浅谈雷电危害及建筑物的防雷措施

王雪净

随着社会经济水平的提高,建筑物的规模不断扩大,其内各种电气设备的使用日趋增多,尤其是计算机网络信息技术的普及,建筑物越来越多采用各种信息化的电气设备,对防雷、防电磁脉冲等保护措施的要求也越来越高。但是,我国每年因雷击破坏建筑物及其内部电气设备的事件时有发生,所造成的损失也非常巨大。2010年4月13日上海东方明珠塔遭雷击起火即是个典型的例子。因此建筑物的防雷保护设计就显得尤为重要。

1 雷电成因及其对建筑物的危害

1.1 雷电成因

雷电是一种大气中规模巨大的火花放电现象,主要产生于积云中,积云在形成和运动过程中受到强烈气流的作用,形成了带有正、负不同电荷的两部分积云,这种带电积云称为雷云。在上下气流的强烈撞击和摩擦下,雷云中的电荷越聚越多,一方面在空中形成了正、负不同雷云间的强大电场;另一方面临近地面的雷云使大地地面或建筑物表面感应出与其极性相反的电荷,这样雷云与大地或建筑物之间也形成了强大的电场。当电荷积累到一定程度时,不同云团之间或云与大地之间的电场强度可以击穿空气(一般E=25 kV/cm～30 kV/cm),开始游离放电,称之为“先导放电”。云对地的先导放电是由雷云向地面跳跃式逐渐发展的,当到达地面(或地面上的建筑物、架空输电线)时,便会产生由地面向云团的逆导主放电。在主放电阶段里,由于异性电荷的剧烈中和,会出现很大的电流,电流做功的结果,可使电流通过地方的气体瞬间温度急剧升高到2万℃左右,从而呈现强烈的火光,这就是我们看到的划破天空的闪电,同时受热的电离气体体积急剧膨胀而发出隆隆的雷声,这就是雷电[1]。

1.2 雷电对建筑物的危害

雷击的危害主要有三个方面：1)直接雷,是指雷云对大地某点发生的强烈放电,它可以直接击中建筑物、设备等。雷电击中架空线,如电力线、电话线等,雷电流便沿着导线进入设备从而造成损坏。2)感应雷,它可以分为静电感应及电磁感应,当带电雷云(一般带负电)出现在导线上空时,由于静电感应作用导线上束缚了大量的相反电荷,一旦雷云对某目标放电,雷云上的负电荷便瞬间消失。此时导线上的大量正电荷依然存在并以雷电波的形式沿着导线经设备入地,引起设备损坏。3)地电位提高,如果雷电直接击中具有避雷装置的建筑物或设备,接地网的地电位会在数秒之内被抬高数万伏或数十万伏。高度破坏性的雷电流将从各种装置的接地部分流向供电系统或各种网络信号系统,或者击穿大地绝缘而流向另一设施的供电系统或各种网络信号系统,从而反击破坏或损害电子设备。同时,在未实行等电位联结的导线回路中,可能诱发高电位而产生火花放电的危险。据有关统计表明：直击雷的损坏仅占 15%,感应雷与电位提高的损坏占85%[2]。

一般建筑物上的避雷针只能预防直击雷,而强大的电磁场产生的感应雷和脉冲电压却能潜入室内危及电视、电话及联网微机等弱电设备。由于智能建筑中的电子设备对雷电电磁脉冲的耐受能力很弱,非常容易因感应雷电过电压而损坏甚至发生误动作,不仅给人们的办公和生活带来了极大的不便,有时甚至会危及楼宇内工作人员的生命安全。

2 防雷保护措施

2.1 外部防雷

1)接闪器是专门直接接受雷击的金属导体,一般可分为被动式避雷针、主动式避雷针、半导体消雷器 3类：a.被动式避雷针就是传统的富兰克林避雷针及常用的避雷带(线)、避雷网等,目前使用范围很广。但它具有一定的缺陷,如侧向跳火,保护范围小,可靠性低,磁场感应影响等。一些国家的规范(英国标准British Code BS6651,德国German Code)中也提及了上述问题。b.主动式避雷针是能提前发射闪流,控制雷击点,保护范围大。c.半导体消雷器在实际应用中证明效果不佳,目前已经停止应用。由于传统避雷针、避雷带(线)、避雷网等制作、安装方便、价格低廉,所以在工程中应首选。但对于第二类及以上防雷建筑,建议在经济条件允许的情况下,最好应用主动式避雷针[3]。

2)引下线是连接接闪器与接地装置的金属导体,使雷电流构成通路。要求满足机械强度、耐腐蚀性和热稳定性的要求。引下线应优先利用建筑物钢筋混凝土柱或剪力墙中的主钢筋,还宜利用建筑物的消防梯、钢柱、金属烟囱等作为引下线。同时建筑物利用这些钢结构形成等电位联结,即形成法拉第笼。这种防雷方式目前广泛应用,并行之有效,但在某些特殊情况下,这种方式也有它的不足之处。对具体建筑物,应分清其功能用途,当建筑物内设置大量的、较重要的电子设备时,应单独设置对建筑物相对独立的接闪器和引下线,以避免强大雷电流对内部设施的危害。另外,引下线还可采用专用引下线,例如具有特殊绝缘、屏蔽的专用同轴电缆引下导体,可防侧向跳火,切除环流,减小电磁感应。

3)接地体的作用是向大地均匀泄放雷电流,使防雷装置对地电压不至于过高。因此接地体的接地电阻要小(一般不超过10 Ω)。接地体一般有两种形式：自然接地体和人工接地体。自然接地体是利用埋在地下的金属构件、金属管道以及建筑物的基础钢筋作为接地体,该做法节省工程量和降低工程造价,同时大幅度减少接地电阻,但是长期使用时会造成建筑物的结构钢筋和管件产生电蚀现象,导致漏水和结构钢筋变细等严重后果。为了保护建筑物的安全,应采用人工接地体方法。除此之外,应将建筑物的桩筋、地梁内的主筋和柱内的主筋焊接起来,并把地梁外圈梁中间(网格)钢筋焊接成一个闭合环路,组成一个完整的接地系统。这种接地系统与大地接触面广,接地电阻低,而且钢筋得到混凝土的保护,受侵蚀作用减少,接地电阻比较稳定[5]。

2.2 内部防雷

2.2.1 电源线路防雷

电源防雷系统主要是防止雷电波通过电源线路对计算机及相关设备造成危害。为避免高电压经过避雷器对地泄放后的残压过大或因更大的雷电流在击毁避雷器后继续毁坏后续设备,以及防止线缆遭受二次感应,依照GB 50057-94建筑物防雷设计规范(2000年版)和GB 50343-2004建筑物电子信息系统防雷技术规范,应采取分级保护、逐级泄流的原则。1)在大楼电源的总进线处安装放电电流较大的首级电源避雷器;2)在重要楼层或重要设备电源的进线处加装次级或末级电源避雷器。为了确保遭受雷击时,高电压首先经过首级电源避雷器,然后再经过次级或末级电源避雷器,首级电源避雷器和次级电源避雷器之间的距离要大于5 m,如果两者间距不够,可采用带线圈的防雷箱,这样可以避免次级或末级电源避雷器首先遭受雷击而损坏[6]。

2.2.2 信号线路防雷

目前大部分通信设备由于电子元器件的高度集成化而致耐过压、耐过流水平下降,通信设备在雷电波冲击下遭受过电压而损坏的现象越来越多,其后果是可能造成整个通信系统的运行中断,消防系统失灵等,因此必须在网络通信口处加装必要的防雷保护装置以确保网络通信系统的安全运行。

对通信系统进行防雷保护,选取适当保护装置非常重要,应充分考虑防雷产品与通信系统匹配。

通信接口避雷器考虑的主要因素如下：

1)线路上可能感应的浪涌形式(例如波形、时间参数和最大峰值);

2)接口电路模拟雷电冲击击穿电压临界指标;

3)保护对象在正常工作状态下的数据信号电平;

4)保护装置在模拟雷电冲击下的残压参数指标;

5)保护装置的耐冲击能力;

6)系统的工作频率;

7)保护对象的接口方式;

8)工作电压。

3 结语

随着建筑规模的不断扩大,计算机及精密电子设备日益普及,人们对其防护的要求也愈加严格。然而,防雷设计是一项复杂的系统工程,如何保证智能建筑信息系统中的计算机及精密电子设备正常运行,将是工程设计人员重点要关注的问题。

[1]朱建军.建筑安全工程[M].北京：化学工业出版社,2007.

[2]张振文.雷电的成因、危害及预防[J].科技信息,2009(14)：356-357.

[3]张晓琳,张学庆.建筑工程防雷设计[J].中国新技术新产品,2009(23)：178.

[4]李红梅.浅谈雷电的预防措施[J].山西建筑,2008,34(14)：181-182.

[5]殷春生.浅谈直击雷的防护[J].电气工程应用,2009(3)：26-29.

[6]王志宇,潘灵芝.建筑物防雷保护综述[J].科技创新导报,2008(22)：50-51.