“法拉第籠”在建筑防雷中的理論與實踐

李文西 張立陽

【摘 要】雷電是宇宙中的自然現(xiàn)象。人類還不能控制其發(fā)生?！翱煞啦幌?。”只能積極采取一些措施，避免其對人類社會造成危害。本文采用“法拉第籠”的原理，可利用建筑物鋼筋網(wǎng)形成分格的“法拉第籠”，使籠內(nèi)各區(qū)間電位差趨于零，從而人員在等電位網(wǎng)格內(nèi)不受電位差值的侵害。建筑物鋼筋網(wǎng)通過引雷、導雷、泄雷裝置，形成雷電的有效通路，使整體建筑物鋼筋網(wǎng)構成為雷電流傳導裝置，將雷電流引入大地這個“電荷吸收體”。確保雷擊發(fā)生時建筑物內(nèi)人員安全。

【關鍵詞】法拉第籠；零電位；接閃器；引下線；接地裝置

【Abstract】Lightning is a natural phenomenon in the universe. Humans cannot control their occurrence. "It can be prevented." Only some measures can be taken to avoid harm to human society. In this paper， the principle of "Faraday cage" is adopted， and the "Faraday cage" of the building reinforcement mesh can be used to make the potential difference of each section in the cage tend to zero， so that the personnel are not affected by the potential difference in the equipotential grid. . The steel mesh of the building forms an effective passage for lightning by means of lightning， lightning， and lightning discharge devices， so that the overall building steel mesh is formed as a lightning current conducting device， and the lightning current is introduced into the "charge absorber" of the earth. Ensure the safety of personnel in the building when a lightning strike occurs.

【Key words】Faraday cage；Zero potential；Lightning receptor；Down conductor；Grounding device

從人類形成到現(xiàn)代文明社會為止，宇宙中雷電的發(fā)生，就一直在“可防不消”中沒有消停過。雷電是大氣中集正負電荷云塊之間，或帶電荷云層與地面之間所發(fā)生的一種強烈的自然放電現(xiàn)象。雷電雖然是一種人類還不能控制其發(fā)生的宇宙中自然現(xiàn)象，但為避免它對人類社會造成的侵害，人們通過長期的觀測研究，對雷電現(xiàn)象及其特性、發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律已經(jīng)取得了一定的認知，并在此基礎上形成了雷電防護的理論和實踐。利用鋼筋混凝土建筑物防雷裝置就是其中主要方法。建筑物防雷裝置從上到下由接閃器、引下線、接地裝置三大單元組成。

1. 接閃器：

接閃器實際上是把大地零電位抬高至建筑物頂層空間。專門用來接受雷電擊的金屬物體。有避雷針、避雷線、避雷網(wǎng)、避雷帶等幾種形式，避雷針宜采用圓鋼或焊接鋼管，避雷網(wǎng)和避雷帶宜用圓鋼或扁鋼，避雷線一般采用鍍鋅鋼絞線，由于電流傳導中的“集膚效應”，故一般情況下，優(yōu)先采用圓鋼，或鋼管，接閃器實際上是引雷金屬物體，把原來可能向被保護物體方向發(fā)展的雷電，吸引到接閃器本身，然后經(jīng)與接閃器相連的引下線和接地裝置，將雷電流傳導到大地。大地這個“電荷吸收體”的零電位，使雷電消失平衡，從而使被保護物體，免受空中雷電的雷擊所造成侵害。

2. 引下線：

將雷電流傳導到大地中去的各垂直部分，即引下線，宜采用熱鍍鋅圓鋼或扁鋼，優(yōu)先采用圓鋼。防雷引下線應優(yōu)先利用鋼筋混凝土建筑物的柱或剪力墻中的主鋼筋，還宜利用建筑物的鋼柱、金屬煙囪等作為引下線。專設引下線應沿建筑物外墻外表面明敷，選擇最短路徑與接地裝置連接接地。引下線的水平間距國家有規(guī)范，一般情況下，相當于建筑物的柱間隔。間隔太大，或不均等，要影響鋼筋籠內(nèi)各網(wǎng)格空間的電位平衡，有一定的風險。

3. 接地裝置：

（1）接地線與接地極合稱接地裝置，由若干接地極在大地中相互用接地線連接起來的接地極，它是埋入大地中與大地接觸的金屬導體，直接將雷電流傳導進入大地。接地裝置，應優(yōu)先利用建筑物基礎內(nèi)鋼筋混凝土內(nèi)的主鋼筋作為自然接地體，當不具備條件時，應做人工接地極，埋于地表800毫米下土壤中。接地極互相間距，因受傳導電流電場“屏蔽效應”影響，極長比間距一般應大于一比二，如極長2500毫米，極間距則為5000毫米。人工垂直接地極宜采用熱鍍鋅角鋼、鋼管；埋于土壤中的人工水平接地線采用熱鍍鋅扁鋼或圓鋼，其截面應與垂直接地線截面相同。因雷電壓傳導至建筑物底層時，正負零行人地面可能存在“集聚電位”。故在建筑物各處人流線處，設計者應設置距離建筑物600至800毫米間的防“跨步電壓”的均壓環(huán)，均壓環(huán)延長線為人流線頂端延伸1500毫米，埋于地表600至800毫米下土壤中，上面鋪設150至200毫米厚瀝青砂。建筑物高度超過100米者，此均壓環(huán)不少于二道。最好沿著建筑物平面四周環(huán)設。建筑物高度女兒墻至地表超過24米的接地裝置，其接地電阻實測，冬季為零始為合格。

（2）可以看出，人們在裝設防雷裝置保護建筑物時，雷電流是經(jīng)接閃器 ，引下線傳遞到接地裝置這個通路，將雷電流傳導入大地這個“電荷吸收體”。這套防雷裝置，是人為地將建筑物整體，提高至建筑物的頂層空間，因此布置建筑物防雷裝置時，特別強調(diào)各傳導體間的零電位，這就意味著防雷裝置設置“法拉第籠”的整體特性，如不充分、不合理，就沒有起到防雷的作用，反而會引雷，造成比較危險的結局。設計要承擔法律責任的。

（3）仔細閱讀《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057-2010，就會發(fā)現(xiàn)規(guī)范對接閃網(wǎng)格大小及引下線間距均有要求，接閃器是直接引雷的金屬物體，規(guī)范對其的規(guī)定如下表1所示，第一、二、三類防雷建筑物詳見《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057中的建筑物的防雷分類。再如，引下線是傳導雷電的垂直部分的金屬物體，規(guī)范對其的規(guī)定如下表2所示。還有，接地裝置是泄雷的埋在地下的金屬物體，規(guī)范對其垂直接地體直徑、水平接地體截面積等都有明確的規(guī)定（接閃器布置見表1，防雷引下線的數(shù)量及間距見表2）。

（4）以上規(guī)范中的數(shù)值都是經(jīng)過實踐的考驗，，因此，要以規(guī)范為基礎，將防雷與接地設計做到合理、縝密、安全。

（5）現(xiàn)如今的鋼筋混凝土建筑物，其骨架鋼筋，均應為鋼筋混凝土建筑物的主體構件，這就為防雷與接地設計提供了便利，為防雷與接地施工提供了很好的作業(yè)平臺，完全可以利用鋼筋混凝土結構內(nèi)的鋼筋作自然防雷裝置。筆者認為在符合規(guī)范的基礎上，為確?！胺ɡ诨\”可以將接閃器的網(wǎng)格尺寸再做小一點，并將屋面的金屬物體與接閃器可靠焊接。引下線利用鋼筋混凝土柱子內(nèi)的鋼筋，盡量多利用鋼筋混凝土柱子內(nèi)鋼筋，那怕將建筑物的所有柱子都作為引下線也不為過，因為見過鋼筋混凝土建筑物施工現(xiàn)場的會發(fā)現(xiàn)，整個鋼筋混凝土建筑物剔除混凝土外，就是一個巨型鋼筋網(wǎng)，所有鋼筋都是間接或直接相連接。在設計的時候，筆者建議，多做引下線不會增加鋼筋量，只是多一些焊接工藝而已，對建設單位來說，增加不了多少投資，對施工單位來說，增加不了多少成本，這樣帶來的好處是，雷電流導電的通路有了更多的選擇性，雷電流會第一時間選擇最短路徑，以最短時間泄雷進入大地，最終目的還是安全。接地裝置也一樣，多利用建筑物基礎內(nèi)水平面的縱向、橫向鋼筋網(wǎng)，增大了鋼筋混凝土建筑物整個基礎的雷電傳導通路。

（6）其實，多利用建筑物自身結構內(nèi)的鋼筋，如前所說，一個建筑，剔除混凝土部分，余下部分就是一個巨型鋼筋網(wǎng)，在此基礎上，在屋面多設幾道接閃網(wǎng)格，多利用幾處鋼筋混凝土柱子作引下線，多利用結構基礎閥板內(nèi)的鋼筋，整個鋼筋網(wǎng)的網(wǎng)格劃分的越小越好，從而形成一個完整的“法拉第籠”。實驗表明，人站立在這種由金屬或者良導體形成的籠體內(nèi)，籠內(nèi)各鋼筋網(wǎng)格均為零電位，將手貼在籠內(nèi)的鋼筋網(wǎng)格上，籠內(nèi)人員無觸電感覺，同時，因為人體觸電的身體的不同部位有時存在電位差，籠內(nèi)人員還可以體驗電子風的清涼感覺。“法拉第籠”是一個等電位體，內(nèi)部電勢差為零，電場為零，人的身體并不存在電位差，沒有電流通過，所以沒有觸電的感覺，所以“法拉第籠”是安全的。正是基于這樣的理論，整個防雷裝置宜利用建筑物自然鋼筋混凝土結構內(nèi)的鋼筋，形成一個巨大的“法拉第籠”，來防護雷擊產(chǎn)生的事故，不使其對建筑物產(chǎn)生危害，以達到保護建筑物內(nèi)人類與財產(chǎn)的安全目的。筆者認為，這是一項利用自然節(jié)省投資，值得推廣的技術措施。

[文章編號]1619-2737（2018）05-25-851