广东省郁南县气象局
摘要：本文旨在为减小雷电灾害造成的损失，有效地防止雷击事故的发生，研究建筑物或构筑物的雷害发生的规律，采取有效的防雷措施。
关键词：雷电灾害；建筑物；防雷措施
随着信息时代的快速发展，各种设备和用户终端在激增，尤其是通信系统向数字化、程控化、集成化发展，雷电的干扰影响和造成的危害变得愈加突出，同时电子设备的高度集成化，造成其耐雷电过电压、耐雷电过电流的水平下降，很容易遭受雷电浪涌的侵入。作为现代化电子设备的各类控制单元及计算机终端，对雷电极为敏感。即使几公里以外的高空雷闪或对地接闪也有可能导致这些通信设备的损坏。
1雷电的形成及危害
1.1雷击的形式
通常所谓雷击是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层，或者是带电的云层对大地之间迅猛的放电。这种迅猛的放电过程产生强烈的闪电并伴随巨大的声音。
雷击主要有三种形式：其一是带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象，叫做“直击雷”；其二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“雷电感应”；其三是暂态高电位引起的反击。
1.2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。随着现代化进程的加快，特别是信息产业的迅猛发展，自动控制、通信和计算机网络等微电子设备和电子系统的广泛应用，雷击事故带来的损失和影响也越来越大，雷电灾害已成为联合国公布的10种最严重的自然灾害之一，被列为“电子时代的一大公害”。
归纳起来，雷电的危害如图1所示，它包括直接雷击的危害和雷击电磁脉冲的危害。
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1.3雷电的破坏作用
雷电灾害，作为目前中国十大自然灾害之一。雷暴给人们生活带来了极大的安全隐患。尤其是近年来，中国社会经济、信息技术特别是计算机网络技术发展迅速，城市高层建筑日益增多，雷电危害造成的损失也越来越大。总之雷电可以通过各种途径危害地面的物体和人畜，雷电事故，既造成巨大的经济损失，也给社会带来难以估量的间接损失，对社会影响很大。
1.4雷电防护的必要性
随着信息时代的快速发展，各种设备和用户终端在激增，尤其是通信系统向数字化、程控化、集成化发展，雷电的干扰影响和造成的危害变得愈加突出，同时电子设备的高度集成化，造成其耐雷电过电压、耐雷电过电流的水平下降，很容易遭受雷电浪涌的侵入。作为现代化电子设备的各类控制单元及计算机终端，对雷电极为敏感。即使几公里以外的高空雷闪或对地接闪也有可能导致这些通信设备的损坏。
2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（Dividing）、均压（等电位）（Bonding）、屏蔽（Shielding）、接地（Grounding）和钳位保护（S一limiting）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。
为使建筑物及其内部设施免受雷电的直接和间接危害，通常使用避雷针、避雷线、避雷带、避雷网等防直击雷的危害，对于可能出现的的直击雷，靠接闪器经引下线和接地装置，或通过导电连接和接地良好的结构钢筋、金属构架，将雷电流分流流散入地，而不流过被保护设备和部件。
2.1雷电防护技术
2.1.1等电位连接
等电位连接是防止雷电反击的重要技术手段，根本目的是实现均压等电位，消除不同金属部件及导线间的雷电流引起的高电位差，同时对雷电流分流，通过对于同一楼层同一部位的不同的电缆外皮、设备外壳、金属构架（构件）、管道做好电气搭接，以均衡电位。屏蔽指的是采用屏蔽电缆，利用各种人工的屏蔽箱盒、法拉第屏蔽笼等和各种可以利用的自然屏蔽体来阻挡、衰减施加在系统设备上的过电压能量。屏蔽是防御电磁脉冲的有效方法。
2.1.2接地
接地是疏导雷电流能量的途径，是避雷技术重要的环节，接地电阻越小，散流越快，被雷击物体高电位保持时间越短，危险性就越小，其跨步电压、接触电压也越小。为避免共用接地中出现的各系统间的电磁干扰，尤其是低频干扰，应采用一点接地法。通过将所有金属构架（构件）、管道、电缆金属屏蔽层、穿线铁管连在一起，与屏蔽笼及总接地网就近连接；信息系统设备的防雷接地、工作接地、保护接地宜采用共地方式；或者计算机的逻辑接地采用引外接地，为防反击再将其与主接地网暂态共地。
2.1.3钳位保护
钳位保护指的是在电源线、信号线、接地线等过电压可能侵入的所有端口，装设必要的浪涌过电压防护装置；在系统引出的信号线、电源线上装设多级保护，包括粗保护和细保护，将侵入系统的冲击过电压箱制到设备耐压允许的水平。合理布线和设备的位置摆放合适，可以改善电磁环境，并可以大大减少感应雷通过传输线进入建筑物的可能性。
2.1.4其它因素
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。
2.2划分防雷保护区.png)
图2 雷电防护区划分和做符合要求的等电位连接的示例
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。
防雷保护区是根据雷电流沿放电通道和建筑物的防雷系统传输过程中，在其空间环境中产生的雷电电磁脉冲影响、干扰、损坏建筑物以及建筑物内部的电子仪器设备的状况和防雷设备的能力来划分的。在不同的空间雷电强度是不同的，为防止或减少雷电对建筑物及建筑物内部电子设备的危害，设计安全可靠、经济合理的防雷措施，需要将保护的空间划分为不同的防雷保护区。
2.2避雷针
作为防地面物体免受直接雷击的设备之一是避雷针，在防雷保护中己被长期普遍使用。避雷针为金属体，安装在比被保护物体高的位置上，从工作原理来看，具有保护功能，即吸引雷电。
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。由此可见，避雷针的真正功能不是避雷，而是引雷，是让自身遭受雷击来换取其下面的物体得到保护。避雷针一般适用于保护那些比较低矮的地面建筑物以及保护高层楼房顶上突出的设施，它特别适合于保护那些要求防雷引下线与内部各种金属管道隔离的建筑物。避雷针等接闪器对其周围物体的保护范围，常以它们可能防护直接雷击的空间区域来表示，在此空间区域内被保护物体遭受直接雷击的概率非常小。
2.3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。
2.3.1接地分类
接地可分为如下三类：工作接地、保护接地和防雷接地。
①工作接地。
在交流系统中，正常情况下流过工作接地电极的电流是数值不大的不平衡电流，只有在系统发生接地故障时，才会流过高达数十千安的短路电流，但持续时间不长〔一般在0.55左右），而直流系统在单极运行时，会有数千安的工作电流长期流过接地电极。
②保护接地。
为了保证人身的安全，电气设备的外壳必须接地，这种接地称为保护接地。当电气设备绝缘损坏而使外壳带电时，流过保护接地体的故障电流应使相应的保护装置动作，切除已损坏的设备，或使外壳的电位在安全值以下，从而避免因电气设备外壳带电而造成的触电事故。
③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。
2.3.2接地电阻
接地电阻是电流I经接地电极流入大地时，接地电极的电位V对I的比值，它主要是大地所呈现的电阻。接地电阻的大小除和大地的结构、土壤的电阻率有关外，还和接地体的几何尺寸和形状有关，在雷电冲击电流流过时还和流经接地体的冲击电流的幅值和波形有关，对工作接地和保护接地而言，接地电阻是指在直流或工频电流流过时的电阻。对防雷接地而言，它是指在雷电流（冲击电流）流过时的电阻，简称冲击接地电阻。由于接地电阻的存在，当有电流通过接地体时，将使接地电极及其周围的土壤发热，电流在接地电阻上的压降将引起接地电极电位的升高，可能使设备受到这一过电压〔反击过电压）的作用而损坏；电流离开接地体在地中扩散时，在地面上出现的电位梯度会使人体遭受到接触电势和跨步电势的作用。因此对接地系统来说，接地电阻的值应符合规定的值。接地电阻的计算、跨步电势和接触电势的计算、上壤发热的计算以及电极防腐的措施是接地设计的关键。
在进行接地计算时必须知道接地体散流所涉及的范围内的土壤电阻率。当地网尺寸很大，散流所涉及的范围较大时，必须考虑深层土壤的作用。土壤电阻率及其分层情况要通过实际测量得出。接地计算还和电流的频率以及电流在地中的散流方式有着密切的关系。
2.3.3等电位连接
IEC对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（SPD）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。
3防雷系统方案设计原则
雷电防护系统对所保护的建筑物和内部设备具有非常重要的作用，因此，在进行防雷工程方案设计及设备的选择中，应遵循以下原则：
1）先进性原则。
采用当今国内、国际上最先进和最成熟的技术和产品，使新建立的防雷系统能够最大限度地适应今后技术发展变化的需要。我们在设计中所依据的标准和采用的技术是先进的，符合当前国际和国内最新的防雷技术标准的要求，如采用优化避雷针代替常规避雷针和电源系统的三级防护原理以及等电位连接等防护措施。
2）可靠性原则。
设计系统防雷保护工程最为重要的问题就是可靠性。在工程的设计中一定要用最成熟可靠的产品和技术，在防雷保护方案中，我们所选用的防雷产品均符合国家及我省的防雷技术标准和要求，所选用的产品均己认证、备案，准许使用，所采用的技术均是目前国际和国内比较先进、成熟的技术。
3）经济实用性原则。
本着一切根据从实际情况出发，使用尽可能少的资金配置防雷保护系统用来保证人员及设备的安全，保证被保护系统的正常运行。实用性就是以有限的资金最大限度地满足实际需要。
4结语
雷电是自然界中的一种严重的自然灾害，人们还无法控制和阻止它的产生，它具有高电压、大电流和瞬时性特点.当建筑物接闪落雷时，雷电放电严重干扰无线电通讯和各种电子设备的正常工作，造成许多微电子设备损坏.当有多个电子系统设备共存于建筑物内时，电子设备引雷通道有电源系统、信号系统、天线和馈线系统、接地系统等；若电子设备本身安放的位置不合理，也会直接发生祸合电磁感应而损坏.到目前为止，雷电防护技术只是一种对雷电自然现象的统计规律性的认识，闪电发生的随机性很大，受许多随机因素的影响，人们对雷电现象的认识只是近似的，是一种概率性的。本文是在为减小雷电灾害造成的损失，有效地防止雷击事故的发生，研究建筑物的雷害发生的规律及采取的有效防护措施。
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论文作者:张志坤
论文发表刊物:《基层建设》2016年14期
论文发表时间:2016/11/2
标签：雷电论文; 防雷论文; 建筑物论文; 过电压论文; 电位论文; 电流论文; 避雷针论文; 《基层建设》2016年14期论文;