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建筑物防雷設(shè)計(jì)方法探討 摘　要: 介紹在進(jìn)行建筑物防雷設(shè)計(jì)時(shí)， 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(shù)要求， 使新建建筑物防雷措施在設(shè)計(jì)階段就能得到完善。 關(guān)鍵詞: 建筑物; 防雷; 設(shè)計(jì) 　　保護(hù)建筑物及建筑物內(nèi)部的人員、設(shè)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(shè)施， 而一套完善的防雷設(shè)施必須包含接閃、分流、屏蔽、均壓、接地和布線這六項(xiàng)技術(shù)要素。在大量的防雷設(shè)計(jì)圖紙審核工作中發(fā)現(xiàn)， 許多設(shè)計(jì)部門在考慮建筑物防雷裝置設(shè)計(jì)時(shí)， 有的不按規(guī)范設(shè)計(jì)、 有的設(shè)計(jì)不完善， 只注重外部L S 設(shè)計(jì)而忽略內(nèi)部L S 的雷電電磁脈沖 (L EM ) 設(shè)計(jì)， 使得防雷在設(shè)計(jì)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(huì) ( IEC) 在102421: 1990 第一部分的通則中指出: 應(yīng)在新建建筑物的設(shè)計(jì)階段就仔細(xì)研究防雷裝置的形式及其設(shè)置位置。因此結(jié)合《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》 (2000 年版) 的有關(guān)條款， 就新建建筑物防雷裝置設(shè)計(jì)， 提出以下幾個(gè)應(yīng)注意的方面。 1　接閃器選擇和布置 　　接閃器應(yīng)由下列的一種或多種組成: (1) 獨(dú)立避雷針; (2) 架空避雷線或架空避雷網(wǎng); (3) 直接裝設(shè)在建筑物上的避雷針、避雷帶或避雷網(wǎng)。對于第一類防雷建筑物應(yīng)采取裝設(shè)獨(dú)立避雷針或架空避雷線 (網(wǎng)) 的防雷措施， 避雷針的保護(hù)范圍應(yīng)采取滾球法來計(jì)算確定。對于第二、三類防雷建筑物直接裝設(shè)避雷帶 (網(wǎng)) 即可達(dá)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(jù)雷擊建筑物部位的規(guī)律， 應(yīng)在表1 中所列的建筑物易受雷擊部位， 裝設(shè)避雷帶 (網(wǎng))、在雷擊率最高部位裝設(shè)避雷帶的基礎(chǔ)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(shè)明裝避雷帶 (網(wǎng)) ， 同時(shí)在90 幾何轉(zhuǎn)彎角處設(shè)避雷短針， 能使建筑物得到更有效的保護(hù)。 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(shí)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(hù)不夠造成的。在我省靠海地區(qū)， 由于鋼筋較易銹蝕， 設(shè)計(jì)的避雷帶 (網(wǎng)) 應(yīng)該采用5 10mm 以上的鍍鋅圓鋼。 　　在設(shè)計(jì)中還應(yīng)注意避雷網(wǎng)的重要性， 建筑物防雷設(shè)施中的避雷網(wǎng)格是指在建筑物的天面， 用導(dǎo)體聯(lián)結(jié)成一個(gè)網(wǎng)狀的雷電保護(hù)裝置。 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》 規(guī)定， 第一類防雷建筑物的網(wǎng)格不大于5m5m 或 6m4m; 第二類防雷建筑物的網(wǎng)格不大于10m10m 或12m8m; 第三類防雷建筑物的網(wǎng)格不大于20m20m 或 24m16m。當(dāng)該建筑物內(nèi)具有較多的弱電子設(shè)備時(shí)， 為了達(dá)到最大的電磁屏蔽目的， 建筑物天面上的避雷網(wǎng)格應(yīng)按小于 5m5m布設(shè)， 當(dāng)然天面上安裝的避雷網(wǎng)格越小越好。 　　此外， 屋面上所有的金屬管道和金屬構(gòu)件都應(yīng)與避雷雷帶做焊接， 對突出屋面而在屋面接閃器保護(hù)范圍之外的非金屬放散管、風(fēng)管、煙囪等要裝設(shè)接閃器保護(hù)， 這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)和施工中常常被忽視。 　　現(xiàn)在市場上出現(xiàn)的新型避雷針和消雷器， 這些類型的接閃器， 只要其材質(zhì)和尺寸符合 IEC 1024 或GB50057294 標(biāo)準(zhǔn)， 不管其幾何形狀如何， 或是能否產(chǎn)生提前放電 (ESE) 型均屬于接閃器范疇， 從技術(shù)角度看尚可應(yīng)用。至于能否在產(chǎn)生迎面先導(dǎo)上具有不同的效率， 國際上尚在研究和實(shí)驗(yàn)， 并有待于實(shí)踐的檢驗(yàn)。但目前其保護(hù)范圍應(yīng)按GB50057294 規(guī)定的滾球法和相應(yīng)的滾球半徑確定[1 ]。 2　引下線的布置 　　《建筑物防雷設(shè)計(jì)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(dāng)引下線數(shù)量較多且間距較小時(shí)， 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(xiǎn)也相應(yīng)減小。從法拉第籠的觀點(diǎn)看， 網(wǎng)格尺寸和引下線間距越小， 對雷電感應(yīng)的屏蔽越好， 局部區(qū)域電位分布較均勻。當(dāng)該建筑物內(nèi)具有較多的弱電子設(shè)備時(shí) (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(shè)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(wǎng)格、引下線、基礎(chǔ)接地體三者就可形成一個(gè)效果良好的法拉第籠。此外， 引下線與各樓層的等電位聯(lián)結(jié)母線相連， 可減少室內(nèi)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(jié)構(gòu)的民用住宅來說， 建議在建筑物四角及外圍適當(dāng)位置的柱處， 利用柱內(nèi)鋼筋安裝暗裝的引下線， 一是美觀、二是經(jīng)濟(jì)、三是耐用。用做防雷引下線柱筋要求每層至少有一個(gè)箍筋與柱所有鋼筋相焊接 (點(diǎn)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(shí)發(fā)現(xiàn)， 有的設(shè)計(jì)圖紙上注明利用柱內(nèi)鋼筋作暗裝引下線也要求做斷接卡， 這是錯(cuò)誤地理解了規(guī)范的內(nèi)容， 因?yàn)樽鳛橐戮€的結(jié)構(gòu)柱內(nèi)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(lián)結(jié) 為保證建筑物內(nèi)部不產(chǎn)生反擊和危險(xiǎn)的接觸電壓、跨步電壓， 應(yīng)使建筑物的地面、各金屬管線、墻板等同處于一個(gè)電位。為此， 在防雷電氣設(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)在建筑物各樓層的適當(dāng)位置預(yù)留與房屋防雷裝置相連的等電位連接板。在《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中的第61114 條就明確規(guī)定: 在工程設(shè)計(jì)階段不知道信息系統(tǒng)的規(guī)模和具體的位置下， 若預(yù)計(jì)將來會(huì)有信息系統(tǒng)時(shí)， 應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)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(gòu)件、 金屬管道、配電的保護(hù)接地等與防雷裝置組成一個(gè)共用接地系統(tǒng)， 并應(yīng)在一些適當(dāng)?shù)牡胤筋A(yù)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(shè)備之間的等電位連接是很重要的。因此， 均壓和等電位聯(lián)結(jié)這些措施實(shí)現(xiàn)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(gè)信息系統(tǒng)的防雷效果好、又經(jīng)濟(jì)。 　　為實(shí)現(xiàn)等電位連接和電涌保護(hù)器的安裝， IEC標(biāo)準(zhǔn)將需要保護(hù)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(yán)重程度和指明各區(qū)交界處等電位連接點(diǎn)的位置， 如圖所示。在等電位連接帶1 處， 應(yīng)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(jìn)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(shè)備和信息系統(tǒng)與金屬裝置與共用接地系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)均壓等電位， 對供電線路、信號線路還是要用 SD (第二級) 進(jìn)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(shù)公里以外的微電子設(shè)備。因此， 雷擊建筑物或臨近地區(qū)雷擊放電， 都會(huì)產(chǎn)生雷電電磁脈沖侵入到建筑物， 從而損壞設(shè)備。 建筑物中做屏蔽的主要目的是對微電子設(shè)備的防護(hù)。屏蔽具體可分為建筑物屏蔽、設(shè)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(gòu)架、金屬門窗、地板等相互焊接在一起， 形成一個(gè)法拉第籠， 并與地網(wǎng)做可靠連接， 形成初級屏蔽網(wǎng)。設(shè)備的屏蔽應(yīng)在對微電子設(shè)備耐電壓水平進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)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(wǎng)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(wǎng)孔密度 (密度越大則可靠程度越高)、屏蔽材料 (低頻時(shí)采用高導(dǎo)磁材料， 高頻時(shí)采用銅材)。 　　此外， 應(yīng)對穿過各防雷區(qū)的金屬管道、通信線路、電力電纜進(jìn)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(jié)果表明， 電線(纜) 屏蔽層一端接地時(shí)， 可將高頻干擾電壓減低一個(gè)數(shù)量級， 兩端接地時(shí)可減低兩個(gè)數(shù)量級。若是使用金屬絲編制網(wǎng)屏蔽電纜，在電磁波頻率較高， 波長接近編織層網(wǎng)孔尺寸時(shí)， 波的透入就會(huì)增加， 因此， 還必須再穿一層金屬管。 5　接地裝置的敷設(shè)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(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)首先充分利用自然接地體， 利用建筑物的基礎(chǔ)構(gòu)造鋼筋作為自然接地體， 其優(yōu)點(diǎn)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(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)， 必須注意利用建筑物基礎(chǔ)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(shè)成環(huán)形方式， 因?yàn)榄h(huán)形接地體的沖擊阻抗小于獨(dú)立接地的阻抗， 并有利于建筑物內(nèi)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(jìn)入建筑物內(nèi)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(shí)還發(fā)現(xiàn)， 許多設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)建筑物環(huán)形接地體時(shí)， 要求該接地體必須離開建筑物3 米以外， 這是針對獨(dú)立的垂直接地體而言， 當(dāng)設(shè)置環(huán)形接地體時(shí)不一定必須要求離開 3m 以外， 而以靠近建筑物基 礎(chǔ)溝槽的外沿敷設(shè)為合理， 因?yàn)樗c基礎(chǔ)內(nèi)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(chǔ)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(shè)備產(chǎn)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(shè)計(jì)中根本無法做到滿足安全距離的要求， 即使是設(shè)計(jì)當(dāng)時(shí)符合要求， 但是隨著社會(huì)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(dú)立接地系統(tǒng)存在許多缺陷， 因?yàn)楠?dú)立接地系統(tǒng)根本無法真正實(shí)現(xiàn)與其它接地系統(tǒng)的安全隔離作用， 此外從獨(dú)立接地體到設(shè)備之間的連接線的阻抗過大， 經(jīng)計(jì)算， 一根長度為 30m ， 截面積為 25m2的銅導(dǎo)線， 頻率為 1MHz時(shí)， 其阻抗約為3468。 　　設(shè)置共用接地， 即建筑物防雷接地、通信系統(tǒng)的直流接地、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的邏輯接地與電源的工作接地、安全接地等共用一個(gè)接地裝置。在防雷設(shè)計(jì)和施工時(shí)， 在建筑物各樓層設(shè)備安裝位置， 設(shè)置接地預(yù)留端子或接地地板， 進(jìn)行總等電位聯(lián)結(jié)和局部等電位聯(lián)結(jié)。 6　合理布線 　　為達(dá)到防雷的目的， 在設(shè)計(jì)階段應(yīng)將建筑物內(nèi)非防雷系統(tǒng)的各種電氣線路、特別是綜合大樓內(nèi)的監(jiān)控信號線路、通信線路等敷設(shè)在金屬管或金屬線槽內(nèi)。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(qiáng)。垂直敷設(shè)的金屬管線 　　有雷電天氣時(shí)， 由區(qū)人降辦提供的閃電定位原始數(shù)據(jù)文件， 每天的數(shù)據(jù)文件次數(shù)從幾十次到幾千次不等， 數(shù)據(jù)量極為龐大， 因此建立了閃電定位數(shù)據(jù)歷史庫和實(shí)時(shí)庫， 并按月建成不同的數(shù)據(jù)表， 利用原始文件通過程序自動(dòng)解讀到相應(yīng)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù) 表里， 以備系統(tǒng)前臺(tái)程序調(diào)用。31212　雷達(dá)回波資料處理 　　南寧氣象站 714SD 多普勒天氣雷達(dá)觀測的雷達(dá)資料， 是通過實(shí)時(shí)處理程序進(jìn)行數(shù)據(jù)保存的， 形成的是二進(jìn)制源文件， 該程序可以生成雷達(dá)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(gè)將雷達(dá)回波二進(jìn)制源文件自動(dòng)轉(zhuǎn)換成GIF 圖像文件的程序， 從而方便了前臺(tái)程序的調(diào)用。 7　結(jié)論與建議 　　 (1) 建筑物應(yīng)按其作用的不同, 防雷設(shè)計(jì)應(yīng)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(xiàng)要素綜合來考慮, 使建筑物達(dá)到綜合防雷的目的。 (2)自富蘭克林通過風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)發(fā)明避雷針以后,避雷針 (包括避雷帶、避雷網(wǎng)、避雷線) 已經(jīng)成為規(guī)范化的、普遍采用的常規(guī)避雷手段。長期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明, 采用常規(guī)的避雷方法是有科學(xué)根據(jù)的, 有效的。設(shè)計(jì)單位及使用單位不應(yīng)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(fèi)。 (3) 鋼筋混凝土建筑物本身具有良好的防雷性能, 容易達(dá)到等電位聯(lián)結(jié)的作用。在建筑物的防雷設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮利用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋做為引下線, 利用基礎(chǔ)作為接地裝置。 (4) 建筑物防雷是一個(gè)系統(tǒng)工程, 在建筑物的設(shè)計(jì)階段就應(yīng)仔細(xì)研究防雷裝置的形式及其設(shè)計(jì)位置, 這樣才有可能由于利用建筑物的導(dǎo)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(hù), 建筑物防雷設(shè)計(jì)應(yīng)為它的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)條件。