單支避雷針防雷設計分析及具體實施

摘 要 本文針對中國航天科工集團三院培訓中心擴建二期建筑物無防雷措施，為消除安全隱患依據《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）和《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（DL/T-620-1997）提出了具體防雷措施，做到安全可靠，技術先進，經濟合理。

關鍵詞 雷擊危害 雷電防護 過電壓保護

一、 本地區雷擊案例

2005年8月5日凌晨2：00，云崗北區2#總配電室和北區15樓遭到雷擊，2#總配變壓器被擊穿，造成北區大面積停電，15樓總配電箱及單元箱爆炸燃燒，樓梯間墻面及扶手烏黑，總配電箱只剩箱體黑殼，箱內儀表、開關及銅線全部汽化，家用電器損壞，所幸沒有人員傷亡。

二、 防雷及雷電保護原理。

防雷，是指通過組成、疏導最后泄放入地的一體化系統方式以防止由直擊雷或雷電電磁脈沖對建筑物本身或其內部設備造成損害的防護技術。雷電保護，就是提供和造就一種手段使雷閃放電能進入或離開大地，而不致破壞被保護的財產，雷電保護系統能起到兩個作用，一是把雷閃放電在它尚未擊中被保護對象時截住；二是把雷閃電流無害地釋放至大地，這就要求建筑物安裝避雷器，把電流引至大地。

三、 防雷方案選擇。

為減少雷擊造成人身傷亡、財產損失，避免雷擊電磁脈沖引發的電氣和電子系統損壞，針對三院培訓中心擴建二期建筑物，進行詳細的防雷設計和驗證。

本建筑物分為A座和B座，根據《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）3.0.4條，劃分為第三類防雷建筑物，布置接閃器時，可單獨或任意組合采用滾球法、避雷網。

本建筑物為A、B座兩棟別墅，屋頂造型獨特，如采用避雷帶，屋頂屋檐、屋檐及空調室外機均需敷設，安裝時需在女兒墻及瓦脊上打孔安裝，破壞脊瓦，破壞屋頂防水，臨邊沒有安全防護，瓦脊光滑且沒有支撐，施工難度系數大，經過安全性和實施費用對比，避雷裝置適宜采用滾球法單支避雷針的保護形式。

四、 單支避雷針對直擊雷的保護范圍。

采用滾球法，確定單支避雷針的保護范圍如圖：

（1）當避雷針高度h小于或等于hr時：

①距地面hr處作一平行于地面的平行線；

②以針尖為圓心，hr為半徑，作弧線交于平行線的A、B兩點；

③以A、B為圓心，hr為半徑作弧線，該弧線與針尖相交并與地面相切；從此弧線起到地面止就是保護范圍，保護范圍是一個對稱的錐體；

④避雷針在hx高度的xx′平面上和地面上的保護半徑，按下式計算確定：

rx=- （4-1）

ro= （4-2）

式中rx——避雷針在hx高度的xx'平面上的保護半徑（m）；

hr——滾球半徑，按《建筑物防雷設計規范》表5.2.1確定（m）；

hx——被保護物的高度（m）；

ro——避雷針在地面上的保護半徑（m）。

（2）當避雷針高度h大于hr時，在避雷針上取高度hr的一點代替單支避雷針針尖作為圓心。其余的作法同本款第（1）項。（4-1）和（4-2）式中的h用hr代入。

接閃器高度選擇：根據圖紙及現場勘查，兩座建筑屋檐的造型及高度一致，A、B座屋檐寬度均為W=15.08米， A座屋檐長LA=14.19米，B座屋檐長LB=15.69米，將座屋檐延長線組成矩形，連接矩形對角線，交點OB即為矩形中心點，對角線一半的長度為10.88米，但屋檐的頂點均不在矩形頂點上，避雷針在屋檐平面上的保護半徑可以縮短，OB點至屋檐的頂點水平距離依次為7.6米、8.1米、9.2米、9.4米、7.9米、9.2米， 取rx=10米，屋頂最高邊角（采光井）高出屋面3.97米，取hx=4米，避雷針高度h小于或等于hr時，將hr=60米，rx=10米，hx=4米，代入（4-1）式rx=-，即h2-120h+995=0求解h1=8.95米（h2=111米舍去），避雷針高出屋頂5米，因A座屋檐長度小于B座，rx小于10米，接閃桿高度將小于9米，為美化立面效果，外觀對稱一致，接閃桿高度均取9米。

五、 單支避雷針對雷電過電壓的保護范圍。

因屋頂安裝了空調室外機，屋內有其他電氣設備，考慮直接雷擊、雷電反擊和感應雷電過電壓對電氣裝置的危害，計算避雷針高度，確定避雷針的保護范圍如圖：

單支避雷針的保護范圍

（h≤30m時，θ=45°）

（1）避雷針在地面上的保護半徑，應按下式計算：

r=1.5hP （5-1）

式中：r——保護半徑，m；

h——避雷針的高度，m；

P——高度影響系數，h≤30m，P=1；30m120m時，取其等于120m。

（2）在被保護物高度hx水平面上的保護半徑應按下列方法確定：

1）當hx≥0.5h時

rx=（h-hx）P=haP （5-2）

式中：rx——避雷針在hx水平面上的保護半徑，m；

hx——被保護物的高度，m；

ha——避雷針的有效高度，m。

2）當hx<0.5h時

rx=（1.5h-2hx）P （5-3）

空調室外機高度1.25米（5匹柜機最大高度），實測加基礎高度1.5米，hx=1.5米，hx<0.5h，將rx=10米（按屋頂最邊緣處有電氣設備考慮）。hx=1.5米，代入（5-3）式rx=（1.5h-2hx）P，取P=1，即10=（1.5h-2*1.5）*1，求解h=8.67米，滿足要求。當h=9米時，反求hx=1.8米，即空調室外機（含基礎）高度可達到1.8米。

六、 接閃器及引下線設置。

在屋頂OB處，安裝一根9米長2.5mm厚不銹鋼鋼管做接閃器，接閃桿的接閃端做成半球狀，鋼管分三段，第一段長4米，直徑為102mm，第二段長3米，直徑為89mm，第三段長2米，直徑為76mm，第一段焊接底座，底板采用10mm厚1200*1200鍍鋅鋼板，底座與鋼板采用螺栓連接，鋼板邊緣上打12個孔，采用Φ10膨脹螺栓與樓板連接，鋼板上焊接防雷引下線，防雷引下線采用2根Φ10鍍鋅圓鋼，搭接長度大于6d（圓鋼6倍直徑），從北墻和東墻雨水口穿出沿墻敷設至距地0.3米高處接地端子箱，內設斷接卡子，接地端子箱以下采用40*4鍍鋅扁鋼，搭接長度大于2D（扁鋼寬度的2倍），鋼板及四周做SBS3mm+3mm防水卷材，以防屋頂漏水，施工時垂直運輸采用25噸吊車。

七、 接地裝置。

在建筑物北側，挖電纜溝長30米（做好草坪保護），溝內砸入5根Φ25鍍鋅接地釬子，間距5米，與鍍鋅扁鋼焊接，焊口處采用瀝青纏油麻防腐，接地電阻不大于30Ω，實測不滿足時補打人工接地極，做完后電纜溝回填，恢復草坪。

參考文獻：

[1] 《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）中華人民共和國國家標準

[2]《工業與民用配電設計手冊》（第三版）

[3]《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（DL/T620-1997）

中華人民共和國電力行業標準

[4]《民用建筑電氣設計規范》（JGJ16-2008） 中華人民共和國行業標準