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1、建筑物防雷工程与设计要求及注意问题的探讨摘要：雷电灾害是联合国“国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一,也是目前中国十大自然灾害之一。据估计，全世界每年约有10亿次雷暴发生，平均每小时发生2000次雷暴，而每分钟发生13次云对地闪电，地球表面而言，每秒钟的地闪就有30100次，有时顷刻间就有2000个左右的闪电，平均每天发生闪电800万次。雷电造成的人员伤亡、财产损失数目更惊人。据相关数据统计，全世界每年因雷击造成的经济损失达10亿美元以上，人员伤亡也相当严重，我国每年因雷击伤亡人数达10500人左右。因此对建筑物防雷工程与设计要求及注意问题和随着科技发展出现的问题分别予以探讨。 关键词
2、：防雷工程与设计 防雷装置 雷电电磁脉冲 安全距离 等电位连接一、引言 在人类生存的环境中有许多自然灾害，如地震、暴雨、冰雹、水灾、旱灾、火灾、雷击等等。对此，人们总是想方设法进行防御或减轻它们所造成的损失。雷电灾害是联合国“国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一,也是目前中国十大自然灾害之一。但就我国而言，过去防雷设计在整个建筑设计中所占的比重很小。电气设计人员不重视，其他专业的设计人员更不重视，但雷击所造成的损失却无法轻视。据相关数据统计，全世界每年因雷击造成的经济损失达10亿美元以上，人员伤亡也相当严重，我国每年因雷击伤亡人数达10500人左右。就防雷历史而言，我国建国初期大多是按
3、照日本的4560保护角确定避雷针的保护范围，用三叉小铜针避雷针、铜引下线和1m1m铜板作为接地装置。 我国第一部建筑物防雷设计规范（GBJ5783）于1983年11月7日公布。第二部建筑物防雷设计规范（GB5005794）（机械工业部设计研究院林维勇先生主笔）于1994年4月18日公布。该部规范吸收了许多国外先进的东西，将接闪器保护范围的计算方法改为滚球法并结合我国防雷设计的实际经验增加了许多新条款。这两部规范对指导我国建筑物防雷设计起了很大的作用。现在我国还源用建筑物防雷设计规范（GB5005794）。 70年代以前，人们听到的雷击事故多是击中建筑物或大树，严重的造成了建筑物烧毁或人员伤亡。
4、那时被雷击的建筑物绝大多数是没有安装防雷装置（避雷针、避雷带或避雷网）。现在听到的雷击事故相对少了，其原因是，多层建筑物和高层建筑物都安装了防雷装置。有时，接闪器接闪后，即使是微电子设备因雷电电磁脉冲感应受损，局外人也不知道，本单位做些局部修理也就完事了。其实，现在的雷击事故并不算少。雷击建筑物对某一栋楼而言可能是百年不遇的事，但防雷装置接闪则是较常见的，这也是正常的。 接闪装置接闪后，建筑物引下线附近的设备会受到雷电流的感应，这就是雷电电磁脉冲干扰。 随着电子技术的飞速发展，电子计算机早已步入社会的各行各业。建筑物内几乎无不设有复杂程度不同的微电子设备和计算机系统，民用建筑也不例外。雷电电磁
5、脉冲干扰日益成为频发事故。面对这种挑战，防雷设计人必须转变观念，把雷电电磁脉冲防护当作防雷设计的重点。这不只是电气一个专业的事，因为它涉及到电子设备的位置和管线的布置等问题。各个专业应充分协商，从整体上解决防雷设计上的问题。否则，建筑物设计得再好，也无法正常使用。二、雷电原理概述 雷电是发生在大气中的声、光、电等物理现象，其放电电流可达数十千安，甚至数百千安。放电瞬间，雷电流产生巨大的破坏力和极强的电磁干扰，所造成的灾害是联合国“国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一,也是目前中国十大自然灾害之一。据估计，全世界每年约有10亿次雷暴发生，平均每小时发生2000次雷暴，而每分钟发生13次云
6、对地闪电，地球表面而言，每秒钟的地闪就有30100次，有时顷刻间就有2000个左右的闪电，平均每天发生闪电800万次。雷电造成的人员伤亡、财产损失数目更惊人。据相关数据统计，全世界每年因雷击造成的经济损失达10亿美元以上，人员伤亡也相当严重，我国每年因雷击伤亡人数达10500人左右。 雷云对地放电，能够对地面上的建筑物设施构成严重危害，其危害主要分两类：直接危害和间接危害。直接危害主要表现为雷电引起的热效应、机械效应和冲击波等；间接危害主要表现为雷电引起的静电感应、电磁感应和瞬时过电压等。1、直接危害 雷电引起的热效应、机械效应和冲击波作用所造成的影响均属于雷电直接危害。 雷云对地放电时，强大
7、的雷电流从雷击点注入被击物体，其热效应可使雷击点周围局部金属熔化，当雷电击中草堆和树木时，能将草堆和树木引燃；当雷电击中输电路时，可将其熔断。这些都属热效应，如果防护不当，就会成火灾，带来更大的损失和灾难。 雷电机械效应所产生的破坏作用主要表现为两种形式：电动力和内压力。众所周知，载流导体周围的空间存在着电磁场，在电磁场中的载流导体会受到电磁力的作用。雷击建筑物时，在电动力作用下，建筑物内的导体之间会相互吸引或排斥引起变形，甚至会被折断。在被击物体的内部产生内压力是雷电机械效应破坏作用的另一种表现形式。由于雷电流幅值很高(高达100300千伏)，放电时间很短（约为40纳秒），击中树木或建筑物构
8、件时，在其内部瞬时产生大量热量，在短时间内热量来不及散发出去，致使物体内部的水份被大量蒸发成水蒸气，并迅速膨胀，产生巨大的爆炸力，将被击树木劈裂、建筑物崩塌。 雷电产生的冲击波类似爆炸产生的冲击波。在雷云对地放电过程的回击阶段，放电通道中既有强烈的空气游离又有强烈的异性电荷中和，信道中瞬时温度升高，使得通道周围的空气受热急剧膨胀，并以超声波迅速向四周扩散，从而形成冲击波。防御直接危害的最好办法是严格按建筑物防雷设计规范（GB5005794）安装外部防雷装置。2、间接危害 雷电的静电感应、电磁感应和瞬时过电压作用所造成的影响均属于雷电间接危害。 雷电电磁脉冲，是天空打雷时产生的作为干扰源的强大闪
9、电流及其电磁场。它的感应范围很大，对建筑物、人身和各种电气设备及管线都会有不同程度的危害。建筑物内的雷电电磁脉冲干扰指以下三种情况： （1）天空中雷电波的电磁辐射对建筑物内电力线路和电子设备的电磁干扰； （2）建筑物的防雷装置接闪时，强大的瞬间雷电流对建筑物内电力线路和电子设备的干扰； （3）由外部各种强、弱电架空线路或电缆线路传来的电磁波对建筑物内电子设备的干扰。 现代电子技术日益向高精度、高灵敏度、高频率和高可靠性方向发展。这些电子设备非常灵敏，但耐压很低，一般电子设备都承受不了正负5伏的电压波动。以各种微机为例，当雷电电磁脉冲的磁场强度超过0.07 高斯时，就会引起微机的误动作，当磁场强
10、度超过2.4高斯时，就会造成微机的永久性损坏。因此，我们必须对雷电电磁脉冲采取必要的防护措施，以便在先进的建筑物内实现良好的电磁兼容性。 防御雷电电磁脉冲干扰的理想防雷设计方案是笼式避雷网，它利用的是法拉第笼原理。建筑物的金属结构物遍及各处，不用很多钢材就可很容易连接起来形成法拉第笼，从而建筑物内的电子设备得到很好的屏蔽。屏蔽做得好，能防御空间电磁波的辐射，还可使建筑物内部的分流和均压达到最佳效果。因此，有的要求仅对设备本身做屏蔽，有的要求在设备与设备之间做屏蔽，还有的要求在机房做屏蔽。正因为这个问题的重要，所以1995年国际电工委员会建筑物防雷分委会（IEC/TC-81）在雷电电磁脉冲的防护
11、的标准中提出了防雷保护区（LPZ）的概念，防雷设计人员可以按照微电子设备的多少、繁简、重要程度、摆放位置及进出管线的具体情况按防雷保护区（LPZ）划分防雷区以取得良好的屏蔽、等电位和接地效果。 防御雷电电磁脉冲对室内布线的要求非常严格。由于用作引下线的钢筋混凝土柱内的钢筋和整个建筑物的屏蔽网都在外墙处，雷电流需经此处的钢筋分流到接地装置上，所以外墙处的电流密度大，电磁场强。 防御雷电电磁脉冲对接地的要求也很严格。电子系统的低频信号工作接地应采用单点接地系统，在整个建筑物内应为树干式结线布置。各层或各段的低频信号工作接地均应直接接到单点接地板上，不得形成环路。单点接地系统不应与用作防雷引下线的柱
12、子平行，以防强磁场干扰。由于是利用建筑物结构钢筋作屏蔽，因此必须采用综合共同接地方式，即将防雷接地、电源的工作接地、各种装置的外壳、铁管外皮和高频电子设备的信号接地都统一接到建筑物的基础上或室外接地装置上。为避免杂散电流，单点接地系统必须采用绝缘线，其主接地板必须置于建筑物的最底层且直接与基础或室外接地装置连接。各层单点接地系统的区域接地板或终端接地板如需要与综合共用接地系统的装置接地板连接，应在它们之间加装不大于直流300V的放电管或压敏电阻。综合共用接地的电阻一般应在1欧姆以下，对于特殊的电子设备，可在0.5欧姆以下。确定接地电阻时，应考虑各种设备对接地电阻值的要求，在所要求的各种阻值下，
13、应取最低值。 在低压220/380V供电系统中，应采用三相五线（TNS）系统，以便于装置接地（PE）线和中性（N）线分开，PE线应接到各层或各段装置接地的终端地板上。为了防御雷电电磁脉冲，建筑物的电源、电话、广播等线路最好采用埋地电缆引入，所用电缆应为铠装电缆或同轴电缆且外皮两端均要接地。三、外部防雷装置与内部防雷装置 国际电工委员会编制的标准（IEC10241）将建筑物的防雷装置分为两大部分：外部防雷装置和内部防雷装置。建筑物的防雷设计必须将外部防雷装置和内部防雷装置作为整体统一考虑。 外部防雷装置（即传统的常规避雷装置）由接闪器、引下线和接地装置三部分组成。接闪器（也叫接闪装置）有三种形式
14、：避雷针、避雷带和避雷网，它位于建筑物的顶部，其作用是引雷或叫截获闪电，即把雷电流引下。引下线，上与接闪器连接，下与接地装置连接，它的作用是把接闪器截获的雷电流引至接地装置。接地装置位于地下一定深度之处，它的作用是使雷电流顺利流散到大地中去。 内部防雷装置的作用是减少建筑物内的雷电流和所产生的电磁效应以及防止反击、接触电压、跨步电压等二次雷害。除外部防雷装置外，所有为达到此目的所采用的设施、手段和措施均为内部防雷装置，它包括等电位连接设施、屏蔽设施、加装的避雷器以及合理布线和良好接地等措施。 防雷设计及工程是一项系统工程。建筑物防雷设计一书就提出了建筑物防雷设计的六项重要因素，目的是提醒人们要
15、整体地、全面地考虑建筑物防雷设计。这六项要素是： （1）接闪功能：指实现接闪功能所应具备的条件，包括接闪器的形式（避雷针、避雷带和避雷网）、耐流耐压能力、连续接闪效果、造价以及接闪器与建筑物的美学统一性等。 （2）分流影响：指引下线对分流效果的影响。引下线的粗细和数量直接影响分流效果，引下线多，每根引下线通过的雷电流就小，其感应范围就小。引下线相互之间的距离不应小于规范中的规定。当建筑物很高，引下线很长时，应在建筑物的中间部位增加均压环，以减小引下线的电感电压降。这不仅可以分流，而且还可以降低反击电压。 （3）均衡电位：指使建筑物内的各个部位都形成一个相等的电位，即等电位。若建筑物内的结构钢筋
16、与各种金属设置及金属管线都能连接成统一的导电体，建筑物内当然就不会产生不同的电位，这样就可保证建筑物内不会产生反击和危及人身安全的接触电压或跨步电压，对防止雷电电磁脉冲干扰微电子设备也有很大的好处。钢筋混凝土结构的建筑物最具备实现等电位的条件。 （4）屏蔽作用：屏蔽的主要目的是使建筑物内的通信设备、电子计算机、精密仪器以及自动控制系统免遭雷电电磁脉冲的危害。建筑物内的这些设施，在防雷装置接闪时会受到电磁干扰，由于它们本身灵敏性高且耐压水平低，有时附近打雷或接闪时，也会受到雷电波的电磁辐射的影响，甚至在其他建筑物接闪时，还会受到从该处传来的电磁波的影响。 （5）接地效果：指接地效果的好坏。良好的接地效果也是防雷成功的重要保证之一。每个建筑物都要考虑哪种接地方式的效果最好和最经济。当钢筋混凝土结构的建筑物符合规范条件时，应利用基础内的钢筋作为接地装置。当达不到规范中规定的条件或基础包
