雷电成因及防雷引下线截面积的探讨

李维时 / 庞传贵 (中国建筑设计研究院机电院，北京 100044)

关于雷电成因的说法很多，雷电释放能量的推算结果也有差异，从而导致人们对建筑物防雷以及防雷措施不同的认识。目前《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010已经颁布，作为建筑物防雷的设计人员，需要更深入的学习、研究并执行“规范”，做好建筑物防雷的设计。

1 雷电成因

雷电的成因与带电云层的形成分不开，而带电云层形成的观点很多。一种观点认为，含水蒸气的上升气流遇冷，水蒸气形成“水成物”（即雨滴、冰雹等）。“水成物”在地球静电场的作用下被极化，并在上升的高速气流作用下，相互碰撞、聚集，体积增大。通过重力、分离等复杂作用，形成上部带正电、下部带负电的带电云层。带电云层在电场的作用下，使水成物进一步极化，在重力、分离等作用下形成“雷云”。还有观点认为，带电云层是源于高速气流与地面物体强烈摩擦生电，气流中的尘埃等物质带上了游离的电荷。带电的高温空气上升，进入寒冷的高空，由于气温急剧下降，水蒸气结露成云雾。在强气流高速运动过程中，云雾、水滴等物质相互碰撞、摩擦，分别带上了正电荷与负电荷，并进一步聚集形成雷云。带电云层的形成还有其他观点，不赘述。

不论哪种观点，都认同带电云层最终内部同性电荷汇集，形成带电中心，当异性带电中心之间的空气被其强大的电场击穿时，就形成“云间放电”（即闪电）。云间放电形成片状雷，占雷电形式的95%。当带电云层向下靠近地面时，地面的凸出导电物、金属等会被感应出相反的电荷。随着电场的增强，雷云下行先导与地面物体感应出的向上电荷靠近，形成微弱电离通道，这一阶段称为先驱放电 。先驱放电是一个一个相继向前发展的脉冲，它的平均发展速度约为1×105～1×106m/s，各脉冲的时间间隔约为30～90μs。每阶段向前推进的长度约为50m。先驱放电常常是分枝状的，这是因为放电往往是沿着空气游离最强、最容易导电的路径发展，通常只是一个前驱放电枝杈到达大地。在先驱接近地面时，由地面或建筑物上发出的反方向放电，称为“迎面放电”。阶段先驱与迎面放电在距地面一定距离的地点相遇。

先驱放电及迎面放电后，开始“主放电阶段”，也称“先导放电阶段”。此后则是可看到的雷电本体。在主放电阶段中，聚集在电路中的电荷与地面上的电荷猛烈中和，巨大的电流流过雷击点，发出强烈的闪光和声响。

雷云对地放电多为线状雷（也有极少数形成球雷），占雷电形式的5%，此种形式的雷电对建筑物和信息系统的危害较大。

如根据云层带电极性来定义雷电流的极性，云层带正电荷对地的放电称为正闪电，而云层带负电荷对地的放电称为负闪电。

图1 雷电放电过程示意图

2 雷电的效应

雷电流具有电流所具有的一切效应。本文只针对雷电流热效应，对防雷引下线规格的影响等方面谈谈看法。希望在工程设计中，做到即安全又不浪费。

研究雷电的能量，常以对地放电的雷电形式为主。

雷电放电大多是重复性的，每次放电几十至几百微秒，间歇时间为几十毫秒，一次雷电平均包括3～4次，最多可达40次，通常首次放电的电流幅值最高。重复放电都是沿着第一次放电的通路发展的，这时由雷云向下发展的先驱放电是连续的，不是阶段式的，是主放电的重复过程。雷电的重复放电现象，主要是由于雷云中的大量电荷不可能一次放电完全。第一次放电是从雷云的最下层发出的，随后是由较高的云层或相邻区域提供电荷的放电。

雷电流效应不同于一般电流，它是在短时间内以脉冲的形式通过强大的电流。尤其是直击雷，它的峰值有几十千安培，甚至几百千安培。雷电流具有单极性的脉冲波形，有80% ～ 90%的雷电流是负极性的（负地闪）。习惯上用电流波形起始时刻至幅值下降为半幅值的时间间隔来表征雷电流脉冲的波长。雷电流的大小与许多因素有关，各地区有很大差别。一般平原地区比山地雷电流大，正闪电比负闪电大，第一闪击比随后闪击大，雷电流波形如图2所示。

一次雷电放电的总能量不是很大，但因为主放电时间很短，能量集中，瞬时功率大，造成的危害也较大。

图2 雷电流波形图

3 民用建筑中的防雷引下线截面

雷电通道的温度可达6000℃～10000℃（太阳表面的温度为6000℃），甚至更高。当雷电流通过金属导体时，如果金属体截面积不够大，甚至可使其熔化。但是雷电流的峰值持续时间很短，对于大体积的金属，雷电流产生的热效应是相当有限的。遭到雷击的架空明线，若线径很细就有可能熔断。避雷针在经受雷击之后，针表面会留下小的坑点，对整个避雷针并无大碍。依据规范GB50057-2010：“引下线宜采用热镀锌圆钢或扁钢，宜优先选用圆钢。当独立烟囱上的引下线采用圆钢时，其直径不应小于12mm；采用扁钢时，其截面不应小于100mm2、厚度不应小于4mm。”利用建筑物构件内钢筋作为引下线时，该规范第4.3.5条和第4.4.5条规定：“敷设在混凝土中作为防雷装置的钢筋或圆钢，当仅为一根时，其直经不应小于10mm。被利用作为防雷装置的混凝土构件内有箍筋连接的钢筋时，其截面积总和不应小于一根直径10mm钢筋的截面积。”此时，流过雷电流的钢筋温升不影响钢筋的强度及其承载能力。

确定引下线截面的计算如下：

由于现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010-2002规定构件的最高允许表面温度是：对于需要验算疲劳的构件（如吊车梁等承受重复荷载的构件）不宜超过60℃；对于屋架、托架、屋面梁等不宜超过80℃；对于其它构件（如柱子、基础）则没有规定最高允许温度值，对此类构件可按不宜超过100℃考虑。

由于建筑物遭雷击时，雷电流流经的路径为屋面、屋架（或托架或屋面梁）、柱子、基础，则流经需要验算疲劳的构件（如吊车梁等承受重复荷载的构件）的雷电流已分流到很小的数值。因此，雷电流流过构件内钢筋或圆钢后，其最高温度按80℃～100℃考虑。现取最终温度80℃作为计算值，钢筋的起始温度取40℃，因此，钢导体的温度升高考虑为40℃，这是一个很安全的数值。

表1 首次正极性雷击的雷电流参数

根据规范GB50057-2010表F.0.1-1（详表1），用一根φ10圆钢的截面积，分别取第二防雷建筑物的W/R值（5.6×106J/Ω）和第三防雷建筑物的W/R值（2.5×106J/Ω），代入温升校验公式（规范GB50057-2010,141页），温升均小于40K。可见规范中规定的φ10圆钢满足防雷引下线的截面积要求。

有一些关于加大防雷引下线截面的说法，是基于雷电能量按3～4次的雷击次数计算，同样经过温升计算，引下线的截面积增大了几倍。见表2、表3。

表2 接闪器或单根引下线截面积、直径与雷电流峰值的关系（KC=1）

表3 引下线截面积、直径与雷电流峰值的关系（KC=0.44）

在新规范GB50057-2010中，表F.0.1-1内关于雷电流的电荷量Qs和单位能量的意义没有解释。在旧规范GB50057-94中，则有如下说明：

1) 因为全部电荷量Qs的本质部分包括在首次雷击中，故所规定的值考虑合并了所有短时间雷击的电荷量。

2) 因为单位能量W/R的本质部分包括在首次雷击中，故所规定的值考虑合并了所有短时间雷击的单位能量。

由上可知，表1中的单位能量已考虑了重复雷击。对雷电流的电荷量Qs及单位能量W可近似按公式（1）、（2）计算。计算中的电流可按正雷击的雷电流峰值IM计算。因为首次负雷击以后的负雷击的雷电流峰值IM均小于首次正雷击的电流。

综上所述，在民用建筑防雷设计中，防雷引下线截面积的规范要求已有安全裕度，不宜再放大设置。

[1]中国机械工业联合会. GB50057-2010建筑物防雷设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2011.

[2]刘兴顺. 建筑物电子信息系统防雷技术设计手册[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2004.

[3] 徐泽芳. 防雷引下线截面积的确定方法[J]. 科技资讯,2008(33).