建筑防雷技术应用

【摘要】采取有效的防雷措施对防止建筑物损坏、电气线路停电及电气设备损坏具有重要意义。根据建筑物所处的环境和受雷电影响的程度确定建筑物的防雷等级，采取了综合防雷保护措施。采用避雷针完成直击雷保护并确定了保护范围，采用电涌保护器完成建筑物内部防雷保护并确定了接线形式，具有应用价值。

【关键词】建筑;雷电;避雷针;电涌保护器

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

雷电是一门古老而有神秘色彩的科学，人类和雷电斗争的历史悠久。

自从富兰克林（Benjamin Franklin，1706-1790）研究大气物理建立雷电理论并发明了避雷针以来，人类同雷电的斗争进入了新的领域。1972年日本日立公司研制成功了配电用无间隙避雷器，防雷科学得到了大的发展，高电压雷电保护技术基本成熟。

工业化和科技的进步使得各种高层建筑和特殊用途建筑如雨后春笋般的拔地而起，这也为雷电防护提出了大量新的问题。“静电抵抗”、“电磁干扰”、“热岛效应”等等问题都有待进一步研究和解决。近年来围绕这些问题人们进行了不懈的努力，提出了许多新的防雷理论，研制出一大批新的防雷器件、设备和材料，开发出许多全新的雷电防护技术，但这些理论、技术和设备并未得到很好的推广。因此，增强防雷意识成为全社会应该关注的问题。

按GB50057-1994规定，各类防雷建筑物应装设防直击雷的接闪器，接闪器应沿图1所示的屋角、屋脊和屋檐等易受雷击的部位敷设[1]。

（1）不同屋顶坡度（0°、15°、30°、45°）建筑物的雷击部位见图1。

图1 建筑物易受雷击的部位

说明：（a）（b）檐角、女儿墙、屋檐;（c）屋角、屋脊、檐角、屋檐;（d）屋角、屋脊、檐角

（2）屋角与檐角雷击率最高。

（3）屋顶的坡度越大，屋脊的雷击率也就越大，当坡度大于40°时，屋檐一般不易遭受雷击。

（4）当屋面坡度小于27°、长度小于30m时，雷击多发生在山墙，而屋脊和屋檐一般不易遭受雷击。在进行防雷设计时，应对易遭受雷击的部位进行重点保护。

如果雷电直接击中具有避雷装置的建筑物或设施，接地网的地电位会在数微秒之内被抬高数万或数十万伏，高度破坏性的雷电流将从各种装置的接地部分，流向供电系统或各种网络信号系统，或者击穿对地绝缘而流向另一设施的供电系统或各种网络信号系统，从而反击破坏或损害电子设备。同时，在未实行等电位联结的导线回路中，可能诱发高电位而产生火花放电。

建筑物（包括构筑物）防雷的目的在于防止或最大限度减少雷击建筑物而造成损失。其意义可概括为以下几点：

（1）当建筑物遭受直击雷或雷电波侵入时，可保护建筑物内部的人身安全。

（2）当建筑物遭受直击雷时，防止建筑物遭到破坏。

（3）保护建筑物内部存放的危险品，不会因为雷击和雷电感应而引起燃烧和爆炸。

（4）保护建筑物内部的重要设备和电气线路，使之不受损坏并能正常工作。

针对直击雷、雷电波侵入、感应雷、地电位反击以及由此引起的灾害，应采取相应的保护措施。据有关统计资料，直击雷的损坏仅占15%，而雷电电磁脉冲的损坏占85%。因此，现代建筑的防雷设计已不同以往，在做好直击雷防护的同时还必须对雷电电磁脉冲的防护加以重视[2]。

在进行建筑物防雷设计时，首先是要确定建筑物的防雷等级。《建筑物防雷设计规范》中，对建筑物防雷等级的划分，除了由建筑物的功能定性外，第二、三类防雷建筑，还取决于建筑物的年预计雷击次数N。

建筑物年预计雷击次数应按下式计算：

式中：N――建筑物年预计雷击次数（次/a）;k――校正系数，在一般情况下取1，在下列情况下取相应数值：位于旷野孤立的建筑物取2;金属屋面的砖木结构建筑物取1.7;位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿环境建筑物取1.5;Ng――建筑物所处地区雷击大地的年平均密度[次/（km2・a）];Ae――与建筑物具有相同雷击次数的等效面积（km2）。

雷击大地的年平均密度应按下式计算：

式中：Td――年平均雷暴日，根据当地气象台、站资料确定（d/a）。

建筑物等效面积Ae是其实际平面积向外扩大后的面积，其计算方法如下：

（1）当建筑物的高H小于100m时，其等效面积按以下公式计算：

式中：L、W、H──分别为建筑物的长、宽、高（m）。

（2）当建筑物的高H等于或大于100m时，建筑物的等效面积按下式计算：

（3）当建筑物各部位的高不同时，应沿建筑物周边逐点算出最大扩大宽度，其等效面积Ae应按每点最大扩大宽度外端的连接线所包围的面积计算。

目前我国《建筑物防雷设计规范》以“滚球法”确定避雷针（针高h）的保护范围。所谓“滚球法”，就是选择一个半径为（滚球半径）的球体，沿需要防护直击雷的部位滚动，如果球体只接触到避雷针（线）或避雷针（线）与地面，而不触及需要保护的部位，则该部位就在避雷针（线）的保护范围之内。滚球半径按建筑物的防雷类别而取不同值[2]。

（1）当避雷针高度时，避雷针在被保护物高度的平面上的保护半径：

（2）当避雷针高度时，在避雷针上取高度的一点代替单支避雷针的针尖做圆心，其余与上述时的算法相同。

避雷针一般用圆钢或焊接钢管制成。针长1m以下时，圆钢直径不得小于12mm，钢管直径不得小于20mm;针长1～2m时，圆钢直径不得小于16mm，钢管直径不得小于25mm;装在烟囱上方时，因为烟气有腐蚀作用，故宜采用直径20mm以上的圆钢或直径不小于40mm的钢管。

建筑物内部防雷工程涉及面宽，面对的是包括感应雷、雷电波侵入和线路浪涌高电压在内的众多损害，归纳起来危害最大的主要方面是高电压的引入。

高电压引入主要有三种：一是雷直接击中金属导线，高压雷电以波的形式沿着导线传播进入室内，即雷电波侵入;第二种是来自感应雷的高电压脉冲，即感应过电压;第三是地电位反击，这种反击会沿着电力系统的零线，保护接地线和各种形式的接地线，以波的形式传入室内或传播到更大的范围，造成大面积的危害。内部防雷系统可安装防雷器SPD。

SPD中文简称电涌保护器，又称浪涌保护器。IEC标准规定，电涌保护器是一种抑制线路过电压和过电流的装置。依照《建筑物防雷设计规范》和《建筑物电子信息系统防雷技术规范》，应按照分级保护、逐级泄流的原则设置建筑物防雷保护。

图2 IT（无中性线）系统电涌保护器的装设

图3 TT、TN-S、IT（引出中性线）系统电涌保护器的装设

在建筑物电源的总进线处安装放电电流较大的电压开关型SPD;在重要楼层或重要设备电源的进线处加装限压型SPD;在末端配电处安装限压型SPD。安装点之间的距离要大于10m，为了避免间距不够，造成二级或三级电涌保护器首先遭受雷击而损坏，可以采用带电磁线圈的防雷箱。

在安装时有三个问题需要注意：一是电涌保护器与母线连接的导线要短而直，长度不能超过0.5m，连接线过长可能导致上级SPD还没分流，电涌就串到下级SPD处，导致下级SPD被烧毁;二是为了防止绝缘老化而造成短路、保护各级的SPD及SPD的检修方便，在SPD安装线路上应该装有过电流保护器。

对于不同的系统采取不同的电涌保护器接线方式：

（1）供电系统中性线与PE（保护线）直接连接或没有中性线时按图2所示接线。

（2）供电系统中性线与PE（保护线）不直接相连时，有两种接线形式，如图3所示。接在每一相线与接地端子或总保护线之间和接在中性线与接地端子或总保护线之间，取其路径最短者;接在每一相线与中性线之间和接在中性线与总保护端子或总保护线之间，取其路径最短者。

严格按照防雷设计规范，应用现代防雷技术和设备完成对建筑物的各种雷电过电压及其衍生的过电压防护，对确保建筑物安全意义重大。

参考文献

[1]建筑物防雷设计规范（GB50057-94）[M].北京：中华人民共和国建设部，2000.

[2]北京市建筑设计研究院.建筑电气专业设计技术措施[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.

[3]李英姿.建筑电气施工技术[M].北京：机械工业出版社，2007.

[4]国家标准GB50034-2004.建筑物电子信息系统防雷技术规范[M].北京：中国建筑工业出版社.

作者简介：邢天石（1992―），男，大学本科，现就读于四川大学商学院。