樓宇避雷系統防雷保護機理及其在樓宇智能化系統中的應用

摘要：詳細闡述了樓宇避雷系統的技術原理及其在樓宇智能化系統中的具體應用。在樓宇智能化系統中，對于雷電的緊急防護要制定極具針對性的解決方案，實現防雷電的系統配套，進而完成智能化系統的實時管理。

關鍵詞：避雷;樓宇智能化系統;防雷裝置;防雷接地

0? ? 引言

雷電是地球上的自然現象，它會對我們的生命和財產造成巨大損失，因此，做好防雷工作十分重要。建筑智能化系統和防雷工程似乎是兩個互不搭界的專業，但有些智能化項目在雷電發生后，盡管沒有被雷擊，仍會發現設備損壞，累及中央監控系統，破壞系統正常工作，造成較大損失。事后往往會在一些設備的通信線、電源線上加裝浪涌保護器，但雷電破壞事故仍時有發生。

本文分析了雷電的形成及其危害，著重介紹了雷擊防護技術的機理，并探討了最常用的防雷設施——避雷針及其接地要求，以此為例深入剖析防雷技術。作為建筑智能化系統設計及施工的專業工程技術人員，充分掌握這些專業知識，可以加深對防雷技術的認識，減少甚至避免建筑智能化系統工程施工及運行的隱患和風險。

1? ? 雷電形成機理及其特性

雷電的形成與地球大氣層的氣流運動相關。云層由大量的水成物凝聚而成，地球表面含有水蒸氣的空氣，因受熱上升或冷空氣侵入，不同比重的溫熱氣團將被墊高，產生向上流動的氣流。氣流使得雷雨云內部不停運動并相互摩擦以致生電，于是雷雨云內部產生大量帶有正、負電荷的小微粒。氣流運動越是劇烈，就越是加速了正、負電荷的產生和帶電微粒的集結。

地球是一個大磁場，動態的雷雨云在流動中將切割地磁場的磁力線，就像導體在磁場中運動一樣，將產生電荷的定向移動，使得正電荷向上移動，負電荷向下移動，這就造成正電荷在云的上端聚結，負電荷在云的下端聚結，這樣就形成了很強的靜電場。當此電場強度足夠大時（25～30 kV/cm），云中的水成物分子會被電離激發導致雷雨云間強烈放電或者對地放電，產生巨大的閃光和雷聲。

雷雨云帶有大量電荷，由于靜電感應的作用，雷雨云下方的地面和地面上的物體都被感應出帶有雷雨云下方相反的電荷。由于帶電體的電荷有趨膚效應，地面上感應的電荷主要集結在地球表面，并且電荷受到同性電荷往外排斥的作用，最容易從尖端逸出，這就是尖端放電。雷雨云與地面間的電場強度達到一定值時，地面上的突出物如高層建筑、空曠地的古樹等容易與雷雨云間構成放電通道，引起雷擊，被稱為“閃擊”。

雷雨云與大地之間形成放電之初，有兩種放電方向：一種是從雷雨云云層的電荷中心伸向地面，另一種是從地面接地體如某建筑物向雷雨云云層推進。前者稱為“下行先導”，后者稱為“上行先導”。根據雷雨云與地面間轉移電荷的極性不同，每種先導形式又可分為正極性下行先導、負極性下行先導與正極性上行先導、負極性上行先導。據大量觀測統計，云地間放電的90%以上是負極性下行先導，也就是雷云下部帶負電，上部帶正電，云體向地面輸送負電荷。由于云地間空氣狀態的差異性，云地間的放電有一個從漸變到突變的過程。以下行先導為例，先是由帶電雷云建立空氣電離的分枝狀的微弱通道，然后迅速形成沿著空氣電離最強、最容易導電的路徑發展成主放電通道，這就形成了閃擊，云地間聚集的電荷能量得以釋放。在上行先導中，由于地面上的建筑物、鐵塔等突出物聚集大量感應電荷，它可以使其周圍的空氣電離，為云地間泄出電荷開闊通道，形成主放電通道。

2? ? 雷電閃擊的危害性

雷電閃擊對地面的破壞性打擊主要由如下三方面造成：

2.1? ? 巨大的主放電電流

在閃擊中地面雷擊點受到直擊雷電擊的主放電電流相當巨大，其峰值電流大多為幾十千安，也有超過幾百千安的。同樣的雷擊，其電流峰值的大小與雷擊點土壤電阻率有關，土壤電阻率高，峰值電流小，土壤電阻率小，峰值電流大。

雷雨云與大地的放電過程十分短促，主放電電流的波型是一個前沿陡狹、后沿較為平坦的單極性強脈動波，一般在微秒級，如圖1所示。

圖1中T1為波頭到達時間，即主放電電流上升階段，從峰值電流10%到達主放電電流90%的時間，T1=10 μs。T2為波尾到達時間，即從主放電電流在上升階段到達峰值電流10%，然后經過最大峰值回落到峰值電流50%的時間，T2=350 μs。由圖可見，在極短時間內形成巨大的放電電流，對雷擊點的打擊甚大。電能轉化成熱能，足以使被雷擊物體融化、燃燒、爆炸，造成建筑損壞、森林火災、鐵塔傾塌、供電/通信線路中斷甚至人員傷亡等。

2.2? ? 雷電的超強過電壓

在雷擊短暫的主放電過程中，由于自然或人為條件影響，如土壤導電率或防雷接地措施不佳，感應電荷不能在瞬間全部釋放，就會在局部地區或構筑物上產生感應高電壓。此電壓可達40～60 kV，足以擊穿設備或電氣線路的絕緣物，也可能在建筑物內部的金屬構架與接地不良的點產生火花，造成設備損壞或引燃易燃易爆物，這對生產、存放可燃、易燃易爆物或濃粉塵環境的倉庫、車間是相當危險的。

2.3? ? 雷電的電磁感應

雷電的主放電電流就像一股強大的脈沖電流在導體內流動，該電流峰流大，上升沿甚陡，具有豐富的諧波，因此在其周圍的空間存在強大的電磁場。處在變化的電磁場中的金屬導體會感應出較大的電動勢，不閉合的金屬導體回路在此電磁場中將在間隙處產生火花，這也同樣會造成災害。強大的電磁波會穿透電氣設備的屏蔽物，破壞電氣設備正常運行。

3? ? 在智能化建筑中配備防止雷擊的內外部防雷裝置

雷云與雷擊是在諸多因素綜合影響下形成的自然現象，人為地干擾、阻礙雷云的生成相當困難，但防止雷擊以減少雷擊造成的損失還是有可能的。富蘭克林避雷針是18世紀美國科學家富蘭克林發明的，至今還是防雷技術中的重要設施。

根據云地放電的特性，用以對某一空間構筑物進行雷電防護的整套裝置由外部防雷裝置與內部防雷裝置組成。外部防雷裝置是在外部空間設置的防雷設施，主要由接閃器、引下線和接地裝置組成，用于防護直擊雷，其中接閃器由避雷針、避雷帶、避雷網、避雷線等組成。內部防雷裝置是指除了外部防雷裝置外所有其他附加防雷設施，主要用于減少和防護雷電流在防護空間內所產生的電磁效應，如建立等電位連接，增設浪涌保護器（SPD）、過電流保護器等。

現代化建筑樓宇中必須強制采用避雷針等外部防護裝置，將防雷系統作為建筑智能化整體系統的一個必備子系統。外部防雷裝置由接閃器如避雷針、帶、網、線、引下線及接地裝置組成，實質上是人為建立暢通的、安全的云地電荷釋放通道，使雷電主放電電流沿著人們設計的通道順暢地流入大地，以達到云地間電荷在一定時間內“平衡”。

接閃器是外部防雷器的前端設備，它安裝于被防護物外部空間，用來接收雷云與大地間的放電電流。通過引下線把避雷針等接閃器和與大地等電位的接地裝置連接在一起，以引導雷電電流流入大地。

3.1? ? 避雷針

避雷針是防雷外部裝置接閃器中最常見的設備，避雷針設計長度及安裝位置根據它的防護范圍而定，而防護范圍的確立要依據被保護物的防護等級。

根據建筑物使用性質、發生雷擊事故后果的嚴重性以及由當地氣象部門提供的有關年平均雷暴日資料等，按《建筑物防雷設計規范》（GB 50057—2010），被保護物可劃分為4個防護等級，最高等級為Ⅰ級，其次為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級。在雷擊發生時，主放電峰值電流大小不等，防護等級越高，最小主放電峰值電流限定值越小，該值表示超過此值的雷電流被限制侵入的可能性。對大量觀測數據進行概率統計，各防護等級限定入侵雷電流峰值大小如表1所示。

對避雷針防護范圍的描述和計算，常用的有保護角法和滾球法。前者適用于對簡單小型建筑物進行估算，表2表示對不同防護等級設置的避雷針其高度和保護角的對應關系。

實際情況下，避雷針保護范圍的模型不完全是以避雷針為中心軸、以α為半圓錐角的圓錐體。所以，根據《建筑物防雷設計規范》（GB 50057—2010）采用滾球法可以較好地描述和計算避雷針的保護范圍。

滾球法把雷擊產生的最小峰值電流與滾球半徑建立相應的關聯，而最小峰值電流又與保護物的保護等級有確定的關系，三者的聯系如表3所示。

用滾球法計算避雷針保護范圍，或根據保護范圍計算避雷針高度。式（1）表明了被保護物高度（hx）平面上的保護半徑rx和滾球半徑（hτ）、避雷針高度（h）之間的關系：

對于某防護物要先確定保護等級，由此保護等級可確定滾球半徑hτ，那么由式（1）可根據避雷針高度（h）及被保護物高度（hx）求得避雷針在hx高度平面上的保護半徑rx。同理，已知rx、hτ、hx可以計算出避雷針高度h，由于公式（1）是h的一元二次方程，會有兩個h的解，可以選擇一個合理的解作為設計依據。

例如：某現代化標準廠區占地面積為30 m×40 m，廠房高度為4 m，如在該廠區的中心位置安裝避雷針作為外部雷擊防護設施，求此避雷針高度為多少能起到有效的防護作用。

首先確定該廠區的使用性質屬于Ⅲ類防護建筑物，設定滾球半徑hτ為60 m，并設定在離地4 m平面上，以廠區中心位置為保護區中心，保護半徑為20 m，將上述已知條件代入式（2）：

解式（2）可得h值為16.5 m和104 m，顯然選擇h=16.5 m為合理值;如選取h=104 m，則工程成本大大增加，故不予采納。

外部防雷裝置除避雷針以外，還可以設置避雷帶、避雷網、避雷線等。

3.2? ? 避雷針的接地裝置

在外部防雷裝置中，避雷針和接地裝置以及連接二者的引下線是一個完整的裝置，缺少其中任意一個環節或某一環節有故障，則避雷針不僅起不到作用，反而會引來災害。2007年5月，四川省有一個鄉村小學遭遇雷擊，造成該校7名學生死亡，40多人受傷。事后經專家現場勘查，在分析報告中指出：雷電從南邊過來，首先擊向2 m高的金屬旗桿，旗桿采用一般的基礎固定安裝在地面，沒有專門的接地裝置。由于旗桿未接地，把雷迎來后，電荷得不到順暢泄放，于是轉向附近教室的金屬窗戶、預制板鋼筋，導致多名學生遭受雷擊，造成慘禍。由此可見，避雷針的接地十分重要。

地球陸地表層是具有良好導電率的土壤或砂石，一般情況下處于電荷平衡狀態，這個地電平可以看作零電平。如果發生云地放電，通過避雷針，經引下線流入接地體，地表的土壤層可以作為電荷的接收體，由于其導電率高，能很快地將雷電流的放電電荷消散。接地電流流入地面以后，是自接地體向四周做半球形流散，自接地體向四周流散的電流叫流散電流，流散電流在土壤中遇到的全部電阻叫做流散電阻，也就是接地電阻，按標準接地電阻值不大于10 Ω考慮。

一般情況下，防雷接地可利用建筑物的混凝土鋼筋，但這些被利用當防雷接地體的鋼筋框架必須全部焊接，符合接地電阻的要求，如果不符合的話，則必須另設置人工接地體，以符合接地電阻的要求。可以采用40 mm×4 mm扁鋼作為接地引下線與接地體相連。

接地體結構如圖2所示，圖中所有材料的連接點必須焊接良好，并做好機械安裝工作。

避雷針的接地除了符合接地有關規定外，下列諸點必須注意。

（1）獨立的避雷針與被保護物間應保持一定的空間距離，一般不應小于5 m。與被保護物的接地網（如混凝土鋼筋框架）之間也應保持一定的地中距離，一般不應小于3 m。以避免避雷針引雷時，產生的高壓電位對被保護物發生“反擊”事故。

（2）獨立的避雷針及其接地裝置，離建筑物出入口等人員經常出入的區域，不應小于3 m，以降低跨步電壓。如有困難，可在水平接地體上敷設50～80 mm的瀝青層，其寬度應超過接地裝置2 m。

（3）避雷針接地引下線在地面敷設不應過長，雷擊時，高頻高壓電流通過直線狀的金屬帶，其呈現的感抗會在引下線上產生較高的感抗壓降，會傷害周邊人員，引起事故。

（4）所有防雷接地的金屬構件必須做好防腐蝕措施以及日常檢查工作。

當今的智能化建筑普遍兼具個性和獨特性，因此需要配備極具針對性的防雷系統。理論和實踐證實，唯有完善和有效的防雷措施才能確保樓宇整體智能化系統的正常運行以及各分系統實時監控信息的即時傳輸和用戶的安全。如機電系統在防雷接地設計和實施過程中采用的接線方式存在缺陷和瑕疵，就會導致智能化系統中機電分系統運行異常。現在常用的接地方式包括單獨接地和共同接地兩種，實際使用過程中通常采用共同接地的接線方式。除此之外，智能化機電系統的防雷設計工程是一個完整的系統性工程，需要從全局的角度進行把控，將防雷措施的各個相關因素整合，實現具體防雷工作的有效實施。

建筑物接地系統可以具體地劃分為保護區域系統、防雷區域系統以及屏蔽區域系統等。各個不同的系統都有不同的設計要求，同時不同的接地系統存在的問題較多，一旦處理不恰當，就很容易產生安全隱患。因為智能化建筑會受到較多因素干擾，同時防雷區域跟保護區域之間互相連通，可以選用基礎性的鋼筋網絡作為接地體，并采用統一的接地方式。

從實際的防雷安全角度進行分析，防雷接地與電力設備之間的連接是防雷保護的關鍵。一般來說，機電系統的接地方式為單獨接地，優點是能夠保證地電位的穩定，如果將傳統的接線方法應用到智能化建筑防雷工作中，很容易形成反擊現象，因此不適合采用此類線路接地方式。

由此可見，防雷接地裝置并不十分復雜，然而一旦發生雷擊就可能造成巨大損失，所以，建設、施工單位和使用單位應給予足夠的重視，在設計、施工時必須嚴格執行有關規定和標準，并加強日常檢查與維護。特別是對裸裝的金屬件和連接處，要定期檢查，防止因腐蝕引起災害事故。

4? ? 結語

建筑智能化系統在運行中受到雷電破壞并不少見，作為建筑智能化系統工程技術人員應當了解和認識雷電破壞智能化系統設施的原因，從而采取有效措施保護系統設備。筆者專程考察過大量受到雷擊破壞的建筑現場，絕大多數事故都是由小疏忽造成的，但遭到的損失極其巨大。所以，必須重視建筑智能化系統工程與防雷工程的關聯性，將防雷系統作為建筑智能化整體系統的一個必備子系統。

在考察中有些問題必須引起重視，如在空曠地安裝智能化監控設備的金屬立桿的接地;對安裝在屋頂空間或直接與水管連接BA樓宇自動化控制設備、中央監控控制柜、靜電地板等這些設施的接地點，應認真檢查接地點質量狀況，內外相連的通信、電源電纜，正確安裝浪涌保護器（SPD）等等。希望本文的論述對建筑智能化系統設計及施工從業人員有所啟示，能對照國家有關標準與規范認真落實防雷的有關要求，更好地防范雷擊事故發生。

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收稿日期：2020-05-25

作者簡介：黃文葳（1972—），男，上海人，工程師，研究方向：計算機應用。