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Journal of Electrostatics 48 (2000) 145}154
浅议“法拉第笼”的雷电保护作用与实际建筑结构中的应用
M. SzczerbinH ski*
University of Mining and Metallurgy, Electrical Power Institute, al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakoamp; w, Poland
Received 1 June 1999; received in revised form 20 September 1999; accepted 29 September 1999
摘要
近250年来一直采用防雷措施，但我们仍然缺乏空气终端产生的保护效果的准确表达。在本文中，保护主要指法拉第笼（网状）外部保护类型。完全封闭的金属外壳的内部没有受任何电气“外部”变化的影响，但除了特殊结构外，真正的法拉第笼很难成为解决闪电问题的实际解决方案。在大多数情况下，我们采用这种类型的带有空气终端网络的保护装置由方形网格的水平导体组成，网格的大小来源于“经验法则”，而不是通过透彻的分析法拉第笼（网格）方案的结构（屋顶）本文分析和讨论了由良导体，弱导体和良好非导体构成的保护方案，并基于临界距离理论和“和弦比”定理分析了保护方案，这三种保护机制之间的差异看起来，这种网状结构很少用作空气终端，而是作为从屋顶的另一部分流出的电流的收集器。本文还提出了尚未解决的问题。 copy; 2000 Elsevier Science B.V.保留所有权利。
关键词：防雷;法拉第笼;网片;滚球;空气终端;本杰明·富兰克林;避雷针
防雷历史 [1,2]
闪电一直让人着迷，并带来了结合和恐惧。“历史上第一次防雷计划”可以追溯到最古老的文明。他们可能有仪式，赞美等。这种神秘主义一直活着，现在构成了许多流行的迷信。
把闪电理解为自然现象，实现第一个精神突破是古希腊人，当然，他们的观点对我们来说似乎很陌生，例如，亚里士多德认为云是由在寒冷中收缩的地幔烟雾构成的，而且，根据长老普林尼（Plinius）的说法，伊特鲁里亚人（公元前600年）知道一种秘密方法，通过向云射入金属箭来引发闪电[1]。这个故事可能是真实的，当然，这至少是可疑的，但与其他地方的类似故事一起，它告诉我们，在当时，防雷不仅被认为是神的问题，而且也被认为是人类用自然方法解决的问题。
直到18世纪，由于对自然现象的物理理解的改善，人类才能够构建真正的保护。大约在1750年，本杰明富兰克林（可能跟欧洲的一些前人[2]一样）预计闪电的起因是当时已知的静电现象。他在着名的“风筝实验”中提出了这个假设，接下来他发明了“第一个将雷电棒作为雷电接收器的真正雷电保护系统，现在称为”富兰克林棒“。最初，这个想法纯粹是经验性的，而且这种设备经常失败，但在两个半世纪的历程中，它显着地得到了改善和发展。
1876年，J.C.Maxwell（M.M.法拉第的一名学生）认为，安装了避雷针的建筑物更容颜吸引闪电，所以他提出应用法拉第笼的原则[2]。这种我们今天称为法拉第笼式或者网状式的后备防雷方案。自19世纪以来，富兰克林和法拉第的保护类型已被普遍使用交替或组合使用。富兰克林发明通常用于各种塔架和小型结构，只需一根或几根杆就可以提供保护。而法拉第笼结构则经常出现在平屋顶上。
接闪杆的吸引效应
雷击发生在一系列的序列中。 所谓的拼接机是一种预先放电，逐步接近地面。当先导靠近地面或接地物体达到足够高时，主要闪电发生在预击穿通道中。
击穿距离被认为是导线尖端高于地面的高度，在该距离上达到跨越“最终气隙”的临界击穿强度。
根据自1945年以来的调查结果，已经发现了与临界距离（即引导端与通向“雷电终端”的接地物体之间的距离）和雷电电流的大小之间的依赖关系（见图1）。相关的分析表达式有以下形式[2]：
(1)
图1 闪电电流强度随高度变化图
图2 接闪杆捕捉到大距离的大电流闪电
式中D表示垂直距离, I (kA) 表示闪电电流强度, k (1)是一个参数(由各作者中估计值范围为3.3-15.3) [3] and m (1) 是一个参数(由各作者中估计值范围为0.65-0.84) [3].
在关键距离闪电看到并触及它注意到的第一个接地点。 因此，安装在屋顶上的避雷针会以极大的概率向下捕捉大电流量级（图2）。 对于低电流幅值的触发，保护可能会失败：“近视”的闪电可能无法看到棒（图3）。 当雷电击中墙壁时，保护也可能失效（图4）。 最后提到的是可能的，因为角度（先导的最后一步和垂线之间）的概率密度函数的形式为 [2]
图3 接闪杆未能防护小电流闪电示意图
图4 接闪杆未能防护侧击雷示意图
一个简单的识别需要保护的区域的方法，同时考虑到对结构的“侧击”的可能性是“滚动球体”的概念（图5）。 如果球体接触到结构，则需要防雷。 使用相同的逻辑，球体不与结构接触的区域（见阴影区域）将被视为受到保护，并且不需要保护。
问题是如何选择临界距离值。 根据标准
[4]有四个保护等级，球半径由保护的假定可靠性产生（见表1）。 滚球法支持传统的着名的保护区思想[1,2]（避雷针保护圆锥空间：圆锥高度/基圆半径比取决于保护的可靠性）。
法拉第笼结构雷电防护原理
完全封闭的金属外壳的内部没有任何外部电场变化的影响，并且雷电保护是完美的，但除了特殊情况外（例如麦克斯韦实验[2]中的火药存储库） 一个真正的法拉第笼很难构成防雷的实际解决方案
图5 滚球法示意图
表1 不同保护等级的滚球半径以及网格大小
|
保护等级 |
保护效率 (%) |
滚球半径 (m) |
网格大小(m*) |
|
I |
98 |
20 |
10times;10 |
|
II |
95 |
30 |
15times;15 |
|
III |
90 |
45 |
20times;20 |
|
IV |
80 |
60 |
25times;25 |
真正的问题是法拉第笼的保护计划对其他和非传导性建筑材料如砖，木等的有效性。
在本世纪的后半个世纪，外部保护理论的发展与富兰克林棒方案有关，但法拉第笼（网状）方案普遍无声地过去了。尽管如此，后者组合或单独使用已被普遍应用于实践中。
作者认为法拉第笼值得讨论}，因为这些问题的某些方面似乎需要新的见解。
-
- 良导体的一种结构
钢框架和钢筋混凝土结构以及由良导体构成的所有其他结构非常接近法拉第笼的条件。 早在1965年，施瓦布[5]就研究了这种结构的网格宽度的影响，并得出结论即使是微弱的电流强度（因此，一个小的滚动球体半径）的渗透风险可以忽略不计 小。尽管如此，根据标准[6]，根据风险因素值，“钢结构框架结构或带金属屋顶的钢筋混凝土结构”也可能需要某种防雷措施。 只有暴露金属结构连续下降到地平面不需要雷电保护（超出充分接地范围）。
关于充分接地的要注意的是指进入或离开未接地或接地不正确的法拉第笼的人的危险.
图6 不良导体的结构但有良好接地
图7 绝缘体结构，但在先导电场中被极化
当雷击中建筑物时，人体可能会在整个身体上产生危险的潜在差异（触摸，侧面冲击或步进电压）. 接下来，应该考虑如果电导体从外部引入结构，则可能引入潜在差异并且必须考虑特殊的预防措施。 但是，上述两种危险对于所有的雷电保护方案都是常见的。
由良导体（类似于封闭的金属壳）构造的结构特有的是在闪电弧根和材料之间的界面处发生能量转移而引起的金属的热侵蚀。如果暴露的材料（金属）片材具有足够的规格（例如对于镀锌钢为4mm，对于铝为7mm），问题就会消失。
-
- 不良导体、半导体、绝缘体的结构
以下考虑是指由所有材料构成的结构，不能在导体之间单独编号（这种结构肯定是法拉第笼本身），也不是在非导体之间（在这种情况下，当然，网状外部保护装置安装在绝缘体上。）。因此，作为不良导体，不良绝缘体，作者指砖，普通混凝土，各种建筑石材，木材，甚至建造良好的非导体但覆盖有污染和/或雨水。
问题的根本问题在于：雷电如何击中结构？两个可能的答复在图6和7中给出。如果该结构被证明是准 法拉第笼（不完善的导体），那么雷电会撞击屋顶上的最近点或墙壁上的某些情况下（高度结构）。因此，网状外部保护在许多情况下被传递。（它只是在接地导体外壳的某一部分）。但是，如果结构证明是“绝缘”，则法拉第笼结构是在屋顶或墙壁上的唯一接地元件，并且绝对是关键击穿强度将通过金属丝网结构上的引导尖端和最近点之间的气隙到达（可以说，“从根本上说，非导电结构对于闪电而言是”透明的“）。
最后提到的绝缘体将在后面更详细地讨论。现在，让我们考虑一个“准第一和法拉第笼”（即法拉第笼，但是导体不良，半导体，非不良导体）的“第一种”情况。讨论必须考虑到先导发展的两个不同阶段.
（1）一开始，先导向下发展到足以使地面物体的影响无效（一个独立的结构导致该“地球”的变形仅达到其高度的两倍左右） 就是电位梯度最大值。垂直线上的电荷梯度是由电荷分布的不规则性引起的，而没有任何地球表面和覆盖层的影响，导引头离开上面的“准垂直线 当一个地球物体开始修改“场”的时候。
（2）在竖立结构的作用下，下行先导的路径朝向它。 与以前一样，方向是电位梯度具有最大值的那个方向：现在是结构。 连接先导现象应运而生[7]。 如果屋顶或多或少是在表面，通常有几个连接的先导彼此竞争。 根据滚动领域的原则，最接近点的连接先导占上风。 闪电击中标记。 接下来，主要中风电流在准法拉第笼上（由于皮肤效应首先在表面上扩散）并到达直接接地的网状结构，但是当/如果准 - 法拉第笼上的电压下降 已经达到空气分解值，就会发生网状物排列。.
无论如何，法拉第笼收集电流并将其传递给地面； 实际上它很少用作空气终端，而是作为从屋顶其他部分流出的收集器。.
-
- 良绝缘体的结构
以下考虑是指良好的非导体材料，如塑料等。让我们回到图7所示的情况。在这种情况下
图8 滚球穿进薄绝缘材料.结构建筑
图9 比例弦定理
这结构证明对于雷电是透明的，并且闪电击中金属网结构。 严格地说，只有法拉第笼物具有地球（零）电位，但非导电结构表现为良好的绝缘体（它在“闪电尖端地”场中极化）。
然而，如果考虑在结构内部进行元素（例如各种装置），情况可能不是那么清楚。 现在，闪电可以看到并选择内部最近的接地点。 让我们考虑两个不同的情况：
（1）结构是薄的材料（图8）。 因此，人们可以不考虑偏光板（屋顶）的“场地”扭曲，如果滚动球体的半径足够小，内部的导电接地元件可以通过闪电进行选择，考虑到网格 根据标准[4]，表1中的尺寸可以计算出四种保护等级的“闪电眼穿透”的可能深度。利用比例弦定理 (见图9)
表2
图8中滚球穿透深度
垂直距离, D (m) 网格大小, d (m) 穿透深度, p (m)
|
Dordf;lsquo;{'29.5 10 |
0.43 |
|
Dordf;lsquo;{'29.5 15 |
0.97 |
|
Dordf;lsquo;{'29.5 20 |
1.75 |
|
Dlsquo;ordm;{'29.5 25 |
2.78 |
|
Dlsquo;ordm;{'91.5 10 |
0.13 |
|
Dlsquo;ordm;{'91.5 15 |
0.31 |
|
Dlsquo;ordm;{'91.5 20 |
0.55 |
|
Dlsquo;ordm;{'91.5 25 |
0.62 |
其中D是临界距离，p是穿透深度，d是网格侧的长度，我们可以计算各种情况下的穿透深度。 其中一些列在表2中。
根据参考文献[7]，方程中参
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资料编号：[21297]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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