3.1 避雷针

早在1749年，美国的富兰克林就发明了避雷针，但安装避雷针后，避雷针本身不但没有避雷，而更容易遭受雷击。根据此现象，俄国的罗蒙索夫于1753年提出“避雷针是歪变电场而引雷于自身，使其周围物体免遭雷击”，即避雷针本身实为引雷针。

3.1.1 避雷针的原理和结构

雷电引起的电力系统过电压是由雷云对地放电所引起的。当雷云与大地之间场强大于大气游离临界强度时，就产生局部放电通道，由雷云边缘向大地发展，即先导放电。当雷云先导电流接近地面时，地面上高耸物体顶部周围的电场达到能使空气电离和产生流注的强度，在它们的顶部发出向上发展的迎面先导，而避雷针安装在这些高耸物体的顶部，其高度高于这些物体，并且避雷针的顶部是尖端导体，尖端处电荷面密度大。因此避雷针顶部会先于周围物体出现迎面先导，最容易接通下行先导，使下行先导的发展方向走向避雷针，使其仅对避雷针放电，从而使避雷针附近的物体得到保护，免遭雷击。吸引雷电击于自身，并使雷电流泄入大地，这就是避雷针的保护作用原理。

避雷针系统属于结构最简单的防雷装置，由接闪器、引下线和接地装置构成，如图3-1所示。根据其作用原理，其构成的基本思路是：利用接闪器高出被保护物的突出地位，将雷云放电通道引向自身，然后通过引下线和接地装置将雷电流泄入大地。

3.1.1.1 接闪器

接闪器是直接承受雷击的部分，它实质上就是“引雷器”，以截获通向被保护物的闪击为任务。

避雷针是接闪器的一种，主要用来保护露天发电、变配电装置和建筑物，一般用镀锌圆钢或钢管制成。针长1m以下者，圆钢直径不得小于12mm，钢管直径不得小于20mm；针长1～2m者，圆钢直径不得小于12mm，钢管直径不得小于25mm。

为防止腐蚀，接闪器应镀锌或涂漆。在腐蚀性较强的场所，还应采取加大截面积的方法或其他防腐措施。接闪器焊接处应涂防腐漆，其截面锈蚀30%以上时应予以更换。

3.1.1.2 引下线

引下线是连接接闪器与接地装置的金属导体，其作用是构建雷电流向大地泄放的通道。材料选用经过防腐处理的圆钢或扁钢等耐腐蚀、热稳定好的材料，还需满足机械强度的要求，圆钢直径不得小于8～12mm，扁钢截面不得小于12mm×4mm。

实践证明，引下线可以专门敷设，也可以利用建筑物的金属构件。建筑物的消防梯、钢柱等金属构件均可作为引下线，但其各部件之间均应连成电气通路。引下线在铺设的时候应沿支持构架及建筑物外墙以最短路径入地，使雷电流以最短时间导入大地，减小雷电流在引下线上产生的电压降。在易受机械损坏和防人身接触的地方，地面上1.7m至地面下0.3m的一段接地线应采取暗敷或镀锌钢管、改性塑料管或橡胶管的保护措施。

要经常性检查引下线各部分连接是否良好；检查其上有无闪络或烧损痕迹。引下线截面锈蚀超过30%者应予以更换。

3.1.1.3 接地装置

接地装置是接地体和接地线的总和，其作用是将引下线引下的雷电流迅速泄流到大地土壤中去，是避雷针将雷电流导入大地的最后装置。

1．接地体

接地体是指埋入土壤中或混凝土基础上作为散流用的金属导体。接地体分人工接地体和自然接地体两种。自然接地体为兼作为接地用的直接与大地相接触的各种金属构件、结构，如建筑物的钢结构、行车钢轨、埋地的金属管道。在装设接地装置时，首先应充分利用自然接地体，以节约投资。

若经实地测量所利用的自然接地体电阻不能满足规范要求，应考虑添加装设人工接地体作为补充。人工接地体是专门作为接地用的按照规范工艺加工过的各种型钢或钢管等，按照其敷设方式可分为垂直接地体和水平接地体。垂直接地体一般为垂直埋入地下的角钢、圆钢、钢管等，一般采用管形金属；水平接地体是水平敷设于土壤中的镀锌扁钢或镀锌圆钢。接地体埋设要符合一定的埋设深度，接地体之间要有一定的间距。

对接地电流系统，当IR≤2000V时对人身和设备是安全的，所以接地电阻要求要足够小以保证安全。

2．接地线

接地线是从引下线断接卡子或换线处接至接地体的连接导体。接地线也分人工接地线和自然接地线。人工接地线在一般情况下应采用扁钢或圆钢，并应敷设在易于检查的地方，且应有防止机械损伤及防止化学腐蚀的保护措施。

3．接地装置的检查和维护

对接地装置进行定期检查的主要内容有：各部位连接是否牢固、有无松动、有无脱焊、有无严重锈蚀；接地线有无机械损伤或化学腐蚀、涂漆有无脱落；人工接地体周围有无堆放强烈腐蚀性物质；地面以下50cm以内接地线的腐蚀和锈蚀情况如何，接地电阻是否合格。

对接地装置进行维修的情况有：焊接连接处开焊；螺丝连接处松动；接地线有机械损伤、断股或有严重锈蚀或腐蚀；锈蚀或腐蚀超过30%者应予以更换；接地体露出地面；接地电阻超过规定值。

3.1.2 避雷针的保护范围

避雷针的保护范围是用模拟试验及运行经验确定的。滚球法是国际电工委员会（IEC）推荐的接闪器保护范围计算方法之一。《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010）也把滚球法强制作为计算避雷针保护范围的方法。滚球法是以hr为半径的一个球体沿着需要防止直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器（包括被用作接闪器的金属物）或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并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。滚球法确定接闪器保护范围见表3-1。

应用滚球法计算的保护范围的具体方法包括单只避雷针、等高双避雷针和其他避雷针配置组合的保护范围。

3.1.2.1 单只避雷针的保护范围

单只避雷针的保护范围如图3-2所示。

1.h≤hr时

距地面hr处作一平行于地面的平行线。以针尖为圆心，hr为半径，作弧线交平行线于A、B两点。以A、B为圆心，hr为半径作圆弧，该弧线与针尖相交并与地面相切，这两条弧线之间的范围就是单支避雷针的保护范围。

由图3-2可知，在距地面越来越高时，保护半径越小，由数学知识可得

式中　rx——避雷针在hx高度的水平保护半径，m；

hr——滚球半径，m；

hx——被保护物的高度，m；

r0——避雷针在地面上的保护半径，m。

2.h＞hr时

在避雷针的竖直延长线上取距地面高度hr的一点代替避雷针针尖作为圆心，其余的计算方法与h≤hr相同。

3.1.2.2 等高双避雷针的保护范围

等高双避雷针的保护范围如图3-3所示。

1.h≤hr时

（1）两支避雷针的距离时，应按单支避雷针的方法确定保护范围。

（2）两支避雷针的距离时：

1）AEBC外侧的保护范围按照单支避雷针的计算方法来确定保护半径。

2）C、E点位于两针间的垂直平分线上，在地面每侧的最小保护宽度b0为

在AOB轴线上，距中心线任一距离x处，其在保护范围边线上的保护高hx为

该保护范围边线是以中心线距地面的hr一点O′为圆心，以为半径所作的圆弧AB。

3）两针之间AEBC内的保护范围应分成四个部分，即ACO、BCO、AEO、BEO，分别确定其中一部分的保护范围后，合起来就是两针间的保护范围。如ACO部分的保护范围的确定方法为：在任一保护高度hx和C点所处的垂直平面上，以hx作为假想避雷针，按单支避雷针的方法逐点确定，如图3-4所示。

4）确定xx′平面上保护范围截面，以单支避雷针的保护半径rx为半径，以A、B为圆心作弧线与四边形AEBC相交；以单支避雷针的r0-rx为半径，以E、C为圆心作弧线与上述弧线相接，此范围就是xx′平面上的保护截面。

2.h＞hr时

在避雷针上取高度hr的一点代替针尖作圆心，再重复以上的做法。

3.1.2.3 其他避雷针配置组合的保护范围

避雷针还有很多种组合形式，包括不同空间布置组合和不同参数组合，如两只不等高避雷针、三只等高或不等高避雷针任意布置、四只等高避雷针矩形布置等，其计算原理和上面一样，都归属于立体几何的计算，不再一一赘述。

3.1.3 避雷针（带、网）的检查与维护

避雷针等防雷装置都需要进行定期的检查和维护，保证设备能够安全运行并延长设备的使用寿命。对避雷针（带、网）进行维护的主要内容如下：

（1）检查接闪器有无因遭受雷击而熔化或折断的情况；检查引下线是否短而直，引下线距地2m一段的保护处有无破损情况；检查断接卡子有无接触不良情况。

（2）检查接地装置周围的土壤有无沉陷情况；有否因挖土方敷设其他管道与种植树木等而挖断或损伤接地装置。

（3）检查有否由于修缮建筑物或建筑物本身变形，而使防雷保护装置受到影响或发生变化；木质结构的接闪器支架有无腐朽现象。

（4）检查避雷针（线、带、网）各处明装导体是否有裂纹、歪斜与锈蚀，或因机械力损伤而发生折断等现象，各导线部分的电气连接是否紧密牢固。发现接触不良或脱焊时应及时进行检修。