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建筑物防雷設計方法探討 摘　要: 介紹在進行建筑物防雷設計時， 如何考慮從接閃、分流、屏蔽、均壓、接地和布線這六方面來滿足防雷技術要求， 使新建建筑物防雷措施在設計階段就能得到完善。 關鍵詞: 建筑物; 防雷; 設計 　　保護建筑物及建筑物內部的人員、設備不受雷電損害的根本辦法是使建筑物具有一套完善的防雷設施， 而一套完善的防雷設施必須包含接閃、分流、屏蔽、均壓、接地和布線這六項技術要素。在大量的防雷設計圖紙審核工作中發(fā)現， 許多設計部門在考慮建筑物防雷裝置設計時， 有的不按規(guī)范設計、 有的設計不完善， 只注重外部L S 設計而忽略內部L S 的雷電電磁脈沖 (L EM ) 設計， 使得防雷在設計階段就存在缺陷， 給建筑物留下先天性的雷擊隱患。 　　國際電工委員會 ( IEC) 在102421: 1990 第一部分的通則中指出: 應在新建建筑物的設計階段就仔細研究防雷裝置的形式及其設置位置。因此結合《建筑物防雷設計規(guī)范》 (2000 年版) 的有關條款， 就新建建筑物防雷裝置設計， 提出以下幾個應注意的方面。 1　接閃器選擇和布置 　　接閃器應由下列的一種或多種組成: (1) 獨立避雷針; (2) 架空避雷線或架空避雷網; (3) 直接裝設在建筑物上的避雷針、避雷帶或避雷網。對于第一類防雷建筑物應采取裝設獨立避雷針或架空避雷線 (網) 的防雷措施， 避雷針的保護范圍應采取滾球法來計算確定。對于第二、三類防雷建筑物直接裝設避雷帶 (網) 即可達到防直擊雷要求。 表 1　建筑物易受雷擊部位示意圖 　　注: ——為易受雷擊部位; - - - 為不易受雷擊部位; o 為雷擊概率較大部位 　　根據雷擊建筑物部位的規(guī)律， 應在表1 中所列的建筑物易受雷擊部位， 裝設避雷帶 (網)、在雷擊率最高部位裝設避雷帶的基礎上增加安裝避雷短針。如高層建筑物除在其頂部及邊緣裝設明裝避雷帶 (網) ， 同時在90 幾何轉彎角處設避雷短針， 能使建筑物得到更有效的保護。 避雷短針宜高015 米，材料用≥5 12mm 的鍍鋅圓鋼。 我省每年都發(fā)生多起雷擊高樓屋角， 致使屋角大塊水泥土塊 (或硫璃瓦片) 爆裂的事故發(fā)生， 掉落時幸未傷及行人和停放的汽車。這多是由于安裝的避雷帶過低， 對屋角保護不夠造成的。在我省靠海地區(qū)， 由于鋼筋較易銹蝕， 設計的避雷帶 (網) 應該采用5 10mm 以上的鍍鋅圓鋼。 　　在設計中還應注意避雷網的重要性， 建筑物防雷設施中的避雷網格是指在建筑物的天面， 用導體聯結成一個網狀的雷電保護裝置。 《建筑物防雷設計規(guī)范》 規(guī)定， 第一類防雷建筑物的網格不大于5m5m 或 6m4m; 第二類防雷建筑物的網格不大于10m10m 或12m8m; 第三類防雷建筑物的網格不大于20m20m 或 24m16m。當該建筑物內具有較多的弱電子設備時， 為了達到最大的電磁屏蔽目的， 建筑物天面上的避雷網格應按小于 5m5m布設， 當然天面上安裝的避雷網格越小越好。 　　此外， 屋面上所有的金屬管道和金屬構件都應與避雷雷帶做焊接， 對突出屋面而在屋面接閃器保護范圍之外的非金屬放散管、風管、煙囪等要裝設接閃器保護， 這一點在設計和施工中常常被忽視。 　　現在市場上出現的新型避雷針和消雷器， 這些類型的接閃器， 只要其材質和尺寸符合 IEC 1024 或GB50057294 標準， 不管其幾何形狀如何， 或是能否產生提前放電 (ESE) 型均屬于接閃器范疇， 從技術角度看尚可應用。至于能否在產生迎面先導上具有不同的效率， 國際上尚在研究和實驗， 并有待于實踐的檢驗。但目前其保護范圍應按GB50057294 規(guī)定的滾球法和相應的滾球半徑確定[1 ]。 2　引下線的布置 　　《建筑物防雷設計規(guī)范》規(guī)定第一類、第二類、第三類防雷建筑物的引下線間距為不大于 12、18、25m。 雷電流通過引下線入地， 當引下線數量較多且間距較小時， 雷電流在局部區(qū)域分布也較均勻， 引下線上電壓降減小， 反擊危險也相應減小。從法拉第籠的觀點看， 網格尺寸和引下線間距越小， 對雷電感應的屏蔽越好， 局部區(qū)域電位分布較均勻。當該建筑物內具有較多的弱電子設備時 (智能大廈) ，按照建筑物的柱距 (一般均為6m ) ， 沿建筑物的外圍， 每隔 6m 處設置引下線， 每層圈梁鋼筋 (均壓環(huán)) 與所有引下線焊接， 這樣一來， 建筑物天面上的避雷網格、引下線、基礎接地體三者就可形成一個效果良好的法拉第籠。此外， 引下線與各樓層的等電位聯結母線相連， 可減少室內金屬物體間的電位差， 避免發(fā)生反擊。 　　對于一般的非框架結構的民用住宅來說， 建議在建筑物四角及外圍適當位置的柱處， 利用柱內鋼筋安裝暗裝的引下線， 一是美觀、二是經濟、三是耐用。用做防雷引下線柱筋要求每層至少有一個箍筋與柱所有鋼筋相焊接 (點焊) ， 使引下線柱鋼筋間的電位均衡， 并能增加引下線泄流能力。在審核圖紙時發(fā)現， 有的設計圖紙上注明利用柱內鋼筋作暗裝引下線也要求做斷接卡， 這是錯誤地理解了規(guī)范的內容， 因為作為引下線的結構柱內鋼筋是不能斷開的。為了方便測試， 可在離地面30cm 高度處， 從引下線柱筋處安裝一段扁鋼作為測試端子即可。 3　均壓和等電位聯結 為保證建筑物內部不產生反擊和危險的接觸電壓、跨步電壓， 應使建筑物的地面、各金屬管線、墻板等同處于一個電位。為此， 在防雷電氣設計時， 應在建筑物各樓層的適當位置預留與房屋防雷裝置相連的等電位連接板。在《建筑物防雷設計規(guī)范》中的第61114 條就明確規(guī)定: 在工程設計階段不知道信息系統(tǒng)的規(guī)模和具體的位置下， 若預計將來會有信息系統(tǒng)時， 應在設計時將建筑物的金屬支撐物、 金屬框架或鋼筋混凝土的鋼筋等自然構件、 金屬管道、配電的保護接地等與防雷裝置組成一個共用接地系統(tǒng)， 并應在一些適當的地方預埋等電位連接板。 等電位連接圖示 　　由于防雷擊電磁脈沖的措施中， 建筑物的自然屏蔽和各種金屬物以及其與以后安裝的設備之間的等電位連接是很重要的。因此， 均壓和等電位聯結這些措施實現后， 以后只要合理選用和安裝SD 以及做符合要求的等電位連接， 這樣整個信息系統(tǒng)的防雷效果好、又經濟。 　　為實現等電位連接和電涌保護器的安裝， IEC標準將需要保護的空間劃分為不同的防雷區(qū)域(L Z) ， 以規(guī)定各部分空間不同的L EM 的嚴重程度和指明各區(qū)交界處等電位連接點的位置， 如圖所示。在等電位連接帶1 處， 應將穿過該防雷區(qū)界面上的金屬件和系統(tǒng)做等電位連接， 對供電線路、信號線路則用SD (第一級) 進行等電位連接。在等電位連接帶2 處的等電位連接主要是為將設備和信息系統(tǒng)與金屬裝置與共用接地系統(tǒng)實現均壓等電位， 對供電線路、信號線路還是要用 SD (第二級) 進行等電位連接。 4　合理的屏蔽措施 雷電的電磁輻射可以影響到數公里以外的微電子設備。因此， 雷擊建筑物或臨近地區(qū)雷擊放電， 都會產生雷電電磁脈沖侵入到建筑物， 從而損壞設備。 建筑物中做屏蔽的主要目的是對微電子設備的防護。屏蔽具體可分為建筑物屏蔽、設備屏蔽和各種線路 (包含管道) 的屏蔽。建筑物的屏蔽可利用建筑物的鋼筋、金屬構架、金屬門窗、地板等相互焊接在一起， 形成一個法拉第籠， 并與地網做可靠連接， 形成初級屏蔽網。設備的屏蔽應在對微電子設備耐電壓水平進行調查的基礎上， 按 IEC 劃分的防雷區(qū)(L Z) 施行多級屏蔽， 如上圖所示。屏蔽的效果首先取決于初級屏蔽網的衰減程度， 其次取決于屏蔽層厚度 (最好接近電磁波的波長)、網孔密度 (密度越大則可靠程度越高)、屏蔽材料 (低頻時采用高導磁材料， 高頻時采用銅材)。 　　此外， 應對穿過各防雷區(qū)的金屬管道、通信線路、電力電纜進行屏蔽。采用帶有金屬屏蔽層的線路或套入金屬管的辦法。測量結果表明， 電線(纜) 屏蔽層一端接地時， 可將高頻干擾電壓減低一個數量級， 兩端接地時可減低兩個數量級。若是使用金屬絲編制網屏蔽電纜，在電磁波頻率較高， 波長接近編織層網孔尺寸時， 波的透入就會增加， 因此， 還必須再穿一層金屬管。 5　接地裝置的敷設與共用接地 　　接地裝置可使用自然接地體和人工接地體。在設計時， 應首先充分利用自然接地體， 利用建筑物的基礎構造鋼筋作為自然接地體， 其優(yōu)點是耐用、 節(jié)省投資、電氣性能良好 (接地電阻小、阻抗低、電位分布均勻等)。但在實際設計時， 必須注意利用建筑物基礎鋼筋做接地裝置的條件， 是以硅酸鹽為基料的水泥和周圍土壤的含水量不低于4%。 　　對于人工接地體， 宜敷設成環(huán)形方式， 因為環(huán)形接地體的沖擊阻抗小于獨立接地的阻抗， 并有利于建筑物內的地電位分布、減少跨步電壓。此外， 環(huán)形接地方式還便于與各種進入建筑物內金屬管線在L Z02 L Z1 交界處做等電位連接。我們在審核圖紙時還發(fā)現， 許多設計單位在設計建筑物環(huán)形接地體時， 要求該接地體必須離開建筑物3 米以外， 這是針對獨立的垂直接地體而言， 當設置環(huán)形接地體時不一定必須要求離開 3m 以外， 而以靠近建筑物基 礎溝槽的外沿敷設為合理， 因為它與基礎內的鋼筋距離較近， 能夠發(fā)揮均衡電位的效果， 此外， 利用土建施工的基礎溝槽可以埋深一些， 更有利于接地電阻的穩(wěn)定， 且不必再挖埋接地專用的深溝， 節(jié)約土方工作量。 　　為了防止雷擊電壓對微電子設備產生反擊， 要求建筑物的防雷地與其它接地專用接地體之間必須保持足夠的距離， 但是在工程設計中根本無法做到滿足安全距離的要求， 即使是設計當時符合要求， 但是隨著社會的發(fā)展、建筑物的增加， 這樣的安全距離還是無法滿足要求。并且獨立接地系統(tǒng)存在許多缺陷， 因為獨立接地系統(tǒng)根本無法真正實現與其它接地系統(tǒng)的安全隔離作用， 此外從獨立接地體到設備之間的連接線的阻抗過大， 經計算， 一根長度為 30m ， 截面積為 25m2的銅導線， 頻率為 1MHz時， 其阻抗約為3468。 　　設置共用接地， 即建筑物防雷接地、通信系統(tǒng)的直流接地、計算機網絡的邏輯接地與電源的工作接地、安全接地等共用一個接地裝置。在防雷設計和施工時， 在建筑物各樓層設備安裝位置， 設置接地預留端子或接地地板， 進行總等電位聯結和局部等電位聯結。 6　合理布線 　　為達到防雷的目的， 在設計階段應將建筑物內非防雷系統(tǒng)的各種電氣線路、特別是綜合大樓內的監(jiān)控信號線路、通信線路等敷設在金屬管或金屬線槽內。一般來說， 采用金屬管或槽布線的屏蔽效果好， 防止反擊事故的能力強。垂直敷設的金屬管線 　　有雷電天氣時， 由區(qū)人降辦提供的閃電定位原始數據文件， 每天的數據文件次數從幾十次到幾千次不等， 數據量極為龐大， 因此建立了閃電定位數據歷史庫和實時庫， 并按月建成不同的數據表， 利用原始文件通過程序自動解讀到相應數據庫的數據 表里， 以備系統(tǒng)前臺程序調用。31212　雷達回波資料處理 　　南寧氣象站 714SD 多普勒天氣雷達觀測的雷達資料， 是通過實時處理程序進行數據保存的， 形成的是二進制源文件， 該程序可以生成雷達回波的BM 圖像文件， 因BM 圖像所占容量較大且與GIF 圖像不同， 因此， 開發(fā)了一個將雷達回波二進制源文件自動轉換成GIF 圖像文件的程序， 從而方便了前臺程序的調用。 7　結論與建議 　　 (1) 建筑物應按其作用的不同, 防雷設計應從接閃功能、分流影響、均衡電位、屏蔽作用、接地效果和合理布線這六項要素綜合來考慮, 使建筑物達到綜合防雷的目的。 (2)自富蘭克林通過風箏實驗發(fā)明避雷針以后,避雷針 (包括避雷帶、避雷網、避雷線) 已經成為規(guī)范化的、普遍采用的常規(guī)避雷手段。長期的運行經驗表明, 采用常規(guī)的避雷方法是有科學根據的, 有效的。設計單位及使用單位不應受商業(yè)性宣傳的影響, 而采用各種非常規(guī)的避雷裝置, 給國家造成不必要的浪費。 (3) 鋼筋混凝土建筑物本身具有良好的防雷性能, 容易達到等電位聯結的作用。在建筑物的防雷設計中應考慮利用鋼筋混凝土結構內鋼筋做為引下線, 利用基礎作為接地裝置。 (4) 建筑物防雷是一個系統(tǒng)工程, 在建筑物的設計階段就應仔細研究防雷裝置的形式及其設計位置, 這樣才有可能由于利用建筑物的導電金屬物而獲得最大的效益。特別是信息系統(tǒng)的雷電電磁脈沖的防護, 建筑物防雷設計應為它的實現提供基礎條件。