基金资助项目：国家电网公司科技项目(52120519003H)编者按
避雷针端部曲率半径对雷击接闪效能的影响研究有助于澄清不同曲率半径避雷针在迎面放电、雷击接闪中的作用，对避雷针的设计研发和工程应用具有指导意义。在此，刊发陈维江院士团队不同结构避雷针雷击接闪效能差异研究系列论文之“避雷针端部曲率半径对雷击接闪效能的影响研究”，并诚邀专家共同探讨不同端部结构避雷针的防雷效能及相关问题。
摘要：通常认为避雷针端部曲率半径越小，端部附近电场越强，雷击接闪效能越强；一些学者认为不同高度避雷针端部曲率半径对接闪效能的影响不同；还有学者则认为曲率半径对接闪效能没有影响。因此，研究避雷针端部曲率半径是否影响其雷击接闪效能对新型避雷针的设计研发和工程应用具有指导意义。论文开展了针–板间隙下不同曲率半径避雷针流注放电与先导放电模拟实验，结合实验室针–板间隙和避雷针–雷云超长间隙放电的空间电场计算，对曲率半径是否影响避雷针迎面流注和迎面先导接闪效能进行了分析。结果表明，不同曲率半径下避雷针流注放电起始时刻差异<0.22 μs，发展速度差异<5%；当曲率半径小于临界半径时，避雷针连续稳定先导起始时刻差异<1.27 μs，发展速度差异小于5%；自然雷电环境下，避雷针端部曲率半径的变化仅对端部附近区域电场产生影响。研究表明，避雷针端部曲率半径对其雷击接闪效能几乎不产生影响。关键词：曲率半径；雷击接闪效能；临界半径；迎面流注放电；迎面先导放电；避雷针
0 引言
避雷针是应用最为广泛的一种直击雷防护装置，自1752 年由富兰克林发明以来，在工业、民用、国防等各个领域都取得了良好的防雷效果[1-2]。避雷针通常由金属端部与金属构架组成，在自然雷电环境下，金属端部由静电感应积累异极性电荷，形成端部附近的局部强电场，引发迎面放电，与雷电下行先导相接，称为接闪，并将雷云电荷通过金属构架和接地装置导入大地。避雷针其实是引雷针，通过接闪雷电、导流电荷的方式，保护地面其他设施免遭雷击。避雷针的引雷作用由金属端部实现，其曲率半径是否对引雷效果有影响，一直存在不同的观点：通常人们认为，金属端部曲率半径越小，局部电场越强，越容易产生迎面放电，因此具有更好的雷击接闪效能；早年 Tesla 对避雷针端部采用尖端结构提出质疑，并提出一种伞状的避雷针端部结构，认为这种结构能够提供更大的导电边界，从而形成更大的接闪范围[3]。避雷针端部曲率半径对雷击接闪效能的影响研究有助于澄清不同曲率半径避雷针在迎面放电、雷击接闪中的作用[4-8]，对避雷针的设计研发和工程应用具有指导意义。 针对避雷针端部曲率半径对雷击接闪效能影响的问题，国内外学者开展了大量研究。C.B. Moore等学者在3 288 m 海拔的南巴尔地峰开展了不同避雷针接闪效能的对比实验，实验持续时间达到 10年[9-10]。实验中，多个曲率半径的避雷针作为对比组，安装至距当地地平面6.4 m 高，等距排列，避雷针端部曲率半径范围为0.1~51 mm，结果显示，曲率半径为0.1 mm，9.5 mm 和 51 mm 的避雷针未被击中，被击中的主要是曲率半径为19 mm 的避雷针。这一研究工作表明，小曲率半径和大曲率半径的避雷针均未表现出更好的引雷效果，但端部曲率半径是否对避雷针接闪效能产生影响仍无法通过这一实验得到有效结论。F.A.M Rizk 通过带有假设的理论计算量化分析了自然雷电环境下空间电荷对先导起始的影响，认为避雷针高度较低时，曲率半径对迎面放电起始特性没有影响，而当避雷针高度较高时，起始放电更容易受到空间电荷以及地面电场统计变化的影响而变得难以预测[11]。综上，一直以来，学界关于避雷针端部曲率半径对避雷针雷击接闪效能影响的问题，因缺乏科学有效的实验评价方法而没有形成统一的认识与科学的结论，仍需要开展深入研究。 本文借鉴团队前期关于不同类型避雷针接闪效能差异评价方法的研究成果[12]，首先依据雷击接闪原理将接闪分为迎面流注接闪与迎面先导接闪两类迎面放电形式，通过直接给避雷针施加正极性电压的方式，构造针–板放电间隙，模拟自然雷电环境下避雷针端部包括感应电场、下行先导电场的综合电场，营造符合迎面放电物理过程的电场环境；然后开展避雷针在不同端部曲率半径条件下流注放电与先导放电两种过程的对比实验，通过比较放电起始时刻与放电平均发展速度两个指标，得到不同曲率半径避雷针迎面放电特征的差异；最后结合自然雷电发展过程中的电场计算，分析端部曲率半径对避雷针接闪效能是否产生影响。 1 实验评价方法与布置
依据不同类型避雷针接闪效能差异的实验评价方法，实验室中采用针–板结构，构建迎面放电环境开展实验。具体地，针电极施加正极性高压，板电极接地，对4 m 及以上间隙施加1.2/50 μs 标准雷电波模拟迎面流注放电过程，对6 m 及以上间隙施加250/2 500 μs 标准操作波模拟迎面先导放电过程，对不同曲率半径避雷针开展放电对比实验；采用流注起始时刻和流注平均发展速度作为避雷针流注接闪效能差异评价指标，将连续稳定先导起始时刻和连续稳定先导平均发展速度作为避雷针先导接闪效能差异评价指标；基于评价指标，可评估不同曲率半径避雷针的接闪效能差异。
2.2 不同曲率半径避雷针在自然雷电环境下的电场分析 2.1 节所述实验室长间隙放电中，曲率半径的变化仅影响避雷针端部局部区域的电场分布，对流注放电的影响较小。在自然雷电环境下，避雷针迎面流注接闪放电同样由电场分布决定，通过计算自然雷电发展过程中避雷针端部附近的电场分布，进一步分析不同曲率半径是否对迎面流注接闪放电产生影响。
相关链接
不同类型避雷针雷击接闪效能差异的实验评价方法
