避雷针的基础知识
简介
避雷针是以前的叫法，在中华人民共和国国家标准GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》中，已经放弃了这一称呼，而代之以‘接闪杆’。接闪杆与接闪带、接闪线、接闪网、用以接闪的金属屋面、金属构件等，统称为接闪器；接闪器和引下线、接地装置共同组成了建筑物或构筑物的外部防雷装置，用以避免或减少闪电击中建筑物（构筑物）上或其附近造成的物理损害和人身伤亡。
之所以将避雷针改名为接闪杆，是因为以前的名称不科学，没有反映出接闪杆的原理。避雷针刚刚出现在中国时，人们以为它可以避免房屋遭受雷击，所以称其为避雷针。但事实上，避雷针保护建筑物的方式并不是避免房屋遭受雷击，而是引雷上身，然后通过其引下线和接地装置，将雷电流引入地下，从而起到保护建筑物的作用。正因为这个原因，也有人建议将避雷针改名为引雷针，但总的来说，还是接闪杆这个名称最为贴切。
安装
建筑物如果安装了接闪器但是没有接地或者接地效果不好的话，在接闪时反倒会对建筑物或其中的人员造成更大的损害，相比没有安装接闪器的建筑物反倒更加不安全。2007年发生在重庆开县的雷击事故，就是因为该教室屋顶是由钢筋水泥板构成，其中的钢筋没有良好接地，在打雷时发生接闪，无处泄放，从而通过教室的屋顶和墙壁对室内人员进行放电，造成教室里的小学生七人死亡数十人受伤的惨烈事故。
根据GB50057《建筑物防雷设计规范》中章节5‘ 防雷装置’的要求，接闪器可以用铜、镀锡铜、铝、铝合金、热浸镀锌钢、不锈钢、外表面镀铜的钢等各种材料制成，只要满足其最小截面和厚度的要求即可。也就是说，只要不是那么容易锈蚀，不至于因风吹雨打而轻易损坏，大多数常见的金属材料都可以用来制作接闪器。以最常见的铁质接闪杆为例，GB50057要求其最小直径不能小于 8 毫米即可。
从这个意义上来说，市场上绝大多数建筑钢筋，只要其直径大于8毫米，都可以用来制作避雷针，只需在安装上去以后在其表面涂刷一到两层防锈漆即可，其价格非常低廉。从这个意义上来说，避雷针是没有品牌的，因为避雷针只是接闪器中的一个小类，而任何金属构件都可以用来做接闪器。只强调避雷针的作用，强调著名品牌的避雷针，而忽视了其它接闪器的共同接闪作用，忽视了接闪器脱离了引下线和接地装置就不能发挥作用的客观事实，这种观念是有害的，需要加以纠正。
需要注意的是，市场上有各种各样所谓知名品牌的避雷针，大都以‘预放电’或者‘提前放电’作为其卖点，大都是从国外进口来的所谓‘特殊避雷针’，其所宣称的保护范围远远超过按照滚球法的原理所计算的保护范围，其价格非常昂贵，动辄几万元一根。这些避雷针的所谓科学原理，在中国大陆到目前为止尚未得到认可，其防雷效果也没有得到实践的认可。在建筑物上即使安装了这样的避雷针，在防雷验收时，还是要按照传统的滚球法的原理进行计算，花高价购买了这样的避雷针的客户，要提防这方面的风险。
因此，与其花高价购买这样的所谓特殊避雷针来保护建筑物，还不如按照滚球法的科学原理，对现场仔细勘察，精心设计、计算和校验，老老实实按照国家规范进行现场施工，用普通的避雷针、避雷带等接闪器，把该防护的地方都做到位，这样就能达到既安全可靠又经济实惠的目的。
所谓滚球法，是假设以一定半径（根据建筑物防护等级的不同，100米、60米、45米、30米不等）的球体，沿建筑物的外表面滚动，当球体只触及接闪器和地面，而不触及需要保护的部位时，该部位就得到接闪器的保护。通俗地说，这个球体能够接触到的地方就是雷能够打到的地方，球体接触不到的地方就处于接闪器的保护范围之内。
接闪器的保护范围的计算，在GB50057《建筑物防雷设计规范》的附录D‘滚球法确定接闪器的保护范围’中列出了计算单支接闪杆（避雷针）、两支等高接闪杆、两支不等高接闪杆、成矩形布置的四支等高接闪杆、单根接闪线（接闪带、避雷带）、两根等高接闪线的保护范围的保护范围的计算方法，并绘制了相关示意图。
对于广大的雷电防护行业的技术人员，按照GB50057给出的方法，可以用手工的方式对一些简单的情况进行计算，但是在日常工作中，经常遇到远比规范上列出的案例复杂得多的现场情况，比如：多支不等高的且不以规则方式布置的接闪杆、不等高的接闪线、接闪杆和接闪线的联合的保护范围，对这些复杂情况的计算，以手工方式是根本无法进行的，GB50057也没有给出具体的计算方法。这个问题是雷电防护行业中一个经常会遇到的技术难题。
种类
直击雷
特殊
适用于较高的建筑大楼微波通讯站、雷达基站、信标台，通信基站、军事基地、雷达机房、银行大楼、天文气象台等重要场所。
预放电
当避雷针截受雷击时，由接闪体接闪，通过雷电波形处理装置，利用外壳与中心接地杆之间有3mm间隙，构成耦合电容，同时外壳通过一个电感线圈接地（中心接地杆）当下行先导接近接闪器时，由于频率极高，电感呈开路状态，电容对高频呈现短路特性，因此耦合电容作用下，接闪器表面电场强度迅速增加，直至触发雪崩过程，从而能在顷刻间将雷电流泄放入地，以至有效的达到防雷害保安全的目的。
原理
简介
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。
避雷针的防雷作用是它能把闪电从保护物上方引向自己并安全地通过自己泄入大地，因此，其引雷性能和泄流性能是至关重要的。避雷针的引雷性能已有实验和理论分析如下：
一个竖立在平地的避雷针其引雷空域如图1所示。其中简化包络线是一条抛物线，此线即为在正、负雷雨云下该避雷针的50%击针击地平均分界线。图中小圈为空中各点实验放电统计数据，表示模拟实验下行先导的针尖位置，黑圈表示百分之百击针，白圈表示百分之百击地，黑白各半表示50%击针及击地。
雷击避雷针和地的放电强度与雷电极的极性有关：当雷的极性为正时，雷对避雷针的放电强度高于雷对地；当雷的极性为负时，雷对避雷针的放电强度略低于雷对地。所以在同样电压下雷电极对针的放电距离R与雷电极对地的放电距离H是不同的。根据长间隙放电的实验数据大致有：
雷电极为负、地为正时，k=R/H=1．1
雷电极为正、地为负时，k=R/H=0．8～0．9，
图2为雷击针地分界面的理论分析图，据此可以求出雷击避雷针和地的理论分界线。
图中L为避雷针尖，其高度为h，P为雷电极头部，其对地高度为H，E为雷电极正下方的投影点，L、P之间的距离为R。当P点维持k等于某一常数在图面上运动时，其运动轨迹就是雷击避雷针和地的理论分界线。分界线以y轴为中心旋转就是立体的分界面。分界面内为雷击避雷针的空域，分界面以外为雷击大地的空域，分界面附近引下的雷击地面为散击区。
分界线有3种：k=0．9情况下其分界线为一椭圆；k=1．1情况下其分界线为一双曲线；k=1情况下其分界线为一抛物线，后者为一般分析避雷针接闪性能的理论基础，它是正负雷击情况的平均数。图2的分析结果与图1的实验结果是相一致的。
结合避雷针的引雷空域再分析避雷针的保护范围问题，取k=1的情况可得避雷针的保护作用，见图3。
图3中O1 L为避雷针，K为其高度的中点；MO2为被保护物，N为其高度的中点。假设雷击距离为hr，雷电先导端头位于P，PK（实线）为避雷针的引雷分界线，PN（虚线）为被保护物的引雷分界线，它的上部空域都在避雷针的引雷分界线以内。因此，距地面高度大于hr的雷击将被引向避雷针，被保护物MO2将免于雷击，这种现象称为截击效应；但当雷电先导从低于hr的右侧袭来时，避雷针将起不到保护作用，这称为对被保护物的侧击。所以以P点为圆心，以hr为半径作圆，此圆从避雷针顶点L经M地面O3点，它以下的部分就是雷击距离为hr时避雷针的保护范围。这一分析结果与按电气几何理论（EGM）滚球法推出的结果是一致的。
EGM理论认为，雷电先导首先进入哪一物体的雷击距离就对那一物体放电，雷击距离是雷电流的函数[2]：
hr=10I0．65 （1）
式中 hr为雷击距离，m；I为雷电流幅值，kA。
球式避雷针美国R．H．Lee建议以10 kA作为一般建筑物的临界电流Ic，小于这个雷电流幅值时不会造成雷击事故，其对应的临界雷击半径hrc为45 m。这一观点把被保护物的耐雷水平与避雷针的保护率联系起来。我国防雷标准GB50057－94《建筑物防雷设计规范》规定三类防雷建筑物的避雷针保护范围按hrc为60 m画定。运行经验表明这一规定符合我国通用建筑物的防雷要求。
一些学者对EGM理论又做了修正，称为先导传播模型理论（LPM）。该理论认为确定雷击点除了考虑雷击距离外尚需考虑迎面先导和下行先导的相对运动。一定几何形状和高度的地物能否被一定雷电流幅值的雷电击中，可用吸引半径Ra来表述。Ra不仅是雷电流的函数，也是地物高度的函数，并和地物的几何形状有关。因为不同形状和高度的地物，在同一雷电流的下行先导作用下感应的电场强度不同。
Ra（I，h）=2．83I0．63h0．40 （2）
式中 Ra为吸引半径，m；I为雷电流幅值，kA；h为针状物高度，m。
分析结果指出：当临界半径hrc大于避雷针高度h时，EGM所得保护半径比LPM要小，但不显著；当临界半径hrc小于针高h时，EGM所得保护半径比LPM要小许多，某些情况下甚致小50%左右；当针高h>hrc时，EGM认为高出临界半径的针体部分没有保护范围，而LPM理论则认为保护半径随针体高度的增加而增加。
根据对塔形建筑物吸引雷击次数随其高度增加而变化的观测以及长间隙放电棒对棒的实验结果都证明，避雷针的引雷能力随其高度的增加而增强，但增加的速度是变缓的。这对LPM的结论给予了支持，可见EGM滚球法未考虑吸引能力随高度变化是其保护范围偏小的原因。从理论角度看，滚球法是一种偏于保守、偏于严格的方法，它能对避雷针的保护区给出直观的物理图象。
考虑迎面先导和下行先导的相对运动可得出避雷针的引雷空域，见图4。
图中
hr=vzhT+vxiaT （3）
式中 hr为雷击距离，即雷击半径，m；vzh为地物或避雷针上迎面先导的发展速度，m/s；vxia为地闪下行先导的发展速度，m/s；T为大气间隙的放电时延，s。
参考图3可得到LPM理论的一切结论。
避雷针的上部有一段可能自身遭受侧向雷击的空间，称为对针杆侧击区；高架避雷针的引雷能力强，当侧方袭来的下行雷电先导被避雷针引近而未能在针端接闪时，会出现闪电击中避雷针附近地面的情况，使得高架避雷针附近的地面落雷密度较该处平均落雷密度大，该地面称为散击区。高耸的建筑物和高架避雷针附近地面出现散击区，远离避雷针的地方雷击率不受避雷针的影响，称为正常区。避雷针周围空间侧击区、地面的保护区、地面的散击区和正常区见图5所示。
按我国统计的雷电流幅值最大约为300 kA，其对应的雷击高度为408 m。取雷击定位高度为400m，可得出不同高度避雷针的保护区和散击区的地表半径见表1。我国旧式民房一般高度在10 m以下，避雷带和避雷网的高度与房高相同，安装的短针防雷其高度为1～2 m，它们引起的散击现象不明显；高耸建筑物和高架避雷针引雷招致雷击率增高和存在散击区。我国防雷学者历来不主张用高架避雷针保护建筑物，主张用屋顶短针和避雷带防雷就是考虑了既能发挥它的引雷作用，又避免增加散雷区。
保护范围
1根避雷针的保护范围
当避雷针的高度h≤hr时
距地面hr处作一条平行于地面的平行线，以避雷针的针尖为圆心，hr为半径画弧，交水平线于A、B两点，又分别以A、B两点为圆心，hr为半径，从针尖向地面画弧。如图1所示，则图中曲线就是避雷针保护范围的边界，保护范围是一个对称的锥体。
Hr的取值
一类防雷建筑物为30米
二类防雷建筑物为45米
三类防雷建筑物为60米
联合接地
随着防雷接地技术的成熟，人们逐渐认识到，防雷和接地是一个系统工程，提出了联合接地的概念（如图所示）。
人们将建筑物外围所有钢筋全部焊接成笼状，利用建筑物的外围钢筋结构，作为雷电的引下线，建筑物钢筋在地基处通过接地网与大地可靠连接，雷电通过避雷针（避雷带、避雷网）引入，通过建筑外围钢筋入地，从而有效保护建筑物内部，效果比单独雷电引下线更佳。
7制作
1.所有金属部件必须镀锌，操作时注意保护镀锌层。
2.采用镀锌钢管管制作针尖，管壁厚度不得小于3mm,针尖刷锡长度不得小于70mm
3.避雷针应垂直安装牢固。垂直度允许偏差为3/1000。
4.焊接要求焊接应采用搭接焊，其搭接长度必须符合下列规定：
5.扁钢为其宽度的2倍(且至少3个棱边焊接)。
6.圆钢为其直径的6倍。
7.圆钢与扁钢连接时，其长度为圆钢直径的6倍。
8.避雷针一般采用圆钢或钢管制成，其直径不应小于下列数值：
a独立避雷针一般采用直径为19mm镀锌圆钢。
b屋面上的避雷针采用直径25mm镀锌钢管。c水塔顶部避雷针采用直径25mm或40mm的镀锌钢管
d烟囱顶上避雷针采用直径25mm镀锌圆钢或直径为40mm镀锌钢管e避雷环用直径12mm镀锌圆钢或截面为100mm2镀锌扁钢，其厚度应为4mm．
避雷针宜采用圆钢或焊接钢管制成，其直径不应小于下列数值：
针长1m以下：圆钢为12mm，钢管为20 mm
针长1-2m：圆钢为16mm，钢管为25mm
烟囱顶上的针：圆钢为20 mm，钢管为40 mm
8问题
避雷针(2)焊接处不饱满，焊药处理不干净，漏刷防锈漆。应及时予以补焊，将药皮敲掉，刷上防锈漆。
针体弯曲，安装的垂直度超出允许偏差。应将针体重新调直，符合要求后再安装。
独立避雷针及其接地装置与道路或建筑物的出入口保护距离不符合规定。其距离应大于3m，当小于3m时，应采取均压措施或铺设卵石或沥青地.
注意：
避雷针如果没接地将是个迎雷针 ，所以必须谨慎。
补充：
避雷针的作用没有一般人想像的那么好，建筑物是否遭雷击有很多因素，有无避雷针只是其中一种。
很多古代的建筑物建筑在山顶上，没有遭受雷击，反而是附近的山谷中容易雷击，这就是因为土壤电阻率不同。山上砂石多，土壤电阻率大；山谷中多有河流，土壤中水分大，土壤电阻率小。
9作用
常规防雷电可分为防直击雷电、防感应雷电和综合性防雷电。防直击雷电的避雷装置一般由三部分组成，即接闪器、引下线和接地体；接闪器又分为避雷针、避雷线、避雷带、避雷网。以避雷针作为接闪器的防雷电原理是：避雷针通过导线接入地下，与地面形成等电位差，利用自身的高度，使电场强度增加到极限值的雷电云电场发生畸变，开始电离并下行先导放电；避雷针在强电场作用下产生尖端放电，形成向上先导放电；两者会合形成雷电通路，随之泻入大地，达到避雷效果。实际上，避雷针是引雷针，可将周围的雷电引来并提前放电，将雷电电流通过自身的接地导体传向地面，避免保护对象直接遭雷击。
10选购
1、合理选用避雷针保护范围的计算方法
常用避雷针（这里仅指单针）保护范围的计算方法主要有折线法和滚球法。“折线法”的主要特点是设计直观，计算简便，可节省投资，但不适用于高度大于20m的建筑物；“滚球法”的主要特点是可以计算避雷针或避雷带与网格组合时的保护范围，但计算相对复杂，按此方法计算出的投资成本较大。
在这二种计算方法中，“折线法”是比较成熟的方法，在电力系统又称“规程法”，即单支避雷针的保护范围是一个以避雷针为轴的折线圆锥体。单支避雷针的保护范围在DL/T620-997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》标准中有所规定；“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。我国建筑防雷规范GB50057-1994Z中也把“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需要防止击雷的部位滚动，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。近几年来，国标中规定的“滚球法”也开始得到行业的认同，但在实际运用中“滚球法”也碰到一些问题，特别是在计算天面避雷针保护范围的时候。总的来说这二种算法各有特点，一般高层建筑更多的使用“滚球法”。
2、用了提前放电避雷针就能万无一失吗？
事实上没有避雷设备是万无一失的，在保护范围内并不是没有雷击，只是雷击能量较小。从经济观点出发，要达到万无一失也将十分浪费，因此《建筑物防雷设计规范》及其它设计规范和标准均已“减少”雷击为要求。所以按照国家和国际标准进行设计的防雷装置，其防雷安全度也并不是100%。除了直击雷，高层建筑还可能受到侧击雷和感应雷的影响。
提前放电避雷针的优点主要有两个，一是它可以“提前放电”，比普通避雷针具有更好的引雷性能。二是将它的提前放电时间换算成提前放电距离后，相当于增加了避雷针的高度，从而可以增大保护半径。但是对于侧击雷和感应雷依旧是没有办法防护的。
3、保证避雷针的泄流能力很重要
各种防雷规范均要求避雷针拥有独立的下引接地，如此能可保证闪电电流迅速泄入大地。采购时绝对不可听信一些不正规厂家的建议，把避雷针接入建筑本身的接地系统来节约成本。
4、选择正规防雷厂商非常重要
避雷针其实是引雷针，所以防雷工程需要经过严谨的科学计算，稍有不慎可能反而“引雷入室”。所以选择避雷针供应商时需要查看其是否具有防雷工程专业设计资质和防雷工程专业施工资质。国内避雷针市场鱼龙混杂，一些代理国外品牌的经销商大肆宣传自己的产品符合国外先进标准，其中真假难辨，建议采购时按照国标和IEC的标准来考察产品。
11辨析
避雷线是铁质的，避雷针是铜质（也可以是银质的），避雷针顶端向天，避雷线连接避雷网埋地，避雷线连接避雷针，雷雨季节，雷电从天空从避雷针进入避雷线直至埋地的避雷网，是消除雷击保护建筑物或仪器的设施。
大都用于建筑，变压器电线竿，机房，发射架等。
避雷线分圆截面和扁截面两大类型。接复层金属包基体金属的不同分为：铅包钢、铅包铜、铜包钢、铅包钢避雷线。
避雷针用于高层建筑、烟囱或油罐上。下引可用避雷线连接。避雷针由针体及安装类别结构件组成。针类采用不锈钢；针体须用铜包钢圆棒或钢管为基材 。
避雷带是指沿屋脊、山墙、通风管道以及平屋顶的边沿等最可能受雷击的地方敷设的导线。当屋顶面积很大时，采用避雷网。它是为了保护建筑的表层不被击坏，避雷网和避雷带宜采用镀锌圆钢或扁钢，应优先选用圆钢，其直径不应小于8mm，扁钢宽度不应小于12mm，厚度不应小于4mm。避雷线适用于长距离高压供电线路的防雷保护。架空避雷线和避雷网宜采用截面积大于35mm2的镀锌钢绞线。
12网语
在网上经常见到避雷针这一词语，指的是为即将或已经看到雷人的事物而做好心理准备。
例如：
此帖很雷，请带好避雷针再进。
雷死我了，楼主也不事先提醒我们带避雷针。
13组成
避雷针由接闪器、接地引下线和接地体 3部分组成。接闪器通常采用直径为 15～20mm、长度为1～2m的圆钢或钢管，固定于支柱上端经接地引下线与接地体连接。
当雷云对地放电通道发展到临近地面时，由于避雷针尖端突出地面并有良好接地，在针尖附近的电场强度提高，聚积相反极性的电荷，引导放电。进而防止建筑物或仪器蓄积过多电荷而遭受雷击。一般来讲，雷电并不会直接击中避雷针，而避雷针本身如果被闪电击中也有着融化及爆炸的危险。 避雷针具有一定的保护作用。保护范围的计算方法是由运行经验和实验室模型试验结果确定的。工程设计中常用的方法是认为保护半径是避雷针高度的函数。据中国的规范规定，单支避雷针的保护范围是一个锥体(见图)。高度为h的避雷针，其在地面上的保护半径r=1.5h;在被保护物高度hx的水平面上，其保护半径rx为
当hx≥时 ，rx=(h-hx)P=h0P
当hx< 时，rx=(1.5h-2hx)P
当h≤30m时，P=1
当30≤h≤120m时，
60年代以来，又提出了计算避雷针保护范围的击距法，认为保护范围还受雷电流大小的影响。但迄今为止，还没有一种为各国科学家和工程师公认的、计算保护范围的完善方法。
14记载
据《后汉书》记载，一次当时的重要宫殿未央宫和柏梁台遭雷电袭击发生火灾不久，就有一位名叫勇之的方士向汉武帝建议，在宫殿的屋脊上安装“鸱鱼”来防止灾难。此后两千年来，我国古建筑的屋脊上大多安装这一类金属瓦饰，有的是龙，有的是飞鱼和雄鸡，它们虽然形状各异，却都有尖状物指向天空，尽管没有引导线与地面连接，但大雨淋湿的屋檐和墙壁自然起到了连接地面的作用。由于这类瓦饰高于建筑物之上，即使是猛烈地落地雷，也通常只是击毁瓦饰而保留建筑物主体。
15设计
GFL避雷针塔由于避雷针根据保护范围的要求，需要一定的安装高度，后来在此基础上就有了避雷针塔，也就是塔式避雷针（避雷塔），常见有以下几种规格：GFL角钢避雷针塔、GJT圆钢避雷针塔、GH钢管杆避雷针塔等多种形式的金属塔，右图所示的就是GFL系列的角钢避雷针塔。
避雷针塔的保护范围还要按照滚球法来计算保护半径和保护范围。
16设置
(1)独立避雷针与被保护物之间应有不小于5m距离，以免雷击避雷针时出现反击。独立避雷针宜设独立的接地装置，与接地网间地中距离不小于3m。
(2)35kV及以下高压配电装置构架及房顶上不宜装设避雷针。装在构架上的避雷针应与接地网相连，并装设集中接地装置。
(3)变压器的门型构架上不应安装避雷针。
(4)避雷针及接地装置距道路及出口距离应大于3m，否则应铺碎石或沥青面5～8cm厚，以保人身不受跨步电压危害。
(5)严禁将架空照明线、电话线、广播线、天线等装在避雷针或构架上。
(6)如在独立避雷针或构架上装设照明灯，其电源线必须使用铅皮电缆或穿入钢管，并直接埋入地中长度10m以上。
