高层建筑物避雷针的选择及安装分析

摘要：高层建筑物容易受到雷击的侵害，本文简单阐述了避雷针的避震原理、选型、以及安装需要注意的情况。

关键词：措施、概率、等效面积、滚球法、推导、防雷带、量级、最小保护宽度

中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：

自然气候，变化万千。东周《庄子》：“阴阳分争故为电，阳阴交争为雷。阴阳错行，天地大骇，于是有雷、有霆。”可以看出，古人很早就对雷电进行了初步研究。近代，随着科技的进步，科学家对雷电已经有了深入的研究，但是还没有掌握和利用它为我们人类服务，只是处于简单的防范阶段，大家都知道防范措施就是避雷针，它由美国的前总统富兰克林发明。随着电子科技的发展，电网和信息系统越来越依靠避雷设施来保护。人们通过大量的生活、生产实践，已经初步总结出了一些避雷针设计、使用技巧。避雷针保护的范围是防雷装置中的一项重要指标。在此，我们对高层建筑中使用的避雷针的设计以及选用做些初步探讨，希望在目前的生活、生产中起到一些指导作用。

如何在高层建筑中选用合适的避雷针

防雷只是一个措施，并不能完全、百分之百的起到避雷作用，只是减少雷击的概率以及损伤程度。首先来介绍一下避雷针。避雷针，又名防雷针，是用来保护建筑物等避免雷击的装置。在高大建筑物顶端安装一个金属棒，用金属线与埋在地下的一块金属板连接起来，利用金属棒的尖端放电，使云层所带的电和地上的电逐渐中和，从而不会引发事故。避雷针规格必须符合GB标准，每一个级别的防雷需要的避雷针规格都不一样。国标中规定避雷针按级别划分，这主要取决于建筑物的使用功能以及统计出来的年预计雷击数。雷击数N=KNgAe。Ng是雷击的年平均密度，K是公式校正系数，Ae是建筑物的等效面积。系数K与当地的地形、气候、地貌有关系。另外，国标也确定了雷电保护的等级，可以划分为两种方法。第一种方法，按照建筑物所处的环境进行评估。第二种可以根据建筑物的电子信息系统的使用性质以及重要性来划分防护等级，这两种划分方法，应该结合选用，并选择级别高的，这样才能提高安全防护系数，使建筑物得到更好的保护，免受雷击风险。

避雷针工作原理以及设计思路

在雷电发生时，雷电下行先导在接近地面时，地面上任何导电的物体表面都会产生一个上行先导。物体表面的导电物质在经过长时间的电荷聚集后会传播上行先导，这样会截获雷电里面的下行先导。高层建筑物的避雷针利用这种原理，把雷电放电吸引到避雷针，从而避免避雷针附近的建筑物被雷电击中。国家对建筑物避雷针设计进行了规范化处理，颁布了《建筑物防雷设计规范》，在高层建筑中已经广泛采用滚球法来确定避雷装置的防护范围。滚球法设计思路相对于之前的设计方法，概念更加清晰化，简单化，另外计算公式也更加科学，也更加合理，且易于操作。在一定程度上提高了防雷设计的标准、质量和水平，实际中也大大提高建筑物防御雷击的能力，经济效益更好，社会效益也更加明显。

下面简单介绍一下滚球法的设计思路。滚球法设计避雷针首先要确定参考基准点，然后根据基准点的水平高低、垂直高度进行保护设计，得出所要保护的建筑物的避雷针保护高度，参考基准点应该以建筑物的最远点、最高点以及是否能够经得起建筑物上部各个突出点的检验为参考设计的思路。在国标中规定了计算闪接器的保护范围，滚球法是以hr为半径的一个球体沿着需要防止被雷电击中的位置滚动，当球体碰到接闪器或只是碰到接闪器和地面，并且不碰到需要保护的部位时，此部分就会得到避雷针的保护，处于保护范围之内。这种理论已经过验证，假定雷电极在不同高度并相对于避雷针变化位置时的人工模拟放电的验证，保护范围是由闪击距离来决定的，不同的高层建筑物有着不同的防护范围。此种设计思路需要确定防雷的类型，避雷针保护范围的半径，避雷针在高度保护范围内的最小保护宽度。

下面讲下防雷保护半径的确定原则。依据建筑物防雷的滚球半径取值，可以将需要防雷保护的建筑物分为三个量级，第一种是防雷建筑物的滚球半径为30米，第二种是防雷建筑物的滚球半径为45米，第三种是防雷建筑物的滚球半径为60米.，根据相关设计规定避雷针在hx高度平面上的防雷保护数值推导公式为：rx=√h（2hr-h）-√hx（2hr- hx）。公式中的rx是高层建筑物安置的避雷针在hx高度平面上的保护半径，hr是滚球半径，hx是滚球平面保护的高度，h是避雷针高度。需要指出的是利用滚球法计算避雷针所涵盖的保护范围的时候，我们所说的“地”是涵盖大地之内的并且与地相连的防雷带，在高层建筑物的顶部的周围会设置防雷带，避雷针顶端针尖高度就是避雷针的高度。

假若取地面上的保护范围，这时候被保护物的高度就是零，代入数值，则在地面上的保护半径为ro=√h（2hr-h）。

下面谈下避雷针在保护高度上的最小保护宽度值，取宽度值bx。在常规防雷保护设计中，我们需要在保护的平面上标注出避雷针高度，保护半径，以及最小保护宽度数值。在《建筑物防雷规范》以及《工业与民用配电手册》中，给出了计算公式，下面简单介绍这个公式的推导过程。

1.2.1、双支等高避雷针联合保护范围的确定

通过以往的大量实例数据以及理论数据，双支等高避雷针可以假设以防护面上的任意两点做圆，做圆弧，两道弧线交于两点，以此两点做圆，会相交四点，那么四点范围内的点就是防雷保护的范围。

1.2.2、双支等高避雷针距离D，双支等高避雷针在hx高度联合保护的最小保护宽度Bx

。

Bx=√（h（hx-h）-（0.5D）2）-√hx（2hr-h）

随着经济的发展，全国各地的建筑物高度更高，建筑外形更加复杂，建筑物遭受雷击的概率越来越大，灾害也是越来越严重，经济损失也是更加沉重。在日常生活中大家也要注意防范， 如果雷暴发生时正在有防雷设施的建筑物附近，应注意以下几点： 1.不宜在建筑物朝天面上活动，因为当朝天平面发生直接雷击时，强大的电流可导致人员伤亡。 2.切勿接触天线、水管、铁丝网、金属门窗、建筑物外墙，远离电线等带电设备或其他类似金属装置。 3.紧闭门窗，防止危险的侧击雷和球形闪电侵入。 4.家庭使用电脑、彩电、音响等弱电设备不要靠近外墙，雷电发生时最好不使用这些设备。通过本文的论述，可以准确计算出防雷保护范围，有效地保护设备、减少经济损失、避免人员伤亡。作为一名设计人员更应该在设计过程中注意积累经验，不断改进、不断完善，使设计理念在工程项目中得到充分的贯彻执行。

许颖 避雷针（线）保护范围不应“绝对化”【J】中国雷电与防护，2003,NO.3

杨少杰等 雷达站建筑物主体结构及接地技术研究【J】中国雷电与防护，2003,NO.4