建筑防雷问题论述
1概述雷电是一种常见的自然现象，由于雷电释放的能量相当大，它所产生的强大电流、灼热的高温、猛烈的冲击波、剧变的静电场和强烈的电磁辐射等物理效应给人们带来了多种危害。现代化的城市中高层建筑日益增多，造成雷电击穿空气的距离缩短，因为雷击的概率与建筑的高度成正比，所以雷击概率加大。同时，由于全球气候变暖，城市热岛现象增多，使城市的大气环流形势出现了新特点，夏季雷暴期延长。传统的建筑中都安装有避雷针、避雷带或避雷网等防雷装置，从而减轻了雷电对建筑物及人员的伤害。进入电子信息时代后，随着现代智能建筑出现，雷电灾害的特点发生了极大的变化，受灾面不仅大大扩大而且从二维空间入侵变为三维空间入侵。从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场从三维空间入侵到任何角落，无空不入地造成灾害，因而防雷工程已从防直击雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲（LEMP）的新阶段了。2雷电的形成及其危害2.1雷电的形成雷电是一种大气放电现象。当太阳把地面晒得很热时，地面的热空气携带大量的水汽不断地上升到高空，形成大范围的积雨云，积雨云的不同部位聚集着大量的正电荷或负电荷，形成雷雨云，而地面因受到近地面雷雨云的电荷感应，也会带上与云底相反极性的电荷。当云层里的电荷越积越多，达到一定强度时，就会把空气击穿，打开一条狭窄的通道强行放电。当云层放电时，由于云中的电流很强，通道上的空气瞬间被烧得灼热，温度高达6000—20000℃，所以发出耀眼的强光，这就是闪电，而闪道上的高温会使空气急剧膨胀，同时也会使水滴汽化膨胀，从而产生冲击波，这种强烈的冲击波活动形成了雷声。2.2 雷电的危害2.2.1直击雷建筑物或设备等对地放电所产生的电击现象，称之为直接雷击。此时雷电的主要破坏力在于电流特性而不在于放电产生的高电位。雷电击中人体、建筑物或设备时，强大的雷电流转变成热能，雷击点的发热量大约500~2000J，该能量可以熔化50~200mm3的钢材。因此雷电流的高温热效应将灼伤人体，引起建筑物燃烧，使设备部件熔化。另外在雷电流流过的通道上，物体水分受热汽化而剧烈膨胀，产生强大的冲击性机械力。该机械力可以达到5000~6000N，因而可使人体组织，建筑物结构、设备部件等断裂破碎，从而导致人员伤亡、建筑物破坏，以及设备毁坏等。 2.2.2感应雷 感应雷是雷电在雷云之间或雷云对地放电时，在附近的户外传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线产生电磁感应并侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。感应雷虽然没有直接雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多。感应雷的破坏也称为二次破坏。雷电流变化梯度很大，会产生强大的交变磁场，使得周围的金属构件产生感应电流，这种电流可能向周围物体放电，如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸，而感应到正在联机的导线上就会对设备具有强烈的破坏性。2.2.3浪涌雷电浪涌是近年来由于微电子设备的不断应用而引起人们极大重视的一种雷电危害形式。最常见的电子设备危害不是由于直接雷击引起的，而是由于雷击发生时在电源和通讯线路中感应的电流浪涌引起的。一方面由于电子设备内部结构高度集成化（VLSI芯片），从而造成设备耐压、耐过电流的水平下降，对雷电（包括感应雷及操作过电压浪涌）的承受能力下降，另一方面由于信号来源路径增多，系统较以前更容易遭受雷电波侵入。浪涌电压可以从电源线或信号线等途径窜入微电子设备设备造成设备损坏等事故。3防雷唐代《炙毂子》一书在记载了这样一件事：汉朝时柏梁殿遭到火灾，一位巫师建议，将一块鱼尾形状的铜瓦放在层顶上，就可以主防止雷电所引起的天火。屋顶上所设置的鱼尾开头的瓦饰，实际上兼作避雷之用，可认为是现代避雷针的雏形。 现代避雷针是美国科学家富兰克林发明的。其实，避雷针应叫“引雷针”才合适。在雷雨天气，高的物体上空出现带电云层时，迅雷针和物体顶部都被感应上大量电荷，由于避雷针针头是尖的，而静电感应时，导体尖端总是聚集了最多的电荷．这样，避雷针就聚集了大部分电荷．避雷针又与这些带电云层形成了一个电容器，由于它较尖（即这个电容器的两极板正对面积很小）电容也就很小，也就是说它所能容纳的电荷很少。而它又聚集了大部分电荷，所以，当云层上电荷较多时，避雷针与云层之间的空气就很容易被击穿，成为导体。这样，带电云层与避雷针形成通路，而避雷针又是接地的．避雷针就可以把云层上的电荷导人大地，使其不对高大物体构成危险，保证了它的安全。4建筑防雷4.1外部防雷装置与内部防雷装置国际电工委员会编制的标准（IEC1024－1）将建筑物的防雷装置分为外部防雷装置和内部防雷装置。外部防雷装置由接闪器、引下线和接地装置三部分组成。接闪器是指避雷针、避雷带和避雷网，它位于建筑物的顶部，其作用是引雷或叫截获闪电，即把雷电流引下。引下线，上与接闪器连接，下与接地装置连接，它的作用是把接闪器截获的雷电流引至接地装置。接地装置位于地下一定深度之处，它的作用是使雷电流顺利流散到大地中去。内部防雷装置的作用是减少建筑物内的雷电流和所产生的电磁效应以及防止反击、接触电压、跨步电压等二次雷害。除外部防雷装置外，所有为达到此目的所采用的设施、手段和措施均为内部防雷装置，它包括等电位连接设施（物）、屏蔽设施、加装的避雷器以及合理布线和良好接地等措施。4.2防雷电感应和雷电波侵入 雷电放电时，在附近导体上产生的静电感应和电磁感应，它可能使金属部件之间产生火花。因此被保护建筑物内的金属物接地，是防雷电感应的主要措施。首先，是做好等电位联结。对一、二类防雷建筑物内平行或交叉敷设的金属管道，其净距小于100mm时，应采用金属线跨接，是防止电磁感应所造成的电位差能将小空隙击穿，而产生电火花，每隔≤30m做好接地。 由于雷电对架空线或金属管道的作用，雷电波可能沿着这些管线侵入屋内，危及人身安全或损坏设备。因此，做好进线端的防雷保护，做好均压环及防侧击雷是防雷电波侵入的主要措施。 一、二类防雷建筑低压进线全线采用直埋地引入，将线路架空引入户内时不少于15m的一段应换电缆(金属铠装电缆直埋地，护套电缆穿钢管)进户，并在架空与电缆换接处做好避雷保护。二类防雷建筑当架空线直接引入时，除在入户处加装避雷器，并将进户装置铁件做好接地外，靠近建筑物的两根电杆上的铁件也应做好接地，且冲击接地电阻≤30Ω，所有弱电进线的保护应同强电进线。防雷建筑要做好均压环及防侧击雷保护。均压环从三层开始，环间垂直距离≤12m，所有引下线、建筑物的金属结构和金属设备均与环可靠连接，均压环可利用结构圈梁内的钢筋(钢筋必须贯通成环路)。一类防雷建筑30m以上，二类防雷建筑45m以上，三类防雷建筑60m以上，要做好防侧击雷保护，沿建筑物外墙做一周水平避雷带，带与带间垂直距离≤6m，外墙上所有金属栏杆，门窗均与避雷带可靠连接，避雷带再与引下线可靠连接。竖直敷设的金属管道及金属物的顶端和底端与防雷装置可靠连接，目的是在于等电位，并且由于两端连接使其与引下线形成并联线路，使雷电流更讯速的入地。 4.3防雷电流经引下线和接地装置时产生高电位对金属设备或电气线路反击的措施 目前建筑物内大多采用共同接地装置，当雷直击于本建筑物防雷装置时，假设流经靠近低压电气装置处接地装置的雷电流为20KA，当冲击接地电阻=1Ω时，接地装置上电位升高为20KV，而一般室内低压装置的耐冲击电压最高为8KV。其结果就使低压电气装置绝缘较弱处可能被击穿而造成短路，发生火灾、损坏设备，这是非常危险的。因此对防雷建筑物构建全方位、多层次的防雷网络，使雷电对建筑物的影响减至最小。 建筑物为高压进线时，高、低压侧各相上均设避雷器，用以防护由高压进线的雷电和操作(断路器动作，投切大电动机和电容器组等)过电压。电子设备较多且重要的建筑，在低压配电支线上再装设过电压保护，做为后备保护，主要用于进一步抑制经前置保护限制后的剩余过电压和电源线上由感应或耦合产生的过电压。建筑物为低压进线时，在电源总进线处装设过电压保护器。 5智能建筑防雷5.1智能建筑现在智能建筑主要由建筑自动化系统（BAS）、办公自动化系统（OAS）、信息通信系统（CAS）三个系统组成，并利用计算机网络技术、通信技术将此三个系统进行系统集成。在智能建筑中，系统内的电子设备的数量和规模不断扩大，大量采用计算机技术，而电子计算机、微处理器以及其他电子仪器设备普遍存在着绝缘强度低，过电压耐受能力差的弱点，当其受到电磁脉冲，特别是闪电电磁脉冲的袭击，使得这些高灵敏的电子系统在运行时，出现程序运行错误、数据错误、时间错误；、死机、无故重新启动甚至造成用电设备的永久性损坏，给各行各业以及人们日常生活造成巨大损失。5.2智能建筑中的防雷措施直击雷防御系统是捕捉雷电闪击保护建筑物及设备。感应雷防御系统是为了降低雷击时的冲击电位差和电磁脉冲。采用传统的装设接闪器，由接闪器和引下线将雷电流导入接地极，流向大地，并在电网中加装避雷器等防雷措施，虽然可以有效防止直击雷和消弱电压波的强度，减少雷击的破坏程度，但这些措施并不能完全消除电网中的又雷击引起的暂态过电压，感应雷电脉冲一般都在千伏以上，普通的电气设备一般可允许闪电脉冲电压6000V,但对于计算机设备，其信号电压很低，一般只有100V左右，最小仅有10V左右，当其闪电脉冲电压为在几十伏或到几百伏就会使计算机损坏，因此需采取以下措施。5.2.1对电源系统和信息系统分级保护为了有效防止暂态过电压的灾害， IEC664-1中提出，对电源系统分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级防护，将过电压数值降低到设备可以承受的水平。表1给出了IEC664-1瞬变过电压水平等级的划分。 IEC664-1瞬变过电压水平等级的划分 表1供电系统标准电压（Ｖ）由标称电压派生的交流或直流相电压（Ｖ）额定脉冲电压（Ｖ）
三相单相过电压等级分类
ⅠⅡⅢⅣ
503305008001500
10050080015002500
120～240150800150025004000
230/400277/480 3001500250040006000
400/690 6002500400060008000
1000 100040006000800012000
雷电及其它瞬态浪涌冲击现象，对精密电子设备和计算机设备（包括UPS电源），造成很大的危害。采用电源过电压保护器可以利用快速响应模块，通过其优良的非线性伏安特性，来实现抑制暂态过电压的。在正常工作时，模块呈高阻抗特性，泄漏电流很低，不影响正常工作。当出现暂态过电压时，模块呈低阻抗特性，使暂态过电流迅速泄放，抑制暂态过电压，维持电压稳定。信号防雷系统由于雷电波在线路上能感应出较高的瞬时冲击能量，因此要求网络通信设备能够承受较高能量的瞬时冲击，而目前大部分设备由于电子元器件的高度集成化而使耐过电压、耐过电流水平下降，必须在网络通信接口处加装必要的防雷保护装置以确保网络通信系统的安全运行。对通信系统进行防雷保护，选取适当保护装置非常重要，应充分考虑防雷产品与通信系统匹配。对于信息系统，应分为粗保护和精细保护。粗保护量级根据所属保护区的级别确定，精细保护要根据电子设备的敏感度来进行确定。5.2.2采用等电位联接 防止雷电的侵害的一项关键措施，即采用等电位联接。等电位联结的目的在于减小需要防雷的空间内，各种金属部件和各种系统之间的电位差，而实施的导体联结。电源线、信号线、金属管道等都要通过过压保护器进行等电位联接。总等电位联接，就是将所有进出保护范围的金属管道（包括水管、供热管道等）以及所有电源线和所有信号线（包括载流导体），当闪电电流流经这些导体时，等电位联接可以用来安全地承载涌流。5.2.3加强传统防雷装置传统避雷针在引雷后会引发地电位反击和二次雷击效应。为了减少雷电流精度徒度和电磁辐射场，应选用阻抗型的避雷针和接闪器等。或者采用提前放电式避雷针, 如采用提前放电式避雷针PULSAR。它的主要原理是将一个高脉冲电压系列加在普通避雷针尖端（大约10000伏），来引发自发电晕效果，形成上行先导，从而吸引雷电流使其更准确地通过避雷针形成的泄放通道泄放雷电流。由于提前放电式避雷针在雷电泄放前提前放电，形成上行先导，所以，它将传统避雷针的被动吸引雷电流变为主动吸引雷电流。也就克服了传统避雷针的缺陷，相当于加长了传统避雷针的高度，自然在同等高度下也就加大了避雷针的保护角，使其提供的保护范围更大、更加可靠有效。使其具有更大的保护范围。充分利用建筑物的钢筋混凝土结构组成的经济可靠的笼式避雷网。增加引下线数量，加速雷电流的分流，减少磁场集中程度。加强所有外漏的金属门窗与结构的连接，提高建筑物的自然屏蔽能力。减少接地电阻值，降低接地电位。总之，建筑防雷这个老话题，随着科技的进步防雷技术还有许多需要探索的东西，建筑防雷技术也在不断的发展中，故此一些建筑防雷技术及防雷产品其性能和效果，仍需以科学的态度在实践中检验，并在理论上发展完善。由于雷电本身是小概率事件，需要大量长期的统计分析才能得到有益的结果，这需要各方的通力合作才能得以实现。为此，我们必须站到历史时代的新高度来认识和研究现代防雷技术，提高人类对雷灾防御的综合能力。
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