防雷技術

綜論建筑物防雷
作者: www.tj-spd.cn 時間: 2007-11-23
本文章共12454字，


北京市建筑設計研究院 王時煦

前 言

在人類生存的環(huán)境中有許多自然災害，如地震、暴雨、冰雹、水災、旱災、火災、雷擊等等。對此，人們總是想方設法進行防御，或減輕它們所造成的損失。雷擊就是嚴重的自然災害之一。但就我國而言，過去防雷設計在整個建筑設計中所占的比重很小。電氣設計人員不重視，其他專業(yè)的設計人員更不重視，但雷擊所造成的損失卻無法輕視。如1989年山東黃島油庫遭受雷擊并引起大火，損失慘重。

就防雷歷史而言，我國建國初期大多是按照日本的45°～60°保護角確定避雷針的保護范圍，用三叉小針銅避雷針、銅引下線和1m×1m銅板作為接地裝置。50年代初期，引進蘇聯(lián)技術，采用拋物線或折線計算法，用鐵管或鍍鋅元鋼做避雷針，用鍍鋅元鋼做引下線，地下打入3～5m長的鍍鋅鐵管或鋼材作接地極，以致現(xiàn)在的避雷帶和避雷網(wǎng)均采用鍍鋅鋼筋或扁鋼。當時的安全隔離距離措施都是按下面這個基本公式來計算反擊電壓和安全距離：

式中 U反—反擊電壓（KV）；
L0—引下線單位長度的電感（uH/m）；
LAB—引下線反擊點A到接地極B點的長度（m）；
di/dt—雷電流的陡度（KA/s）；
i—雷電流（KA）；
Rch—接地裝置的沖擊接地電阻（Ω）。

80年代以前，我國沒有建筑物防雷規(guī)范，建筑電氣設計人員只能憑自己的認識設計避雷針。自1957年北京市兩大雷擊事故發(fā)生以后，我國大量的古建筑物和群眾集中的公共場所才開始安裝避雷裝置。1957年7月6日明十三陵長陵棱恩殿遭受雷擊，劈掉西部吻獸，劈裂兩根直徑1.17m，高14.3m的大楠木柱子，死一人，傷三人；1957年7月8日中山公園內(nèi)的一棵大樹落雷，雷電流感應至附近的配電線路，然后傳到中山公園音樂堂，燒毀了配電室、舞臺和觀眾廳大頂棚。為此，北京市領導召開了緊急會議，決定對北京市重要古建筑物和人員眾多的影劇院安裝避雷針并指定由筆者負責設計。此后，從天安門開始，到勞動人民文化宮三大殿、景山萬春亭、北海公園白塔，以至鼓樓、天壇祈年殿、頤和園排云殿、智慧海、十三陵長陵棱恩殿、明樓、戒臺寺等30多處古建筑物和中山公園音樂堂等重要影劇院都相繼安裝了避雷裝置。

1957年，筆者將過去積累的雷擊事故調(diào)查和設計經(jīng)驗進行了總結(jié)，寫出了"民用建筑物防雷保護"研究報告并且于1958年9月在建工部設計局于武漢召開的"全國電氣設計人員交流大會"上，作了報告，發(fā)表了防雷觀點和設計方法。報告中提出的雷擊規(guī)律、防雷標準、保護方式、設計要點、屋頂板內(nèi)鋼筋作接閃裝置的理論以及詳細的設計實例和數(shù)十種做法大樣得到了與會代表的一致贊同，以后被廣泛采用。

1958年底，北京市建筑設計院研究室、中國科學院電工研究所和清華大學高壓教研室共同成立了"北京建筑物防雷研究小組"。1962年5月出版的《民用建筑物防雷保護》和1980年9月出版的《建筑物防雷設計》就是在筆者1957年研究報告和小組研究成果的基礎上寫出來的。書中突出的觀點是建筑物防雷設計的六項重要因素，即接閃功能、分流影響、屏蔽作用、均衡電位、接地效果和合理布線。現(xiàn)在看來，國內(nèi)外的標準和規(guī)范都離不開這六要素，有的單位還把它們作為設計原則?；\式避雷網(wǎng)和等電位連接早在1958年就在人民大會堂的設計和工作實踐中采用了，而國際上戈爾德（G.H.Golde）于1997年才在《雷電》一書（國際名著）中談到等電位連接的做法，所以我國的防雷研究和實踐并不落后。

筆者主審的我國第一部《建筑物防雷設計規(guī)范》（GBJ57－83）于1983年11月7日公布。第二部《建筑物防雷設計規(guī)范》（GB50057－94）（機械工業(yè)部設計研究院林維勇先生主筆）于1994年4月18日公布。該部規(guī)范吸收了許多國外先進的東西，將接閃器保護范圍的計算方法改為滾球法并結(jié)合我國防雷設計的實際經(jīng)驗增加了許多新條款。這兩部規(guī)范對指導我國建筑物防雷設計起了很大的作用。

70年代以前，人們聽到的雷擊事故多是擊中建筑物或大樹，嚴重的造成了建筑物燒毀或人員傷亡。那時被雷擊的建筑物絕大多數(shù)是沒有安裝防雷裝置（避雷針、避雷帶或避雷網(wǎng)）?，F(xiàn)在聽到的雷擊事故相對少了，其原因是，六層以上的多層建筑物和高層建筑物都安裝了防雷裝置。有時，接閃器接閃后，即使是微電子設備因雷電電磁脈沖感應受損，局外人也不知道，本單位做些局部修理也就完事了。其實，現(xiàn)在的雷擊事故并不算少。雷擊建筑物對某一棟樓而言可能是百年不遇的事，但防雷裝置接閃則是較常見的，這也是正常的。

接閃裝置接閃后，建筑物引下線附近的設備會受到雷電流的感應，這就是雷電電磁脈沖干擾。90年代以前，國際和國內(nèi)的規(guī)范都沒有關于雷電電磁脈沖的規(guī)定。1992年國際電工委員會建筑物防雷專委會（IEC－TC/81）才開始討論這個問題。1995年2月，該機構(gòu)發(fā)布了國際標準《雷電電磁脈沖的防護》（IEC1312－1.2.3）。目前我國尚沒有類似的規(guī)定，這是近年來的問題。

隨著電子技術的飛速發(fā)展，電子計算機早已步入社會的各行各業(yè)。建筑物內(nèi)幾乎無不設有復雜程度不同的微電子設備和計算機系統(tǒng)，民用建筑也不例外。雷電電磁脈沖干擾日益成為頻發(fā)事故。面對這種挑戰(zhàn)，設計人必須轉(zhuǎn)變觀念，把雷電電磁脈沖防護當作防雷設計的重點。這不只是電氣一個專業(yè)的事，因為它涉及到電子設備的位置和管線的布置等問題。各個專業(yè)應充分協(xié)商，從整體上解決防雷設計上的問題。否則，建筑物設計得再好，也無法正常使用。

研究建筑物防雷應從雷擊事故調(diào)查入手，找出雷擊規(guī)律，然后，利用雷擊模擬實驗，對所總結(jié)的規(guī)律和所提出的解決方案予以驗證。研究人員應根據(jù)科技的發(fā)展，不斷吸收新東西對滿足不斷變化的社會需要，如計算機的發(fā)展導致的對雷電電磁脈沖防擴的需要。
下面將對防雷設計的基本原則、雷擊規(guī)律、近年來國際上提出的新概念以及隨著科技發(fā)展出現(xiàn)的新問題分別予以論述。

1、雷電電磁脈沖

雷電電磁脈沖（Lightning Electromagnetic Pulse），簡稱LEMP，是天空打雷時產(chǎn)生的作為干擾源的強大閃電流及其電磁場。它的感應范圍很大，對建筑物、人身和各種電氣設備及管線都會有不同程度的危害。這種危害就是雷電電磁脈沖所產(chǎn)生的干擾。
建筑物內(nèi)的雷電電磁脈沖干擾指以下三種情況：
（1）天空中雷電波的電磁輻射對建筑物內(nèi)電力線路和電子設備的電磁干擾；
（2）建筑物的防雷裝置接閃時，強大的瞬間雷電流對建筑物內(nèi)電力線路和電子設備的干擾；
　 （3）由外部各種強、弱電架空線路或電纜線路傳來的電磁波對建筑物內(nèi)電子設備的干擾。

現(xiàn)代電子技術日益向高精度、高靈敏度、高頻率和高可靠性方向發(fā)展。這些電子設備非常靈敏，但耐壓很低，一般電子設備都承受不了正負5伏的電壓波動。以各種微機為例，當雷電電磁脈沖的磁場強度超過0.07 高斯時，就會引起微機的誤動作，當磁場強度超過2.4高斯時，就會造成微機的永久性損壞。因此，我們必須對雷電電磁脈沖采取必要的防護措施，以便在先進的建筑物內(nèi)實現(xiàn)良好的電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility）。

防御雷電電磁脈沖干擾的理想防雷設計方案是籠式避雷網(wǎng)，它利用的是法拉第籠原理。建筑物的金屬結(jié)構(gòu)物遍及各處，不用很多鋼材就可很容易連接起來形成法拉第籠，從而建筑物內(nèi)的電子設備得到很好的屏蔽。屏蔽做得好，不僅能防御空間電磁波的輻射，而且還可使建筑物內(nèi)部的分流和均壓達到最佳效果。這里要說明，屏蔽的做法應根據(jù)建筑物內(nèi)電子設備的要求決定。由于設備的性質(zhì)不同，因此，有的要求僅對設備本身做屏蔽，有的要求在設備與設備之間做屏蔽，還有的要求在機房做屏蔽。正因為這個問題的重要，所以1995年國際電工委員會建筑物防雷分委會（IEC/TC－81）在《雷電電磁脈沖的防護》的標準中提出了防雷保護區(qū)（LPZ）的概念，國際上剛開始實行這種規(guī)定，而我們國家還沒有提出。筆者認為，設計人員可以按照微電子設備的多少、繁簡、重要程度、擺放位置及進出管線的具體情況自行劃分防雷區(qū)以取得良好的屏蔽、等電位和接地效果。

因此，防御雷電電磁脈沖對室內(nèi)布線的要求非常嚴格。由于用作引下線的鋼筋混凝土柱內(nèi)的鋼筋和整個建筑物的屏蔽網(wǎng)都在外墻處，雷電流需經(jīng)此處的鋼筋分流到接地裝置上，所以外墻處的電流密度大，電磁場強。因此，建筑物中的電源和通信等線路的主干線不應靠近外墻，最好設置在建筑物的中心部位，如電梯井在中心部位，可設置在電梯井的近旁。建筑物內(nèi)的各種電氣饋線都要穿金屬管保護或采用雙層屏蔽電纜（或同軸電纜）。在一些有特殊要求的線路電源側(cè)，還應加裝電涌保護器、隔離變壓器、穩(wěn)頻、穩(wěn)壓以及濾波等裝置。

防御雷電電磁脈沖對接地的要求也很嚴格。電子系統(tǒng)的低頻信號工作接地應采用單點接地系統(tǒng)，在整個建筑物內(nèi)應為樹干式結(jié)線布置。各層或各段的低頻信號工作接地均應直接接到單點接地板上，不得形成環(huán)路。單點接地系統(tǒng)不應與用作防雷引下線的柱子平行，以防強磁場干擾。由于是利用建筑物結(jié)構(gòu)鋼筋作屏蔽，因此必須采用綜合共同接地方式，即將防雷接地、電源的工作接地、各種裝置的外殼、鐵管外皮和高頻電子設備的信號接地都統(tǒng)一接到建筑物的基礎上或室外接地裝置上。為避免雜散電流，單點接地系統(tǒng)必須采用絕緣線，其主接地板必須置于建筑物的最底層且直接與基礎或室外接地裝置連接。各層單點接地系統(tǒng)的區(qū)域接地板或終端接地板如需要與綜合共用接地系統(tǒng)的裝置接地板連接，應在它們之間加裝不大于直流300V的放電管或壓敏電阻。綜合共用接地的電阻一般應在1歐姆以下，對于特殊的電子設備，可在0.5歐姆以下。確定接地電阻時，應考慮各種設備對接地電阻值的要求，在所要求的各種阻值下，應取最低值。

在低壓220/380V供電系統(tǒng)中，應采用三相五線（TN－S）系統(tǒng)，以便于裝置接地（PE）線和中性（N）線分開，PE線應接到各層或各段裝置接地的終端地板上。為了防御雷電電磁脈沖，建筑物的電源、電話、廣播等線路最好采用埋地電纜引入，所用電纜應為鎧裝電纜或同軸電纜且外皮兩端均要接地。

2、外部防雷裝置與內(nèi)部防雷裝置

國際電工委員會編制的標準（IEC1024－1）將建筑物的防雷裝置分為兩大部分：外部防雷裝置和內(nèi)部防雷裝置。筆者認為，這樣劃分很有必要，建筑物的防雷設計必須將外部防雷裝置和內(nèi)部防雷裝置作為整體統(tǒng)一考慮。

外部防雷裝置（即傳統(tǒng)的常規(guī)避雷裝置）由接閃器、引下線和接地裝置三部分組成。接閃器（也叫接閃裝置）有三種形式：避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)，它位于建筑物的頂部，其作用是引雷或叫截獲閃電，即把雷電流引下。引下線，上與接閃器連接，下與接地裝置連接，它的作用是把接閃器截獲的雷電流引至接地裝置。接地裝置位于地下一定深度之處，它的作用是使雷電流順利流散到大地中去。

內(nèi)部防雷裝置的作用是減少建筑物內(nèi)的雷電流和所產(chǎn)生的電磁效應以及防止反擊、接觸電壓、跨步電壓等二次雷害。除外部防雷裝置外，所有為達到此目的所采用的設施、手段和措施均為內(nèi)部防雷裝置，它包括等電位連接設施（物）、屏蔽設施、加裝的避雷器以及合理布線和良好接地等措施。

隨著電子設備的廣泛使用，雷電電磁脈沖的危害也相對嚴重起來。1992年6月22日國家氣象局中心大樓發(fā)生雷擊事故，北京－東京的同步線路的調(diào)制解調(diào)器被擊壞，致使線路中斷46小時，另一主機的一塊異步板被擊壞，導致8條線路中斷，影響了國際通訊。其他地點因雷電電磁脈沖干擾而導致電子設備損壞的例子還有不少。這類例子說明，只設計外部防雷裝置而不配之內(nèi)部防雷手段，接閃器再好，也無法獲得好的防雷效果。

防雷工程是一種系統(tǒng)工程。筆者早在1960年作人民大會堂工程總結(jié)及寫作《建筑物防雷設計》一書時就提出了建筑物防雷設計的六項重要因素，目的是提醒人們要整體地、全面地考慮建筑物防雷設計。這六項要素是：

（1）接閃功能： 指實現(xiàn)接閃功能所應具備的條件，包括接閃器的形式（避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)）、耐流耐壓能力、連續(xù)接閃效果、造價以及接閃器與建筑物的美學統(tǒng)一性等。
　

（2）分流影響： 指引下線對分流效果的影響。引下線的粗細和數(shù)量直接影響分流效果，引下線多，每根引下線通過的雷電流就小，其感應范圍就小。引下線相互之間的距離不應小于規(guī)范中的規(guī)定。當建筑物很高，引下線很長時，應在建筑物的中間部位增加均壓環(huán)，以減小引下線的電感電壓降。這不僅可以分流，而且還可以降低反擊電壓。

（3）均衡電位： 指使建筑物內(nèi)的各個部位都形成一個相等的電位，即等電位。若建筑物內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋與各種金屬設置及金屬管線都能連接成統(tǒng)一的導電體，建筑物內(nèi)當然就不會產(chǎn)生不同的電位，這樣就可保證建筑物內(nèi)不會產(chǎn)生反擊和危及人身安全的接觸電壓或跨步電壓，對防止雷電電磁脈沖干擾微電子設備也有很大的好處。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物最具備實現(xiàn)等電位的條件，因為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼筋的大部分都是自然而然地焊接或綁扎在一起的。為滿足防雷裝置的要求，應有目的地把接閃裝置與梁、板、柱和基礎可靠地焊接、綁扎或搭接在一起，同時再把各種金屬設備和金屬管線與之焊接或卡接在一起，這就使整個建筑物成為良好的等電位體。

（4）屏蔽作用： 屏蔽的主要目的是使建筑物內(nèi)的通信設備、電子計算機、精密儀器以及自動控制系統(tǒng)免遭雷電電磁脈沖的危害。建筑物內(nèi)的這些設施，不僅在防雷裝置接閃時會受到電磁干擾，而且由于它們本身靈敏性高且耐壓水平低，有時附近打雷或接閃時，也會受到雷電波的電磁輻射的影響，甚至在其他建筑物接閃時，還會受到從該處傳來的電磁波的影響。因此，我們應盡量利用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋，即建筑物內(nèi)地板、頂板、墻面、及梁、柱內(nèi)的鋼筋，使其構(gòu)成一個六面體的網(wǎng)籠，即籠式避雷網(wǎng)，從而實現(xiàn)屏蔽。由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造的不同，墻內(nèi)和樓板內(nèi)的鋼筋有疏有密，鋼筋密度不夠時，設計人應按各種設備的不同需要增加網(wǎng)格的密度。良好的屏蔽不僅使等電位和分流這兩個問題迎刃而解，而且對防御雷電電磁脈沖也是最有效的措施。此外，建筑物的整體屏蔽還能防球雷、側(cè)擊和繞擊雷的襲擊。

（5）接地效果： 指接地效果的好壞。良好的接地效果也是防雷成功的重要保證之一。每個建筑物都要考慮哪種接地方式的效果最好和最經(jīng)濟。筆者認為，當鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物符合規(guī)范條件時，應利用基礎內(nèi)的鋼筋作為接地裝置。當達不到規(guī)范中規(guī)定的條件或基礎包在防水卷材層內(nèi)時，可做周圈式接地裝置，但應將周圈式接地裝置預先埋在基礎槽的最外邊（不必離開建筑物3m以外）。接地體靠近基礎內(nèi)的鋼筋有利于均衡電位，同時還可節(jié)省為挖深溝所花費的人力和物力。在基礎完工后再挖深溝則易影響基礎的穩(wěn)定性。

對木結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)建筑物，必須做獨立引下線并采用獨立接地方式。當土壤電阻率大，使用接地極較多時，也可做周圍式接地裝置。因為周圈式接地裝置的沖擊阻抗小于獨立接地裝置的沖擊阻抗，而且有利于改善建筑物內(nèi)的地電位分布，減小跨步電壓。采用獨立式接地方式時，以鉆孔深埋接地極（約4～12m）的效果為最好，深孔接地極容易達到地下水位，且能減少接地極的用鋼量。

（6）合理布線： 指如何布線才能獲得最好的綜合效果?，F(xiàn)代化的建筑物都離不開照明、動力、電話、電視和計算機等設備的管線，在防雷設計中，必須考慮防雷系統(tǒng)與這些管線的關系。為了保證在防雷裝置接閃時這些管線不受影響，首先，應該將這些電線穿于金屬管內(nèi)，以實現(xiàn)可靠的屏蔽；其次，應該把這些線路的主干線的垂直部分設置在高層建筑物的中心部位，且避免靠近用作引下線的柱筋，以盡量縮小被感應的范圍。在管線較長或橋架等設施較長的路線上，還需要兩端接地；第三，應該注意電源線、天線和屋頂高處的彩燈及航空障礙燈等線路的引入做法，防止雷電波侵入。除考慮布線的部位和屏蔽外，還應在需要的線路上加裝避雷器、壓敏電阻等浪涌保護器。因此，設計室內(nèi)各種管線時，必須與防雷系統(tǒng)統(tǒng)一考慮。

3、安全隔離距離與等電位連接
在建筑物內(nèi)部，就總體來說，防雷措施可分為安全隔離距離和等電位連接兩大類。安全隔離距離指在需要防雷的空間內(nèi)，兩導電物體之間不會發(fā)生危險的火花放電的最小距離，即不會發(fā)生反擊的最小距離。等電位連接的目的是減小或消除內(nèi)部防雷裝置各個部位上所產(chǎn)生的電位差，包括靠近進戶點的外來導體上的電位差。
筆者主張，若采用安全距離法就應嚴格按照《建筑物防雷設計規(guī)范》（GB50057－94）規(guī)定的各類防雷措施去計算；若采用等電位連接法，就應徹底實現(xiàn)等電位。木結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)應采用安全距離措施，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)應采用等電位連接措施。

1957年首次為天安門（木結(jié)構(gòu)建筑物）補做防雷裝置時，在其上部設置了明裝避雷帶和避雷網(wǎng)；在其內(nèi)部采用了安全距離措施。由于是補裝，難度相當大，對內(nèi)部達不到安全距離的管線都做了改裝或加強了絕緣并把進戶處的各種架空電源線、電話線和廣播線一律拆除，改為地下電纜。為確保木結(jié)構(gòu)建筑物的安全，工程人員每年都在結(jié)構(gòu)上稍有變形的部位加固，到1986年，在天安門大頂內(nèi)加固總共用了60噸鋼材。此時，再也不能給建筑物增加荷重了，因此中央決定將天安門城樓上的建筑物全部拆掉，徹底翻建。這給我們的防雷設計帶來了有利條件。所以，1969年第二次設計天安門防雷裝置時，就采用了等電位連接措施（外部防雷裝置仍用原方案），在城臺上的地面（包括屋內(nèi)地面）下的"金磚"下面鋪設了一層鋼筋網(wǎng)（即等電位面）并將各種金屬管線（包括屋頂彩燈管線）、斗拱上的防鳥鐵絲網(wǎng)、檢閱臺前的鐵欄桿和鐵旗桿等物體統(tǒng)一連接到等電位面上，此外，又增加了引下線的根數(shù)，使之達到等電位的條件。

1958年，人民大會堂工程采用了徹底的等電位防雷設計，這是我國首次將等電位避雷網(wǎng)應用于工程。人民大會堂是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相結(jié)合的建筑物，又是現(xiàn)澆施工做法，對防雷裝置的設計十分有利。其防雷方案是：在各建筑段的屋頂上分別采用明裝避雷網(wǎng)、暗裝避雷網(wǎng)和四周避雷帶相結(jié)合的方式，接閃裝置均與樓板內(nèi)的鋼筋連接成一體；柱子內(nèi)的鋼筋用作引下線；基礎內(nèi)的鋼筋用作接地裝置。從基礎到梁、板、柱到屋頂?shù)谋芾讕Ш捅芾拙W(wǎng)的全部連接點（包括各種管線的連接點）都是焊接的，從而構(gòu)成一個籠式避雷網(wǎng)，所以我們說它是最徹底的等電位連接工程。1963年，瑞士的波哥（K.Berger）提出，利用建筑物內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋作防雷系統(tǒng)時，鋼筋之間如有多點綁扎，則不必焊接就可以構(gòu)成電氣導通系統(tǒng)，他還做了試驗。所以，我們以后就不全部焊接了，但作為引下線的柱內(nèi)鋼筋，仍必須焊接兩根主筋。1974年審查《建筑物防雷設計規(guī)范》時，規(guī)定為：可以綁扎或焊接。人民大會堂工程是全國最重要的工程，當時是不敢不焊接的。

就防火而言，等電位連接和安全隔離距離至關重要。火災多屬不易預防的事故，對多數(shù)建筑物，能采取等電位連接措施的，應做徹底的等電位連接；不能采取等電位連接措施的，應盡量保證安全隔離距離，以防發(fā)生火災。

4、常規(guī)防雷裝置與非常規(guī)防雷裝置

常規(guī)防雷裝置即傳統(tǒng)上所使用的防雷裝置，包括避雷針、避雷帶、避雷線和避雷網(wǎng)。它是繼1759富蘭克林發(fā)明避雷針后各國防雷專家經(jīng)200多年研究和實踐的成果，有充分的理論根據(jù)、實驗數(shù)據(jù)和長期的實際運行經(jīng)驗。

非常規(guī)防雷裝置指某些廠商近年推出的所謂的新式防雷裝置。本文所指的所謂新式防雷裝置是半導體消雷器、導體消雷器、優(yōu)化避雷針和流注提前發(fā)射接閃器等（本文這里不指激光引雷裝置、火箭引雷裝置和水柱引雷裝置等）。各種消雷器的設計思想是企圖中和雷云電荷，把雷電荷消滅掉或限制放電電流；各種提前發(fā)射接閃器的設計思想是企圖把避雷針的接閃效果提高，即擴大保護范圍。這幾種防雷產(chǎn)品到目前為止都沒有被國際防雷組織所承認。

其實，從1996年起到現(xiàn)在，北京的學術界和工程技術界圍繞消雷器進行過多次討論并發(fā)表了許多文章。許多專家都認為消雷器的"中和"理論和"限流"理論站不住腳。1997年9月18～23日中國電機工程學會高電壓專委會過電壓與絕緣配合分專委會在合肥舉行了學術討論會。論題之一就是半導體消雷器，與會者進行了熱烈的討論。特別值得一提的是一位高工為驗證半導體消雷器的通流能力而做的一次實驗。該實驗充分表明，半導體消雷器的通流能力極低。會議《紀要》曰："與會代表認為，迄今為止，理論和實踐未能證明此類非常規(guī)防直擊雷產(chǎn)品具有產(chǎn)品說明書所表述的性能，實踐也未顯示出此類產(chǎn)品具有比常規(guī)防防直擊雷裝置更優(yōu)越的性能，還有許多問題尚待研究和解決，因此此類非常規(guī)防直擊雷產(chǎn)品不再在工程中采用。還有少數(shù)代表對此尚有不同意見。"
　

實際上，消雷器廠商所賣的只不過是接閃器。其引下線、接地裝置及內(nèi)部防雷裝置還得靠設計人按常規(guī)方法去設計，而這些都是建筑設計中的環(huán)節(jié)，賣接閃器的廠商也參與不了設計。另外，非常規(guī)防雷裝置的價格極高，以半導體消雷器為例，其價格比常規(guī)避雷針高幾十倍至幾百倍（見表1）

由表1可以看出非常規(guī)防雷裝置比常規(guī)防雷裝置貴得多，而且非常規(guī)防雷裝置還有很多問題有待解決。因此防雷設計人員和使用單位應認清這種情況，必須選擇優(yōu)質(zhì)而經(jīng)濟的產(chǎn)品。

5、球雷

在國際建筑物防雷標準（IEC/TC－81）和我國的《建筑物防雷設計規(guī)范》中，均沒有對球雷的防護作出規(guī)定。在筆者的調(diào)查中，北京地區(qū)的球雷事故還是不少的，球狀閃電約占閃電統(tǒng)計總數(shù)的13.7％。盡管國內(nèi)外科技人員對球狀閃電的形成機理尚無一致的觀點，但對其性質(zhì)、狀態(tài)和危害還是比較清楚的。

球雷（即球狀閃電）是一種橙色或紅色的類似火焰的發(fā)光球體，偶爾也有黃色、藍色或綠色的。大多數(shù)火球的直徑在10～100cm左右。球雷多在強雷暴時空中普通閃電最頻繁的時候出現(xiàn)。球雷通常沿水平方向以1～2m/s的速度上下滾動，有時距地面0.5～1m，有時升起2～3m。它在空中漂游的時間可由幾秒到幾分鐘。球雷常由建筑物的孔洞、煙囪或開著的門窗進入室內(nèi)，有時也通過不接地的門窗鐵絲網(wǎng)進入室內(nèi)。最常見的是沿大樹滾下進入建筑物并伴有嘶嘶聲。球雷有時自然爆炸，有時遇到金屬管線而爆炸。球雷遇到易燃物質(zhì)（如木材、紙張、衣物、被褥等）則造成燃燒，遇到可爆炸的氣體或液體則造成更大的爆炸。有的球雷會不留痕跡地無聲消失，但大多數(shù)均伴有爆炸聲且響聲震耳。爆炸后偶爾有硫磺、臭氧或二氧化碳氣味。球雷火球可輻射出大量的熱能，因此它的燒傷力比破壞力要大。

下面是一個典型的球雷實例：1982年8月16日，釣魚臺迎賓館兩處同時落球雷，均為沿大樹滾下的球雷。一處在迎賓館的東墻邊，一名警衛(wèi)戰(zhàn)士當即被擊倒，該戰(zhàn)士站在2.5m高的警衛(wèi)室前，距落雷的大樹約3m，樹高20多米。球雷落下的瞬間，他只感到一個火球距身體很近，隨后眼前一黑就倒了。醒來后，除耳聾外并無其他損傷。但該警衛(wèi)室的混凝土頂板外檐和磚墻墻面被擊出幾個小洞，室內(nèi)電燈被打掉，電燈的拉線開關被打壞，電話線被打斷，估計均為電磁感應的電動力所致。另一處在迎賓館院內(nèi)的東南區(qū)，距警衛(wèi)室約100m，也是沿大樹滾下。距樹2m處有個木板房（倉庫），該房在三棵14～16m高大槐樹包圍之中，球雷沿東側(cè)的大樹滾下后鉆窗進屋，窗玻璃外有較密的鐵絲網(wǎng)，但沒有接地，鐵絲網(wǎng)被擊穿8個小洞，窗玻璃被擊穿兩個小洞。球雷燒焦了東側(cè)木板墻和東南房角，燒毀了室內(nèi)墻上掛的兩條自行車內(nèi)胎，燒壞了該室的膠蓋閘，室內(nèi)的電燈線也被燒斷。落雷大樹下放有十多盤鋼筋、8輛鐵推車和6個空汽油桶。這此金屬物都是招引雷電的條件。

防護球雷并不困難，應該在規(guī)范或標準中規(guī)定相應的措施。就防護球雷措施而言，最好是籠式避雷網(wǎng)，如果達不到籠式避雷網(wǎng)條件，就在建筑物的門窗上安裝金屬紗網(wǎng)并接地；堵好建筑物墻面上不必要的孔洞；煙囪與出氣管上口均要加裝鐵絲網(wǎng)并接地；儲存或損傷易燃易爆物體的倉庫和廠房的煙囪和放氣管應加裝阻火器并接地。對高大樹木下的重要建筑物尤其要采取防護球雷的措施。

6、雷擊規(guī)律

認識雷擊事故的規(guī)律非常重要，只有掌握了規(guī)律，防雷設計才能取得良好的效果。在雷雨天，天空的雷云與地面上的物體各帶不同的電荷，當電荷積累到一定的程度，就會產(chǎn)生電場畸變而發(fā)生落地雷擊。但如果地上某處沒有足夠強大的上行先導，則雷電是不會打到該處的。

北京紫禁城內(nèi)的建筑物落較多，其原因在于：紫禁城周圍是護城河，河內(nèi)現(xiàn)在仍有水；通往護城河的古河道有4條：一條是玉河，它流入護城河的西北角；一條是潮白河的支流，它流入護河的東北角；一條是大通河，它流入護城河的正東部；另一條是潞河的支流，它流入護城河的東南角。故宮內(nèi)各棟建筑物下的基礎均潮濕，過去東南部的水位較高，地下不到2m就能見水，可見故宮院內(nèi)地下的土壤電阻率相對較低；另外院內(nèi)又有高大的古樹。這些即為易發(fā)生雷擊的內(nèi)因，這些內(nèi)因決定著該地區(qū)電場易產(chǎn)生電場畸變，瞬間發(fā)生的上行先導容易與雷云的下行階段先導會合，從而形成落地雷。這就是紫禁城范圍內(nèi)的明顯雷擊規(guī)律。
筆者自1954年到1988年在北京地區(qū)調(diào)查過的建筑物雷擊事故共有170多處，其中，因雷擊引起火災的占37.7％，導致人員死亡的占6.9％，致傷的占15.4％，球雷雷擊事故占13.7％?，F(xiàn)將分析總結(jié)得出的北京地區(qū)總的雷擊規(guī)律歸納如下：

（1）河、湖、池、沼旁邊的建筑物易受雷擊。如1961年6月21日頤和園昆明湖東邊的文昌閣被雷擊掉西房角及坡頂瓦，內(nèi)部電線被感應燒斷；1988年8月6日通縣永樂店草廠鄉(xiāng)黃廠村北部湖力的茅草房落球雷，擊死一人。

（2）古河道上的建筑物和河流橋上的構(gòu)筑物易受雷擊。如紫禁城內(nèi)自1954年至1992年共落雷16次（據(jù)文獻記載，明、清兩代共發(fā)生過25次火災，其中寫明為雷擊所致的5次，未說明原因的也可能是雷擊所致）；1988年8月30日盧溝橋中部北側(cè)石獅子的頭被擊掉。

（3）在潮濕地區(qū)以及過去是葦塘或坑洼地帶的區(qū)域上建造的建筑物易受雷擊。如1957年7月31日陶然亭地區(qū)建工局一公司工棚（該處過去是葦塘）的收音機天線落雷，墻內(nèi)鐵絲被熔化；1965年7月22日北郊土冷庫（即幾十棟內(nèi)裝冰塊以貯藏食物的平房）的老虎窗被雷電擊中起火。

（4）在四周大片土壤電阻率高，中間局部土壤電阻率低的環(huán)境中或在高、低電阻率分界之處建造的建筑物易受雷擊。如1981年8月2日八里莊善家墳公安局倉庫西墻外大樹落雷，雷電入室打碎5個電警棍盒，盒內(nèi)33根電警棍被感應燒壞（該倉庫的西南兩面為稻田）。

（5）局部漏雨或局部房角新修繕且十分潮濕的建筑物易受雷擊。如十三陵長陵棱恩殿落雷（當時該殿西部房角剛剛修繕且很潮濕）。

（6）突出高或孤立的建筑物易受雷擊。如1957年7月29日原朝陽門北部的吻獸被雷擊掉；據(jù)十三陵當?shù)乩限r(nóng)說，十三陵大多數(shù)的明樓或正殿均被雷擊過（明樓和正殿都屬高而孤立的建筑物）。

（7）曾經(jīng)遭受過雷擊的地區(qū)和建筑物容易再落雷。如1956年×月×日、1957年7月8日和1957年8月16日北京鼓樓東部吻獸曾三次被雷擊。

（8）金屬屋頂易受雷擊。如1957年7月8日原民航局禮堂的鐵皮屋頂被雷擊裂3處，頂內(nèi)明配線被感應燒成3段，1988年8月6日北京火車站東北角出租汽車站的鋁合金房頂落雷。

（9）收音機天線、電視共用天線易受雷擊。如1986年10月13日左家莊柳芳東里的居民樓電視共用天線遭受雷擊，1992年8月3日和平里民旺胡同的居民樓電視共用天線也遭受雷擊。

（10）地下管線多或管線交叉處易落雷。如1963年8月4日天安門廣場大旗桿西側(cè)（現(xiàn)人行過街地道的西南出口）一位賣冰棍的老太太被雷擊倒（該處地下敷設的管線較多且是轉(zhuǎn)角處）。

（11）鐵路沿線和終端易受雷擊。如1965年7月22日東郊百子灣棉花倉庫室外堆場靠近鐵道終端的一個棉花垛被雷擊中燃燒；1984年8月6日東郊百子灣物資局儲運公司水泥庫鐵路西側(cè)站臺上的水泥袋落雷，燒焦約20個水泥袋的紙邊。

（12）山區(qū)泉眼、風口或地下有金屬礦床的地方易受雷擊。如1985年6月18日西山下馬嶺水電站室外變電構(gòu)架進出線的主線落雷，燒焦母線2處，每處約長1～3m。

（13）高大的煙囪和工廠的排氣管最易接閃。如1957年8月16日朝外門診部的煙囪被雷擊裂；1979年4月8日東郊宋家莊化工三廠南北兩廠的室外化工設備構(gòu)架上的兩個排氣管同時接閃并點燃。

（14）高大的樹木和屋頂旗桿容易落雷。如1967年6月11日前門勸業(yè)場屋頂木旗桿被雷擊壞；1993年8月19日日壇公園西北角一棵大樹被雷劈掉樹叉，樹干也被劈裂。

北京地區(qū)總的落雷走向是：西山 八里莊 紫村城 朝陽門 宋家莊 百子灣 通縣。這些地方多數(shù)是古河道或地下水線，其建筑物下的土壤電阻率小，潮濕或水位高。

筆者認為，以上這些雷擊規(guī)律雖是北京地區(qū)的，但頗具普遍性，因而對防雷、防火很有價值（因篇幅有限，以上各種規(guī)律只各舉2個例子）。

7、建筑物防雷設計的整體觀念

所謂整體觀念是指設計和安裝防雷裝置時，對建筑物的內(nèi)外都要有整體觀念。這里的建筑內(nèi)外不單是指內(nèi)部防雷裝置和外部防雷裝置。建筑物內(nèi)的整體觀念是指設計和安裝時，要對內(nèi)部防雷裝置和外部防雷裝置做整體的統(tǒng)一的考慮；建筑物外的整體觀念是指對一個院落、一個小區(qū)以及附近的環(huán)境要做全面的防雷規(guī)劃，同時還不能違反小區(qū)規(guī)劃的要求例如：所安裝的避雷針桿塔是否影響小區(qū)的美觀，所用的避雷針、避雷帶或避雷網(wǎng)是否與建筑物的立面相配以及低矮建筑物能否由高大建筑物或高大煙囪上的避雷裝置所保護等等。對接地裝置也要綜合統(tǒng)一考慮，例如，相距較近的建筑物能否共用接地體，地下管網(wǎng)能否用接地體的一部分，以及能否在一個大院或小區(qū)內(nèi)為將來綜合共用接地創(chuàng)造等電位連接的條件等等。

值得指出，利用建筑物附近的大樹作為避雷針桿塔是一個較好的做法。大樹最易接閃且越長越高，有時比建筑物還高。因此，避雷針應安裝在樹頂，引下線應沿樹干設置而且應與建筑物的防雷裝置相結(jié)合。這樣既節(jié)約又美觀，同時還保護了名貴的樹木。利用大樹安裝避雷針不僅能防直擊雷，而且能防球雷、繞擊雷和側(cè)擊雷。例如，北京北海公園團城內(nèi)在大樹上安裝的避雷針已運行了20多年，效果很好，但必須采取保護樹干生長的措施。

現(xiàn)在各個城市的綠化越搞越好，高大的樹木也越來越多。有的建筑物雖然安裝了避雷針，但大樹距建筑物很近并且比建筑物還高，在這種情況下，建筑物上的避雷裝置實際上等于虛設。因為大樹接閃的機會多，易引來直擊雷和球雷，對鄰近的建筑物威脅更大。所以說建筑物的防雷設計和安裝應將外部防雷裝置、內(nèi)部防雷裝置、建筑物外的環(huán)境及至全小區(qū)的防雷裝置進行整體統(tǒng)一的考慮。不僅電氣專業(yè)的設計者要有整體觀念，建筑專業(yè)的設計者對防雷也要有整體觀念。這是現(xiàn)代防雷設計觀念轉(zhuǎn)變的重要問題之一。

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