接闪针，又叫避雷针、接闪杆，作为直接雷防护的主要措施之一，在各种建筑设施中得到普遍的应用。近年来随着研究的发展，各种接闪针相继被提出，如提前放电接闪针、等离子接闪针、大气高脉冲电压接闪针、激光引雷接闪针等。当然目前市场上应用最多，还是富兰克林接闪针(传统避雷针)和提前放电接闪针(ESE接闪针)，尤其是ESE接闪针因其造型独特且声称的保护半径大，在国内不少新型建筑上得到一些应用。但是，ESE接闪针与富兰克林接闪针相比是否真的具备提前放电，保护范围更大的优势呢，值得我们来探讨分析。
　
　　富兰克林接闪针和ESE接闪针的工作原理
　　
　　富兰克林接闪针(如下图)，又叫传统避雷针，其原理是：当雷电云中的电荷积累到一定程度时，就会产生放电现象。在这个过程中，电荷会向地面放电，形成雷电电流。接闪针利用尖端放电原理，将大气中的雷雨云中的极性相反的电荷引向自身，并且通过自身的接地导体传向地面，从而避免被保护对象受到雷击。富兰克林接闪针在世界大多数国家普遍使用，且具有现行产品测试和应用标准的接闪针，作为直击雷防护的主要措施之一。
　　
　　　　
　　ESE(Early Streamer Emission)接闪针在国内一般称为提前放电接闪针或预放电接闪针。ESE接闪针的工作原理是通过触发装置收集地面电荷，产生一个比普通接闪针更快的上行先导，在自然的上/下行先导形成前，提前放电接闪针会率先产生一个先导，迅速地向雷电方向传播直至捕获雷电，并将其导入大地。这就相当于抬升了接闪针的接闪高度，从而实现比普通接闪针更大的保护半径。ESE提前放电接闪针，目前仅得到法国、西班牙等部分国家的承认，并制定了相应的产品测试和应用标准，如法国的NFC17-102和西班牙的UNE-21186等。

　        　　　　　　
　　富兰克林接闪针和ESE接闪针的保护半径
　　
　　如下图，左侧为富兰克林接闪针，右侧为ESE提前放电接闪针，可以看到ESE接闪针的保护范围远大于采用滚球法进行评估测算的富兰克林接闪针。
　
　　　　　
　　为什么会出现这种差异呢?下面，我们就来对比一下这两种接闪装置的保护半径计算方式。
　　
　　按照国标GB50057和欧洲标准IEC62305，富兰克林接闪针保护半径的计算公式如下(当接闪针高度h≤hr时)：
　　

　　式中：rx——接闪针在hx高度的xx’平面上的保护半径(m)
　　
　　h——接闪针的高度(接闪针顶端到地面的高度)(m)
　　
　　hr——按照GB50057，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类防雷建筑对应的滚球半径分别为30m、45m、60m;按照IEC62305，建筑物LPL等级为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ时的滚球半径分别为20m、30m、45m、60m
　　
　　hx——被保护建构筑物的高度(m)
　　
　　按照法国标准NFC17-102和西班牙标准UNE-21186，ESE接闪针保护半径的计算公式如下：
　　
　　
　　式中：Rp——保护半径
　　
　　h——接闪针顶端到被保护平面的高度(m)
　　
　　ΔL——上行接闪高度即先导高度(m)
　　
　　ΔL=ν•Δt，ν——先导速度,通常情况ν=1m/μs即106m/s,
　　
　　Δt——提前放电时间,分别为25µs、30µs、45µs、60µs
　　
　　D——闪击距离(滚球半径)，按照GB50057，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类防雷建筑对应的滚球半径分别为30m、45m、60m;按照IEC62305，建筑物LPL等级为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ时的滚球半径分别为20m、30m、45m、60m
　　
　　根据上述两种不同的保护半径计算公式，我们来比较一下同样针高条件下这两种接闪针的保护半径差异。
　　
　　假设有一幢建筑高度为20米，该建筑属于国标规定的第三类建筑(即滚球半径为60m)，接闪针安装在建筑顶部平面，安装高度为10米。富兰克林接闪针，按照滚球法公式(1)计算，在建筑顶部平面的保护半径约为7.24m;采用提前放电时间为60µs的ESE接闪针，按照公式(2)计算，在建筑顶部平面的保护半径约为109.09m。可以看到，在此条件下，ESE接闪针的保护半径为富兰克林接闪针保护半径的15倍多。
　　
　　为什么会有这么大的差异?
　　
　　对ESE接闪针的研究
　　
　　ESE接闪针的先导速度ν和提前放电时间Δt等参数取值虽说来源于实验室，但是基于实验室大电场强度条件下，现实中空间电场强度远未达到这个数值之前，雷电放电就形成了。因而在现实研究中，多位研究人员发现先导速度v和提前放电时间Δt的数值来源是经不起推敲的，而且也没有被现实应用证实。事实上，无论在自然雷电或人工引雷实验条件下，并没有支持所推荐的ESE技术结果，相反地，相关实验证据表明，ESE接闪针并没有产生与富兰克林接闪针(常规避雷针)不同的效果。
　　
　　曼切斯特大学和伊尔梅瑙理工大学的对此做过相关的比较测试。
　　
　　曼彻斯特大学和麻省理工大学联合测试
　　
　　图中1为富兰克林接闪针，2、3、4为ESE接闪针，按法国NFC17-102标准测试
　　
　　
　　根据试验可以看到，在有接闪放电的情形中，47.6%的放电通过富兰克林接闪针，而只有39.3%的放电通过另外三根ESE提前放电接闪针，ESE接闪针并没有体现提前接闪的优势。
　　
　　左侧图片为关于此次曼彻斯特大学和麻省理工大学联合测试报告结论
　　
　　报告明确：……结果表明，在相同的电气和结构条件下无论是ESE接闪针还是传统的富兰克林接闪针的闪络放电都是随机的，ESE接闪针相比传统的富兰克林接闪针没有明显的优势。

       伊尔梅瑙理工大学的测试，图中最右侧为富兰克林接闪针，其余为ESE接闪针
　
　　伊尔梅瑙理工大学的测试表明，所有“ESE”和“常规”接闪针的局部放电起始电压仅由接闪针尖端的几何形状和尖端处的局部最大场强决定，但局部最大场强对“ESE“接闪针尖端的影响无法确定(图3a)。测量发射电子束时也可以看到同样情况：即使在很高的场强下，"ESE"接闪针也不会产生明显增加的电子束(图3b)。利用灵敏的测量技术，实际上可以检测到发射电子束电流随场强变化的扰动，例如在ESE接闪针尖端处(图4)，但约10μA的峰值电流值非常小，对于主动接闪完全没有意义。
　　
　　ESE接闪针的实际应用
　　
　　在美国新墨西哥州海拔3287米的南秃顶山的雷电监测站，进行过一项持续8年的研究，将ESE接闪针与对称间隔距离的富兰克林接闪针比较，以检验ESE接闪针的提前接闪功能。如果真如声称的那样，ESE接闪针能在富兰克林接闪针之前启动一个向上的放电通道，那么ESE接闪针将被闪电优先闪击。然而根据观察，雷暴天气时，ESE的触发装置能发出微弱的电子束电流但与常规的富兰克林接闪针的发射电流值没有明显差异，即使在非常高的电场强度下也未测得ESE接闪针能发射出峰值较大的射流并优先主动接闪。所有的雷击都闪击到富兰克林接闪针上，没有一次雷击到ESE接闪针。
　　
　　新墨西哥州南秃顶山
　　
　　20世纪90年代以来，马来西亚首都吉隆坡的许多建筑物上都安装了一系列不同的ESE接闪针。在这个雷暴活动极度频繁的地区(每年雷暴日超过200天)，通过自然条件下研究结果表明：超过80%高于60米的建筑物都遭到过雷击。记录在案的损坏案例不计其数，其中一些雷击位于ESE接闪针附近或下方。
　　
　　吉隆坡，安装ESE接闪针后的部分受损建筑

　　ESE接闪针在学术界的争议
　　
　　国际大电网会议“雷电”工作组早在1995年5月24日的声明就指出:“目前为止，尚无足够的理论分析和大量现场数据说明这类装置(ESE针)和传统装置(富兰克林针)相比，在拦截效应方面有重大改进。此外，早期流光发射技术在技术上似平是不正确的。...因此与常规避雷针(富兰克林接闪针)相比，早期流光不能解释为ESE避雷针的长度更长。”
　　
　　美国标准委员会于1995年7月18日一份独立报告的结论指出:与普通接闪针(富兰克林接闪针)相比，ESE接闪针提前产生先导的物理基础似是而非，提前的准确量也有问题，有理由怀疑ESE接闪针所声称的更大的保护范围的可靠性。美国消防协会2000年4月28日的决定不发布NFPAESE防雷系统标准，目前也不启动任何进一步的标准制定活动...
　　
　　17位属于国际防雷大会(ICLP)的科学委员会的科学家曾经签发了一个联合声明,反对ESE避雷针技术,声称ESE避雷针之运行的功能在自然雷电条件下从未证实是正确的。中立的研究者也不能证实所期望的、用指定的试验室的方法决定的优势。
　　
　　欧洲电工标准化委员会CENELEC成员也拒绝接受ESE设备标准...
　　
　　结论
　　
　　ESE接闪针进入中国迄今有二十多年，由于造型独特、声称保护范围大，得到部分使用者青睐，但是始终没有得到主流专家及防雷标准制定机构的认可。我国1994年修订的GB50057—1994《建筑物防雷设计规范》以及后续的2000版、2010版均按IEC(国际电工委员会)的标准，采用了滚球法计算接闪针的保护范围。目前IEC、国际大电网会议、美国等组织和国家均不支持ESE接闪针的理论，仅有少数国家如法国、西班牙等颁布相应的标准。ESE类提前放电接闪针在我国缺少相应的防雷标准规范支撑。
　　
　　因此，无论基于符合IEC和GB要求，还是实际使用效果，富兰克林接闪针在当前和未来仍然是我国直击雷防护的重要装置，其作用仍然是不可替代的。在ESE接闪针获得我们国家层面的规范标准认可之前，我们仍应首选符合IEC和GB标准要求的接闪装置。
　　
　　编辑：Harris