1、避雷线保护范围1 绪 论 雷电是一种大气自然现象，对人类社会而言，雷电有时也会造成自然灾害。人与自然总体上是和谐发展的，这是社会进步的前提，雷电灾害的范围和表现形式在这发展过程中也在发生变化，于此同时，雷电防护科学技术也在人类认识自然，抵御自然灾害过程中不断发展。 从久远的过去开始，雷电就对人类、人类赖以生存的自然资源和人类创造的物质文明构成巨大的威胁，例如，森林火灾有50%以上因雷电引发；人们居住生活的建筑物屡遭雷电破坏；电力、石化等工业设施常因雷击而发生灾难性事故。不难看出，雷电灾害的范围随社会经济发展而扩大，其表现形式随其范围扩大而复杂。 因此，提高雷电防护科技水平势在必行。 富兰克林发
2、明避雷针之后，这一防雷工程技术延续了百余年毫无发展，不仅是由于人类对雷电的认识停滞不前，而且还由于实际需要没有变化，避雷针还未显出其局限性1。架空电线上直击雷和感应雷产生的或电压波沿线侵入建筑物内造成设备损坏、破坏房屋和人身伤亡等现象，这是富兰克林年代不可能见到的。这是科技发展带来的新的雷灾，当然富兰克林的避雷针无法对付它，需要一种完全不同的思路来防止这种雷灾，那就是在过电压波入建筑物之前把它倒入地，为此而设计出来的避雷装置就是避雷线。 近年来，国外超高压线路有采用良导线避雷线的趋势，主要采用铅包钢线，它具有强度较高、不生锈、又有适当的导电率的优点。一般用绝缘子使之与杆塔相互绝缘，利用间隙引导
3、雷电流入地，这样，可利用避雷线作为载波通道并减少电能感应损耗。本文主要介绍了雷电的形成、危害、防雷原理和防雷措施，还对单支避雷线进行了有效的安全防护范围的计算。2 雷电的形成及其危害2.1 雷电的形成雷电是自然界的一种静电放电现象。在阳光照射地面后，地面水分蒸发成水蒸汽，受热变轻上升。上升气流中水汽遇冷气凝成小水滴，当水滴聚积很多时即成为云，云层很厚时便形成乌云。云层中可带有不同电荷。乌云可通过如下三种效应起电，即水滴破裂效应:云中水滴被强气流吹袭，会分成两个以上水滴，而较大水滴带正电，较小水滴带负电，于是云层带有不同的电荷（正电及负电）；吸收电荷效应:宇宙射线作用下，大气中存在正负两种离子，
4、且空间存在自上而下的电场，该电场使云层上部聚负电，下部聚正电，在气流作用下使云层分离，从而使云层带不同种电荷；水滴冻冰效应：云滴在气流作用下升入高空，遇冷结成冰晶后开始下降，在下降中又遇到云滴，在冰晶周围形成水膜，在冰晶及水膜间形成了电位差，其冰晶带负电而水膜带正电。在上述过程反复进行下，水膜不断加厚，在较强气流吹动下，水膜被吹散，形成许多带正电的小水滴，且吹到云层顶部，形成云团顶部带正电，云团底部带负电。2.2 雷电的危害雷击对地面造成危险主要从对物体（如设施、设备及房屋、树木等）及对人身伤害来考虑。在雷电向地面放电时，又可以分成两种破坏方式即雷击的一次作用及雷击的二次作用。雷电直接击中地面
5、建筑物等所造成的击毁，称为雷电第一次作用。在击中的地面上伴随着极大的机械效应和热效应，使房屋和建筑物发生火灾和被击毁。闪电通路与不燃物（砖、混凝土）接触时，产生部分破坏，易燃和易爆的液体和固体就会发生着火和爆炸。在没有雷电防护的目的物，雷电直接击中目标，是使雷电击中目的物所在地区的电位势，达到了极高值。结果，沿介质强度最小的路，从被击中地区向房屋内的地面放电，这样形成的放电（火花）可使保管在房内炸药引起爆炸。雷击在雨季中常有发生，如房屋被雷击破坏，树木被雷击断裂及失火，人员在屋内被雷电击死等。在与建筑物有一定距离处雷电放电时，雷电不与房屋和建筑物直接作用，表现出一系列的间接作用，这种雷电作用称
6、为雷电二次作用，雷电二次作用是由静电感应和电磁感应引起的。除了雷电一次作用和二次作用外，高电位蓄积对有爆炸危险的保护物，也能够引起很大的危险。由于静电感应或雷电直接击中到架空线上，以及当雷电从被击毁树木附近树干移到线上时，高电位势就能呈现在架空线上（动力线、照明线、电路线、信号线），也能沿着与避雷装置接地极板连接的或接地极板附近的地下管子、电缆而产生。这种电位势可以从架空线向被保护对象附近物体发生放电，当电流经过避雷装置接地极板扩散的瞬间，接地极板获得了极高的电位势，如果与保护物相连接管子或其他金属物体同接地极板连接起来，或者位于其附近时，则高电势能够沿着金属物体进入有爆炸危险保护的内部，有可
7、能引起火花。防止高电位势蓄积的方法是，将接地极板与地下金属物隔开一定距离2。当雷击通过避雷针或高压线路落地时，由于电流在地中扩散，会在地面上沿半径各点形成不同电位，当附近人员跨开两脚，在两脚间会受到很高的跨步电压作用，它也会造成对人员及爆破工程的危险。在雷击条件下，为避免接触电压及跨步电压对人的危险，人应离开避雷针35m。3 对雷击的防护3.1概述在当今世界上，对雷击的防护大多国家仍沿用富兰克林避雷针的原理。特点为利用自身高度使雷云下的电场发生畸变，使雷电吸引于自身，代替被保护物受雷击。防雷的主要设备可以分为两大类，即避雷装置和消雷装置。属于避雷装置系统的有传统的富兰克林避雷针、避雷线和法拉第
8、笼。属于消雷装置系统有导体型和半导体型两类。3.2 防雷建筑物分类雷电对大地上目标的危害随其条件状况的不同而不同，如地理位置不同，建筑物结构与性质不同，建筑物内存放物不同，物质状态不同等。因此，在防雷设施上也实施分类指导的原则。在民用建筑物中，根据其用途及重要性不同分为3类。即第一类防雷民用建筑物，这类建筑物具有特殊用途的属国家级大型建筑，如国家级会堂、办公建筑、火车站、航空港、通讯枢纽、国宾馆、旅游建筑、重点文物等。第二类防雷民用建筑物是重要的或人员密集的大型建筑，如省、部级办公室、体育、广播与通讯、商厦及剧场等。第三类防雷民用建筑是高度超出20m的建筑；超过15m的烟囱及塔等孤立建筑；历史
9、上雷害多的地区等，以及雷击次数平均为0.01以上的建筑物。3.3 防雷措施雷电对地面目标危害表现有三个方面，直接雷击即直击雷；雷电感应，即表现为各种静电积聚及升高；雷电波侵入，即表现为各种电磁感应现象产生。防止直击雷的方法是采用避雷装置。避雷装置通常主要由三部分组成，即雷电承受器、接地引线及接地极板。雷电承受器用于直接承受雷击；接地引线是雷电承受器和接地极板的连接导线；接地极板是埋入地中，并将雷电电流导入地中。避雷线防雷电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。根据防护对象的不同避雷线分为单根避雷线、双根避雷线或多根避雷线。可根防护对象的形状和体积具体确定不同截面积的避雷线
10、。避雷线一般采用截面积小于35mm2的镀锌钢绞线。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。3.4 国内外防雷技术发展趋势3.4.1 标准化、模块化设计在针对电源系统进行防护的电源防雷器的开发设计中，厂商基本统一采用标准的模块化设计，全部采用35mm标准电气导轨的安装方式，比起最初简单的防护方法，此种设计安装更方便，也可实现更好的防爆防火安全需求。3.4.2 针对性的专业设计随着科技技术的发展，越来越多的高科技新型设备的出现，防雷的种类也在不断推陈出新，为的是更好的满足这些高科技新型设备的更高技术要求，所以针对每一种高科技新型设备，将会有更具针对性的专业化防雷产品出现。3.4.3
11、精细化随着现代化高新技术产业基础电子技术的迅速发展，新型设备的内部结构越来越集中化，元件越来越精细化，使得设备耐受过电压、过电流的能力不断下降，更易遭受雷电破坏。所以要求未来的防雷产品的残压要更低，保护要更精细。防雷是一个永久话题，仍在不断发展中，应该说现在尚无万试万灵的产品。防雷技术还有许多待探索的东西，目前雷云起电的机理还不清楚，雷电感应的定量研究也很薄弱，因此防雷产品也在发展中，一些防雷产品所声称的新效果，需以科学的态度在实践中检验，在理论上发展完善。由于雷电本身是小概率事件，需要大量长期的统计分析才能得到有益的结果，这需要各方的通力合作才能实现。4 避雷线概述避雷线又称架空地线，架设在
12、杆塔顶部，一根或二根，用于防雷，110-220千伏线路一般沿全线架设。架空送电线着累时，可能打在导线上，也可能打在杆塔上。雷击导线时，在导线上将产生远高于线路额定电压的所谓“过电压”，有时达几百万伏。它超过线路绝缘子串的抗电强度时，绝缘子将“闪络”，往往引起线路跳闸，甚至造成停电事故。避雷线可以遮住导线，使雷尽量落在避雷线本身上，并通过杆塔上的金属部分和埋设在地下的接地装置，使雷电流流入大地。雷击杆塔或避雷线时，在杆塔和导线间的电压超过绝缘子串的抗电强度时，绝缘子串也将闪络，而造成雷击事故。通常用降低杆塔接地电阻的办法，来减少这类事故。避雷线的保护效果还同它下方的导线与它所成的角度有关，角度较
13、小时，保护效果较好。在架有两根避雷线的情况下，容易获得较小的保护角，线路运行时的雷击跳闸故障也较少，但建设投资较大。我国近年来新建的220千伏以下线路，多采用一根避雷线。在雷击不严重的110千伏及较低电压的线路上，通常仅在靠近变电所两公里左右范围内装设避雷线，作为变电所进线的防雷措施。避雷线一般使用镀锌钢绞线架设，常用的截面是25、35、50、70平方毫米。导线的截面越大，使用的避雷线截面也越大。避雷线也会因风吹而振动，常易发生振动的地方通常装有防振锤。近年来，国外超高压线路有采用良导线架空地线的趋势，主要采用铅包钢线，它具有强度较高、不生锈、又有适当的导电率的优点。一般用绝缘子使之与杆塔相互
14、绝缘，利用间隙引导雷电流入地，这样，可利用架空地线作为载波通道并减少电能感应损耗。5 避雷线的防雷保护原理 在雷电先导阶段，避雷线顶部聚积电荷，在发展先导和避雷线顶端之间的通道中建立了很大的电场强度，避雷线迎面先导的产生和发展大大加强这个通道中的电场强度，最好选定击中避雷线，靠近避雷线的被保护物比避雷线低，由于避雷线的屏蔽和迎面先导作用，使被保护物遭受雷击的概率很小。利用避雷线可实现直击雷保护。虽然这种方法不是主动的，但能提供99.5%99.9%的保护效果。对密闭在完全金属壳体（或金属网）内的被保护物才能提供完全保护。例如，人在金属壳体内或在停放的金属壳体汽车内，能安全免遭雷击伤害。按引雷的性
15、能，避雷线的确切名称应是“引雷线”，因避雷线这一名称已被广泛使用，所以成为惯用名词3。 避雷线的可靠防雷保护作用，除要在保护范围内有引雷作用外，还要求避雷线的泄流通道（回路）的阻抗（包括引流线电抗和接地电阻）很小，这也是保护的必要条件。因为在雷电直击避雷线时，很高的引流线电抗和接地电阻可能产生很高的电压，引起避雷线在空气中、绝缘物或地面上对被保护物反击。 避雷线在受雷击向大地泄放电流时，产生的高电压对金属、砖石或混凝土结构一般不会造成破坏，所以像烟囱、冷水塔、架空线路杆塔、高压配电装置架构的避雷线及其引流线，均可固定在其本体上。但上述这种高电压，对于易燃、易爆和敏感电子设备和低压电器设备，很可
16、能因出线火花或发生电阻或设置独立避雷线等措施来显出这种危险。6 避雷线的保护范围所谓保护范围是指被保护物在此空间内可遭受雷击的概率在可接受值之内。各种文献规定的保护范围内不同是指允许遭受雷击的概率不同。中华人民共和国和国电力行业标准DL/T 6201997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合中规定，避雷线保护范围可接受雷击概率为0.1%，即保护范围可靠率达0.999.美国推荐性标准 IEEE Std 1421991规定，避雷针击距（或球半径）为30 m 时，保护范围内遭受雷击概率（饶几率）大约为0.1%；击距（或球半径）采用45 m 时，雷击概率大约为0.5%。国内对避雷线的保护范围空间内雷电绕
17、几率，或保护可靠率研究较少37。 在一些情况下，用避雷线比避雷针更方便和经济。避雷线保护范围截面建立类似避雷针，仅系数不同，这是因避雷线的引雷功能没有避雷针强。6.1单支避雷线的保护范围 避雷线保护范围大小同数目、高度、相互位置、雷云高度及对雷云相对位置有关。某危险工房高度为9m，安装有避雷线，架空避雷线高20米，计算单只避雷线的保护范围。单支避雷线保护范围见图6.1。在被保护物物高度hx水平上保护半径为当hx0.5h时， r=0.47(h-hx)p (6.1)当hx0.5h时， r=(h-1.53hx)p (6.2)式中：r每侧保护范围宽度，m； hx被保护物高度，m； p高度影响系数。即
18、h30m，p=130mh120m，p=图6.1 单根避雷线的保护范围由于工房高度为9m，架空避雷线高为20m，由于被保护物高度小于避雷线高度的一半，所以带入公式6.2，p取1，r=(h-1.53hx)p=(20-1.539)1=6.23m所以避雷线在hx水平上的保护半径为6.23m。7 结 论本文通过对雷电的形成及危害的描述引出避雷线，并且介绍了对雷击的防护，国内外避雷装置发展趋势以及避雷线的防雷原理。 对避雷线在实际中的应用做了简述，并用折线法对单支避雷线的保护范围进行了计算。通过计算得出当危险工房高度为9m时，高度为20米的单支避雷线在水平上的保护半径为6.23m。由于时间仓促加之本文水平
19、有限，论文中难免有不足之处，还请老师、同学予以指出帮助。 参考文献1 虞吴.现代防雷技术基础M.第一版.气象出版社，1995：172 汪佩兰，李桂茗.火工与烟火安全技术M.第一版.北京理工大学出版社，2009：2132243 许颖.避雷线保护范围不应“绝对化”J.中国雷电与防护，2003（3）：57604 中华人民共和国机械工业部.GB5005794建筑物防雷设计规范S.中国水利电力出版社，20045 许颖.浅析避雷线防直击雷的作用J.防雷世界，2003（12）：28316 许颖.再析避雷线防直击雷的作用J.雷电防护与标准化，2005（1）：191227 中华人民共和国水利部.DL/T 6201997交流电气设置的过电压保护和绝缘配合S.中国水利电力出版社，1981
