淺談雷電危害及建筑物的防雷措施

王雪凈

隨著社會經(jīng)濟水平的提高,建筑物的規(guī)模不斷擴大,其內(nèi)各種電氣設(shè)備的使用日趨增多,尤其是計算機網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的普及,建筑物越來越多采用各種信息化的電氣設(shè)備,對防雷、防電磁脈沖等保護措施的要求也越來越高。但是,我國每年因雷擊破壞建筑物及其內(nèi)部電氣設(shè)備的事件時有發(fā)生,所造成的損失也非常巨大。2010年4月13日上海東方明珠塔遭雷擊起火即是個典型的例子。因此建筑物的防雷保護設(shè)計就顯得尤為重要。

1 雷電成因及其對建筑物的危害

1.1 雷電成因

雷電是一種大氣中規(guī)模巨大的火花放電現(xiàn)象,主要產(chǎn)生于積云中,積云在形成和運動過程中受到強烈氣流的作用,形成了帶有正、負不同電荷的兩部分積云,這種帶電積云稱為雷云。在上下氣流的強烈撞擊和摩擦下,雷云中的電荷越聚越多,一方面在空中形成了正、負不同雷云間的強大電場;另一方面臨近地面的雷云使大地地面或建筑物表面感應(yīng)出與其極性相反的電荷,這樣雷云與大地或建筑物之間也形成了強大的電場。當(dāng)電荷積累到一定程度時,不同云團之間或云與大地之間的電場強度可以擊穿空氣(一般E=25 kV/cm～30 kV/cm),開始游離放電,稱之為“先導(dǎo)放電”。云對地的先導(dǎo)放電是由雷云向地面跳躍式逐漸發(fā)展的,當(dāng)?shù)竭_地面(或地面上的建筑物、架空輸電線)時,便會產(chǎn)生由地面向云團的逆導(dǎo)主放電。在主放電階段里,由于異性電荷的劇烈中和,會出現(xiàn)很大的電流,電流做功的結(jié)果,可使電流通過地方的氣體瞬間溫度急劇升高到2萬℃左右,從而呈現(xiàn)強烈的火光,這就是我們看到的劃破天空的閃電,同時受熱的電離氣體體積急劇膨脹而發(fā)出隆隆的雷聲,這就是雷電[1]。

1.2 雷電對建筑物的危害

雷擊的危害主要有三個方面：1)直接雷,是指雷云對大地某點發(fā)生的強烈放電,它可以直接擊中建筑物、設(shè)備等。雷電擊中架空線,如電力線、電話線等,雷電流便沿著導(dǎo)線進入設(shè)備從而造成損壞。2)感應(yīng)雷,它可以分為靜電感應(yīng)及電磁感應(yīng),當(dāng)帶電雷云(一般帶負電)出現(xiàn)在導(dǎo)線上空時,由于靜電感應(yīng)作用導(dǎo)線上束縛了大量的相反電荷,一旦雷云對某目標放電,雷云上的負電荷便瞬間消失。此時導(dǎo)線上的大量正電荷依然存在并以雷電波的形式沿著導(dǎo)線經(jīng)設(shè)備入地,引起設(shè)備損壞。3)地電位提高,如果雷電直接擊中具有避雷裝置的建筑物或設(shè)備,接地網(wǎng)的地電位會在數(shù)秒之內(nèi)被抬高數(shù)萬伏或數(shù)十萬伏。高度破壞性的雷電流將從各種裝置的接地部分流向供電系統(tǒng)或各種網(wǎng)絡(luò)信號系統(tǒng),或者擊穿大地絕緣而流向另一設(shè)施的供電系統(tǒng)或各種網(wǎng)絡(luò)信號系統(tǒng),從而反擊破壞或損害電子設(shè)備。同時,在未實行等電位聯(lián)結(jié)的導(dǎo)線回路中,可能誘發(fā)高電位而產(chǎn)生火花放電的危險。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計表明：直擊雷的損壞僅占 15%,感應(yīng)雷與電位提高的損壞占85%[2]。

一般建筑物上的避雷針只能預(yù)防直擊雷,而強大的電磁場產(chǎn)生的感應(yīng)雷和脈沖電壓卻能潛入室內(nèi)危及電視、電話及聯(lián)網(wǎng)微機等弱電設(shè)備。由于智能建筑中的電子設(shè)備對雷電電磁脈沖的耐受能力很弱,非常容易因感應(yīng)雷電過電壓而損壞甚至發(fā)生誤動作,不僅給人們的辦公和生活帶來了極大的不便,有時甚至?xí)＜皹怯顑?nèi)工作人員的生命安全。

2 防雷保護措施

2.1 外部防雷

1)接閃器是專門直接接受雷擊的金屬導(dǎo)體,一般可分為被動式避雷針、主動式避雷針、半導(dǎo)體消雷器 3類：a.被動式避雷針就是傳統(tǒng)的富蘭克林避雷針及常用的避雷帶(線)、避雷網(wǎng)等,目前使用范圍很廣。但它具有一定的缺陷,如側(cè)向跳火,保護范圍小,可靠性低,磁場感應(yīng)影響等。一些國家的規(guī)范(英國標準British Code BS6651,德國German Code)中也提及了上述問題。b.主動式避雷針是能提前發(fā)射閃流,控制雷擊點,保護范圍大。c.半導(dǎo)體消雷器在實際應(yīng)用中證明效果不佳,目前已經(jīng)停止應(yīng)用。由于傳統(tǒng)避雷針、避雷帶(線)、避雷網(wǎng)等制作、安裝方便、價格低廉,所以在工程中應(yīng)首選。但對于第二類及以上防雷建筑,建議在經(jīng)濟條件允許的情況下,最好應(yīng)用主動式避雷針[3]。

2)引下線是連接接閃器與接地裝置的金屬導(dǎo)體,使雷電流構(gòu)成通路。要求滿足機械強度、耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性的要求。引下線應(yīng)優(yōu)先利用建筑物鋼筋混凝土柱或剪力墻中的主鋼筋,還宜利用建筑物的消防梯、鋼柱、金屬煙囪等作為引下線。同時建筑物利用這些鋼結(jié)構(gòu)形成等電位聯(lián)結(jié),即形成法拉第籠。這種防雷方式目前廣泛應(yīng)用,并行之有效,但在某些特殊情況下,這種方式也有它的不足之處。對具體建筑物,應(yīng)分清其功能用途,當(dāng)建筑物內(nèi)設(shè)置大量的、較重要的電子設(shè)備時,應(yīng)單獨設(shè)置對建筑物相對獨立的接閃器和引下線,以避免強大雷電流對內(nèi)部設(shè)施的危害。另外,引下線還可采用專用引下線,例如具有特殊絕緣、屏蔽的專用同軸電纜引下導(dǎo)體,可防側(cè)向跳火,切除環(huán)流,減小電磁感應(yīng)。

3)接地體的作用是向大地均勻泄放雷電流,使防雷裝置對地電壓不至于過高。因此接地體的接地電阻要小(一般不超過10 Ω)。接地體一般有兩種形式：自然接地體和人工接地體。自然接地體是利用埋在地下的金屬構(gòu)件、金屬管道以及建筑物的基礎(chǔ)鋼筋作為接地體,該做法節(jié)省工程量和降低工程造價,同時大幅度減少接地電阻,但是長期使用時會造成建筑物的結(jié)構(gòu)鋼筋和管件產(chǎn)生電蝕現(xiàn)象,導(dǎo)致漏水和結(jié)構(gòu)鋼筋變細等嚴重后果。為了保護建筑物的安全,應(yīng)采用人工接地體方法。除此之外,應(yīng)將建筑物的樁筋、地梁內(nèi)的主筋和柱內(nèi)的主筋焊接起來,并把地梁外圈梁中間(網(wǎng)格)鋼筋焊接成一個閉合環(huán)路,組成一個完整的接地系統(tǒng)。這種接地系統(tǒng)與大地接觸面廣,接地電阻低,而且鋼筋得到混凝土的保護,受侵蝕作用減少,接地電阻比較穩(wěn)定[5]。

2.2 內(nèi)部防雷

2.2.1 電源線路防雷

電源防雷系統(tǒng)主要是防止雷電波通過電源線路對計算機及相關(guān)設(shè)備造成危害。為避免高電壓經(jīng)過避雷器對地泄放后的殘壓過大或因更大的雷電流在擊毀避雷器后繼續(xù)毀壞后續(xù)設(shè)備,以及防止線纜遭受二次感應(yīng),依照GB 50057-94建筑物防雷設(shè)計規(guī)范(2000年版)和GB 50343-2004建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范,應(yīng)采取分級保護、逐級泄流的原則。1)在大樓電源的總進線處安裝放電電流較大的首級電源避雷器;2)在重要樓層或重要設(shè)備電源的進線處加裝次級或末級電源避雷器。為了確保遭受雷擊時,高電壓首先經(jīng)過首級電源避雷器,然后再經(jīng)過次級或末級電源避雷器,首級電源避雷器和次級電源避雷器之間的距離要大于5 m,如果兩者間距不夠,可采用帶線圈的防雷箱,這樣可以避免次級或末級電源避雷器首先遭受雷擊而損壞[6]。

2.2.2 信號線路防雷

目前大部分通信設(shè)備由于電子元器件的高度集成化而致耐過壓、耐過流水平下降,通信設(shè)備在雷電波沖擊下遭受過電壓而損壞的現(xiàn)象越來越多,其后果是可能造成整個通信系統(tǒng)的運行中斷,消防系統(tǒng)失靈等,因此必須在網(wǎng)絡(luò)通信口處加裝必要的防雷保護裝置以確保網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的安全運行。

對通信系統(tǒng)進行防雷保護,選取適當(dāng)保護裝置非常重要,應(yīng)充分考慮防雷產(chǎn)品與通信系統(tǒng)匹配。

通信接口避雷器考慮的主要因素如下：

1)線路上可能感應(yīng)的浪涌形式(例如波形、時間參數(shù)和最大峰值);

2)接口電路模擬雷電沖擊擊穿電壓臨界指標;

3)保護對象在正常工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)信號電平;

4)保護裝置在模擬雷電沖擊下的殘壓參數(shù)指標;

5)保護裝置的耐沖擊能力;

6)系統(tǒng)的工作頻率;

7)保護對象的接口方式;

8)工作電壓。

3 結(jié)語

隨著建筑規(guī)模的不斷擴大,計算機及精密電子設(shè)備日益普及,人們對其防護的要求也愈加嚴格。然而,防雷設(shè)計是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,如何保證智能建筑信息系統(tǒng)中的計算機及精密電子設(shè)備正常運行,將是工程設(shè)計人員重點要關(guān)注的問題。

[1]朱建軍.建筑安全工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[2]張振文.雷電的成因、危害及預(yù)防[J].科技信息,2009(14)：356-357.

[3]張曉琳,張學(xué)慶.建筑工程防雷設(shè)計[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2009(23)：178.

[4]李紅梅.淺談雷電的預(yù)防措施[J].山西建筑,2008,34(14)：181-182.

[5]殷春生.淺談直擊雷的防護[J].電氣工程應(yīng)用,2009(3)：26-29.

[6]王志宇,潘靈芝.建筑物防雷保護綜述[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2008(22)：50-51.