电磁论文之浅谈避雷针

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1、电磁论文之浅谈避雷针一、问题的提出在各种自然灾害中，雷电引发的事故一直是最为频繁的。浙江省作为雷电多发省市仅2005年一年全省就共发生雷击事故782起，由此引发的人身事故24起，造成24人死亡，11人受伤，建筑物受损350宗，直接经济损失约3300万元。由此可见，必须采取行之有效的办法来避免雷电事故的发生，而避雷针就起到了这样举足轻重的作用。二、避雷针的定义及历史（1）定义：由截闪器、引下线和接地装置组成的防雷保护装置。截闪器安装在构架上并高于被保护物，用于拦截雷击使之不落在避雷针保护范围内的物体上，通过引下线和接地装置将雷电流释放到地中。（2）历史：现代避雷针是美国科学家富兰克林

2、发明的。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银钥匙。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。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。三、相关原理（1）雷电：雷云中电荷的分布是不均

3、匀的，而是形成许多堆积中心。因而不论是在云中或是在云对地之间，电场强度是不一致的，当云中电荷密集处的电场强度达到25-30kv/cm时，就会由云向地开始先导放电（对于高层建筑，雷电先导可由地面向上发出，称为上行雷），当先导通道的顶端接近地面时，可诱发迎面先导（通常起自地面的突出部分），当先导与迎面先导会合时，即形成了从云到地面的强烈电离通道，这时即出现极大的电流，这就是雷电的主放电阶段，此时雷呜和电闪都伴随着出现。主放电存在的时间极短，约50-100/us，主放电过程是逆着先导通道发展的，速度约为光速的1/21～1/2,主放电的电流可达数十万安，是全部雷电电流中最主要部分。主放电到

4、达云端时就结束了，然后云中的残余电荷经过主放电通道流下来称为余光阶段，由于云中电阻较大，余光阶段对应的电流不大（约数百安），持续时间却较长（0.03-0.15s）。由于云中可能同时存在几个电荷中心，所以第一个电荷中心的上述放电完成之后，可能引起第二个、第三个中心向第一通道放电。因此雷电往往是多重性的，每次放电相隔600us-800us，放电的数目平均为2-3次。（2）避雷针的工作原理：在雷雨天气，高楼上空出现带电云层时，避雷针和高楼顶部都被感应上大量电荷，由于避雷针针头是尖的，所以静电感应时，导体尖端总是聚集了最多的电荷。这样，避雷针就聚集了大部分电荷。避雷针又与这些带电云层形成了

5、一个电容器，由于它较尖，即这个电容器的两极板正对面积很小，电容也就很小，也就是说它所能容纳的电荷很少。而它又聚集了大部分电荷，所以，当云层上电荷较多时，避雷针与云层之间的空气就很容易被击穿，成为导体。这样，带电云层与避雷针形成通路，而避雷针又是接地的，避雷针就可以把云层上的电荷导入大地，使其不对高层建筑构成危险，保证了它的安全。四、实际应用中的问题有关接线、接地问题：（一）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。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。如下面图1、

6、图2、图3：图1：只有一根入地引下线，防雷措施最为简单；图2：有2根入地引下线，假设它们分别从两侧引下，屋脊和斜脊上敷都设有避雷带；图3：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。图1单根引下线防雷系统结构简图图2双引下线防雷系统结构简图图3多引下线防雷系统示意图计算图1单独引线下的电磁感应：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4。图4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  （1）式中，（di/dt）max—流经

7、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 （V） （2）式中，µ0—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/m•s；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。当全部的雷电流都通过一根导线引下时，根据上式，可知电磁感应非常大。以此推看，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