防雷设计

绪论

自古以来，雷电灾害一直存在，据有关研究统计，地球上任一时刻平均有2000多个雷暴在进行着，平均每秒有100次闪电，每个闪电强度可高达10亿伏，足见其能量之大，产生的危害可想而知。

200多年前，富兰克林发明避雷针以后，建筑物等设施已得到了一定的保护，人们认为可以防止雷害，对防雷问题有所松懈。但是随着近代高科技的发展，尤其是微电子技术的高速发展，雷电灾害越来越频繁，损失越来越大，原先的避雷针已无法保护建筑物、人和电器设备。握着电话话筒而受雷击致死的人时有所闻，原先许多从来不发生雷电灾害的行业和部门也频频受害。这些雷害是人们意料不到的。据统计，现今全球平均每年因雷电灾害造成的直接经济损失就超过10亿美元，死亡人数在三千人以上。我国根据气象部门和劳动部门的估算，每年雷击伤亡人数均超过1万，其中死亡3000多人。例如1989年８月1２日，我国青岛市黄岛油库遭雷击失火，燃烧104小时才勉强扑灭。伤亡人员近百名，烧毁原油3.6万吨，整个油库毁坏殆尽，变成一片废墟。又如某数据中心，集全体技术人员历时三年的研究成果和宝贵数据因一次雷灾而化为乌有。类似的案例不胜枚举。

90年代以后，雷灾出现新的特点，这主要是因为一些高大建筑的兴起，最典型的就是高层智能大厦，这种高大的建筑物很容易吸引落雷，从而使本身所在建筑及附近建筑遭到破坏。另外，随着微电子技术高度发展及广泛应用到各个领域，使雷害对象也发生了转移──从对建筑物本身的损害转移到对室内的电器、电子设备的损害，以至发生人身伤亡事故。随之防雷对象也由强电转移到弱电，雷电产生的电磁脉冲超过直接雷击而成为主要危害。

从上面的叙述可以看出，防雷工作是十分必要的，各行各业有关部门均应给予重视。尤其是电气设计人员，在进行建筑物的防雷设计时，一定要严格按照我国《建筑物防雷设计规范》（GB50057－94 2000）强制性国家标准来进行设计。

本文从雷电对建筑物产生危害的四个方面入手，先叙述了直击雷、雷电波侵入、感应过电压和地电位提高等对建筑及其内部设备的损害，再介绍建筑物防雷等级确定的方法，然后阐述目前针对这四种雷电危害的电气综合防雷系统的设计──外部防雷和室内防护，最后以一个实际工程对防雷系统设计过程进行详细的介绍。

1 雷击的危害

通常所谓的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。当然，云层之间的放电主要对飞行器有危害，对地面上的建筑物和人、畜没有很大影响。然而，云层对大地的放电，则对建筑物、电子电气设备和人、畜危害甚大，这是电气防雷设计的主要对象。

雷击的危害主要有四个方面：

（1）直击雷

带电的云层对大地上的某一点发生猛烈的放电现象，称为直击雷。它的破坏力十分巨大，若不能迅速将其泻放入大地，将导致放电通道内的物体、建筑物、设施、人畜遭受严重的破坏或损害——火灾、建筑物损坏、电子电气系统摧毁，甚至危及人畜的生命安全。

（2）雷电波侵入

雷电不直接放电在建筑和设备本身，而是对布放在建筑物外部的线缆放电。线缆上的雷

电波或过电压几乎以光速沿着电缆线路扩散，侵入并危及室内电子设备和自动化控制等各个系统。因此，往往在听到雷声之前，我们的电子设备、控制系统等可能已经损坏。

（3）感应过电压

雷击在设备设施或线路的附近发生，或闪电不直接对地放电，只在云层与云层之间发生放电现象。闪电释放电荷，并在电源和数据传输线路及金属管道金属支架上感应生成过电压。

雷击放电于具有避雷设施的建筑物时，雷电波沿着建筑物顶部接闪器（避雷带、避雷线、避雷网或避雷针）、引下线泄放到大地的过程中，会在引下线周围形成强大的瞬变磁场，轻则造成电子设备受到干扰，数据丢失，产生误动作或暂时瘫痪；严重时可引起元器件击穿及电路板烧毁，使整个系统陷于瘫痪。

（4）地电位反击

如果雷电直接击中具有避雷装置的建筑物或设施，接地网的地电位会在数微秒之内被抬高数万或数十万伏。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，在未实行等电位连接的导线回路中，可能诱发高电位而产生火花放电的危险。

如图1所示，当10KA的雷电流通过下导体入地时，假设接电阻为10欧姆,根据欧姆定律,可知在入地点A处电压为100KV。因A点与C点、D点相连，所以这几点电压都为100KV。而E点接地，其电压值为0，设备的D点与E点间有100KV的电压差，足以将设备损坏。

图1

以上四方面中雷电对建筑物的危害主要以后雷电波侵入、感应过电压与地电位反击三者居多，这三者统称为雷电电磁脉冲。据有关统计资料，直击雷的损坏仅占15%，而雷电电磁脉冲的损坏占85%。因此，现代建筑的防雷设计已不同以往，对雷电电磁脉冲的防护必须要加以重视。

2 防雷等级分类计算

我们在着手建筑物防雷设计的第一步时，首先是要确定建筑物的防雷等级。《建筑物防雷设计规范》(GB50057－97 2000)中，对建筑物防雷等级的划分，除了由建筑物的功能定性外，第二、三类防雷建筑，还取决于建筑物的预计年雷击次数N。

2.1 建筑物的预计年雷击次数计算

建筑物年预计雷击次数应按下式计算：

N = k * N g * A e（1）

式中：N ──建筑物年预计雷击次数（次／a）；

k──校正系数，在一般情况下取1，在下列情况下取相应数值：位于旷野孤立的建筑物取2；金属屋面的砖木结构建筑物取1.7；位于河边、湖边、山坡下或山

地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，

以及特别潮湿的建筑物取1.5；

N g ──建筑物所处地区雷击大地的年平均密度［次／（km2·a）］；

A e──与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）。

雷击大地的年平均密度应按下式计算：

N g＝0.024T d1.3（2）

式中：T d──年平均雷暴日，根据当地气象台、站资料确定（d／a）。

建筑物等效面积A e是其实际平面积向外扩大后的面积。其计算方法分以下三个方面：（1）当建筑物的高H小于100m时，其等效面积按以下公式计算：

6

π（3）

=H

+

+

-

H

H

+

LW

L

W

H

A

200

(

·

10

-

)

)]

200

[-

)

(2

(

·

e

式中：L、W、H──分别为建筑物的长、宽、高（m）。

（2）当建筑物的高H等于或大于100m时，建筑物的等效面积按下式计算：

A e ＝[ LW＋2 H（L＋W）＋πH2 ]·10-6（4）

（3）当建筑物各部位的高不同时，应沿建筑物周边逐点算出最大扩大宽度，其等效面积A e应按每点最大扩大宽度外端的连接线所包围的面积计算。

D-

H

=（4）

(H

)

200

按以上公式计算得到N后就可以确定防雷等级了。一般先把建筑物按其重要性和使用性质分为部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物和住宅、办公楼等一般性民用建筑物两类。

部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物其年预计雷击次数N大于0.06次/a时，该建筑就划为第二类防雷建筑物；若N大于等于0.012次/a，且小于或等于0.06次/a，则该建筑就划为第三类防雷建筑物。住宅、办公楼等一般性民用建筑物其年预计雷击次数N大于0.3次/a时，该建筑就划为第二类防雷建筑物；若N大于等于0.06次/a，且小于或等于0.3次/a，则该建筑就划为第三类防雷建筑物。

那么，如果N小于0.012次/ a该怎么办呢？按照规范的要求，如果N小于0.012次/ a，同时该建筑物又不属于国家机关、政府大楼等重要建筑的话，可以不做防雷设计。但是，从2004年7月开始，上海气象局对没有做建筑防雷设计的建筑工程不与审批通过。因此，年预计雷击次数小于0.012次/ a的建筑物的防雷设计还要根据各个地方的地方规定。

2.2 计算举例

例1：南京某大学教学楼，其屋顶平面图见附录图纸“教学楼屋顶平面图”，各尺寸见平面图标注，试确定其防雷等级。

解：从建筑屋顶平面图各标高可以看到，此建筑属于上述三类中的（3），即建筑各部位的高度不同。

但它还有一个特殊的地方，就是整幢建筑的外形呈半工字形，对这种特殊的联体式的建筑，防雷计算有两种不同的可行的方法。一种是把整幢建筑的外周长加起来，算做等效长度，然后根据等效长度和宽、高来计算年预计雷击次数。第二种是把整幢建筑按其结构功用分为三个单体来分别计算，计算后取防雷等级大的为整个建筑的防雷等级，然后根据每个单体建筑的长、宽、高适当增设避雷针。

第一种做法是常规的做法，而第二种做法是一种经验做法，目前已经被审图公司认可，之所以可以采取此种方法计算是因为像这样的建筑，因为其单体功能不同，建筑里配电设备