现代大楼雷电防护技术

现代大楼雷电防护技术
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　　摘　要 ：本文简述了雷电的形成、特性和活动规律，试图结合防雷技术规范介绍现代大楼的防雷措施。文后介绍电源系统的雷电防护、信号与数据线路的保护。

　　关键词 ： 直接雷 感应雷 雷电防护

　　为更有效地防止雷击灾害，需要分析雷电及其雷电电磁脉冲发生的物理过程，认识其成灾规律，选用适当的防护器件和装置，设计实施合理的雷电防护系统（LPS--Lightning Protection System），必须设计综合的雷电防护体系。

一、直接雷击及其防护

　　（一）概念：直接雷击简称直击雷，是指雷云直接对地面上的建筑物或其他物体放电并导致物体损毁的现象。直击雷瞬间携带巨大能量，若不能迅速将其泻放入大地，将导致其放电通道的物体遭受严重损害，甚至危及人身安全。

　　1直击雷引起爆炸和火灾

　　2直击雷引起的地电位升高

　　3跨步电压：雷电流泻入大地并在土壤中流散开时，由于土壤具有一定的电阻率，雷击点附近地面上各点间就出现电位降，越靠近雷击点，电流密度越大，单位距离的电位降就越大。如果有人站立或行走在落雷点附近，在两脚间的这一电位降可使雷电流通过两腿和躯干，人就会遭到雷击。这种电位降称为跨步电压。

　　（二）直接雷击的防护直击雷的防护原则主要是设法使雷电流迅速泻放到大地中去。通常采用避雷针、避雷带、避雷网或避雷笼网等避雷装置进行防护。避雷装置一般由接闪器、引下线和接地装置三部分组成。其避雷装置的保护范围的确定：

　　1、避雷装置所能保护的范围会因建筑物的高度不同而受影响，在不超过20米的情况下，所有在其45锥角范围内的物体都会得到保护，而随着高度的增加，保护范围会减少，如图1所示。在建筑物比较高的情况下，其保护范围一般根据“滚球原理”的方法来确定（参考《建筑物防雷设计规范GB50057-94》），见图2。



图1： 防雷装置保护范围与建筑物高度对应关系



图2：高层建筑采用滚球法确定保护范围

　　第一类建筑物滚球半径30M

　　第二类建筑物滚球半径45m

　　第三类建筑物滚球半径60m

　　2、引下线的布置引下线的设置主要考虑多根、均布、方便施工以及使用年限与建筑物寿命的适配。

　　多根设置的作用：分流均压以及减小侧击危险

　　均布设置的作用：雷电磁场相互抵消以及减小感应雷击危险

　　引下线使用寿命应与建筑物使用寿命一致或者在适当时间进行重新敷设引下线，目前大多采用建筑物本身柱子钢筋，满足使用寿命与节俭钢筋材料的要求。

　　3、接地装置接地装置是直接雷击电流消散的载体与最后环节，一般要求接地装置电阻阻值小（4欧姆以下，机房要求为1欧姆以下）、有一定埋深（70厘米以下）、寿命长（在易锈蚀腐烂的导致寿命缩短的地方及时更换），其周边土壤的电导率高（不高的应及时添加降阻剂）。一般采用网状结构（如下图网示意）以确保电流通路，一般分单点接地系统（联合接地系统，不同系统公用一个接地系统）与独立接地系统（按照各自要求各个系统自行设置自己的接地装置），考虑实现的现实性、对接地系统的阻值要求、单点接地系统实际所能达到的效果，目前国内外民用建筑基本上采用单点接地系统。在具体的施工实现方式上，接地体一般采用的连接方式有辐射型接地体、平行接地体、树状接地体以及通过降阻接地等。在接地体的组网方式上可以采用S型、M型以及两者的结合型。





图3、地网以及接地体组网方式

二、感应雷击及其防护

　　（一）、概念：在雷云放电时因雷电流及其所产生的雷电电磁脉冲通过传导、感应和耦合等方式形成的暂态过电压及过电压波对设备造成危害的现象称为感应雷击，简称感应雷。习惯上将经由传输线路感应耦合（包括静电感应耦合和电磁感应耦合）并沿传输线引入设备的雷电过电压波称为线路来波。而经由空间传播耦合（主要是电磁感应耦合）至设备的雷电过电压称为感应电磁脉冲。因雷电流泻流时地电位升高在各地网之间形成电位差而引入设备（主要是传导阻抗耦合）的雷电过电压波称为地电位反击。

　　感应雷侵入设备的途径很多，可以通过进出建筑物的各种传输线及各种金属管道（如电力线、信号线、电缆线、供水管道、供气管道、供暖管道等）、接地装置、以及空间传播等途径引入。暂态过电压和雷电电磁脉冲引入设备的方式主要有静电感应耦合、传导阻抗耦合、电磁感应耦合等方式。

　　（二） 、感应雷击的危害

　　感应雷击主要造成电子设备的损坏：

　　设备受到干扰，数据丢失，产生误动作或暂时瘫痪；

　　元器件和电路板重复受雷电冲击，性能降低，寿命缩短；

　　元器件及电路板烧毁；整个系统瘫痪。

　　（三）、感应雷防护：总体上采用分门别类进行雷电防护应对，即地电位反击的防护采用均压、等电位连接；线路来波的防护采用分流以及各种防雷器（电源防雷器、信号防雷器、天馈防雷器）；感应电磁脉冲的防护采用屏蔽措施。防雷是一个系统工程，需要采取综合防护措施，对一切进雷通道的雷电破坏能量分别采用接闪、分流、均压、屏蔽、接地等手段，对建筑物及其内电子设备进行全方位保护。

　　1、接闪：雷电的第一道防线是采用避雷装置拦截闪电，在直接雷击的防护中已经介绍。避雷装置拦截雷电的原理是利用接闪器吸引其附近的雷云放电，并将雷电流通过引下线和接地装置传导入地，把雷电的能量耗散到地下，从而保护地面上的建筑物。关于建筑物的防雷，请参阅《建筑物防雷设计规范GB50057-1994》。

　　2、均压：均压（Bonding）即均衡连接，或等电位连接。当雷击发生时，在雷电流所经过的路径上会产生非常高的瞬时电压，使该路径与周围的金属物体之间形成暂态电位差，如果这种暂态电位差超过了两者之间的绝缘耐受程度，将导致击穿放电，使金属物体带高电位，这种带高电位的金属物体又有可能造成对其附近的其它金属物体的击穿放电。这种击穿放电能直接损坏电子设备，也能产生电磁场脉冲，干扰电子设备的正常运行。为了避免雷电暂态电流路径与附近金属物体之间的击穿放电，需要对建筑物内的各种金属构件进行等电位连接，即将建筑物内的设备、组件和元件的金属外壳或构架连接在一起，并与建筑物的防雷接地系统相连接，形成一个电气上连续的整体，这样就可以在发生雷击时避免在不同金属外壳或构架之间出现暂态电位差，使得它们彼此之间等电位，并维持在地电位水平，这就是均压措施。通常，对于进入建筑物内的各种金属管道，如水管、供热管、供气管以及通讯、信号和电源等电缆金属（屏蔽）护套都要进行等电位连接，如下图4所示。在该图中，电源电缆和信号电缆中的各带电导线上的保护装置实际上起着暂态均压的作用，当雷电暂态过电压沿电源线或信号线侵入建筑物内时，这些保护装置动作限压，使得电源线或信号线与其附近金属管道之间不会出现较大的暂态电位差。