防雷技術在建筑工程設計中的應用

華紅兵

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近年來，隨著微電子技術的高速發展，高大建筑和大型廠站的興建，雷電災害的發生越來越頻繁，損失也越來越大。我國對雷電災害的預防、消除研究從未間斷，國家各部門對工程設計中防雷電危害的要求也越來越嚴格，越來越全面。1994年正式發布的《建筑物防雷設計規范》，在實行6年后，2000年由國家技術監督局和建設部又對其進行了修訂。雷電危害包括直擊雷、感應雷、侵入雷、雷電電磁脈沖等。防雷設施主要由接閃器、引下線、接地裝置及電涌保護等環節組成，每個環節對防雷起著重要作用，不能片面強調某一部分。

1 接閃器的應用

接閃器(Air－termination system)，即直接接受雷擊的避雷針、避雷帶(線)、避雷網，以及用做接閃的金屬屋面和金屬構件等。接閃器一般可分為被動式避雷針、主動式避雷針、半導體消雷器3類：①被動式避雷針就是傳統的富蘭克林避雷針及常用的避雷帶(線)、避雷網等，目前使用范圍很廣。但它具有一定的缺陷，如側向跳火，保護范圍小，可靠性低，磁場感應影響等。一些國家的規范 (英國標準Birtish Code BS6651，德國 German Code)中也提及上述問題。②主動式避雷針是能提前發射閃流，控制雷擊點，保護范圍大。③半導體消雷器在實際應用中證明效果不佳，目前已經停止應用。

由于傳統避雷針、避雷帶(線)、避雷網等制作、安裝方便、價格低廉，所以在工程中應首選。但對于第二類及以上防雷建筑，建議在經濟條件允許的情況下，最好應用主動式避雷針。目前國內已經有無放射源、無易損件主動式避雷針，如已廣泛應用的ERICO公司生產的S3000避雷針，就是一種屬于世界領先的"主動式"避雷針。它具有獨特的橢球外形，能增強電場引力。內部接地桿與球體之間絕緣，并有3mm間隙，在雷電先導靠近時，間隙擊穿，觸發雪崩，形成向上閃流。這種接閃器比傳統富蘭克林避雷針提前50靤發出向上閃流，同時電流值也大2～3倍，保護半徑明顯增大。

另外，必須注意，對于建筑物，不得與安裝在建筑物頂的各類天線共用接閃器，即不能利用接收無線電視廣播等的天線的桿頂上的接閃器保護建筑物。

2 引下線的選擇

引下線(Down－conductor system)就是連接接閃器與接地裝置的金屬導體。除第一類防雷建筑物應裝設獨立避雷針或架空避雷線(網)外，一般建筑物通常宜利用鋼筋混凝土屋面、梁、柱、基礎內鋼筋做為引下線，同時建筑物利用這些鋼結構形成等電位連接，即形成法拉第籠。這種防雷方式目前廣泛應用，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。隨著科技的發展，智能大廈越來越多，建筑物內微電子產品的應用十分普及，而雷電流的頻率高，前沿陡，電流很大，當雷電流通過鋼筋時，有3種情況需要在設計中考慮。

2.1 當雷電流通過鋼筋的瞬間，鋼筋與附近物體之間出現很高的電位差，容易引起側向跳火。

2.2 雷電流的頻率高，通過雷電流的過程中，每m鋼筋產生約1.6的電感，在直角彎處更大，會在鋼筋上形成電壓降。如雷電流為30kA，對單根鋼筋，每m約有4.8kV的電壓降。雖然對建筑物來說，有許多鋼筋起分流作用，但對于微電子設備而言，這種電壓的存在還是不能忽視的。對于高層建筑，每層一般都采用均壓設計，當不同層之間有電子設備(如計算機)連接線時，電位差引起的環流有可能損壞電子設備。

2.3 在雷電通過時，鋼筋周圍會出現交變磁場，使附近設備產生感應電壓，可能使設備損壞。所以對具體建筑物，應分清其功能用途，當建筑物內設置大量的、較重要的電子設備時，應單獨設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部設施的危害。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體，可防側向跳火，切除環流，減小電磁感應。當然，其價格較高。

3 接地裝置的設置

接地裝置(Earth－termination system)就是接地體和接地線的總合。對于一般建筑來講，應盡量利用其基礎鋼結構做接地裝置，通常都可以滿足接地電阻小于10Ω的要求。而對于改造工程，以及某些難以利用基礎鋼結構的建筑，則需要敷設接地極或接地網。在山區或北方干旱地區，當接地電阻不能滿足要求時，應采用降阻劑或其它結構的接地極(如化學接地極)。

特別應注意的是，對于獨立避雷針、架空避雷線或避雷網，必須應有獨立的接地裝置，接地裝置距離被保護建筑及地下進入的金屬管道距離不得小于3m，條件允許時，可取5m以上。

當進行某些工業建筑、工藝設備的接地設計時，還需要考慮其自身的特點。如當設置有陰極保護系統時，為防感應雷(或防靜電)而設置的接地系統，往往可能與陰極保護系統發生矛盾。此時，就需要整體考慮。

4 電涌保護

雷擊電磁脈沖是在建筑物遭受直接雷擊或附近遭受雷擊的情況下，線路和設備產生過電流和過電壓，即出現電涌(Surge)。《建筑物防雷設計規范》2000年修訂版中防雷擊電磁脈沖部分，是參考國際電工委員會相關文件編制的。其中對防雷擊電磁脈沖提出了具體要求，并專門對電涌保護器(SPD)給出具體接線方式。

在具體工程設計中，電涌保護往往不只一級，按三級保護給出接線方式。圖1是電源為TN－S系統的具體保護接線，當電源為其它系統時則相應變動。為使最大電涌電壓足夠低，電涌保護器兩端引線要做到最短。

圖1 TN－S系統電涌保護

對低壓三相系統，目前一般電涌保護器對最大持續運行電壓的要求都可滿足。雷電防護是一項綜合技術，是一個系統工程。除上文所涉及到的部分以外，其它方面還有很多技術值得探討，如對于側擊雷的防護、屏蔽、接地、等電位連接等。在工程設計中，我們不僅要嚴格執行國家規范。而且應廣泛關注高科技的發展，并積極采用成熟的防雷產品，如目前國內已經有集高科技于一身的雷電預警系統投入使用，就值得我們關注。