3.1 避雷針

早在1749年，美國的富蘭克林就發明了避雷針，但安裝避雷針后，避雷針本身不但沒有避雷，而更容易遭受雷擊。根據此現象，俄國的羅蒙索夫于1753年提出“避雷針是歪變電場而引雷于自身，使其周圍物體免遭雷擊”，即避雷針本身實為引雷針。

3.1.1 避雷針的原理和結構

雷電引起的電力系統過電壓是由雷云對地放電所引起的。當雷云與大地之間場強大于大氣游離臨界強度時，就產生局部放電通道，由雷云邊緣向大地發展，即先導放電。當雷云先導電流接近地面時，地面上高聳物體頂部周圍的電場達到能使空氣電離和產生流注的強度，在它們的頂部發出向上發展的迎面先導，而避雷針安裝在這些高聳物體的頂部，其高度高于這些物體，并且避雷針的頂部是尖端導體，尖端處電荷面密度大。因此避雷針頂部會先于周圍物體出現迎面先導，最容易接通下行先導，使下行先導的發展方向走向避雷針，使其僅對避雷針放電，從而使避雷針附近的物體得到保護，免遭雷擊。吸引雷電擊于自身，并使雷電流泄入大地，這就是避雷針的保護作用原理。

避雷針系統屬于結構最簡單的防雷裝置，由接閃器、引下線和接地裝置構成，如圖3-1所示。根據其作用原理，其構成的基本思路是：利用接閃器高出被保護物的突出地位，將雷云放電通道引向自身，然后通過引下線和接地裝置將雷電流泄入大地。

3.1.1.1 接閃器

接閃器是直接承受雷擊的部分，它實質上就是“引雷器”，以截獲通向被保護物的閃擊為任務。

避雷針是接閃器的一種，主要用來保護露天發電、變配電裝置和建筑物，一般用鍍鋅圓鋼或鋼管制成。針長1m以下者，圓鋼直徑不得小于12mm，鋼管直徑不得小于20mm；針長1～2m者，圓鋼直徑不得小于12mm，鋼管直徑不得小于25mm。

為防止腐蝕，接閃器應鍍鋅或涂漆。在腐蝕性較強的場所，還應采取加大截面積的方法或其他防腐措施。接閃器焊接處應涂防腐漆，其截面銹蝕30%以上時應予以更換。

3.1.1.2 引下線

引下線是連接接閃器與接地裝置的金屬導體，其作用是構建雷電流向大地泄放的通道。材料選用經過防腐處理的圓鋼或扁鋼等耐腐蝕、熱穩定好的材料，還需滿足機械強度的要求，圓鋼直徑不得小于8～12mm，扁鋼截面不得小于12mm×4mm。

實踐證明，引下線可以專門敷設，也可以利用建筑物的金屬構件。建筑物的消防梯、鋼柱等金屬構件均可作為引下線，但其各部件之間均應連成電氣通路。引下線在鋪設的時候應沿支持構架及建筑物外墻以最短路徑入地，使雷電流以最短時間導入大地，減小雷電流在引下線上產生的電壓降。在易受機械損壞和防人身接觸的地方，地面上1.7m至地面下0.3m的一段接地線應采取暗敷或鍍鋅鋼管、改性塑料管或橡膠管的保護措施。

要經常性檢查引下線各部分連接是否良好；檢查其上有無閃絡或燒損痕跡。引下線截面銹蝕超過30%者應予以更換。

3.1.1.3 接地裝置

接地裝置是接地體和接地線的總和，其作用是將引下線引下的雷電流迅速泄流到大地土壤中去，是避雷針將雷電流導入大地的最后裝置。

1．接地體

接地體是指埋入土壤中或混凝土基礎上作為散流用的金屬導體。接地體分人工接地體和自然接地體兩種。自然接地體為兼作為接地用的直接與大地相接觸的各種金屬構件、結構，如建筑物的鋼結構、行車鋼軌、埋地的金屬管道。在裝設接地裝置時，首先應充分利用自然接地體，以節約投資。

若經實地測量所利用的自然接地體電阻不能滿足規范要求，應考慮添加裝設人工接地體作為補充。人工接地體是專門作為接地用的按照規范工藝加工過的各種型鋼或鋼管等，按照其敷設方式可分為垂直接地體和水平接地體。垂直接地體一般為垂直埋入地下的角鋼、圓鋼、鋼管等，一般采用管形金屬；水平接地體是水平敷設于土壤中的鍍鋅扁鋼或鍍鋅圓鋼。接地體埋設要符合一定的埋設深度，接地體之間要有一定的間距。

對接地電流系統，當IR≤2000V時對人身和設備是安全的，所以接地電阻要求要足夠小以保證安全。

2．接地線

接地線是從引下線斷接卡子或換線處接至接地體的連接導體。接地線也分人工接地線和自然接地線。人工接地線在一般情況下應采用扁鋼或圓鋼，并應敷設在易于檢查的地方，且應有防止機械損傷及防止化學腐蝕的保護措施。

3．接地裝置的檢查和維護

對接地裝置進行定期檢查的主要內容有：各部位連接是否牢固、有無松動、有無脫焊、有無嚴重銹蝕；接地線有無機械損傷或化學腐蝕、涂漆有無脫落；人工接地體周圍有無堆放強烈腐蝕性物質；地面以下50cm以內接地線的腐蝕和銹蝕情況如何，接地電阻是否合格。

對接地裝置進行維修的情況有：焊接連接處開焊；螺絲連接處松動；接地線有機械損傷、斷股或有嚴重銹蝕或腐蝕；銹蝕或腐蝕超過30%者應予以更換；接地體露出地面；接地電阻超過規定值。

3.1.2 避雷針的保護范圍

避雷針的保護范圍是用模擬試驗及運行經驗確定的。滾球法是國際電工委員會（IEC）推薦的接閃器保護范圍計算方法之一。《建筑物防雷設計規范》（GB 50057—2010）也把滾球法強制作為計算避雷針保護范圍的方法。滾球法是以hr為半徑的一個球體沿著需要防止直擊雷的部位滾動，當球體只觸及接閃器（包括被用作接閃器的金屬物）或只觸及接閃器和地面（包括與大地接觸并能承受雷擊的金屬物）而不觸及需要保護的部位時，則該部分就得到接閃器的保護。滾球法確定接閃器保護范圍見表3-1。

應用滾球法計算的保護范圍的具體方法包括單只避雷針、等高雙避雷針和其他避雷針配置組合的保護范圍。

3.1.2.1 單只避雷針的保護范圍

單只避雷針的保護范圍如圖3-2所示。

1.h≤hr時

距地面hr處作一平行于地面的平行線。以針尖為圓心，hr為半徑，作弧線交平行線于A、B兩點。以A、B為圓心，hr為半徑作圓弧，該弧線與針尖相交并與地面相切，這兩條弧線之間的范圍就是單支避雷針的保護范圍。

由圖3-2可知，在距地面越來越高時，保護半徑越小，由數學知識可得

式中　rx——避雷針在hx高度的水平保護半徑，m；

hr——滾球半徑，m；

hx——被保護物的高度，m；

r0——避雷針在地面上的保護半徑，m。

2.h＞hr時

在避雷針的豎直延長線上取距地面高度hr的一點代替避雷針針尖作為圓心，其余的計算方法與h≤hr相同。

3.1.2.2 等高雙避雷針的保護范圍

等高雙避雷針的保護范圍如圖3-3所示。

1.h≤hr時

（1）兩支避雷針的距離時，應按單支避雷針的方法確定保護范圍。

（2）兩支避雷針的距離時：

1）AEBC外側的保護范圍按照單支避雷針的計算方法來確定保護半徑。

2）C、E點位于兩針間的垂直平分線上，在地面每側的最小保護寬度b0為

在AOB軸線上，距中心線任一距離x處，其在保護范圍邊線上的保護高hx為

該保護范圍邊線是以中心線距地面的hr一點O′為圓心，以為半徑所作的圓弧AB。

3）兩針之間AEBC內的保護范圍應分成四個部分，即ACO、BCO、AEO、BEO，分別確定其中一部分的保護范圍后，合起來就是兩針間的保護范圍。如ACO部分的保護范圍的確定方法為：在任一保護高度hx和C點所處的垂直平面上，以hx作為假想避雷針，按單支避雷針的方法逐點確定，如圖3-4所示。

4）確定xx′平面上保護范圍截面，以單支避雷針的保護半徑rx為半徑，以A、B為圓心作弧線與四邊形AEBC相交；以單支避雷針的r0-rx為半徑，以E、C為圓心作弧線與上述弧線相接，此范圍就是xx′平面上的保護截面。

2.h＞hr時

在避雷針上取高度hr的一點代替針尖作圓心，再重復以上的做法。

3.1.2.3 其他避雷針配置組合的保護范圍

避雷針還有很多種組合形式，包括不同空間布置組合和不同參數組合，如兩只不等高避雷針、三只等高或不等高避雷針任意布置、四只等高避雷針矩形布置等，其計算原理和上面一樣，都歸屬于立體幾何的計算，不再一一贅述。

3.1.3 避雷針（帶、網）的檢查與維護

避雷針等防雷裝置都需要進行定期的檢查和維護，保證設備能夠安全運行并延長設備的使用壽命。對避雷針（帶、網）進行維護的主要內容如下：

（1）檢查接閃器有無因遭受雷擊而熔化或折斷的情況；檢查引下線是否短而直，引下線距地2m一段的保護處有無破損情況；檢查斷接卡子有無接觸不良情況。

（2）檢查接地裝置周圍的土壤有無沉陷情況；有否因挖土方敷設其他管道與種植樹木等而挖斷或損傷接地裝置。

（3）檢查有否由于修繕建筑物或建筑物本身變形，而使防雷保護裝置受到影響或發生變化；木質結構的接閃器支架有無腐朽現象。

（4）檢查避雷針（線、帶、網）各處明裝導體是否有裂紋、歪斜與銹蝕，或因機械力損傷而發生折斷等現象，各導線部分的電氣連接是否緊密牢固。發現接觸不良或脫焊時應及時進行檢修。