雷電成因及防雷引下線截面積的探討

李維時 / 龐傳貴 (中國建筑設計研究院機電院，北京 100044)

關于雷電成因的說法很多，雷電釋放能量的推算結果也有差異，從而導致人們對建筑物防雷以及防雷措施不同的認識。目前《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057-2010已經(jīng)頒布，作為建筑物防雷的設計人員，需要更深入的學習、研究并執(zhí)行“規(guī)范”，做好建筑物防雷的設計。

1 雷電成因

雷電的成因與帶電云層的形成分不開，而帶電云層形成的觀點很多。一種觀點認為，含水蒸氣的上升氣流遇冷，水蒸氣形成“水成物”（即雨滴、冰雹等）?！八晌铩痹诘厍蜢o電場的作用下被極化，并在上升的高速氣流作用下，相互碰撞、聚集，體積增大。通過重力、分離等復雜作用，形成上部帶正電、下部帶負電的帶電云層。帶電云層在電場的作用下，使水成物進一步極化，在重力、分離等作用下形成“雷云”。還有觀點認為，帶電云層是源于高速氣流與地面物體強烈摩擦生電，氣流中的塵埃等物質帶上了游離的電荷。帶電的高溫空氣上升，進入寒冷的高空，由于氣溫急劇下降，水蒸氣結露成云霧。在強氣流高速運動過程中，云霧、水滴等物質相互碰撞、摩擦，分別帶上了正電荷與負電荷，并進一步聚集形成雷云。帶電云層的形成還有其他觀點，不贅述。

不論哪種觀點，都認同帶電云層最終內(nèi)部同性電荷匯集，形成帶電中心，當異性帶電中心之間的空氣被其強大的電場擊穿時，就形成“云間放電”（即閃電）。云間放電形成片狀雷，占雷電形式的95%。當帶電云層向下靠近地面時，地面的凸出導電物、金屬等會被感應出相反的電荷。隨著電場的增強，雷云下行先導與地面物體感應出的向上電荷靠近，形成微弱電離通道，這一階段稱為先驅放電 。先驅放電是一個一個相繼向前發(fā)展的脈沖，它的平均發(fā)展速度約為1×105～1×106m/s，各脈沖的時間間隔約為30～90μs。每階段向前推進的長度約為50m。先驅放電常常是分枝狀的，這是因為放電往往是沿著空氣游離最強、最容易導電的路徑發(fā)展，通常只是一個前驅放電枝杈到達大地。在先驅接近地面時，由地面或建筑物上發(fā)出的反方向放電，稱為“迎面放電”。階段先驅與迎面放電在距地面一定距離的地點相遇。

先驅放電及迎面放電后，開始“主放電階段”，也稱“先導放電階段”。此后則是可看到的雷電本體。在主放電階段中，聚集在電路中的電荷與地面上的電荷猛烈中和，巨大的電流流過雷擊點，發(fā)出強烈的閃光和聲響。

雷云對地放電多為線狀雷（也有極少數(shù)形成球雷），占雷電形式的5%，此種形式的雷電對建筑物和信息系統(tǒng)的危害較大。

如根據(jù)云層帶電極性來定義雷電流的極性，云層帶正電荷對地的放電稱為正閃電，而云層帶負電荷對地的放電稱為負閃電。

圖1 雷電放電過程示意圖

2 雷電的效應

雷電流具有電流所具有的一切效應。本文只針對雷電流熱效應，對防雷引下線規(guī)格的影響等方面談談看法。希望在工程設計中，做到即安全又不浪費。

研究雷電的能量，常以對地放電的雷電形式為主。

雷電放電大多是重復性的，每次放電幾十至幾百微秒，間歇時間為幾十毫秒，一次雷電平均包括3～4次，最多可達40次，通常首次放電的電流幅值最高。重復放電都是沿著第一次放電的通路發(fā)展的，這時由雷云向下發(fā)展的先驅放電是連續(xù)的，不是階段式的，是主放電的重復過程。雷電的重復放電現(xiàn)象，主要是由于雷云中的大量電荷不可能一次放電完全。第一次放電是從雷云的最下層發(fā)出的，隨后是由較高的云層或相鄰區(qū)域提供電荷的放電。

雷電流效應不同于一般電流，它是在短時間內(nèi)以脈沖的形式通過強大的電流。尤其是直擊雷，它的峰值有幾十千安培，甚至幾百千安培。雷電流具有單極性的脈沖波形，有80% ～ 90%的雷電流是負極性的（負地閃）。習慣上用電流波形起始時刻至幅值下降為半幅值的時間間隔來表征雷電流脈沖的波長。雷電流的大小與許多因素有關，各地區(qū)有很大差別。一般平原地區(qū)比山地雷電流大，正閃電比負閃電大，第一閃擊比隨后閃擊大，雷電流波形如圖2所示。

一次雷電放電的總能量不是很大，但因為主放電時間很短，能量集中，瞬時功率大，造成的危害也較大。

圖2 雷電流波形圖

3 民用建筑中的防雷引下線截面

雷電通道的溫度可達6000℃～10000℃（太陽表面的溫度為6000℃），甚至更高。當雷電流通過金屬導體時，如果金屬體截面積不夠大，甚至可使其熔化。但是雷電流的峰值持續(xù)時間很短，對于大體積的金屬，雷電流產(chǎn)生的熱效應是相當有限的。遭到雷擊的架空明線，若線徑很細就有可能熔斷。避雷針在經(jīng)受雷擊之后，針表面會留下小的坑點，對整個避雷針并無大礙。依據(jù)規(guī)范GB50057-2010：“引下線宜采用熱鍍鋅圓鋼或扁鋼，宜優(yōu)先選用圓鋼。當獨立煙囪上的引下線采用圓鋼時，其直徑不應小于12mm；采用扁鋼時，其截面不應小于100mm2、厚度不應小于4mm。”利用建筑物構件內(nèi)鋼筋作為引下線時，該規(guī)范第4.3.5條和第4.4.5條規(guī)定：“敷設在混凝土中作為防雷裝置的鋼筋或圓鋼，當僅為一根時，其直經(jīng)不應小于10mm。被利用作為防雷裝置的混凝土構件內(nèi)有箍筋連接的鋼筋時，其截面積總和不應小于一根直徑10mm鋼筋的截面積?！贝藭r，流過雷電流的鋼筋溫升不影響鋼筋的強度及其承載能力。

確定引下線截面的計算如下：

由于現(xiàn)行國家標準《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010-2002規(guī)定構件的最高允許表面溫度是：對于需要驗算疲勞的構件（如吊車梁等承受重復荷載的構件）不宜超過60℃；對于屋架、托架、屋面梁等不宜超過80℃；對于其它構件（如柱子、基礎）則沒有規(guī)定最高允許溫度值，對此類構件可按不宜超過100℃考慮。

由于建筑物遭雷擊時，雷電流流經(jīng)的路徑為屋面、屋架（或托架或屋面梁）、柱子、基礎，則流經(jīng)需要驗算疲勞的構件（如吊車梁等承受重復荷載的構件）的雷電流已分流到很小的數(shù)值。因此，雷電流流過構件內(nèi)鋼筋或圓鋼后，其最高溫度按80℃～100℃考慮?，F(xiàn)取最終溫度80℃作為計算值，鋼筋的起始溫度取40℃，因此，鋼導體的溫度升高考慮為40℃，這是一個很安全的數(shù)值。

表1 首次正極性雷擊的雷電流參數(shù)

根據(jù)規(guī)范GB50057-2010表F.0.1-1（詳表1），用一根φ10圓鋼的截面積，分別取第二防雷建筑物的W/R值（5.6×106J/Ω）和第三防雷建筑物的W/R值（2.5×106J/Ω），代入溫升校驗公式（規(guī)范GB50057-2010,141頁），溫升均小于40K?？梢娨?guī)范中規(guī)定的φ10圓鋼滿足防雷引下線的截面積要求。

有一些關于加大防雷引下線截面的說法，是基于雷電能量按3～4次的雷擊次數(shù)計算，同樣經(jīng)過溫升計算，引下線的截面積增大了幾倍。見表2、表3。

表2 接閃器或單根引下線截面積、直徑與雷電流峰值的關系（KC=1）

表3 引下線截面積、直徑與雷電流峰值的關系（KC=0.44）

在新規(guī)范GB50057-2010中，表F.0.1-1內(nèi)關于雷電流的電荷量Qs和單位能量的意義沒有解釋。在舊規(guī)范GB50057-94中，則有如下說明：

1) 因為全部電荷量Qs的本質部分包括在首次雷擊中，故所規(guī)定的值考慮合并了所有短時間雷擊的電荷量。

2) 因為單位能量W/R的本質部分包括在首次雷擊中，故所規(guī)定的值考慮合并了所有短時間雷擊的單位能量。

由上可知，表1中的單位能量已考慮了重復雷擊。對雷電流的電荷量Qs及單位能量W可近似按公式（1）、（2）計算。計算中的電流可按正雷擊的雷電流峰值IM計算。因為首次負雷擊以后的負雷擊的雷電流峰值IM均小于首次正雷擊的電流。

綜上所述，在民用建筑防雷設計中，防雷引下線截面積的規(guī)范要求已有安全裕度，不宜再放大設置。

[1]中國機械工業(yè)聯(lián)合會. GB50057-2010建筑物防雷設計規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社，2011.

[2]劉興順. 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術設計手冊[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2004.

[3] 徐澤芳. 防雷引下線截面積的確定方法[J]. 科技資訊,2008(33).