[转帖]综论建筑物防雷--王时煦

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综论建筑物防雷  

北京市建筑设计研究院 王时煦

前言

　　在人类生存的环境中有许多自然灾害，如地震、暴雨、冰雹、水灾、旱灾、火灾、雷击等等。对此，人们总是想方设法进行防御，或减轻它们所造成的损失。雷击就是严重的自然灾害之一。但就我国而言，过去防雷设计在整个建筑设计中所占的比重很小。电气设计人员不重视，其他专业的设计人员更不重视，但雷击所造成的损失却无法轻视。如1989年山东黄岛油库遭受雷击并引起大火，损失惨重。

　　就防雷历史而言，我国建国初期大多是按照日本的45°～60°保护角确定避雷针的保护范围，用三叉小针铜避雷针、铜引下线和1m×1m铜板作为接地装置。50年代初期，引进苏联技术，采用抛物线或折线计算法，用铁管或镀锌元钢做避雷针，用镀锌元钢做引下线，地下打入3～5m长的镀锌铁管或钢材作接地极，以致现在的避雷带和避雷网均采用镀锌钢筋或扁钢。当时的安全隔离距离措施都是按下面这个基本公式来计算反击电压和安全距离：

式中 U反――反击电压（KV）；

L0――引下线单位长度的电感（uH/m）；

LAB――引下线反击点A到接地极B点的长度（m）；

di/dt――雷电流的陡度（KA/s）；

i――雷电流（KA）；

Rch――接地装置的冲击接地电阻（Ω）。

　　80年代以前，我国没有建筑物防雷规范，建筑电气设计人员只能凭自己的认识设计避雷针。自1957年北京市两大雷击事故发生以后，我国大量的古建筑物和群众集中的公共场所才开始安装避雷装置。1957年7月6日明十三陵长陵棱恩殿遭受雷击，劈掉西部吻兽，劈裂两根直径1.17m，高14.3m的大楠木柱子，死一人，伤三人；1957年7月8日中山公园内的一棵大树落雷，雷电流感应至附近的配电线路，然后传到中山公园音乐堂，烧毁了配电室、舞台和观众厅大顶棚。为此，北京市领导召开了紧急会议，决定对北京市重要古建筑物和人员众多的影剧院安装避雷针并指定由笔者负责设计。此后，从天安门开始，到劳动人民文化宫三大殿、景山万春亭、北海公园白塔，以至鼓楼、天坛祈年殿、颐和园排云殿、智慧海、十三陵长陵棱恩殿、明楼、戒台寺等30多处古建筑物和中山公园音乐堂等重要影剧院都相继安装了避雷装置。

　　1957年，笔者将过去积累的雷击事故调查和设计经验进行了总结，写出了“民用建筑物防雷保护”研究报告并且于1958年9月在建工部设计局于武汉召开的“全国电气设计人员交流大会”上，作了报告，发表了防雷观点和设计方法。报告中提出的雷击规律、防雷标准、保护方式、设计要点、屋顶板内钢筋作接闪装置的理论以及详细的设计实例和数十种做法大样得到了与会代表的一致赞同，以后被广泛采用。

　　1958年底，北京市建筑设计院研究室、中国科学院电工研究所和清华大学高压教研室共同成立了“北京建筑物防雷研究小组”。1962年5月出版的《民用建筑物防雷保护》和1980年9月出版的《建筑物防雷设计》就是在笔者1957年研究报告和小组研究成果的基础上写出来的。书中突出的观点是建筑物防雷设计的六项重要因素，即接闪功能、分流影响、屏蔽作用、均衡电位、接地效果和合理布线。现在看来，国内外的标准和规范都离不开这六要素，有的单位还把它们作为设计原则。笼式避雷网和等电位连接早在1958年就在人民大会堂的设计和工作实践中采用了，而国际上戈尔德（G.H.Golde）于1997年才在《雷电》一书（国际名著）中谈到等电位连接的做法，所以我国的防雷研究和实践并不落后。

　　笔者主审的我国第一部《建筑物防雷设计规范》（GBJ57－83）于1983年11月7日公布。第二部《建筑物防雷设计规范》（GB50057－94）（机械工业部设计研究院林维勇先生主笔）于1994年4月18日公布。该部规范吸收了许多国外先进的东西，将接闪器保护范围的计算方法改为滚球法并结合我国防雷设计的实际经验增加了许多新条款。这两部规范对指导我国建筑物防雷设计起了很大的作用。

　　70年代以前，人们听到的雷击事故多是击中建筑物或大树，严重的造成了建筑物烧毁或人员伤亡。那时被雷击的建筑物绝大多数是没有安装防雷装置（避雷针、避雷带或避雷网）。现在听到的雷击事故相对少了，其原因是，六层以上的多层建筑物和高层建筑物都安装了防雷装置。有时，接闪器接闪后，即使是微电子设备因雷电电磁脉冲感应受损，局外人也不知道，本单位做些局部修理也就完事了。其实，现在的雷击事故并不算少。雷击建筑物对某一栋楼而言可能是百年不遇的事，但防雷装置接闪则是较常见的，这也是正常的。

　　接闪装置接闪后，建筑物引下线附近的设备会受到雷电流的感应，这就是雷电电磁脉冲干扰。90年代以前，国际和国内的规范都没有关于雷电电磁脉冲的规定。1992年国际电工委员会建筑物防雷专委会（IEC－TC/81）才开始讨论这个问题。1995年2月，该机构发布了国际标准《雷电电磁脉冲的防护》（IEC1312－1.2.3）。目前我国尚没有类似的规定，这是近年来的问题。

　　随着电子技术的飞速发展，电子计算机早已步入社会的各行各业。建筑物内几乎无不设有复杂程度不同的微电子设备和计算机系统，民用建筑也不例外。雷电电磁脉冲干扰日益成为频发事故。面对这种挑战，设计人必须转变观念，把雷电电磁脉冲防护当作防雷设计的重点。这不只是电气一个专业的事，因为它涉及到电子设备的位置和管线的布置等问题。各个专业应充分协商，从整体上解决防雷设计上的问题。否则，建筑物设计得再好，也无法正常使用。

　　研究建筑物防雷应从雷击事故调查入手，找出雷击规律，然后，利用雷击模拟实验，对所总结的规律和所提出的解决方案予以验证。研究人员应根据科技的发展，不断吸收新东西对满足不断变化的社会需要，如计算机的发展导致的对雷电电磁脉冲防扩的需要。

　　下面将对防雷设计的基本原则、雷击规律、近年来国际上提出的新概念以及随着科技发展出现的新问题分别予以论述。

   
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1．雷电电磁脉冲

　　雷电电磁脉冲（Lightning Electromagnetic Pulse），简称LEMP，是天空打雷时产生的作为干扰源的强大闪电流及其电磁场。它的感应范围很大，对建筑物、人身和各种电气设备及管线都会有不同程度的危害。这种危害就是雷电电磁脉冲所产生的干扰。

　　建筑物内的雷电电磁脉冲干扰指以下三种情况：

　（1）天空中雷电波的电磁辐射对建筑物内电力线路和电子设备的电磁干扰；　（2）建筑物的防雷装置接闪时，强大的瞬间雷电流对建筑物内电力线路和电子设备的干扰；

　（3）由外部各种强、弱电架空线路或电缆线路传来的电磁波对建筑物内电子设备的干扰。

　　现代电子技术日益向高精度、高灵敏度、高频率和高可靠性方向发展。这些电子设备非常灵敏，但耐压很低，一般电子设备都承受不了正负5伏的电压波动。以各种微机为例，当雷电电磁脉冲的磁场强度超过0.07 高斯时，就会引起微机的误动作，当磁场强度超过2.4高斯时，就会造成微机的永久性损坏。因此，我们必须对雷电电磁脉冲采取必要的防护措施，以便在先进的建筑物内实现良好的电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility）。

　　防御雷电电磁脉冲干扰的理想防雷设计方案是笼式避雷网，它利用的是法拉第笼原理。建筑物的金属结构物遍及各处，不用很多钢材就可很容易连接起来形成法拉第笼，从而建筑物内的电子设备得到很好的屏蔽。屏蔽做得好，不仅能防御空间电磁波的辐射，而且还可使建筑物内部的分流和均压达到最佳效果。这里要说明，屏蔽的做法应根据建筑物内电子设备的要求决定。由于设备的性质不同，因此，有的要求仅对设备本身做屏蔽，有的要求在设备与设备之间做屏蔽，还有的要求在机房做屏蔽。正因为这个问题的重要，所以1995年国际电工委员会建筑物防雷分委会（IEC/TC-81）在《雷电电磁脉冲的防护》的标准中提出了防雷保护区（LPZ）的概念，国际上刚开始实行这种规定，而我们国家还没有提出。笔者认为，设计人员可以按照微电子设备的多少、繁简、重要程度、摆放位置及进出管线的具体情况自行划分防雷区以取得良好的屏蔽、等电位和接地效果。

　　因此，防御雷电电磁脉冲对室内布线的要求非常严格。由于用作引下线的钢筋混凝土柱内的钢筋和整个建筑物的屏蔽网都在外墙处，雷电流需经此处的钢筋分流到接地装置上，所以外墙处的电流密度大，电磁场强。因此，建筑物中的电源和通信等线路的主干线不应靠近外墙，最好设置在建筑物的中心部位，如电梯井在中心部位，可设置在电梯井的近旁。建筑物内的各种电气馈线都要穿金属管保护或采用双层屏蔽电缆（或同轴电缆）。在一些有特殊要求的线路电源侧，还应加装电涌保护器、隔离变压器、稳频、稳压以及滤波等装置。

　　防御雷电电磁脉冲对接地的要求也很严格。电子系统的低频信号工作接地应采用单点接地系统，在整个建筑物内应为树干式结线布置。各层或各段的低频信号工作接地均应直接接到单点接地板上，不得形成环路。单点接地系统不应与用作防雷引下线的柱子平行，以防强磁场干扰。由于是利用建筑物结构钢筋作屏蔽，因此必须采用综合共同接地方式，即将防雷接地、电源的工作接地、各种装置的外壳、铁管外皮和高频电子设备的信号接地都统一接到建筑物的基础上或室外接地装置上。为避免杂散电流，单点接地系统必须采用绝缘线，其主接地板必须置于建筑物的最底层且直接与基础或室外接地装置连接。各层单点接地系统的区域接地板或终端接地板如需要与综合共用接地系统的装置接地板连接，应在它们之间加装不大于直流300V的放电管或压敏电阻。综合共用接地的电阻一般应在1欧姆以下，对于特殊的电子设备，可在0.5欧姆以下。确定接地电阻时，应考虑各种设备对接地电阻值的要求，在所要求的各种阻值下，应取最低值。

　　在低压220/380V供电系统中，应采用三相五线（TN－S）系统，以便于装置接地（PE）线和中性（N）线分开，PE线应接到各层或各段装置接地的终端地板上。为了防御雷电电磁脉冲，建筑物的电源、电话、广播等线路最好采用埋地电缆引入，所用电缆应为铠装电缆或同轴电缆且外皮两端均要接地。