对现代建筑物防雷设计的综述
摘要:本文以现代建筑物雷电防护为研究对象，对现代建筑物的综合防雷技术进行了探讨分析,从雷电所导致的危害入手，对现代建筑的综合防雷技术进行了探讨分析，具有一定的参考价值。
关键词:雷电；雷电危害；建筑物；防雷设计；防雷施工
1雷电入侵途径的类型
1.1直击雷
即雷电直接击在建筑物或设备上产生的热效应和电动势作用。由于雷击时，直击雷电压高达几百万～2000KV或更高；雷击电流高达数十至～几百千安、雷电通道可产生最高达2000℃的温度，在强大的雷电流作用下，物体缝隙中的气体剧烈膨胀、水份急剧蒸发，产生强大的热效应和机械效应，从而使被击物或人、畜受到严重的损坏，同时可能会引起火灾。
1.2雷电感应
雷电感应是指闪电放电时，在附近导体上产生静电感应和电磁感应，也称间接雷或叫二次雷害；它没有直击雷那么猛烈，但它发生的机率比直击雷高的多。当空间有带电的雷云出现时，地面上的一切物体，尤其是导体，由于静电感应作用，带上与雷云极性相反的大量束缚电荷，在雷云对地或对另一雷云闪击放电后，导体上的束缚电荷变成自由电荷，向导体的两端移动，从而产生出很高的静电感应电压，其过电压幅值可达几万到几十万伏，这种静电感应产生的过电压对接地不良的电气系统有破坏作用，对建筑物内的导线，接地不良的金属物导体和大型的金属设备放电容易产生电火花而引起火灾；对存放易燃易爆物品的建筑物有引起爆炸的危险，危及人身安全。另外，在雷电闪击时，由于雷电流有极大峰值和陡度，在雷电流通道周围的空间产生有强大的脉冲电磁场，实验证明，当雷电流形成的磁场强度达2．4G时，就可以使一般微电子设备发生永久性破坏，即使磁场强度降到0．07G也能造成它们误动作，而处在电磁场中的导体也会感应出较大的电动势，对建筑物内的电子设备造成干扰、破坏，又或者使周围的金属构件产生感应电流，从而产生大量的热而引起火灾。
1.3雷电波侵入与雷电反击作用
当架空线或金属管道遭受直击雷或感应雷后，所产生的雷电波沿着这些金属管道、管路，特别是沿输电线、通信电缆、无线电天线等侵入，形成所谓高电位引入，而造成火灾或人身伤亡事故。另外，当雷电流通过金属物体落地时，由该物体的波阻抗及其接地电阻产生电位升高，其值：
Vx＝LoHdi／dt十ir十iR
式中：r为测试点至接地体的电阻
i通过引下线的雷电流100kA
Lo为引下线单位长度电感
Lo＝1．67／μH／m
H为测试点距大地的高度，取H＝l0
R为接地电阻
当r＝0，R＝10Ω时，Vx＝1．6MV
当r＝0，R＝0时，Vx＝0．6MV
Vx一般高达数十千伏至数百千伏，当它击穿附近的空气或土壤间隙，把高电位传送到其它物体上，便形成对别的物体的反击，因空气间隙的击穿电压很高，所以反击一般仅限于几米范围内，反击的发生，可能使电气设备绝缘被破坏，金属管道被烧穿，甚至会引起火灾、伤亡事故。
2现代建筑物防雷设计思路
2.1设计的全面性
建筑物防雷系统由接闪、分流、均压、屏蔽、布线和接地6项要素组成,这些要素自身结构与建筑物的结构有机地组成一个整体,这个整体与外部环境有着多方面的联系[1]。雷电对建筑物及其内部设备的作用是多途径的,有直击雷击,有沿金属管路、各种线路引入的瞬时过电压,还有空中传播的LEMP,因此对建筑物的防雷设计不能片面,而应全面系统地对不同形式的雷电采用不同防护措施。
2.2设计的合理性
现代建筑物大量采用钢结构和钢筋混凝土结构,而且体积高大,本身具有较强的耐雷击能力,因此设计时应把防雷诸要素与建筑物的结构有机地结合起来,利用钢筋构成协调的防雷结构,使之发挥出整体的最优防雷功能。主要思路为:
①在建筑物屋面采用避雷网,在屋面突出部分或通讯设施上安装避雷针或带。
②利用建筑物的结构钢筋作引下线,并适当增加引下线的数量,对减少各层的反击电压和减少各分支电流的电磁感应都有良好的作用。
③利用各层楼板钢筋或高(多)层建筑物均压环与作引下线的主筋连接,有利于均压的形成,有效降低室内反击电压和有利于对空中电磁场的屏蔽。
④从各层梁、板、柱内主筋焊出接头,便于与室内设备接地母线连接。
⑤利用四周圈式接地体和基础钢筋接地网,便于与引入建筑物的各种金属管道、电缆屏蔽层连接。
⑥为避免流经建筑物外墙柱内钢筋的雷电流产生的电磁感应,设计时应将信息系统及各种电气线路放置或敷设在建筑物内的中心部位,把防雷系统诸多要素与建筑物结构有机结合,不但可以降低建设投资,还能获得最佳的防雷效果。
2.3设计的层次性
建筑物防雷系统设计的层次性是指将建筑物需要保护的空间划分为几个防雷保护区,指明对LEMP有不同敏感度的空间,根据设备的敏感性确定合适的连接点。可以根据不同防雷保护区雷电磁场衰减的分布情况,确定不同性质设备的布设位置;对所有穿过不同保护区界面的金属物进行等电位连接,并在每个界面处加设屏蔽措施;合理布线并对进入不同保护区的电缆、线路在不同界面处选择不同特性的过压保护器,进行分流和限压。通过层层防设使侵入到信息系统防雷保护区的雷电干扰信号降到最低程度。
2.4设计的目的性
在了解建筑物的结构和功能之后,按照需要保护的程度确定防雷设计,如在对建筑物外部防雷设计时要参考当地的土壤、气象、地理环境等自然条件,及雷击规律、雷电参数和年预计雷击次数。内部防雷设计时要参考设备允许电压脉冲的参数。在建筑物防雷设计时要参考建筑物受雷击能力和雷击事故损失的性质和大小,还应对建筑物与建筑物,同一个建筑物中的房间与房间、设备与设备,所采取的防雷措施都应区别对待,以达到整体优化设计。
3现代建筑物防雷系统的施工建议
除按图纸设计、国家规范及国家建筑标准设计图施工外,施工中还应注意以下几点:
3.1基础防雷图的施工事项
在利用桩、承台、地梁、引下线形成良好的基础接地时,它们之间的焊接较复杂,施工单位应对防雷用的钢筋用油漆标明。引下线与引下线之间的连接最好用地梁(或地板筋)连接,尽量不用扁铁连接。进入建筑物的主配电箱的接地也应与防雷接地接到一起(防止雷电反击)。搭接焊指数要求为单面焊12d,双面焊6d,焊接角度<90°。
3.2立面防雷图的施工事项
均压环主要是用于高层建筑物的防雷,它的施工要求是在某个楼层(十层以上,包括十层)平面内形成等电位,即建筑物遭受雷击后在这个平面内的任一点的瞬时过电压都是相等的。但要注意在有窗户及阳台金属栏杆的地方做等电位连接(预留接地端子),它们的连接最好是用镙丝,这样做的目的主要是防侧击雷。
3.3天面防雷图的施工事项
天面防雷主要包括天面网格、避雷针、带(建筑物的接闪部分),只有将天面网格、避雷针、带与引下线良好的连接起来,才能保证建筑物遭雷击后造成的损失降到最底。30多年的运行经验证明,充分利用建筑物结构钢筋设计成“法拉第笼”式防雷网是目前国内外公认的经济可靠的防雷方式。
4防雷技术
4.1接地和引下线
接地就是让已经纳入防雷装置的闪电能量泄放入地，良好的接地装置是防雷中至关重要的一环。接地电阻值越小过电压值越低。现代建筑物防直击雷已广泛采用避雷带、避雷网和多引下线系统，实践证明利用建筑物深埋地下的基础桩、梁、柱等结构钢筋，形成一个网格的接地体装置，作为多引下线和接地装置，具有经济、美观和利于雷电流散流以及不必维护和寿命长的优点。将建筑物内的桩筋、地梁内的主筋和柱内的主筋焊接起来，并把地梁外圈梁中间(网格)钢筋焊接成一个闭合环路，组成一个完整的接地系统。这种接地系统与大地接触面广，接地电阻低，而且钢筋得到混凝土的保护，受侵蚀作用减少，接地电阻比较稳定，防直击雷是相当有效和安全可靠的。
4.2屏蔽与均压
现代钢筋水泥的建筑物内有纵横交错的钢筋，有效利用建于屋顶的避雷带、网和四周墙面内的柱钢筋作为引下线，以及梁钢筋相互焊接，把进入建筑物的金属管道及金属构件作良好电气连接，连接中要注意各信息系统间的电磁兼容问题。这样，整座建筑物就形成了一个理想的“法拉第笼”屏蔽网，十分有利于消弱建筑物内部的电磁场。不但能使雷电流有良好的散流途径，均压分流、接地电阻小，而且整座建筑物形成统—的等电位系统，保持均压作用，并可以避免建筑物产生雷电反击的危害。这种设计不仅经济实惠而且符合现代防雷的思路，为电气和电子设备防止雷电磁脉冲（LEMP）破坏提供了基础条件。
4.3防侧击
在高层的建筑物防雷中，考虑到雷电流的散流途径长、从接闪器到引下线到接地装置的电位梯度大，为了均衡电位，降低电位梯度，广东气象防雷部门在施工方案中都有一个统一的认识：即在30m以上高度，每隔一层，沿建筑物四周敷设一道避雷带与各根引下线焊接或直接利用外圈梁的钢筋焊接成闭合回路，构成水平避雷带，可有效地防范雷电侧击。
4.4电源线与信号线的防护
随着信息技术的迅速发展，现代高科技电子设备广泛使用，由于其灵敏度高、耐压低，很容易受到雷电电磁脉冲感应。因此，除建筑物必须在低压侧装设低压电涌保护器及各楼层设置相应的电涌保护器以及电器汇流排外，还要把电线、电缆穿金属管埋地并与接地装置相连。各种电涌保护器（SPD）的接地线以最直和最短的距离与电器汇流排进行电气连接，这样可大大减小设备的损坏，实践证明其安全效果相当显著。
5结束语
总之，新建筑物防雷是一项系统工程，防雷装置也不是一劳永逸的，要结合实际因地制宜，灵活应用，采取具体措施，重视各个环节的质量，构成一个完整的综合防护体系，才能收到预期的效果，最终使建筑物的防雷装置真正发挥出保护建筑物内人和设备安全的作用。
参考文献:
[1]虞昊,臧庚媛,赵大铜.现代防雷技术基础[M].北京:气象出版社,1995.
[2]JGJ/T16-92.民用建筑电气设计规范[S].
[3]《GB50057-94》（2000年版）.建筑物防雷设计规范[S].
[4]IEC1024-1.建筑物防雷[S]