楼宇避雷系统防雷保护机理及其在楼宇智能化系统中的应用

摘要：详细阐述了楼宇避雷系统的技术原理及其在楼宇智能化系统中的具体应用。在楼宇智能化系统中，对于雷电的紧急防护要制定极具针对性的解决方案，实现防雷电的系统配套，进而完成智能化系统的实时管理。

关键词：避雷;楼宇智能化系统;防雷装置;防雷接地

0    引言

雷电是地球上的自然现象，它会对我们的生命和财产造成巨大损失，因此，做好防雷工作十分重要。建筑智能化系统和防雷工程似乎是两个互不搭界的专业，但有些智能化项目在雷电发生后，尽管没有被雷击，仍会发现设备损坏，累及中央监控系统，破坏系统正常工作，造成较大损失。事后往往会在一些设备的通信线、电源线上加装浪涌保护器，但雷电破坏事故仍时有发生。

本文分析了雷电的形成及其危害，着重介绍了雷击防护技术的机理，并探讨了最常用的防雷设施——避雷针及其接地要求，以此为例深入剖析防雷技术。作为建筑智能化系统设计及施工的专业工程技术人员，充分掌握这些专业知识，可以加深对防雷技术的认识，减少甚至避免建筑智能化系统工程施工及运行的隐患和风险。

1    雷电形成机理及其特性

雷电的形成与地球大气层的气流运动相关。云層由大量的水成物凝聚而成，地球表面含有水蒸气的空气，因受热上升或冷空气侵入，不同比重的温热气团将被垫高，产生向上流动的气流。气流使得雷雨云内部不停运动并相互摩擦以致生电，于是雷雨云内部产生大量带有正、负电荷的小微粒。气流运动越是剧烈，就越是加速了正、负电荷的产生和带电微粒的集结。

地球是一个大磁场，动态的雷雨云在流动中将切割地磁场的磁力线，就像导体在磁场中运动一样，将产生电荷的定向移动，使得正电荷向上移动，负电荷向下移动，这就造成正电荷在云的上端聚结，负电荷在云的下端聚结，这样就形成了很强的静电场。当此电场强度足够大时（25～30 kV/cm），云中的水成物分子会被电离激发导致雷雨云间强烈放电或者对地放电，产生巨大的闪光和雷声。

雷雨云带有大量电荷，由于静电感应的作用，雷雨云下方的地面和地面上的物体都被感应出带有雷雨云下方相反的电荷。由于带电体的电荷有趋肤效应，地面上感应的电荷主要集结在地球表面，并且电荷受到同性电荷往外排斥的作用，最容易从尖端逸出，这就是尖端放电。雷雨云与地面间的电场强度达到一定值时，地面上的突出物如高层建筑、空旷地的古树等容易与雷雨云间构成放电通道，引起雷击，被称为“闪击”。

雷雨云与大地之间形成放电之初，有两种放电方向：一种是从雷雨云云层的电荷中心伸向地面，另一种是从地面接地体如某建筑物向雷雨云云层推进。前者称为“下行先导”，后者称为“上行先导”。根据雷雨云与地面间转移电荷的极性不同，每种先导形式又可分为正极性下行先导、负极性下行先导与正极性上行先导、负极性上行先导。据大量观测统计，云地间放电的90%以上是负极性下行先导，也就是雷云下部带负电，上部带正电，云体向地面输送负电荷。由于云地间空气状态的差异性，云地间的放电有一个从渐变到突变的过程。以下行先导为例，先是由带电雷云建立空气电离的分枝状的微弱通道，然后迅速形成沿着空气电离最强、最容易导电的路径发展成主放电通道，这就形成了闪击，云地间聚集的电荷能量得以释放。在上行先导中，由于地面上的建筑物、铁塔等突出物聚集大量感应电荷，它可以使其周围的空气电离，为云地间泄出电荷开阔通道，形成主放电通道。

2    雷电闪击的危害性

雷电闪击对地面的破坏性打击主要由如下三方面造成：

2.1    巨大的主放电电流

在闪击中地面雷击点受到直击雷电击的主放电电流相当巨大，其峰值电流大多为几十千安，也有超过几百千安的。同样的雷击，其电流峰值的大小与雷击点土壤电阻率有关，土壤电阻率高，峰值电流小，土壤电阻率小，峰值电流大。

雷雨云与大地的放电过程十分短促，主放电电流的波型是一个前沿陡狭、后沿较为平坦的单极性强脉动波，一般在微秒级，如图1所示。

图1中T1为波头到达时间，即主放电电流上升阶段，从峰值电流10%到达主放电电流90%的时间，T1=10 μs。T2为波尾到达时间，即从主放电电流在上升阶段到达峰值电流10%，然后经过最大峰值回落到峰值电流50%的时间，T2=350 μs。由图可见，在极短时间内形成巨大的放电电流，对雷击点的打击甚大。电能转化成热能，足以使被雷击物体融化、燃烧、爆炸，造成建筑损坏、森林火灾、铁塔倾塌、供电/通信线路中断甚至人员伤亡等。

2.2    雷电的超强过电压

在雷击短暂的主放电过程中，由于自然或人为条件影响，如土壤导电率或防雷接地措施不佳，感应电荷不能在瞬间全部释放，就会在局部地区或构筑物上产生感应高电压。此电压可达40～60 kV，足以击穿设备或电气线路的绝缘物，也可能在建筑物内部的金属构架与接地不良的点产生火花，造成设备损坏或引燃易燃易爆物，这对生产、存放可燃、易燃易爆物或浓粉尘环境的仓库、车间是相当危险的。

2.3    雷电的电磁感应

雷电的主放电电流就像一股强大的脉冲电流在导体内流动，该电流峰流大，上升沿甚陡，具有丰富的谐波，因此在其周围的空间存在强大的电磁场。处在变化的电磁场中的金属导体会感应出较大的电动势，不闭合的金属导体回路在此电磁场中将在间隙处产生火花，这也同样会造成灾害。强大的电磁波会穿透电气设备的屏蔽物，破坏电气设备正常运行。

3    在智能化建筑中配备防止雷击的内外部防雷装置

雷云与雷击是在诸多因素综合影响下形成的自然现象，人为地干扰、阻碍雷云的生成相当困难，但防止雷击以减少雷击造成的损失还是有可能的。富兰克林避雷针是18世纪美国科学家富兰克林发明的，至今还是防雷技术中的重要设施。

根据云地放电的特性，用以对某一空间构筑物进行雷电防护的整套装置由外部防雷装置与内部防雷装置组成。外部防雷装置是在外部空间设置的防雷设施，主要由接闪器、引下线和接地装置组成，用于防护直击雷，其中接闪器由避雷针、避雷带、避雷网、避雷线等组成。内部防雷装置是指除了外部防雷装置外所有其他附加防雷设施，主要用于减少和防护雷电流在防护空间内所产生的电磁效应，如建立等电位连接，增设浪涌保护器（SPD）、过电流保护器等。

现代化建筑楼宇中必须强制采用避雷针等外部防护装置，将防雷系统作为建筑智能化整体系统的一个必备子系统。外部防雷装置由接闪器如避雷针、带、网、线、引下线及接地装置组成，实质上是人为建立畅通的、安全的云地电荷释放通道，使雷电主放电电流沿着人们设计的通道顺畅地流入大地，以达到云地间电荷在一定时间内“平衡”。

接闪器是外部防雷器的前端设备，它安装于被防护物外部空间，用来接收雷云与大地间的放电电流。通过引下线把避雷针等接闪器和与大地等电位的接地装置连接在一起，以引导雷电电流流入大地。

3.1    避雷针

避雷针是防雷外部装置接闪器中最常见的设备，避雷针设计长度及安装位置根据它的防护范围而定，而防护范围的确立要依据被保护物的防护等级。

根据建筑物使用性质、发生雷击事故后果的严重性以及由当地气象部门提供的有关年平均雷暴日资料等，按《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010），被保护物可划分为4个防护等级，最高等级为Ⅰ级，其次为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级。在雷击发生时，主放电峰值电流大小不等，防护等级越高，最小主放电峰值电流限定值越小，该值表示超过此值的雷电流被限制侵入的可能性。对大量观测数据进行概率统计，各防护等级限定入侵雷电流峰值大小如表1所示。

对避雷针防护范围的描述和计算，常用的有保护角法和滚球法。前者适用于对简单小型建筑物进行估算，表2表示对不同防护等级设置的避雷针其高度和保护角的对应关系。

实际情况下，避雷针保护范围的模型不完全是以避雷针为中心轴、以α为半圆锥角的圆锥体。所以，根据《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010）采用滚球法可以较好地描述和计算避雷针的保护范围。

滚球法把雷击产生的最小峰值电流与滚球半径建立相应的关联，而最小峰值电流又与保护物的保护等级有确定的关系，三者的联系如表3所示。

用滚球法计算避雷针保护范围，或根据保护范围计算避雷针高度。式（1）表明了被保护物高度（hx）平面上的保护半径rx和滚球半径（hτ）、避雷针高度（h）之间的关系：

对于某防护物要先确定保护等级，由此保护等级可确定滚球半径hτ，那么由式（1）可根据避雷针高度（h）及被保护物高度（hx）求得避雷针在hx高度平面上的保护半径rx。同理，已知rx、hτ、hx可以计算出避雷针高度h，由于公式（1）是h的一元二次方程，会有两个h的解，可以选择一个合理的解作为设计依据。

例如：某现代化标准厂区占地面积为30 m×40 m，厂房高度为4 m，如在该厂区的中心位置安装避雷针作为外部雷击防护设施，求此避雷针高度为多少能起到有效的防护作用。

首先确定该厂区的使用性质属于Ⅲ类防护建筑物，设定滚球半径hτ为60 m，并设定在离地4 m平面上，以厂区中心位置为保护区中心，保护半径为20 m，将上述已知条件代入式（2）：

解式（2）可得h值为16.5 m和104 m，显然选择h=16.5 m为合理值;如选取h=104 m，则工程成本大大增加，故不予采纳。

外部防雷装置除避雷针以外，还可以设置避雷带、避雷网、避雷线等。

3.2    避雷针的接地装置

在外部防雷装置中，避雷针和接地装置以及连接二者的引下线是一个完整的装置，缺少其中任意一个环节或某一环节有故障，则避雷针不仅起不到作用，反而会引来灾害。2007年5月，四川省有一个乡村小学遭遇雷击，造成该校7名学生死亡，40多人受伤。事后经专家现场勘查，在分析报告中指出：雷电从南边过来，首先击向2 m高的金属旗杆，旗杆采用一般的基础固定安装在地面，没有专门的接地装置。由于旗杆未接地，把雷迎来后，电荷得不到顺畅泄放，于是转向附近教室的金属窗户、预制板钢筋，导致多名学生遭受雷击，造成惨祸。由此可见，避雷针的接地十分重要。

地球陆地表层是具有良好导电率的土壤或砂石，一般情况下处于电荷平衡状态，这个地电平可以看作零电平。如果发生云地放电，通过避雷针，经引下线流入接地体，地表的土壤层可以作为电荷的接收体，由于其导电率高，能很快地将雷电流的放电电荷消散。接地电流流入地面以后，是自接地体向四周做半球形流散，自接地體向四周流散的电流叫流散电流，流散电流在土壤中遇到的全部电阻叫做流散电阻，也就是接地电阻，按标准接地电阻值不大于10 Ω考虑。

一般情况下，防雷接地可利用建筑物的混凝土钢筋，但这些被利用当防雷接地体的钢筋框架必须全部焊接，符合接地电阻的要求，如果不符合的话，则必须另设置人工接地体，以符合接地电阻的要求。可以采用40 mm×4 mm扁钢作为接地引下线与接地体相连。

接地体结构如图2所示，图中所有材料的连接点必须焊接良好，并做好机械安装工作。

避雷针的接地除了符合接地有关规定外，下列诸点必须注意。

（1）独立的避雷针与被保护物间应保持一定的空间距离，一般不应小于5 m。与被保护物的接地网（如混凝土钢筋框架）之间也应保持一定的地中距离，一般不应小于3 m。以避免避雷针引雷时，产生的高压电位对被保护物发生“反击”事故。

（2）独立的避雷针及其接地装置，离建筑物出入口等人员经常出入的区域，不应小于3 m，以降低跨步电压。如有困难，可在水平接地体上敷设50～80 mm的沥青层，其宽度应超过接地装置2 m。

（3）避雷针接地引下线在地面敷设不应过长，雷击时，高频高压电流通过直线状的金属带，其呈现的感抗会在引下线上产生较高的感抗压降，会伤害周边人员，引起事故。

（4）所有防雷接地的金属构件必须做好防腐蚀措施以及日常检查工作。

当今的智能化建筑普遍兼具个性和独特性，因此需要配备极具针对性的防雷系统。理论和实践证实，唯有完善和有效的防雷措施才能确保楼宇整体智能化系统的正常运行以及各分系统实时监控信息的即时传输和用户的安全。如机电系统在防雷接地设计和实施过程中采用的接线方式存在缺陷和瑕疵，就会导致智能化系统中机电分系统运行异常。现在常用的接地方式包括单独接地和共同接地两种，实际使用过程中通常采用共同接地的接线方式。除此之外，智能化机电系统的防雷设计工程是一个完整的系统性工程，需要从全局的角度进行把控，将防雷措施的各个相关因素整合，实现具体防雷工作的有效实施。

建筑物接地系统可以具体地划分为保护区域系统、防雷区域系统以及屏蔽区域系统等。各个不同的系统都有不同的设计要求，同时不同的接地系统存在的问题较多，一旦处理不恰当，就很容易产生安全隐患。因为智能化建筑会受到较多因素干扰，同时防雷区域跟保护区域之间互相连通，可以选用基础性的钢筋网络作为接地体，并采用统一的接地方式。

从实际的防雷安全角度进行分析，防雷接地与电力设备之间的连接是防雷保护的关键。一般来说，机电系统的接地方式为单独接地，优点是能够保证地电位的稳定，如果将传统的接线方法应用到智能化建筑防雷工作中，很容易形成反击现象，因此不适合采用此类线路接地方式。

由此可见，防雷接地装置并不十分复杂，然而一旦發生雷击就可能造成巨大损失，所以，建设、施工单位和使用单位应给予足够的重视，在设计、施工时必须严格执行有关规定和标准，并加强日常检查与维护。特别是对裸装的金属件和连接处，要定期检查，防止因腐蚀引起灾害事故。

4    结语

建筑智能化系统在运行中受到雷电破坏并不少见，作为建筑智能化系统工程技术人员应当了解和认识雷电破坏智能化系统设施的原因，从而采取有效措施保护系统设备。笔者专程考察过大量受到雷击破坏的建筑现场，绝大多数事故都是由小疏忽造成的，但遭到的损失极其巨大。所以，必须重视建筑智能化系统工程与防雷工程的关联性，将防雷系统作为建筑智能化整体系统的一个必备子系统。

在考察中有些问题必须引起重视，如在空旷地安装智能化监控设备的金属立杆的接地;对安装在屋顶空间或直接与水管连接BA楼宇自动化控制设备、中央监控控制柜、静电地板等这些设施的接地点，应认真检查接地点质量状况，内外相连的通信、电源电缆，正确安装浪涌保护器（SPD）等等。希望本文的论述对建筑智能化系统设计及施工从业人员有所启示，能对照国家有关标准与规范认真落实防雷的有关要求，更好地防范雷击事故发生。

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收稿日期：2020-05-25

作者简介：黄文葳（1972—），男，上海人，工程师，研究方向：计算机应用。