建筑物的用电与防雷

摘要：本文从雷电对建筑物用电设施破坏的机理出发，讨论了采用接闪、分流、接地、均压、限幅、隔离和屏蔽等措施防雷，以减少雷电对建筑物电气设备、用电设施的雷击损坏。

关键词：建筑物;电气设备;信号系统;监控系统;防雷

随着社会经济水平的提高，建筑物的规模不断扩大，其内各种电气设备的使用日趋增多，建筑物越来越多采用各种信息化的电气设备，对防雷、防电磁脉冲等保护措施的要求也越来越高。但是，我国每年因雷击破坏建筑物及其内部电气设备的事件时有发生，所以建筑物用电防雷要考虑周到，避免雷击事故。

1雷电的基本概念

两块带异性电荷的雷云或雷云对大地间空气击穿，即形成雷电。按雷击的性质可分为直击雷和感应雷：

(1)直击雷当带电的雷云接近建筑物或供电线路时，雷电流沿空中通道注入雷击点，如建筑物的顶部、供电设施的避雷线、杆(塔)顶部导线等产生直击雷过电压。

(2)感应雷当雷云临近于建筑物或供电线路附近的大地或物体时，建筑物地面、供电导线产生静电感应，致使附近的建筑物、导线上积累了大量的异性束缚电荷，雷击后，主放电开始，建筑物地面、导线中感应电压就会很大。根据实测，感应雷电压幅值一般为300~400 kV，击穿60~80 cm的空气间隙，引起一定的闪络事故。

2建筑物的用电与防雷

雷电流的幅值与气象条件有关，根据我国不同地区的实测结果，年平均雷暴日（在一天内只要听到雷声就算一个雷暴日）大于20的一般地区，除我国西北以外的大部分地区，雷电流幅值超过I（kA）的概率P的对数lgP=-I/108；

工业与民用建筑，不论其具体用途如何，均与电相关，即要用电，有强电，有弱电。小水电站、泵站的厂房非常具有代表性。小水电站、泵站往往都座落在山区，周围环境容易落雷；并且接地网范围内多为岩石、沙石，土壤少，电阻率很高，从而存在接地电阻严重超标，不便于泄雷；小水电站、泵站对雷电危害认识不足，防雷措施还存在保护效果差、设施不完善、设计不规范等现象；因此雷电是水电站主要的自然灾害之一，每年都会发生雷灾多起，水电站进行的例行安检发现，农村小水电对雷电危害认识不足，防雷措施还存在保护效果差、设施不完善、设计不规范等现象雷击对电力系统的危害是非常大的，直接雷击可以造成线路跳闸、开关、TA 、 TV及其他一次设备故障、爆炸。感应雷击则通过感应过压过流危害电站、变电站的通讯、调度、载波、继保系统及监控设备等。

3雷电对建筑物破坏的机理

雷击的时间一般为几十微秒，但电压可高达几百到几千万伏，电流可达几百千安，对建筑物及内部的电气设备、弱电设施造成直接经济损失成巨大的破坏。

3.1直击雷的破坏

雷云向建筑物或建筑物的直接放电，极高的雷电压，使建筑物的供电设施、用电设备及弱电电线路的绝缘击穿，即使电压等级极高的电气设备也难以承受；极大的雷电流，其热效应和电磁效应会使雷击通道中的建筑物或设备遭到劈裂、倒坍、火灾、气浪等破坏；

3.2感应雷

当雷云对另一雷云或地放电后，地面上的感应电荷失去束缚力面迅速流散，或由于与雷电荷中和而立即消失。如果这时建筑接地不好，则束缚电荷不能立刻流散，将与大地之间形成电位差，即感应雷过电压。如果这个电压足够大，就会引起建筑物内部的电线、金属管道、大型设备，弱电设施放电，造成爆炸、火灾或人身事故。

3.3雷电侵入波

当建筑物的供电线路遭到直接雷或间接雷时，泄到线中上的电流将沿着线路形成前沿很陡的电流，造成建筑部电气设备和弱电设备绝缘击穿，工频电流亦将通过击穿点短路，造成事故扩大、设备设施严重损坏。

4防雷的方法

4.1建筑物供电线路的防雷

如建筑物的作用为发电厂（泵站）机房、变电站、配电室、可采用以下方法防雷：（1)架设避雷线：架设避雷线是供电线路防雷保护的最基本和最有效的措施。避雷线的主要作用是防止雷直击导线，同时还具有以下作用：①分流作用，以减小流经杆塔的雷电流，从而降低塔顶电位;②通过对导线的耦合作用可以减小线路绝缘子的电压;③对导线的屏蔽作用还可以降低导线上的感应过电压。标准规定，220kV及以上电压等级的供电线路应全线架设避雷线，110 kV线路一般也应全线架设避雷线，35kV线路不宜全线架设避雷线，一般在变电所的进线段架设1~2 km的避雷线，同时按照要求做好杆塔接地。(2)降低杆塔接地电阻：降低杆塔接地电阻可以减小雷击杆塔时的电位升高，这是配合架设避雷线所采取的一项有效措施。标准要求，对有避雷线的线路；(3)装设避雷针、接闪器、避雷带和避雷器，避雷针、接闪器和避雷带是防止建筑物和电气设备遭受直接雷击的主要防雷装置；避雷器是有效防止主供电系统外部过电压、内部过电压的主要防雷设备。（4）采用中性点非有效接地系统，供电系统中采用中性点经消弧线圈接地的方式。这样可使由雷击引起的大多数单相接地故障能够自动消除，不致引起相间短路和跳闸。而在二相或三相落雷时，由于先对地闪络的一相相当于一条避雷线，增加了分流和对未闪络相的耦合作用，使未闪络相绝缘上的电压下降，从而提高了线路的耐雷水平。(4)加强线路绝缘：由于供电线路个别地段采用大跨越高杆塔(跨河和跨路杆塔)，这就增加了杆塔落雷的机会。高塔落雷时塔顶电位高，感应过电压大，而且受绕击的概率也较大。为提高线路绝缘，降低线路跳闸率，近年来已经陆续采用35kV合成绝缘子。35 kV和6 kV配电线路多采用冲击闪络电压较高的瓷横担来降低雷击跳闸率。(5)装设自动重合闸装置：由于线路绝缘具有自恢复性能，大多数雷击造成的闪络事故在线路跳闸后能够自行消除。因此，安装自动重合闸装置对于降低线路的雷击事故率具有较好的效果。

4.2建筑物的电源防雷

统计表明，微电子网络系统80%以上的雷害事故都是因为与系统相连的电源线路上感应的雷电冲击过电压造成的。因此，做好电源线的防护是整体防雷中不容忽视的一环。这是一般工业用车间、民用住宅区、商业办公楼、计算机房等的主要问题。

对于电源防雷，由于电源线路上肯出现的雷电流最大，电源防雷应进行分级分区保护。对于本身设变压器供电的建筑物，在变压器前10kV线路或6kV线路上设避雷器及有效接地装置进行高压侧的保护，然后再按400V低压供电的建筑设低压侧的防雷保护；对于400V供电的的建筑物，首先，总配电的电源进线端并联安装第一级电源防雷器（如LKX-B380/100或LKX-M380/4/100电源防雷器）；在各楼层的总配电进线端安装第二级电源防雷器（如LKX- B220/60或LKX-M220/2/60电源防雷器）；在机房配电进线端并联安装第三级电源防雷器（如LKX- B220/40或LKX-M220/2/40电源防雷器），重要电子设备由于其耐压水平低应在其前端安装精细级电源防雷器(如LKX-E220-4PT/10防雷插座)。所有防雷器均应良好接地。

4.3信号系统建筑防雷

尽管在电源和通信线路等外接引入线路上安装了防雷保护装置，由于雷击发生在网络线感应到过电压，仍然会影响网络的正常运行，甚至彻底破坏网络系统。雷击时产生巨大的瞬变磁场，在1公里范围内的金属环路，如网络金属连线等都会感应到极强的感应雷击；另外，当电源线或通信线路传输过来雷击电压时，或建筑物的地线系统在泻放雷击时，所产生强大的瞬变电流，对于网络传输线路来说，所感应的过电压已经足以一次性破坏网络。即使不是特别高的过电压，不能够一次性破坏设备，但是每一次的过电压冲击都加速了网络设备的老化，影响数据的传输和存储，甚至DOWN机，直至彻底损坏。所以网络信号线的防雷对于网络集成系统的整体防雷来说，是非常重要的环节。网络传输线主要使用的是光纤和双绞线。其中光纤不需要特别的防雷措施，但若室外的铠状光纤是架空的，那么需要将光纤的金属部分接地。而双绞线屏蔽效果较差，因此感应雷击的可能性比较大，应将此类信号线敷设在屏蔽线槽中，屏蔽线槽应良好接地；也可穿金属管敷设，金属管应全线保持电气上的连通，并且金属管两端应良好接地。在信号线路上安装信号防雷器，对防感应雷是一种行之有效的办法。对于网络集成系统，可在网络信号线进入到广域网路由器之前安装雷科星（LKX）专用信号防雷器；在系统主干交换机、主服务器以及各分交换机、服务器的信号线入口处分别安装雷科星（LKX）RJ45接口的信号防雷器。信号防雷器的选型应综合考虑工作电压、传输速率、接口形式等。所有防雷器均应良好接地。

4.4监控系统的设备防雷

监控室主要设备包括监控中心电脑、视频矩阵、硬盘录像机、对讲系统以及监控室电源等。监控系统设备机房位置应选择在防雷区最高级区和避免设在建筑物的顶三层内；当建筑物天面部分的避雷网格尺寸不符合系统抗干扰的要求时，应在天面加装屏蔽层。使用非屏蔽电缆，入户前应穿金属管并埋入地中水平距离10米以上。如受条件限制无法穿金属管埋地入户，则应加长入户屏蔽管或栈桥长度，金属管或栈桥的两端以及在雷电防护区交界处要做等电位连接和接地。监控系统设备为金属外壳时，应用最短的导线将其与等电位连接带连接。如是非金属外壳，当设备所在建筑物屏蔽未达到设备的电磁兼容性要求时，应加装金属网或其它屏蔽体对设备屏蔽，金属网应与等电位连接带进行等电位连接。计算机、通信、监控机房的设备应与建筑物外墙保护1米左右距离。以防止大楼遭到直击雷时沿外墙泄流入地的引下线周围产生较强的电磁场而损坏微电子设备。

屏蔽措施：1、埋地线路的金属线管、PE线、信息线路金属外皮应在入户端良好接地。如入户前架空或无屏蔽者，宜在进户端前20米套装金属线管屏蔽，并把屏蔽层与防雷地可靠连通。2、监控室内，应将金属电脑桌、电脑设备、控制设备金属外壳与防雷接地装置可靠连接。3、室外摄像枪到解码器之间的外露信号线，应套不锈钢或铜金属管，并将摄像枪金属屏蔽外壳及解码器金属屏蔽外壳与引下线的柱杆可靠连接。4、屏蔽是减少电磁干扰的基本措施，宜采取以下措施：外部屏蔽措施、线路敷设于合适的路径、线路屏蔽，这些措施宜联合使用。5、为改善电磁环境，所有与建筑物组合在一起的大尺寸金属部件都应等电位连接在一起，并与接地装置相连。屋顶为金属表面、立面金属表面、混凝土内钢筋和金属门窗框架，都必须进行等电位接地。6、在需要保护的空间，当采用屏蔽电缆时其屏蔽层至少在两端并宜在雷电防护区交界处做等电位连接。当微电子设备系统要求只在一端做等电位连接时，可将屏蔽电缆穿金属管引入，金属管在一端做等电位连接。7、建筑物之间的连接电缆应敷设在金属管道内，这些金属管道从一端到另一端应全线电气贯通，并连到各建筑物的等电位连接带上。电缆屏蔽层也应连到这些带上。8、实践中建筑物或房间的大空间屏蔽是由金属支撑物、金属框架或钢筋混凝土的钢筋这些自然构件组成的。这些构件构成一个格栅形大空间屏蔽。穿入这类屏蔽的导电金属物应就近与其做等电位连接后接地。

5完善测试方法，确保接地装置完好

由于雷击具有强大的机械效应、热效应和电效应，雷击中物体后会造成严重的损害。直击雷防护主要采用避雷针、接亲器、避雷带进行防雷保护，感应雷可用避雷器等防，但必须有良好、科学的接地装置，并按照《建筑物防雷设计规范GB5007》因地制宜的进行防雷设计和防雷施工。减小接地装置的接地电阻是减少雷击的有效手段。从导泄雷电流的角度讲，接地电阻应考虑整个泄流通道的电阻，是接地体电阻、接地引下线电阻和接触电阻的总和。通常测得的是工频接地电阻，还应结合接地体的尺寸、结构、雷电流的幅值、陡度以及土壤电阻率等因素，考虑接地电阻的冲击系数；接地装置的接地电阻，主在取决于接地体土壤的导电情况，而土壤的导电情况，除与土壤的成份直接有关外，还受土壤的温度、湿度等的影响。对接地电阻的测量一定要用科学合理流动的方法，使用ZC-8型接地电阻测量仪的测量方法简单，测量准确，性能稳定，但只能测量接地体的接地电阻，同时要求所展放的电压线和电流线应与接地体布置方向平行，否则容易产生测量系统误差。使用CA6411型电阻测量仪(钳形表)的优点是在接地系统接触良好时，不用考虑接地体布置方式，就能准确测量出整个泄流通道的接地电阻，使用方法简单，效率高。缺点是在接地系统生锈，接触不良时，测量结果误差较大，同时由于测量整个泄流通道的接地电阻，不能判断超标电阻值产生的位置。单独使用ZC-8型接地电阻测量仪或CA6411型电阻测量仪存在诸多优缺点。可以把二者结合起来，发挥各自优点，即首先用CA6411型测量仪测量。如果接地电阻合格，则进行下一基的测量，如果测量不合格，再用ZC-8型接地电阻测量仪测量。对于另有要求的应采用其他的测量方法。

结束语:

建筑物用电防雷工作是一项长期复杂的系统工程，从工程设计阶段就要认真加以考虑，应根据本地的实际情况，采取切实可行的防雷方案，选用质量可靠的电气设备和可靠性高的防雷设备。同时真正按照等电位的原则，做好符合要求的共用接地网，综合考虑防雷与接地，只有这样供电线路和设备才能避免遭受雷击。