建筑防雷探討

龔利毅

（上海閔衡建筑檢測研究所有限公司，上海 201199）

雷電是一種常見的自然放電現(xiàn)象。雷電具有非常大的破壞性和危害，對人員和建筑物威脅極大，是高科技的天敵。從飛行器、輸電線路、電子系統(tǒng)到家用電器，都極易受到雷電破壞。

所以探討有效的防雷技術(shù)，對建筑做周全的防雷措施，是極其必要的。設計建筑物防雷措施時，應該充分考慮到當?shù)靥鞖馇闆r、建筑物的構(gòu)造、室內(nèi)電器的安裝、綜合布線等因素，將潛在的雷電破壞可能性降到最低。

1 雷電的產(chǎn)生以及防護措施

雷電常發(fā)生于對流層，積雨云上下部的電勢差達到限值時，就會發(fā)生放電。這就是我們見到的雷電現(xiàn)象。雷電流周圍會產(chǎn)生強大的電磁場，使得附近的導體或者電器設備產(chǎn)生上萬伏或更高的感應電壓，破壞建筑物，中斷電力通訊，甚至危害人員生命安全。

雷電破壞主要有三種：直接雷擊、雷電感應、電磁脈沖。

1.1 直接雷擊

直接雷擊是指雷電直接作用在表面或設備上。

防護措施：通過在外部設置接閃器，連接引下線，將接收的雷電流導入大地。接閃器主要有以下幾種：避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)，作用是截獲雷電，電流經(jīng)引下線散入大地。

1.2 雷電感應

雷電感應也被稱為感應雷。雷電附近的電磁作用產(chǎn)生雷電感應，分為靜電感應和電磁感應。它可能使金屬部件之間產(chǎn)生火花從而損害設備。

防護措施：屏蔽、等電位連接、安裝SPD等。

1.3 電磁脈沖

電磁脈沖是一種干擾源，表現(xiàn)為：空間電磁脈沖、浪涌電壓和地電反擊。

防護措施：屏蔽隔離、接地、均壓、安裝電涌保護器等。

2 建筑物的防雷措施

綜合防雷系統(tǒng)包括外部防雷系統(tǒng)和內(nèi)部防雷系統(tǒng)。外部防雷系統(tǒng)攔截直接雷擊；內(nèi)部防雷系統(tǒng)防護雷電感應和電磁脈沖。

圖1 綜合防雷系統(tǒng)

2.1 外部防雷系統(tǒng)

外部防雷系統(tǒng)是最直接經(jīng)濟的方法，主要是攔截直接雷擊。外部防雷用接閃器、引下線和接地形成一個完整的電氣通路，截獲閃電并引入大地。設計時，根據(jù)規(guī)范通過滾球法計算接閃器和引下線的設置，覆蓋保護建筑。

2.2 內(nèi)部防雷系統(tǒng)

內(nèi)部防雷系統(tǒng)防護雷電感應、電磁脈沖、雷電波侵入等。做法是屏蔽、等電位連接、在用電前端裝設SPD、共用接地等。

2.2.1 屏蔽

屏蔽主要是防護建筑物內(nèi)的精密儀器。隨著社會進步，電氣設備靈敏度高且耐過壓、耐過流低，易受到雷電的影響甚至破壞。因此，我們應根據(jù)建筑物自身特點，合理設計，盡量利用建筑物結(jié)構(gòu)中的鋼筋，構(gòu)成一個六面體的法拉第網(wǎng)籠避雷網(wǎng)，防護空間電磁波輻射。除此外，法拉第網(wǎng)籠還可以整體防護球雷、側(cè)擊雷等，在引流過程中，法拉第網(wǎng)籠泄流分壓效果也很好。

2.2.2 等電位連接

等電位連接是消除雷電入侵威脅的必要措施，可有效降低接觸電壓和故障電壓的危險。根據(jù)IEC的定義，等電位連接是指對外露導體做電位相等的電氣連接，它不構(gòu)建電氣回路，所以不傳輸電流，只傳送電位。設計總等電位連接時，應在進線處，將各種金屬構(gòu)件互相做電氣連接并接地，使得導體之間、導體和接地之間都不存在電位差，形成安全的用電系統(tǒng)。合理的等電位連接系統(tǒng)，可顯著減小引下線電流，降低其周圍的電磁感應，保護設備的安全。

2.2.3 在用電前端裝浪涌保護器SPD

SPD的作用是限制瞬時過電壓并泄流，保護設備不受沖擊。由于雷電瞬時電壓很高，是最有破壞性的浪涌電壓，所以應根據(jù)設備的耐壓水平，合理設計多級SPD防護，使限制電壓低于耐受電壓為止。SPD又稱為避雷器，按照工作原理分為三種：短路開關(guān)型、鉗壓型和組合型。

2.2.4 共用接地

電氣專家倡導共用接地，這是電氣技術(shù)發(fā)展和實踐經(jīng)驗的認知。建筑內(nèi)設備繁多，獨立接地分散于各地，從電氣理論來說，采用獨立接地是不科學的，效果差且容易造成耐壓度低的設備損害。整個系統(tǒng)應形成一個公用接地系統(tǒng)，將分散的電氣設備盡量連接在一起。如無法做到這一點，應設計其他保護，防止地電位反擊。

3 建筑物的防雷設計要點

建筑物防雷是整體工程，應該對內(nèi)外部防雷系統(tǒng)作全局考慮，還要根據(jù)建筑物所處環(huán)境，綜合考慮附近的規(guī)劃。

3.1 接閃器設計

根據(jù)GB50057-2010，將建筑物分為3類，采用球形法計算接閃器防護范圍。屋面設置接閃器，通過引下線接地。接閃器一般分為避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)。在屋角、女兒墻、以及屋頂水箱等凸出部分應設置避雷帶，屋面金屬導體應與避雷帶連接。各種被保護設備與接閃器之間保持安全距離。

3.2 引下線設計

引下線設計主要考慮泄流效果。引下線截面積和數(shù)量直接影響泄流效果。當通過引下線的雷電流較小時，感應范圍和電磁效應也相應較小。設計中，引下線間的距離不低于規(guī)范要求。當建筑物高度大于30米時，每3層設置均壓環(huán)，30米以上凸出金屬導體必須與引下線做電氣聯(lián)接，防止側(cè)擊雷危害。引下線通常采用結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)的鋼筋鋼柱，并與地基基礎(chǔ)的鋼筋連通接地。

3.3 屏蔽設計

將建筑物混凝土內(nèi)的鋼筋進行有效焊接，并與基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)電氣聯(lián)接，構(gòu)成法拉第籠，形成最外面屏蔽。進出建筑物的所有線纜應盡量埋地敷設，架空敷設線路，轉(zhuǎn)換接線處宜設置SPD。為增強屏蔽，用金屬管過電線電纜，金屬屏蔽連接處跨接，兩端電氣聯(lián)接。

3.4 等電位連接設計

在信息機房、控制中心、監(jiān)控中心等處設置局部等電位端子，局部等電位端子與總等電位箱連接并接地。各種設備通過SPD就近連接等電位端子。弱電豎井安裝鍍鋅鋼板，作為引下線與配線架、電纜架、穿線鋼管和設備柜相連。對于實際建筑物的等電位設計，有意識地將建筑鋼筋網(wǎng)和接地可靠連接，并將金屬管線及導體與鋼筋網(wǎng)焊接，使建筑物各設備之間以及設備與接地之間不存在明顯電位差，整體成為一個等電位體。

3.5 浪涌保護器設計

當電氣回路或者通信線路發(fā)生瞬時高電壓時，SPD可瞬間導通泄流，保護設備不受損壞。一般來說，因為雷電能量巨大，可采用四級防護。第三級SPD應設在建筑物主配電箱前端，第四級SPD應設在被保護設備的前端，接線時注意與電源相線一一對應，接地端與電源的PE端子排連接，兩者間的接線平直且不大于0.5米。

3.6 共用接地

工作接地、保護接地和防雷接地共用一組接地系統(tǒng)，施工方便且維護簡單，具有很強的實用性。而且各個接地電阻并聯(lián)后的共用接地電阻小于獨立接地總電阻，接地效果明顯。實踐證明，很多情況下各種接地系統(tǒng)很難互不影響。共用一組接地，不會引入電位差導致事故。因此，一般以基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)為接地端，采用聯(lián)合接地。如接地電阻達不到要求或者設計接地電阻較小，可另加設人工接地裝置。

4 結(jié)語

建筑防雷保護是一項系統(tǒng)性的整體工程。設計防雷系統(tǒng)時，不僅要考慮經(jīng)濟性，更要考慮安全性、合理性。因地制宜，根據(jù)設計目標和防雷規(guī)范，制定有效可靠的防雷綜合系統(tǒng)。