防雷設施在城市建筑中的應用探析

浦益

摘 要：隨著建筑物的規模不斷擴大，其內各種電氣設備的使用日趨增多，尤其是計算機網絡信息技術的普及，建筑物越來越多采用各種信息化的電氣設備。我國每年因雷擊破壞建筑物內電氣設備的事件時有發生，所造成的損失非常巨大。因此建筑物的防雷設計就顯得尤為重要。

關鍵詞：防雷設施 城市建筑 應用

前言

傳統的防雷技術是在高大的建筑物樓頂或其附近，安裝防直擊雷的防護裝置。這種防雷裝置是由接閃器、引下線和接地體三部分組成。安裝這種防護裝置的目的是將強大的雷電電流，按照設計的通道泄放到大地。也就是由設在建筑物頂端的接閃器攔截雷電電流，之后通過導電通暢的引下線，引導到電阻值很小的接地體泄入到大地。這是屬于防直擊雷的措施，一般我們稱之為外部防雷。

當雷擊發生時，建筑物的外部防雷裝置確實有效地防御了雷擊對建筑物結構的破壞，防止和減少了火災和人身傷亡。但它并不能保護建筑物內的電氣系統和電子系統免遭雷擊。因為，首先當雷電流快速泄放到大地的同時，在空中就會產生一個強大的變化磁場，處在這個強力變化磁場作用范圍內的所有電氣和電子系統的線路和設備，都會因為切割了磁場的磁力線而感應產生出電涌電流，輕則會產生誤動作，重則會造成設備損壞。原因之二，雷擊發生時雷電流可能擊中架空的電力線或通信線，也可能擊在這些金屬線纜附近而感應出電涌電流。這些電涌電流會沿著金屬線纜進入電氣和電子系統，造成破壞。

通過感應磁場的效應即“場”的作用；以及通過線路雷電流侵入即“路”的作用統稱為雷擊電磁脈沖，也有的稱為二次雷擊。這種二次雷擊的破壞，不象直擊雷那樣伴隨著強烈的電閃雷鳴，而是在人們看不見的感應磁場中發生的。由此可見，雷擊電磁脈沖的破壞作用是悄然發生，不易察覺，但后果遠比直擊雷嚴重得多。防御雷擊電磁脈沖的技術可稱為“內部防雷”。外部防雷與內部防雷共同組成了系統的綜合防雷體系。

1、建筑物防雷的分類

建筑物應根據其重要性、使用性質、發生雷電事故的可能性和后果、按防雷要求分為三類。

1.1 應劃為第一類防雷建筑物

1.1.1凡制造。使用或貯存炸藥、火藥、起爆藥、火工品等大量爆炸物質的建筑物，因電火花而引起爆炸，會造成巨大破壞和人身傷亡者。

1.1.2具有0區或10區爆炸危險環境的建筑物。

1.1.3具有1區爆炸危險環境的建筑物，因電火花而引起爆炸，會造成巨大坡壞和人身傷亡者。

1.2 應劃為第二類防雷建筑物

1.2.1國家級重點文物保護的建筑物。

1.2.2國家級的會堂、辦公建筑物、大型展覽和博覽建筑物、大型火車站、國賓館、國家級檔案館、大型城市的重要給水水泵房等特別重要的建筑物。

1.2.3國家級計算中心、國際通訊樞紐等對國民經濟有重要意義且裝有大量電子設備的建筑。

1.2.4制造、使用或貯存爆炸物質的建筑物，且電火花不易引起爆炸或不致造成巨大破壞和人身傷亡者。

1.2.5具有1區爆危險環境的建筑物，且電火花不易引起爆炸或不致造成巨大破壞和人身傷亡者。

1.3 應劃為第三類防雷建筑物

1.3.1省級重點文物保護的建筑物及省級檔案館。

1.3.2預計雷擊次數大于或等于0.012次/a，且小于或等于0.06次/a的部、省級辦公建筑物及其重要或人員密集的公共建筑物。

1.3.3預計雷擊次數大于或等于0.06次/a，且小于或等于0.3次/a的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物。

1.3.4預計雷擊次數大于或等于0.06次/a的一般性工業建筑物。

1.3.5根據雷擊后對工業生產的影響及產生的后果，并結合當地氣象、地形、地質及周圍環境等因素，確定需要防雷的21區、22區、23區火災危險環境。

1.3.6在平均雷暴日大于15d/a的地區，高度在15m及以上的煙囪、水塔等孤立的高聳建筑物；在平均雷暴日小于或等于15d/a的地區，高度在20m及以上的煙囪、水塔等孤立的高聳建筑物。

2、建筑物防雷的具體應用

2.1 綜合性防雷

綜合性系統防雷工程的第一道防線，就是攔截直擊雷。最經濟、最有效的方法，仍然是采用安裝包括接閃器、引下線和接地體在內的防直擊雷防護裝置的方法。作為攔截雷電的接閃器—避雷針，其保護的范圍是有一定限制的。在防雷工程設計時，對建筑物的直擊雷防護，要通過滾球法計算來確定設置避雷針的高度，或采用多根避雷針來覆蓋被保護的建筑物。當接閃器接閃后，為了分流，可能需要多根引下線將雷電流引下，這就好比使用多條河道或拓寬了河道以泄洪水。大地是泄放雷電流的最好場所，如同海納百川一樣。如果接地裝置的接地電阻很低，則雷電流的泄放速度更會加快。如果接地電阻值較高，根據歐姆定理U=R0I，當電流值一定時，引下線上的電位會因接地電阻值較高而增大，此時可能對引下線周邊的物體發生閃絡。好比象洪水因泄流不暢，而漫出大堤的效果一樣。

2.2 屏蔽措施

屏蔽是防止任何形式電磁干擾的基本手段之一，屏蔽的目的，一是限制某一區域內部的電磁能量向外傳播，二是防止或降低外界電磁輻射能量向被保護的空間傳播。空中的雷擊電磁場是無孔不入，特別是對磚木結構的建筑物以及鋼筋結構建筑物的非金屬門窗這樣的“洞”，強的雷擊電磁場會輕易地鉆進來破壞設備。對于電子設備的屏蔽，主要依賴其外殼。對于屏蔽要求很高的設備，應設置專用的屏蔽室。因此，當被保護的電子設備比較重要，同時耐磁場強度較弱時，就要采用金屬網或金屬板組成的屏蔽室，將設備屏蔽起來的措施予以保護。這也就如同防洪中，加固堤防的措施一樣。

2.3 等電位連接

等電位連接也稱作均壓。我們知道，站在地上的人觸摸電線就會被電擊，而在高壓線上作業的工人不會被高壓電電擊，原因是他與高壓線的高電壓是等電位的，由于沒有電位差，所以沒有電流流過，就不會被電擊。同樣道理，為了保證設備和操作人員的安全，各類電器設備和信息技術設備均應采取等電位連接的措施。就是把各類設備包括所有的導體，都要做到良好的導電性連接，并且還要與接地系統連通。其中非帶電導體可直接用導線連接，帶電導體通過電涌保護器（SPD）連接。其目的是使所有的設備和導體與接地系統做到電位均衡連接，也就是所有導電部件之間不能存在顯著的電位差，導電部件與接地系統之間也就不會產生電位差，從而形成電位相等的電磁環境，這樣就組成了一個安全的電位補償系統。具體地講，就是對進入建筑物的所有金屬導體、管道、電纜的外屏蔽層，都做等電位連接與接地。而對于配置有電子信息系統設備的機房內，應設等電位連接端子板，端子板也應可靠接地。機房內的電氣設備和電子設備的金屬外殼、機柜、機架、屏蔽線外層以及在電源通道、天饋通道和信號通道上加裝的各種SPD，都要以最短的距離就近與等電位連接端子板連接。

2.4 防閃絡措施

所謂閃絡現象就是，電流傳導過程中在導體之間跨越絕緣體產生電弧，從而改變了電流傳遞通道。產生電弧的主要原因是電弧兩端的導體之間電位差很大，距離又很近，從而擊穿了絕緣體，如空氣或土壤等介質。因此，為防止閃絡的發生，可以采取隔離或保持安全距離的方法。如外露外引下線使用耐100kV的絕緣層隔離以防止對人體和其他導體的閃絡；在引下線入地處鋪設厚度為5cm以上的瀝青層使其3m范圍內的土壤地表層電阻率大于5kΩ.m防止跨步電壓等。這也是如同在防洪中加固大堤，防止洪水溢出。當然防止閃絡還有其他的措施，如：采取等電位連接，使閃絡的兩端等電位；用網狀接地裝置對地面作均衡電位處理以防止跨步電壓等。

3、結束語

對高層建筑物的防雷設計來講，每一個建筑物都有不同的設計方案，本文是針對某一高層建筑防雷設計的實際情況出發進行探討的，不能千篇一律的將其賦予每一個建筑物，確保防雷設計方案能夠做到合理有效，防止或者減少雷電事故的發生。