建筑物防雷技术探究

　　[摘要]：防雷工程是一个系统工程，本文介绍了雷击产生的形式及其危害，并对建筑物雷电防护措施进行了探讨和分析。
　　[关键词]：雷电，防雷技术，等电位连接
　　
　　雷电是自然界中极为壮观和重要的大气现象，伴随有声、光、电等多种物理现象，它能给人类生活和生产活动带来很大影响。近年来，由于高层建筑的不断兴建和电子信息技术的日益普及应用，雷电灾害的危险程度和造成的间接经济损失及社会影响也越来越大。因此，为减小雷电灾害造成的损失，有效地防止雷击事故的发生，就必须研究城市建筑物的雷害发生的规律，采取有效的防雷措施。
　　一、雷击的形式和危害
　　（一）雷击的形式
　　雷击通常有三种主要形式，分别是直击雷、感应雷和球形雷。
　　直击雷是带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。雷电直接击在建筑物构架、动植物上，因电效应、热效应和机械效应等造成建筑物等损坏以及人员的伤亡。一般防直击雷是通过避雷装置即接闪器（针、带、网、线、）引下线构成完整的电气通路后将雷电流泄入大地。然而接闪器、引下线和接地装置的导通只能保护建筑物本身免受直击雷的损毁，但雷电会透过多种形式及途径破坏建筑物内的电子设备。
　　感应雷是带电云层由于静电感应作用，使地面某一范围带上异种电荷。当直击雷发生以后，云层带电迅速消失，而地面某些范围由于散流电阻大，以致出现局部高电压，或者由于直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压以致发生闪击的现象，叫做“二次雷”或称“感应雷”。感应雷虽然没有直击雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多。直击雷只发生在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害，而感应雷则不论雷云对地闪击或者雷云对雷云之间闪击，都可能发生并造成灾害。此外，直击雷一次只能袭击一个小范围的目标，而一次闪击可以在较大的范围内多个小局部同时产生感应雷过电压现象，并且这种感应高压可以通过电力线、电话线等传输到很远，致使雷害范围扩大。
　　球形雷是一种特殊的雷电现象，简称球雷。球形雷由于存在的时间十分短暂，对它的研究就相当困难，所以现在还没有统一的说法。球形雷主要是沿建筑物的孔洞或开着的门窗进入室内，有的由烟囱或通气管道滚进楼房，多数沿带电体消失。但是这种“火球”到底是什么东西，怎样形成的，众说纷纭，目前没有一种学说能够完满地解释这种现象，或通过实验完满地重现这种现象。
　　（二）雷电的危害
　　雷电发生时产生强烈的闪光，并伴随巨大的响声，自然界这种强大的放电直接击在建筑物或防雷装置上，或从建筑物的侧、旁击在建筑物上，危害地面上的建筑物等物体和人、畜生命;同时雷电产生的强大电磁脉冲(LEMP)，也具有极大的破坏性。归纳起来，雷电的危害包括直接雷击的危害和雷击电磁脉冲的危害。
　　1．直击雷电的危害
　　在雷云对地放电时，强大的雷电流从雷击点注入被击物体，由于雷电流幅值高达数十至数百千安，其热效应可以在雷击点局部范围内产生高达6000~10000度，甚至更高的温度。这些由雷电流的巨大能量使被击物体燃烧或金属材料熔化，属于典型的雷电流的热效应破坏作用，如果防护不当，就会造成灾害。
　　雷电的直接破坏作用除了热效应外，还有电效应和冲击波。但从危害的方式来看，与前者有所不同，在雷云对地放电时，雷电流通过载流导体产生电动力的破坏作用。在雷电流的作用下，载流导体就有可能会变形，甚至会被折断。
　　由于雷电流幅值很高，且作用时间又很短，当雷击于建筑构件时，在它们的内部将瞬时产生大量热量，在短时间内热量来不及散发出去，产生巨大的内压力，能够使被击建筑构件崩塌。
　　2．雷击电磁脉冲的危害
　　雷击电磁脉冲是一种干扰源，指闪电直接击在建筑物防雷装置和建筑物附近所引起的效应。绝大多数是通过连接导体的干扰，如雷电流或部分雷电流、被雷电击中的装置的电位迅速升高以及电磁辐射干扰。近些年来，随着信息处理技术的广泛应用，大量电子设备正普遍地进入各种建筑物内，建筑物之间的信息交换与传递也日趋增强，这就使得雷电脉冲磁场的危害性变得越来越严重。雷电流不仅能产生脉冲磁场，而且也能产生脉冲电场，并能以电磁波的形式直接辐射到电子设备中去，使电子设备受到干扰或被损坏。
　　二、建筑物雷电防护措施
　　现代防雷技术是一项系统工程，必须贯彻整体防护思想，综合运用分流、均压、屏蔽、接地和钳位保护等各项技术，构成一个完整的防护体系，才能取得明显的效果。综合防雷设计还要考虑被保护物所在的地理环境和气象环境、被保护物的重要性和复杂性以及雷击的后果严重性、被保护物的建筑结构、供电系统及信息系统的结构和布局、选用防雷装置的特性及其有效配合等等综错复杂的因素。
　　对于建筑物防雷保护设计而言，通过对建筑物外部和内部两个方面对雷电危害进行有效防护，来构成建筑物及其内部设施的雷电防护系统。
　　（一）划分防雷保护区
　　划分建筑物的防雷保护区是防雷工程设计中首先要考虑的重要内容。
　　各种电子系统，包括计算机、通信设施、控制系统等对雷电过电压的耐受能力很低，对雷电电磁脉冲干扰极为敏感。它们在遭受雷击电磁效应的侵害后，很容易受到破坏。但是，雷电电磁脉冲在空间传播是逐渐衰减的，尤其是碰到金属网络体或金属平面物后，会有明显的衰减。信息系统通常都安放在有钢筋骨架的现代化大楼内，甚至是有专门的金属屏蔽网的房屋内，在这些不同空间，雷电电磁脉冲衰减特性不同，因此，出于防雷电电磁脉冲的目的，又考虑节约开支，常将建筑物需要保护的空间划分为多个不同的防雷保护区（LPZ），并在保护区之间的界面处进行等电位连接。
　　（二）避雷针的保护
　　避雷针系统属于结构最简单的防雷装置，它是由接闪器，引下线和接地体组成的。其针状接闪器是直接承受雷电的部分，须高出被保护物体，当雷云的下行先导向地面上被保护物体发展时，处在高处的避雷针(接闪器)率先将先导引向自身，使雷击发生在接闪器上，让强大的雷电流经引下线和接地体泄入大地，从而使被保护物体免遭直接雷击。从雷云对地放电的发展过程来看，由于处在高于被保护物体的空间位置上的接闪器通过引下线和接地体保持与地良好的电器连接，当雷云出现在地面上空时，又由于静电感应作用，大地及避雷针上将出现与雷云电荷极性相反的电荷。于是，在接闪器的顶端处电场将发生畸变，出现局部集中的高电场区在雷云的下行先导发展初期，先导向下的发展是随机取向的，并不受地面物体上避雷针接闪器存在的影响。随着阶梯式先导向下发展到邻近地面时，接闪器顶端周围的电场将发生严重畸变，使这里的电场强度明显高于其他地方，这就为先导向接闪器发展创造了十分有利的条件，因此就能容易地将先导吸引到接闪器上，使雷击点出现在接闪器的顶端，而不致出现在其下面的被保护物体上。
　　（三）接地
　　为了工作和安全的需要，需将建筑物内的设备与大地相连，这称之为接地，其中埋入大地并直接与土壤接触的金属导体称为接地体，设备的接地部分同接地体相连的金属导体称为接地线，接地体和接地线合称为接地装置。接地可分为如下三类:工作接地、保护接地和防雷接地。为了避免雷电的危害，金属杆塔、避雷针(线)和避雷器等防雷设各都必须配以相应的接地装置，以便将强大的雷电流导入大地中，这种接地称为防雷接地。流过防雷接地体的是时间很短（一般为数十微秒）的雷电流，其值有时可达数十至数百千安。避雷器的接地电阻一般不超过5欧姆。应当指出，上述三种接地有时是很难分开的，在建筑工程上的接地实际上是集工作接地、保护接地和防雷接地为一体的接地装置。
　　（四）等电位连接
　　等电位连接的定义就是指:用连接导线或过电压保护器将处于需要防雷的空间内防雷装置、建筑物的金属构架、金属装置、外来导体、电气装置、电信装置等连接起来。等电位连接是防止雷电反击的重要技术手段，它不仅可以消除不同金属部件及导线间的雷电流引起的高电位差，而且可以很好的起到对雷电流分流的作用。在IEC的规范中非常强调等电位连接的重要性，等电位连接的根本目的是均压，它基本上可以解决雷电反击的问题，以达到减少防雷空间内火灾、爆炸及生命危险。在实际防雷工程当中，等电位连接的应用几乎无处不在。从某种意义上讲，共用接地就是接地系统间的等电位连接，而各种过电压保护器即避雷器的安装，就是为了实现当雷电流侵入导线时与接地系统暂时的连接，以均衡导线和接地系统间的电位，其实质仍然是等电位连接。
　　
　　参考文献
　　[1]肖稳安，雷电及其防护基础，气象出版社，2006年版
　　[2]陈渭民，建筑防雷技术，中国建筑出版社，2007年版。