预放电避雷针原理及应用-张大明

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1、浅谈预放电避雷针的原理与应用作者：张大明（北京工程有限公司三亚半山半岛项目部）摘要：本文从预放电避雷针自身结构和相关测试等方面介绍该避雷针的防护原理和性能特点。关键词：预放电避雷针保护范围原理特性应用一、前言众所周知，外部防雷装置由接闪器、引下线和接地装置三部分组成。其中接闪器的作用是让在一定范围内出现的闪电能量按照人们设计的通道泄放到大地中去。被保护物的安全在很大程度上取决于能不能利用有效的接闪器，把一定保护范围的雷闪放电捕获到，导入预先设计的对地泄放的合理途径之中。　　1990年，美国佛罗里达大学国际雷电研究和试验中心主任Rakov教授

2、提出：接闪器如能产生一个较长的上行迎面先导，那么其吸引效应就会被加强；上行迎面先导越长，加强作用越大。预放电避雷针相比普通避雷针在同一处同一安装高度时，提前发射出与正在下行的梯级先导相连的上行迎面先导。这个提前发射的上行迎面先导可以推进更长的距离。可以更加有效地捕获雷电流，从而避免建筑物其它部位遭受雷击。二、预放电避雷针的工作原理预放电避雷针的工作原理就是产生一个比普通避雷针更快的上行先导。图一预放电避雷针工作原理图如图一所示，d’间隙位于预放电电子触发装置（无源的电子触发回路）内部。d间隙由针体上部电极与预放电电子触发装置外壳组成的。上部

3、电极在上行先导放电时，用于向上产生火花。　　无雷电云时，大气中的电场强度E约为300V/m。有雷电云时，雷云与地之间的电场强度E为10kV/m～20kV/m时，通过底部电极吸收空间电场的能量并将电荷储存在预放电电子触发装置内部。电荷充电到一定程度时，通过其上部电极(d间隙击穿)放电，针体上部和尖端周围形成强烈的电晕放电（离子层），提前产生一个向上发射的迎面先导，使下行先导放电通道畸变。上行迎面先导迅速向下行先导方向传播并捕获雷电，形成主放电通道，雷电流伴随着闪电和雷鸣由主放电通道泄放入地，从而避免预放电避雷针周围的被保护物遭受雷击。三、预放

4、电避雷针的工作特性1、能量自给的预放电电子触发装置，无需外接电源触发；2、相同高度下，预放电避雷针比普通避雷针保护范围更大；3、落雷准确度高，减少了雷击于被保护物的概率；4、免维护，无源、无需供电、无损耗元件；5、安全可靠，无放射性元素、不锈钢材料、耐腐蚀能力强；6、重量轻，荷载小，安装简便；四、预放电避雷针保护范围的计算保护半径Rp由实际测量的ΔT、被保护物的防雷等级或雷击危险评估计算出的保护等级和预放电避雷针针尖至被保护物的垂直距离h的三个因素决定。　　法国国家防雷标准NFC17-102标准规定：有效高度h为预放电避雷针针尖至被保护物的

5、垂直距离，Rp为水平面上的保护半径。图二预放电避雷针保护范围示意图Rp=式中：ΔT--预放电时间ΔL--预放电的抢先距离ΔL＝VΔTRp--水平面上的保护半径V--平均先导传播速度(取V=1m/μs)，B--闪电中心D--滚球半径（击距）：GB50057-94规定第Ⅰ类建筑物：30m、第Ⅱ类建筑物：45m、第Ⅲ类建筑物：60m五、工程实例中铁十六局集团机关办公楼为二级防雷建筑物，设计选用了法国杜尔-梅森卫星+ESE5000、安装高度为5米的预放电避雷针，其预放电时间为50微秒（查表1），其保护半径可直接对照选型表查得。表1“satelit+

6、”产品型号及预放电时间序号型号预放电时间ΔT1ESE250025微秒2ESE400040微秒3ESE500050微秒4ESE600060微秒表2不同型号不同安装高度的“satelit+”对二类防雷建筑物的保护半径（Rp）针尖高度h=高于被保护物的高度（m）24571015204560ESE25002345575961636570-ESE40003060757677808185-ESE50003569868788909295-ESE60004078979899101102105-根据现场实际情况，总安装高度为5米的预放电避雷针高于主、辅楼屋面

7、最高处的高度分别为2.1米和7.1米。查表2得出主楼的保护半径为：35米；查表2得出辅楼的保护半径为：87米。因中铁十六局集团机关办公楼主楼的长度为70米，大楼的总长度为118米，高度为5米的避雷针满足保护主楼及辅楼不受雷电侵害的要求。六、结论预放电避雷针已有10多年的运行经验，作为特殊设计的这种接闪器可以在其附近产生更强的电离，用一特殊的无源电子触发装置和在梯级下行先导临近时产生的高电场中提供一小气隙击穿的电极对，在接闪器上附加一个高电压来产生电离。预放电避雷针发出的向上迎面先导要比普通避雷针早ΔT。这个向上的迎面先导在于与闪击产生的向下

8、梯级放电先导会合。这个提前发射出的先导是在较普通避雷针发射先导所需更小的电场时产生的，把这个ΔT转换为一长度ΔL的增加值，即ΔL=νΔT，其保护范围比普通避雷针大得多，一支预放电