电压放电现象让雷击电压通过避雷器进入大地。避雷器和被保护物体是连接的，可以保护带电物体，如输电线路。在正常状态下避雷器内部是不导电的，遇到雷击的时候，它是导电的。 2.浪涌保护与避雷器的区别 浪涌保护器和避雷器不是一回事。 虽然二者都有防止过电压，特别是防止雷电过电压的功能，但在应用上还是有许多区别。 1、避雷器有多个电压等级，从0.38KV低压到500KV特高压均有，而浪涌保护器一般只有低压产品； 2、避雷器多安装在一次系统上，防止雷电波的直接侵入，而浪涌保护器大多安装在二次系统上，是在避雷器消除了雷电波的直接侵入后，或避雷器没有将雷电波消除干净时的补充措施； 3、避雷器是保护电气设备的，而浪涌保护器大多是为保护电子仪器或仪表的； 4、避雷器由于接于电气一次系统上，要有足够的外绝缘性能，外观尺寸比较大，而浪涌保护器由于接于低压，尺寸制作的可以很小。 避雷针原理 常规防雷电可分为防直击雷电、防感应雷电和综合性防雷电。防直击雷电的避雷装置一般由三部分组成，即接闪器、引下线和接地体；接闪器又分为避雷针、避雷线、避雷带、避雷网。以避雷针作为接闪器的防雷电原理是：避雷针通过导线接入地下，与地面形成等电位差，利用自身的高度，使电场强度增加到极限值的雷电云电场发生畸变，开始电离并下行先导放电；避雷针在强电场作用下产生尖端放电，形成向上先导放电；两者会合形成雷电通路，随之泻
防雷保护和接地设计
防雷保护和接地设计 7.1 直击雷保护 7.1.1 保护对象 屋外配电装置，包括组合导线、母线廊道。 7.1.2保护措施 ①110KV配电装置装设避雷针或装设独立避雷针；②主变压器装设独立避雷针；③屋外组合导线装设独立避雷针。 7.1.3 避雷针装设应注意的问题 应妥善采用独立避雷针和构架避雷针，其联合保护范围应覆盖全所保护对象。根据《电力设备过电压保护技术规程》SDJ —76规定：独立避雷针（线）宜设独 7 立的接地装置，避雷针及其接地装置与道路或出入口等的距离不宜小于3m。110KV及以上的配电装置，一般将避雷针装在其构架或房顶上；6KV及以上的配电装置，允许将避雷针装在其构架或房顶上；35KV及以下高压配电装置，构架或房顶上不宜装设避雷针。装在构架上的避雷针应与接地网连接，并应在其附近装设集中接地装置。避雷针与主接地网的地下连接点至变压器接地线与主接地网的地下连接点，沿接地体的长度不得小于15m。在主变压器的门型构架上，不应装设避雷针、避雷线。 110KV及以上配电装置，可将线路的避雷线引接到出线门型架上；35KV配电装置可将线路的避雷线引接到出线门型架上，但应集中接地装置。 我国规程规定: (1)110KV及以上的配电装置,一般将避雷针在构架上。但是在土壤电阻率ρ﹥Ω? 1000m的地区,仍宜装设独立避雷针,以免发生反击; (2)35KV及以下的配电装置应采用独立避雷针来保护; (3)10KV的配电装置,在ρ﹥Ω? 500m的地区宜采用独立避雷针,在ρ﹤500m的地区容许采用构架避雷针。 Ω? 变电站的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针的指数、高度、装设位置、验算它们的保护范围、应有的接地电阻、防雷接地装置的设计等。 7.2 雷电侵入波保护 7.2.1 保护措施 避雷器结合进线段保护。装设阀式避雷器是变电站对雷电过电压波进行防护的主要措施,它的保护作用主要是限制过电压波的幅值.但是为了使阀式避雷器
避雷针设计
摘要：文章对硅橡胶材料的优异性能从机理上作出了解析，指出甲基是憎水性的根源，氢氧化铝是耐电蚀的主体，防爆设计应采用楔形嵌槽，并将Solidworks三维电场计算与光纤实测相结合寻找最佳电位分布。作者还对避雷器爬电比距的选择提出新的观点，分析了线路避雷器具备的优缺点。 关键词：避雷器；雷击闪络；过电压；硅橡胶；氧化锌电阻片 1、引言 安全送电、防止因线路故障而跳闸是当前输变电工业的重要课题之一。雷击引起线路绝缘子串闪络及雷电波入侵变电站所造成的停电事故，在我国南方各省已占输电线路闪络事故的60%，特别是110kV线路，平原地区雷击率为0.1~0.5次/100km·年，山区可达1~4次/ 100km·年[1]。加装线路避雷器（MOA）是防止雷击事故、减少跳闸率的有效方法之一[2]。 日本、美国、俄罗斯已有许多应用线路避雷器防止雷击闪络事故的成功报道。日本在20世纪90年代已有超过30000相77~500kV线路避雷器投入系统中使用，加装线路避雷器后取得了良好的效果[3]。 我国在此领域的研究起步较晚，这与硅橡胶复合外套技术在避雷器上的应用起步较晚分不开。截至目前，已研究制造出多种类型110~500kV线路避雷器，共有7610相在系统中运行，收到良好的效果。我国线路避雷器分有串联间隙和无间隙两大系列。与国际上的不同之处是目前无间隙线路避雷器占50%以上。 2、线路避雷器设计技术 无间隙线路避雷器的成功应用得益于硅橡胶复合材料，它取代了原有瓷外套，使220kV 避雷器的质量从260kg降至50kg以下，从而实现在杆塔上悬挂安装。有串联间隙线路避雷
器由避雷器本体和外串联间隙组成。本体与普通的复合外套避雷器相当，外串联间隙（放电间隙）由两个环–环或棒–棒型放电电极组成。 避雷器本体两端采用金属法兰封口，内部装有非线性ZnO电阻片并用弹簧压紧的环氧玻璃纤维布筒，其外部采用硅橡胶伞裙包封。这样，避雷器大大减少了因―漏气‖而带来的受潮问题。 上、下法兰设计了经典的球头、球窝，分别与高压端、接地端连接。以2003年我国天生桥—广州线投入使用的500kV有间隙线路避雷器设计为例，除秉承电站避雷器技术基础外，还必须解决如下8点关键技术问题： （1）优良性能的硅橡胶复合外套 采用硅橡胶等有机绝缘材料生产的避雷器复合外套必须具备耐天侯、抗紫外线、耐电蚀损等优良性能。与瓷套相比，硅橡胶复合外套在重量、耐污性能上占有很大优势，详见表1。复合外套可选用的材料、品种很多。 （2）具备耐久性粘接技术 避雷器在多年使用中要经受引线拉力、线震、风摆、冰雪等的作用。上、下法兰与环氧玻璃纤维布筒的粘接部分是避雷器负载力传递区域，也是密封技术的薄弱环节。笔者认为，采用高温、高强度环氧浇合剂和倒锥形结构是目前最成功的设计之一，实践也证明了这一点。 （3）对接口的包封技术 包封硅橡胶复合外套上、下法兰与环氧玻璃布筒连接的外露面是避雷器加强密封的良策，也是防止电蚀损的又一有效措施。目前许多国外同类产品在工艺上亦未能实现这样的包封；但必须保证硅橡胶与法兰各种金属材料及热处理后的镀层之间有良好的粘合。此外，可在法兰上增加一个下大上小的槽形结构，以增强硅橡胶不出现脱胶的机械应力。
避雷针安装方法
避雷针安装方法 所有金属部件必须镀锌，操作时注意保护镀锌层。 采用镀锌钢管管制作针尖，管壁厚度不得小于3mm,针尖刷锡长度不得小于70m m 避雷针应垂直安装牢固。垂直度允许偏差为3/1000。 焊接要求焊接应采用搭接焊，其搭接长度必须符合下列规定： 扁钢为其宽度的2倍(且至少3个棱边焊接)。 圆钢为其直径的6倍。 圆钢与扁钢连接时，其长度为圆钢直径的6倍。 避雷针一般采用圆钢或钢管制成，其直径不应小于下列数值： a独立避雷针一般采用直径为19mm镀锌圆钢。 b屋面上的避雷针采用直径25mm镀锌钢管。 c水塔顶部避雷针采用直径25mm或40mm的镀锌钢管 d烟囱顶上避雷针采用直径25mm镀锌圆钢或直径为40mm镀锌钢管e避雷环用直径12mm镀锌圆钢或截面为100mm2镀锌扁钢，其厚度应为4mm 1、避雷针制作 1) 根据图纸要求在土建进行避雷针基础施工时 , 预埋好地脚螺栓等。 2) 按设计要求的材料所需的长度分上、中、下三节进行下料。如果针尖采用钢管制作 , 先将上节钢管一端锯成锯齿形 , 用手锤收尖后进行焊缝磨尖、涮锡 , 然后将另一端与中、下两节找直焊好。 2、避雷针安装 将支座钢板固定在预埋的地脚螺栓上 , 焊上一块肋板 , 再将避雷针立起 , 找直、找正后 , 进行点焊 , 然后加以校正 , 焊上其他三块胁板。最后将引下线焊接在底板上 , 清除药皮刷防锈漆。 3、支架安装 角钢支架应有燕尾，其埋注深度不小于100mm，扁钢和圆钢支架埋深不小于80 mm。 所有支架必须牢固，灰浆饱满，横平竖直。
防雷装置的各种支架顶部一般应距建筑物表面100mm；接地干线支架其顶部应距墙面20mm. 支架水平间距不大于1m（混凝土支座不大于2m）；垂直间距不大于1.5m 。各间距应均匀，允许偏差30mm。转角处两边的支架距转角中心不大于250mm。支架应平直。水平度每2m检查段允许偏差3/1000，垂直度每3m检查段允许偏差2/1000；但全长偏差不得大于10mm。 支架等铁件均应做防腐处理。 埋注支架所有的水泥砂浆，其配合比不应低于1：2。 支架安装 应尽可能随结构施工预埋支架或铁件。 根据设计要求进行弹线及分档定位。 用手锤。錾子进行剔洞，洞的大小应里外一致。 首先埋注一条直线上的两端支架，然后用铅丝拉直线埋注其它支架。在埋注前应先把洞内用水浇湿。 如用混凝土支座，将混凝土支座分档摆好。先在两端支架间拉直线，然后将其它支座用砂浆找平找直。 如果女儿墙预留有预埋铁件，可将支架直接焊要铁件上，支架的找直方法同前。避雷针制作与避雷针安装注意的质量问题： 焊接处一不饱满，焊药处理不干净，漏刷防锈漆。应及时予以补焊，将药皮敲掉，刷上防锈漆。 针体弯曲，安装的垂直度超出允许偏差。应将针体重新调直，符合要求后再安装独立避雷针及其接地装置与道路或建筑物的出入口保护距离不符合规定。其距离应大于3m，当小于3m时，应采取均压措施或铺设卵石或沥青地。
大学物理尖端放电演示实验
实验名称：尖端放电 演示内容：演示尖端放电原理的应用：避雷针。 仪器装置：高压电源、模拟避雷针装置。 【实验原理】 当避雷针演示仪接通静电高压电源后，绝缘支架上的两个金属板带电了。在极板间电压超过1万伏时，由于导体尖端处电荷密度大于金属球处，所以金属尖端附近形成了强电场，在强电场的作用下，空气分子被电离，致使极板和金属尖端之间处于连续的电晕放电状态，即尖端放电现象。而金属球与极板间的电场不能达到火花放电的数值，故金属球不放电。在实际应用中，尖端导体与大地相连接，云层中的电荷通过导体与大地中和，因而避免了人身和物体遭到雷电等静电的伤害。如高层建筑物顶端都安有高于屋顶物体的金属避雷针。 【实验操作与现象】 1．将静电高压电源正、负极分别接在避雷针演示仪的上下金属板上，把带支架的金属球放在金属板两极之间。接通电压，金属球与上极板间形成火花放电，可听到劈啪声音，并看到火花。若看不到火花，可将电源电压逐渐加大。演示完毕后，关闭电源。 2．用带绝缘柄的电工钳将带支架的顶端呈圆锥状（尖端）的金属物体也放在金属板两极之间，此时金属球和尖端的高度一致。接通静电高压电源，金属球火花放电现象停止了，但可听到丝丝的电晕放电声，看到尖端与上极板之间形成连续的一条放电火花细线。若看不到放电火花细线，将电源电压提高。演示完毕后，关闭电源。 【注意事项】 1．由于电源电压较高，关闭电源后，不能完全充分放电，故每一步演示后都应取下电源任一极与另一极接头相碰触人工进行放电，以确保仪器设备和操作者的安全。 2．晴天演示电源电压应降低些，阴天演示电源电压应提高些。 3．静电高压电源是用一号电池供电，改变电池伏数（即改变电池电压输出电
避雷针施工方案
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30m独立避雷针的安装施工方案 独立避雷针是保证变电站和人身、设备免受雷击灾害所必须采取的重要技术措施。变电站建设时根据所需保护的建筑、构架以及设备分布情况进行避雷针防雷保护。 一、根据设计单位计算，黄金埠35kV变电站新建工程将安装2根24米和1根30米高的独立避雷针，由于30米高的独立避雷针高度较高，重量大（1.515 T），且靠近构架和带电线路，因此，作业难度较大，特制定本施工方案。 二、施工时间 此项工程总体时间计划：2008年02月15日至2008年03月16日 构件现场验收： 2008年02月16日--02月22日 构件二次运输： 2008年02月23日--02月29日 构件组装： 2008年03月03日--03月08日 构件吊装： 2008年03日10日--03月16日 三、施工内容及主要质量控制要点 （一）施工准备 （1）技术准备。 l）图纸会检：严格按照国家电网公司《电力建设工程施工技术管理导则》的要求做好图纸会检工作，主要有下列几项： a. 施工图纸与设备、原材料的技术要求是否一致； b．图纸表达深度能否满足施工需要； c．施工图之间和总分图之间、总分尺寸之间有无矛盾；
d．设计采用的四新在施工技术、机具和物资供应上有无困难。 2）技术交底：应按照导则规定，每个分项工程必须分级进行施工技术交底。技术交底内容要充实，具有针对性和指导性，全体参加施工的人员都要参加交底并签名，形成书面交底记录。 （2）机具准备。按照施工措施要求的工器具进行准备和检查，详细见附表一。 （3）构件进场、验收及堆放。 l）构件进场时，应检查出厂合格证、构件安装说明、螺栓清单等出厂资料，以及构件的防腐质量、碰伤、变形情况，镀锌层不得有黄锈、锌瘤、毛刺及漏锌现象。 2）堆放时用道木垫起，构件不允许与地面直接接触，钢管堆放不得超过三层。 3）构件验收的质量标准：对单节钢管弯曲矢高偏差控制在L/1500，且≤5mm；单个构件长度偏差≤±3mm。 （4）作业人员组织。 总负责人:梁敏技术负责人：刘杰 安全负责人：徐亚平施工负责人：何强 吊装负责人:陈刚测量负责人：毛贤德 构件组装: 技工4人，焊工2人，辅工4人。 吊装:指挥 1人，吊车司机1人, 测工2 人，登高2人。 缆风固定:8人，溜绳控制: 2人，柱就位:4人，辅工：4人。 最终校正:测工：2人，技工：4人，缆风纠偏：4 人。 （二）基础及地脚螺栓复测
几个有趣的尖端放电实验
几个有趣的尖端放电实验 我们知道在静电学中， 导体带电时，导体表面突出和尖锐的地方，电荷分布比较密集，使其附近形成很强的电场。导体尖端附近空气中残留的正负离子在强电场的作用下发生剧烈的运动，并与空气中的气体分子碰撞，将空气分子电离成许多新的正负离子，那些与尖端带同种电荷的离子，受到排斥，远离尖端，形成“电风”。与尖端带异种电荷的离子受到吸引，奔向尖端，与尖端上的电荷中和，这相当于导体从尖端失去电荷，这就是尖端放电。利用尖端放电现象，我们可以完成几个有趣的实验。 (1)可以这样使水带电 实验装置如图1所示，将缝衣针固定在有机玻璃棒上，玻璃棒用夹子固定在铁架台上，针下方放一只盛满清水的塑料盆，塑料盆放在绝缘板上针尖端距水面约5cm~10cm，用导 线将针与感应起电机的一极相连，再将一根导线一端与验电器相连，另一端裸露部分插入水中。转动起电机，由于针的尖端放电，使水带上同种电荷，验电器箔片逐渐张开。 (2)模拟静电除尘 实验装置如图2所示，取圆形铝板一块固定在绝缘支座上(绝缘支座可用玻璃棒固定在底座上制成，在中学物理实验室中易找到，本文后几个实验中均用到绝缘支座)，将缝衣针装上塑料棒后固定在铁架台上，调节铝板与针尖端间距6cm~8cm，用导线将铝板和缝衣针分
别与感应起电机相连，将点燃的蚊香放在铝板和针之间。让起电机起电，使铝板和缝衣针带 电，蚊香烟被铝板吸附，若停止起电，烟又袅袅上升。 (3)旋转的风车 取两个易拉罐，剪一部分铝皮，将铝皮碾压平整，剪出一直径约8cm的圆，再剪成图3a样式的风车，尽量使叶片对称，在其中心处打一小孔，嵌上子母扣作支撑轴承，取缝衣针固定于绝缘支座上，针尖端顶在子母扣的凹坑处，实验装置如图3b所示。实验时，用导线将针与起电机一极相连，转动起电机，起电后，由于叶轮的尖端放电，在反冲作用下，风车 旋转起来。 (4)电风驱动的纸杯 取一个一次性的薄纸杯，在杯底中心处打一小孔，嵌上子母扣作支撑轴承。取自行车辐条一根，一端挫尖，另一端固定于小木块上，尖端顶在子母扣的凹坑里，再取两片大些的易拉罐铝皮，碾压平整，分别剪成长约10cm，宽约4cm的长方形，而后剪成排针状，将两
尖端放电现象以及尖端尺寸对放电的影响
尖端放电现象以及尖端尺寸对放电的影响 要求：通过查阅资料，解释尖端放电现象。建立不同尖端放电模型，研究电场分布及能量分布图，进行比较，得出结论。 例如：建立如下模型仿真其放电情况 小组成员：XXX XXX XXX
尖端放电现象以及尖端尺寸对放电的影响 原理解释 处于静电平衡状态的导体，导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面(这是因为，假设导体内部有电荷，导体内部的场强就不可能为零，自由电荷就会发生定向移动，导体也就没有处于静电平衡状态)；在导体表面，越尖锐的位置，电荷的密度(单位面积的电荷量)越大，凹陷的位置几乎没有电荷(关于这一点，不妨设想一个极端情况的例子：一枝缝衣针，带电后由于同种电荷相互排斥，电荷自然要被“挤”到针的两端)。 导体尖端的电荷密度很大，附近的场强很强，空气中残留的带电粒子在强电场的作用下发生剧烈的运动，把空气中的气体分子撞“散”，也就是使分子中的正负电荷分离。这个现象叫做空气的电离(ionization)。中性的分子电离后变成带负电的自由电子和失去电子而带正电的离子。这些带点粒子在强电场的作用下加速，撞击空气中的分子，使它们进一步电离，产生更多的带电粒子。那些所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，这相当于导体从尖端失去电荷。这个现象叫做尖端放电。 避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施。它是一个或几个尖锐的金属棒，保持与大地的良好接触。当带电的雷雨云接近建筑物时，由于静电感应，金属棒出现与于云层相反的电荷。通过尖端放电，这些电荷不断向大气释放，中和空气中的电荷，达到避免雷击的目的。 尖端放电会导致高压设备上电能的损失，所以高压设备中导体的表面应该尽量光滑。夜间高压线周围有时会出现一层绿色光晕，俗称电晕，这是一种微弱的尖端放电。 电场矢量分布图
浅谈避雷针设计
浅谈避雷针设计 EVENTU 自从200多年前著名科学家富兰克林和罗蒙偌索夫通过大量的科学实验建立了雷电学说，发明了避雷针以来，随着科学技术的不断发展，人们已从简单的避雷针发展到多种形式的防雷装置，从防直击雷开始发展到既防直击雷又防感应雷的综合防雷体系。这些都标志着人类文明的进步。以下仅浅谈综合防雷的工程设计。 按照现代防雷观点，综合防雷分为外部防雷和内部防雷部分，外部防雷主要是指防雷击雷、侧击雷对建筑物的伤害。建筑物防雷通过建筑物本身的基础接地体、引下线、避雷针、避雷网、避雷带、避雷网格、均压环、等电位、避雷器等的保护作用，以尽量大可能减弱雷击时对建筑物内的电磁效应，同时为建筑物内部设备的感应雷防护提供必要的条件，避免了建筑物遭受直击雷和侧击雷的雷击，从而保护了建筑物本身、设备和人。内部防雷保护主要是指设备防止雷电感应和防止线路上的雷电波的侵入，其采取主要的技术措施是屏蔽、接地、等电位处理，及安装分流限压装置，来控制削减雷电感应和雷电波的入侵，从而保护设备和人身安全免遭雷电感应的伤害。因此，综合防雷工程设计也分为外部防雷装置设计和内部防雷装置设计问题。外部防雷工程设计应在认真调查地理、地质、土壤、气象、环境等条件和雷电活动规律以及被保护建筑物的使用特点等基础上，详细研究防雷装置的形式及布置，进行工程设计。内部防雷的设计应认真调查建筑物的供电形式、地极的设置情况、房屋的屏蔽效果、管线的敷设、电子设备的屏蔽情况放置的环境距离外墙的安全距离、等电位外理以及雷电活动的规律等情况，以便提出相应的改进措施，设计出合理，有效的防雷电感应的工程方案来。由于综合防雷工程设计内容繁杂，项目要求很细，而且还要涉及到很多各行各业的规范条文，限于篇幅内容，仅将个人了解的各个设计要点列举如下： 一、防雷分类问题：建筑物应根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷的要求分为一、二、三类防雷建筑物。具体来说就是根据建筑物的是否处于易燃易爆场所或者是否处于火灾危险环境；是否属于国家、省、市级重要办公场所，或者是否属于重点文物保护单位；是否处于地理、地质环境易遭受雷击的地方，或者是否属于孤立旷野的高耸建筑物等等来划分防雷类别。根据新的 GB50057-94《建筑物防雷规范》的在关规定，一、二、三类防雷建筑物的滚球半径分别为了30Ｍ，45Ｍ，60Ｍ。滚球半径越少，保护范围越窄，受保护的建筑物越安全，遭受雷击的概率越低，因此，凡是属于易燃易爆场所、重要的办公场地、人员密集的公共场所、孤立旷野的高耸建筑物都属于一、二类的防雷建筑物。 二、接闪器和引下线的问题：接闪器在一般情况下多数采用避雷针、避雷网、避雷带。有时在大面积需要保护情况下，可以采用避雷线保护。在搞环境防雷时，可以采用ＣＡ－Ａ３防雷器或法国提前放雷避雷针保护。在一般情况下，除去一类雷建筑物需要采用独立避雷针、独立地极保护外，其余的类别均可采用针、网带保护，地极可作合设地极处理。保护范围的计算分别可按一、二、三类防雷建筑物的滚球半径计算。用GB50057-94规范作图方法来验证受保护的建筑物是否得到无空隙的保护。另外，不同的防雷类别其引下线及网格的距离不相同。一、二、三类防雷建筑物的引下线距离分别为12米、18米25米，天面网格的间距一类为5×5米，或6×4米，二类为10×10Ｍ或12×8Ｍ；三类为20×20或24×16Ｍ。 三、地极及地极接地冲击电阻的问题：如果建筑物的防雷地极是独立地极的话，一般要离开建筑物基础的地中距离３Ｍ以远；如果是通信用的独立地极的话，则要求离开建筑物20Ｍ以远，并要求接地电阻〈４欧。除去一类防雷建筑物属于０区和１区，用独立避雷针、独立地极保护外，其余类别一般情况下，都采用合设地极的方式，尤其是框架结构的建筑物更应采用本身基础作合设地极使用。一、二类防雷建筑物的接地冲击电阻〈１０欧、一般情况下，三类防雷建筑物的接地冲击电阻〈３０欧。但若与防感应雷的地极共用，这时的接地冲击电阻也应为〈１０欧。如果建筑物本身与通讯地合设地极，则这时的接地冲击电阻应〈１欧。
避雷针施工方案
30m独立避雷针的安装施工方案 独立避雷针是保证变电站和人身、设备免受雷击灾害所必须采取的重要技术措施。变电站建设时根据所需保护的建筑、构架以及设备分布情况进行避雷针防雷保护。 一、根据设计单位计算，黄金埠35kV变电站新建工程将安装2根24米和1根30米高的独立避雷针，由于30米高的独立避雷针高度较高，重量大（1.515 T），且靠近构架和带电线路，因此，作业难度较大，特制定本施工方案。 二、施工时间 此项工程总体时间计划：2008年02月15日至2008年03月16日 构件现场验收：2008年02月16日--02月22日 构件二次运输：2008年02月23日--02月29日 构件组装：2008年03月03日--03月08日 构件吊装：2008年03日10日--03月16日 三、施工内容及主要质量控制要点 （一）施工准备 （1）技术准备。 l）图纸会检：严格按照国家电网公司《电力建设工程施工技术管理导则》的要求做好图纸会检工作，主要有下列几项： a. 施工图纸与设备、原材料的技术要求是否一致； b．图纸表达深度能否满足施工需要； c．施工图之间和总分图之间、总分尺寸之间有无矛盾； d．设计采用的四新在施工技术、机具和物资供应上有无困难。
2）技术交底：应按照导则规定，每个分项工程必须分级进行施工技术交底。技术交底内容要充实，具有针对性和指导性，全体参加施工的人员都要参加交底并签名，形成书面交底记录。 （2）机具准备。按照施工措施要求的工器具进行准备和检查，详细见附表一。 （3）构件进场、验收及堆放。 l）构件进场时，应检查出厂合格证、构件安装说明、螺栓清单等出厂资料，以及构件的防腐质量、碰伤、变形情况，镀锌层不得有黄锈、锌瘤、毛刺及漏锌现象。2）堆放时用道木垫起，构件不允许与地面直接接触，钢管堆放不得超过三层。3）构件验收的质量标准：对单节钢管弯曲矢高偏差控制在L/1500，且≤5mm；单个构件长度偏差≤±3mm。 （4）作业人员组织。 总负责人:梁敏技术负责人：刘杰 安全负责人：徐亚平施工负责人：何强 吊装负责人:陈刚测量负责人：毛贤德 构件组装: 技工4人，焊工2人，辅工4人。 吊装:指挥1人，吊车司机1人, 测工2 人，登高2人。 缆风固定:8人，溜绳控制: 2人，柱就位:4人，辅工：4人。 最终校正:测工：2人，技工：4人，缆风纠偏：4 人。 （二）基础及地脚螺栓复测 （l）复核避雷针的基础轴线、标高、地脚螺栓的规格是否符合设计要求。 （2）基础顶面的支承面、地脚螺栓位置的质量标准应符合： l）支承面的标高偏差：≤±3.Omm； 2）支承面的平整度偏差：≤5mm；
几个有趣的尖端放电实验
几个有趣的尖端放电实验 2007年10月23日 06:50 几个有趣的尖端放电实验 我们知道在静电学中，导体带电时，导体表面突出和尖锐的地方，电荷分布比较密集，使其附近形成很强的电场。导体尖端附近空气中残留的正负离子在强电场的作用下发生剧烈的运动，并与空气中的气体分子碰撞，将空气分子电离成许多新的正负离子，那些与尖端带同种电荷的离子，受到排斥，远离尖端，形成“电风”。与尖端带异种电荷的离子受到吸引，奔向尖端，与尖端上的电荷中和，这相当于导体从尖端失去电荷，这就是尖端放电。利用尖端放电现象，我们可以完成几个有趣的实验。 (1)可以这样使水带电 实验装置如图1所示，将缝衣针固定在有机玻璃棒上，玻璃棒用夹子固定在铁架台上，针下方放一只盛满清水的塑料盆，塑料盆放在绝缘板上针尖端距水面约 5cm~10cm，用导线将针与感应起电机的一极相连，再将一根导线一端与验电器相连，另一端裸露部分插入水中。转动起电机，由于针的尖端放电，使水带上同种电荷，验电器箔片逐渐张开。 (2)模拟静电除尘 实验装置如图2所示，取圆形铝板一块固定在绝缘支座上(绝缘支座可用玻璃棒固定在底座上制成，在中学物理实验室中易找到，本文后几个实验中均用到绝缘支座)，将缝衣针装上塑料棒后固定在铁架台上，调节铝板与针尖端间距6cm~8cm，用导线将
铝板和缝衣针分别与感应起电机相连，将点燃的蚊香放在铝板和针之间。让起电机起电，使铝板和缝衣针带电，蚊香烟被铝板吸附，若停止起电，烟又袅袅上升。 (3)旋转的风车 取两个易拉罐，剪一部分铝皮，将铝皮碾压平整，剪出一直径约8cm的圆，再剪成图3a样式的风车，尽量使叶片对称，在其中心处打一小孔，嵌上子母扣作支撑轴承，取缝衣针固定于绝缘支座上，针尖端顶在子母扣的凹坑处，实验装置如图3b所示。实验时，用导线将针与起电机一极相连，转动起电机，起电后，由于叶轮的尖端放电，在反冲作用下，风车旋转起来。 (4)电风驱动的纸杯 取一个一次性的薄纸杯，在杯底中心处打一小孔，嵌上子母扣作支撑轴承。取自行车辐条一根，一端挫尖，另一端固定于小木块上，尖端顶在子母扣的凹坑里，再取两片大些的易拉罐铝皮，碾压平整，分别剪成长约10cm，宽约4cm的长方形，而后剪成排针状，将两个排针用塑料夹固定在绝缘支座上，整个实验装置如图4所示。排针尖距纸杯约1cm，两个排针的尖端指向纸杯的切线方向，实验时，用两根导线分别将
富兰克林与避雷针的故事
富兰克林与避雷针的故事 1752年6月的一天，美国费城郊区，乌云密布，电闪雷鸣，在一 块宽阔的草地上，有一老一少两个人正兴致勃勃地在那里放风筝。突然，一道闪电劈开云层，在天空划了一个“之”字，接着嘎嘣一声脆雷，雨点就瓢洒盆泼般地倾下来了。 只见老者大声喊道：“威廉，站到那边的草房里去，拉紧风筝线。”这时，闪电一道亮过一道，雷鸣一声高过一声。突然威廉大叫：“爸爸，快看！”老者顺着儿子指的方向一看，只见那拉紧的麻绳， 本来是光溜溜的，突然怒发冲冠，那些细纤维一根一根都直竖起来了。他高兴地喊道：“天电引来了！”他一边嘱咐儿子小心，一边用手慢 慢接近接在麻绳上的那把铜钥匙。突然他象被谁推了一把似地，跌到 在地上，浑身发麻。他顾不得疼痛，一骨碌从地上爬起来，将带来的 莱顿瓶接在铜钥匙上。这莱顿瓶里果然有了电，而且还放出了电火花，原来天电和地电是一个样子！他和儿子如获至宝似地将莱顿瓶抱回了家。 这捕获天电的人就是富兰克林和他的儿子威廉。富兰克林于1706 年4月17日生在美国，小时候家里很穷，无钱上学，就在哥哥开的印 刷厂中当学徒。不过，他凭借他的聪明才智和不懈的努力，一生中具 有很多发明，而且是电学的开门鼻祖。他不但是一位伟大的科学家， 还是一位杰出的政治家和外交家，他是《独立宣言》的发起人之一， 是美国第一任驻外大使。 风筝实验之后，富兰克林写了一篇《论闪电和电气的相同》的论文，阐述了雷电的本质，还提出了制造避雷针的设想，使建筑物免遭 雷击。不过，当他的论文在英国皇家学会上宣读的时候，有人却报之 以轻蔑和嘲讽。但是，科学终究会战胜愚昧和无知，1756年英国皇家 学会授予富兰克林皇家学会正式会员的称号。 富兰克林发明的避雷针，一下子风靡一时，传到英国、法国、德国、传遍欧洲和美洲。但是传到英国却发生一段离奇的故事。
三避雷针的高度设计(上)
1．滚球法 GB 50057—94《建筑物防雷设计规范》附录四滚球法确定接闪器的保护范围，单支避雷针在地面上的保护半径γ0按式（1）计算： γ0 = √h（2hr-h）（1） 式中h ——避雷针高度； hr ——滚球半径，取决于建筑物防雷类别，对于第一类、第二类、第三类防雷建筑物，hr的取值分别为30m、45m、60m； γ0——避雷针在地面上的保护半径。 2．滚球半径和避雷针高度 公式（1）只适用于避雷针高度h小于或等于滚球半径hr，若避雷针高度h大于滚球半径hr时，避雷针的保护范围是否增加，答案是不增加。 例如滚球半径取30m，避雷针固定在地上，针高30m，代入式（1），得出避雷针在地面上的保护半径为30m。 滚球半径仍取30m，避雷针固定在地上，针高若为60m，求避雷针在地面上的保护半径，此时不能采用式（1）计算，对于避雷针高度大于滚球半径时，其在地面上的保护半径等于滚球半径，也就是说，避雷针在地面上的保护半径最大不超过滚球半径。 3．避雷针高度 问题1：一幢高60m的建筑物，在其屋顶上装一支针尖高出屋顶5m的避雷针，用滚球法计算避雷针在屋顶上的保护范围时，避雷针的高度（h）为多少？ 观点1。65m。理由是：避雷针的高度是指避雷针的针尖离地的高度，避雷针装在建筑物的顶部，因此避雷针离地高度为建筑物高度（60m），加上避雷针高度（5m），总高为65m； 观点2。5m。理由是：用滚球法计算避雷针的保护范围时，“地”并非单指大地，“地”是指包括大地在内的与地相连的避雷带等。建筑物顶部四周设置了避雷带，因此避雷针的高度是指避雷针的针尖离避雷带的垂直高度，即为5m。 问题2：一建筑物高100m，在其屋顶装一支高5m的避雷针，另一建筑物高60m，在其屋顶也装一支高5 m的避雷针，问这两支避雷针在地面上的保护范围哪个大？ 观点1。避雷针装得越高，其保护范围越大，因此装在100m高建筑物顶上的避雷针在地面上的保护范围大； 观点2。避雷针的地面保护范围最大不超过滚球半径，因此即使按第三类防雷建筑物计算，它们在地面的保护范围也一样大，地面保护半径都是60m。 问题3：建筑物旁边安装了一支独立避雷针，对不同防雷建筑而言，避雷针的保护范围是否一样？ 观点1。一样。避雷针的保护范围取决于避雷针的离地高度，与被保护建筑物的防雷等级无关； 观点2。不一样，避雷针的保护范围与建筑物的防雷类别有关，第三类防雷防雷建筑物的保护半径最大。 4．避雷针高度的问题1的正确答案 解答依据：GB 50057—94《建筑物防雷设计规范》附录四的最后第7条指出：本附录各图中所画的地面也可以是位于建筑物上的接地金属物、其它接闪器。 对问题1，屋顶上的避雷带因为与地作了电气连接，屋顶上还有避雷网格，因此计算避雷针在屋顶上的保护范围时，避雷针高度应是针尖离避雷带的垂直距离，而不是离大地的距离，因此观点2正确，避雷针的高度应以5m计算。 5．避雷针高度的问题2的正确答案 之三避雷针的高度设计（上）黄晓虹上海市防雷中心
避雷针的工作原理
避雷针的工作原理是什么？ 常规防雷电可分为防直击雷电、防感应雷电和综合性防雷电。防直击雷电的避雷装置一般由三部分组成，即接闪器、引下线和接地体；接闪器又分为避雷针、避雷线、避雷带、避雷网。以避雷针作为接闪器的防雷电原理是：避雷针通过导线接入地下，与地面形成等电位差，利用自身的高度，使电场强度增加到极限值的雷电云电场发生畸变，开始电离并下行先导放电；避雷针在强电场作用下产生尖端放电，形成向上先导放电；两者会合形成雷电通路，随之泻入大地，达到避雷效果。实际上，避雷针是引雷针，可将周围的雷电引来并提前放电，将雷电电流通过自身的接地导体传向地面，避免保护对象直接遭雷击。通俗的解释就是：避雷针的作用像雨伞为人们遮雨一样，覆盖着它一定范围内的建筑设施，一旦有雷电进入到了这个伞状的范围，雷电就会被避雷针吸引过来，再通过本体泄人大地，从而使伞状以下的建筑不被雷击。避雷针之外还有避雷线，它是通过防护对象的制高点向另外制高点或地面接引金属线的防雷电，它的防护作用等同于在弧垂上每一点都是一根等高的避雷针。后来发展了避雷带，就是在屋顶四周的女儿墙或屋脊、屋檐上安装金属带做接闪器来防雷电，即如你所说的那种。避雷带的防护原理与避雷线一样，由于它的接闪面积大，接闪设备附近空间电场强度相对比较强，更容易吸引雷电先导，使附近尤其比它低的物体受雷击的几率大大减少。再后来又发展了避雷网，分明网和暗网。明网是在避雷带的中间加敷金属线制成的网，然后通过截面积足够大的金属物与大地连接的防雷电，用以保护建筑物的中间部位。暗网则是利用建筑物钢筋混凝土结构中的钢筋网进行雷电防护，只要每层楼的楼板内的钢筋与梁、柱、墙内的钢筋有可靠的电气连接，并与层台和地桩有良好的电气连接，形成可靠的暗网，则这种方法要比其他防护设施更为有效。 法国易敌雷拥有超过40年丰富防雷器生产和防雷工程经验和一支强大的由法国最著名大学和研究机构组成的工程师队伍，使INDELEC（"易敌雷"）防雷器成为雷电保护装置的专家。不论在法国以至世界各地，PREVECTRON防雷器经过数十年势不可挡的成功，INDELEC（易敌雷）目前正全力推出其最新研究成果：PREVECTRON（第二代）避雷针。（以下称PREVECTRON 2） INDELEC避雷针是如何动作的 当雷暴来临时，所产生的能量是相当巨大的（每米达到几千伏），PREVECTRON 2早期预放电防雷器的空气终端从自然界的电场中吸收能量，下端能量收集电极把电能量贮存在防雷器触发装置内。每当闪电发生前，场强度会迅速增强，当防雷器贮存的能量达到某一水平，空气终端便会把信息输送往防雷器电触发装置，在空气终端的尖端便会产生火花，并使尖端周围的空气离子化，形成尖端放电现象。 INDELEC早期预放电避雷针原理 在空气终端的尖端的离子化可被表征为：控制离子的释放：PREVECTRON 2早期预放电防雷器的触发装置容许离子在极短的时间内放电，防雷器触发系统极度的准确性意味着离子可在极准确的时间被释放，换句话说，在主闪电发生前的刹那间。CORONA效应的触发：大量初始电子的存在，连同迅速增强的电场令自然的CORONA效应触发时间减少。预期上引放电通道：PREVETRON 2早期预放电避雷针被设计成从其尖端产生一预期上引放电通道，并早于那些邻近高点产生，这就表示着PREVECTRON 2早期预放电避雷针成为了在其保护范围内最有影响力的一点。在实验室测量时，这个触发时间的提前时间被定义为△T，代表了与单一棒比较起来，PREVECTRON 2早期预放电避雷针空气终端的有效性测量更理想。 易敌雷提前放电避雷针产品系列 PREVECRON 2早期预放电避雷针共有五种型号。其中每种型号由不锈钢中央收集杆、电极和盒组成，适合于腐蚀性环境，对应于不同的防雷保护半径，每种型号分别具有其不同性能的特征。