建筑防雷技術應用

【摘要】采取有效的防雷措施對防止建筑物損壞、電氣線路停電及電氣設備損壞具有重要意義。根據建筑物所處的環(huán)境和受雷電影響的程度確定建筑物的防雷等級，采取了綜合防雷保護措施。采用避雷針完成直擊雷保護并確定了保護范圍，采用電涌保護器完成建筑物內部防雷保護并確定了接線形式，具有應用價值。

【關鍵詞】建筑;雷電;避雷針;電涌保護器

Abstract：It is of significance to use effective lightning protection technology to avoid building damages，power wiring outage and electrical equipment damages. The determination of lightning protection level is made on the basis of the environment of the buildings and the lightning influence，and in the same way are the comprehensive lightning protection methods taken. The thesis is of practical value in accomplishing direct lightning protection and determining protection domain through lightning conductor as well as in accomplishing internal lightning protection of buildings and determining wiring forms through surge protection device.

Key words：buildings;lightning;lightning conductor;surge protection device

雷電是一門古老而有神秘色彩的科學，人類和雷電斗爭的歷史悠久。

自從富蘭克林（Benjamin Franklin，1706-1790）研究大氣物理建立雷電理論并發(fā)明了避雷針以來，人類同雷電的斗爭進入了新的領域。1972年日本日立公司研制成功了配電用無間隙避雷器，防雷科學得到了大的發(fā)展，高電壓雷電保護技術基本成熟。

工業(yè)化和科技的進步使得各種高層建筑和特殊用途建筑如雨后春筍般的拔地而起，這也為雷電防護提出了大量新的問題。“靜電抵抗”、“電磁干擾”、“熱島效應”等等問題都有待進一步研究和解決。近年來圍繞這些問題人們進行了不懈的努力，提出了許多新的防雷理論，研制出一大批新的防雷器件、設備和材料，開發(fā)出許多全新的雷電防護技術，但這些理論、技術和設備并未得到很好的推廣。因此，增強防雷意識成為全社會應該關注的問題。

按GB50057-1994規(guī)定，各類防雷建筑物應裝設防直擊雷的接閃器，接閃器應沿圖1所示的屋角、屋脊和屋檐等易受雷擊的部位敷設[1]。

（1）不同屋頂坡度（0°、15°、30°、45°）建筑物的雷擊部位見圖1。

圖1 建筑物易受雷擊的部位

說明：（a）（b）檐角、女兒墻、屋檐;（c）屋角、屋脊、檐角、屋檐;（d）屋角、屋脊、檐角

（2）屋角與檐角雷擊率最高。

（3）屋頂的坡度越大，屋脊的雷擊率也就越大，當坡度大于40°時，屋檐一般不易遭受雷擊。

（4）當屋面坡度小于27°、長度小于30m時，雷擊多發(fā)生在山墻，而屋脊和屋檐一般不易遭受雷擊。在進行防雷設計時，應對易遭受雷擊的部位進行重點保護。

如果雷電直接擊中具有避雷裝置的建筑物或設施，接地網的地電位會在數微秒之內被抬高數萬或數十萬伏，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)或各種網絡信號系統(tǒng)，或者擊穿對地絕緣而流向另一設施的供電系統(tǒng)或各種網絡信號系統(tǒng)，從而反擊破壞或損害電子設備。同時，在未實行等電位聯結的導線回路中，可能誘發(fā)高電位而產生火花放電。

建筑物（包括構筑物）防雷的目的在于防止或最大限度減少雷擊建筑物而造成損失。其意義可概括為以下幾點：

（1）當建筑物遭受直擊雷或雷電波侵入時，可保護建筑物內部的人身安全。

（2）當建筑物遭受直擊雷時，防止建筑物遭到破壞。

（3）保護建筑物內部存放的危險品，不會因為雷擊和雷電感應而引起燃燒和爆炸。

（4）保護建筑物內部的重要設備和電氣線路，使之不受損壞并能正常工作。

針對直擊雷、雷電波侵入、感應雷、地電位反擊以及由此引起的災害，應采取相應的保護措施。據有關統(tǒng)計資料，直擊雷的損壞僅占15%，而雷電電磁脈沖的損壞占85%。因此，現代建筑的防雷設計已不同以往，在做好直擊雷防護的同時還必須對雷電電磁脈沖的防護加以重視[2]。

在進行建筑物防雷設計時，首先是要確定建筑物的防雷等級。《建筑物防雷設計規(guī)范》中，對建筑物防雷等級的劃分，除了由建筑物的功能定性外，第二、三類防雷建筑，還取決于建筑物的年預計雷擊次數N。

建筑物年預計雷擊次數應按下式計算：

式中：N——建筑物年預計雷擊次數（次/a）;k——校正系數，在一般情況下取1，在下列情況下取相應數值：位于曠野孤立的建筑物取2;金屬屋面的磚木結構建筑物取1.7;位于河邊、湖邊、山坡下或山地中土壤電阻率較小處、地下水露頭處、土山頂部、山谷風口等處的建筑物，以及特別潮濕環(huán)境建筑物取1.5;Ng——建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度[次/（km2·a）];Ae——與建筑物具有相同雷擊次數的等效面積（km2）。

雷擊大地的年平均密度應按下式計算：

式中：Td——年平均雷暴日，根據當地氣象臺、站資料確定（d/a）。

建筑物等效面積Ae是其實際平面積向外擴大后的面積，其計算方法如下：

（1）當建筑物的高H小于100m時，其等效面積按以下公式計算：

式中：L、W、H──分別為建筑物的長、寬、高（m）。

（2）當建筑物的高H等于或大于100m時，建筑物的等效面積按下式計算：

（3）當建筑物各部位的高不同時，應沿建筑物周邊逐點算出最大擴大寬度，其等效面積Ae應按每點最大擴大寬度外端的連接線所包圍的面積計算。

目前我國《建筑物防雷設計規(guī)范》以“滾球法”確定避雷針（針高h）的保護范圍。所謂“滾球法”，就是選擇一個半徑為（滾球半徑）的球體，沿需要防護直擊雷的部位滾動，如果球體只接觸到避雷針（線）或避雷針（線）與地面，而不觸及需要保護的部位，則該部位就在避雷針（線）的保護范圍之內。滾球半徑按建筑物的防雷類別而取不同值[2]。

（1）當避雷針高度時，避雷針在被保護物高度的平面上的保護半徑：

（2）當避雷針高度時，在避雷針上取高度的一點代替單支避雷針的針尖做圓心，其余與上述時的算法相同。

避雷針一般用圓鋼或焊接鋼管制成。針長1m以下時，圓鋼直徑不得小于12mm，鋼管直徑不得小于20mm;針長1～2m時，圓鋼直徑不得小于16mm，鋼管直徑不得小于25mm;裝在煙囪上方時，因為煙氣有腐蝕作用，故宜采用直徑20mm以上的圓鋼或直徑不小于40mm的鋼管。

建筑物內部防雷工程涉及面寬，面對的是包括感應雷、雷電波侵入和線路浪涌高電壓在內的眾多損害，歸納起來危害最大的主要方面是高電壓的引入。

高電壓引入主要有三種：一是雷直接擊中金屬導線，高壓雷電以波的形式沿著導線傳播進入室內，即雷電波侵入;第二種是來自感應雷的高電壓脈沖，即感應過電壓;第三是地電位反擊，這種反擊會沿著電力系統(tǒng)的零線，保護接地線和各種形式的接地線，以波的形式傳入室內或傳播到更大的范圍，造成大面積的危害。內部防雷系統(tǒng)可安裝防雷器SPD。

SPD中文簡稱電涌保護器，又稱浪涌保護器。IEC標準規(guī)定，電涌保護器是一種抑制線路過電壓和過電流的裝置。依照《建筑物防雷設計規(guī)范》和《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》，應按照分級保護、逐級泄流的原則設置建筑物防雷保護。

圖2 IT（無中性線）系統(tǒng)電涌保護器的裝設

圖3 TT、TN-S、IT（引出中性線）系統(tǒng)電涌保護器的裝設

在建筑物電源的總進線處安裝放電電流較大的電壓開關型SPD;在重要樓層或重要設備電源的進線處加裝限壓型SPD;在末端配電處安裝限壓型SPD。安裝點之間的距離要大于10m，為了避免間距不夠，造成二級或三級電涌保護器首先遭受雷擊而損壞，可以采用帶電磁線圈的防雷箱。

在安裝時有三個問題需要注意：一是電涌保護器與母線連接的導線要短而直，長度不能超過0.5m，連接線過長可能導致上級SPD還沒分流，電涌就串到下級SPD處，導致下級SPD被燒毀;二是為了防止絕緣老化而造成短路、保護各級的SPD及SPD的檢修方便，在SPD安裝線路上應該裝有過電流保護器。

對于不同的系統(tǒng)采取不同的電涌保護器接線方式：

（1）供電系統(tǒng)中性線與PE（保護線）直接連接或沒有中性線時按圖2所示接線。

（2）供電系統(tǒng)中性線與PE（保護線）不直接相連時，有兩種接線形式，如圖3所示。接在每一相線與接地端子或總保護線之間和接在中性線與接地端子或總保護線之間，取其路徑最短者;接在每一相線與中性線之間和接在中性線與總保護端子或總保護線之間，取其路徑最短者。

嚴格按照防雷設計規(guī)范，應用現代防雷技術和設備完成對建筑物的各種雷電過電壓及其衍生的過電壓防護，對確保建筑物安全意義重大。

參考文獻

[1]建筑物防雷設計規(guī)范（GB50057-94）[M].北京：中華人民共和國建設部，2000.

[2]北京市建筑設計研究院.建筑電氣專業(yè)設計技術措施[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.

[3]李英姿.建筑電氣施工技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[4]國家標準GB50034-2004.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社.

作者簡介：邢天石（1992—），男，大學本科，現就讀于四川大學商學院。