建筑防雷综合论述实用版

YF-ED-J8265
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建筑防雷综合论述实用版
Management Of Personal, Equipment And Product Safety In Daily Work, So The Labor Process Can Be Carried Out Under Material Conditions And Work Order That Meet Safety Requirements.
（示范文稿）
二零XX年XX月XX日
建筑防雷综合论述实用版
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前言
在人类生存的环境中有许多自然灾害，如
地震、暴雨、冰雹、水灾、旱灾、火灾、雷击
等等。

对此，人们总是想方设法进行防御，或
减轻它们所造成的损失。

雷击就是严重的自然
灾害之一。

但就我国而言，过去防雷设计在整
个建筑设计中所占的比重很小。

电气设计人员
不重视，其他专业的设计人员更不重视，但雷
击所造成的损失却无法轻视。

如1989年山东黄
岛油库遭受雷击并引起大火，损失惨重。

就防雷历史而言，我国建国初期大多是按
照日本的45°～60°保护角确定避雷针的保护范围，用三叉小针铜避雷针、铜引下线和1m×1m铜板作为接地装置。

50年代初期，引进苏联技术，采用抛物线或折线计算法，用铁管或镀锌元钢做避雷针，用镀锌元钢做引下线，地下打入3～5m长的镀锌铁管或钢材作接地极，以致现在的避雷带和避雷网均采用镀锌钢筋或扁钢。

80年代以前，我国没有建筑物防雷规范，建筑电气设计人员只能凭自己的认识设计避雷针。

自1957年北京市两大雷击事故发生以后，我国大量的古建筑物和群众集中的公共场所才开始安装避雷装置。

1957年7月6日明十三陵长陵棱恩殿遭受雷击，劈掉西部吻兽，劈裂两根直径1.17m，高14.3m的大楠木柱子，死一
人，伤三人；1957年7月8日中山公园内的一棵大树落雷，雷电流感应至附近的配电线路，然后传到中山公园音乐堂，烧毁了配电室、舞台和观众厅大顶棚。

为此，北京市领导召开了紧急会议，决定对北京市重要古建筑物和人员众多的影剧院安装避雷针并指定由笔者负责设计。

此后，从天安门开始，到劳动人民文化宫三大殿、景山万春亭、北海公园白塔，以至鼓楼、天坛祈年殿、颐和园排云殿、智慧海、十三陵长陵棱恩殿、明楼、戒台寺等30多处古建筑物和中山公园音乐堂等重要影剧院都相继安装了避雷装置。

1957年，笔者将过去积累的雷击事故调查和设计经验进行了总结，写出了“民用建筑物防雷保护”研究报告并且于1958年9月在建工
部设计局于武汉召开的“全国电气设计人员交流大会”上，作了报告，发表了防雷观点和设计方法。

报告中提出的雷击规律、防雷标准、保护方式、设计要点、屋顶板内钢筋作接闪装置的理论以及详细的设计实例和数十种做法大样得到了与会代表的一致赞同，以后被广泛采用。

1958年底，北京市建筑设计院研究室、中国科学院电工研究所和清华大学高压教研室共同成立了“北京建筑物防雷研究小组”。

1962年5月出版的《民用建筑物防雷保护》和1980年9月出版的《建筑物防雷设计》就是在笔者1957年研究报告和小组研究成果的基础上写出来的。

书中突出的观点是建筑物防雷设计的六项重要因素，即接闪功能、分流影响、屏蔽作
用、均衡电位、接地效果和合理布线。

现在看来，国内外的标准和规范都离不开这六要素，有的单位还把它们作为设计原则。

笼式避雷网和等电位连接早在1958年就在人民大会堂的设计和工作实践中采用了，而国际上戈尔德（G.H.Golde）于1997年才在《雷电》一书（国际名著）中谈到等电位连接的做法，所以我国的防雷研究和实践并不落后。

笔者主审的我国第一部《建筑物防雷设计规范》（GBJ57－83）于1983年11月7日公布。

第二部《建筑物防雷设计规范》（GB50057－94）（机械工业部设计研究院林维勇先生主笔）于1994年4月18日公布。

该部规范吸收了许多国外先进的东西，将接闪器保护范围的计算方法改为滚球法并结合我国防雷设计的实
际经验增加了许多新条款。

这两部规范对指导我国建筑物防雷设计起了很大的作用。

70年代以前，人们听到的雷击事故多是击中建筑物或大树，严重的造成了建筑物烧毁或人员伤亡。

那时被雷击的建筑物绝大多数是没有安装防雷装置（避雷针、避雷带或避雷网）。

现在听到的雷击事故相对少了，其原因是，六层以上的多层建筑物和高层建筑物都安装了防雷装置。

有时，接闪器接闪后，即使是微电子设备因雷电电磁脉冲感应受损，局外人也不知道，本单位做些局部修理也就完事了。

其实，现在的雷击事故并不算少。

雷击建筑物对某一栋楼而言可能是百年不遇的事，但防雷装置接闪则是较常见的，这也是正常的。

接闪装置接闪后，建筑物引下线附近的设
备会受到雷电流的感应，这就是雷电电磁脉冲干扰。

90年代以前，国际和国内的规范都没有关于雷电电磁脉冲的规定。

1992年国际电工委员会建筑物防雷专委会（IEC－TC/81）才开始讨论这个问题。

1995年2月，该机构发布了国际标准《雷电电磁脉冲的防护》（IEC1312－1.2.3）。

目前我国尚没有类似的规定，这是近年来的问题。

随着电子技术的飞速发展，电子计算机早已步入社会的各行各业。

建筑物内几乎无不设有复杂程度不同的微电子设备和计算机系统，民用建筑也不例外。

雷电电磁脉冲干扰日益成为频发事故。

面对这种挑战，设计人必须转变观念，把雷电电磁脉冲防护当作防雷设计的重点。

这不只是电气一个专业的事，因为它涉及
到电子设备的位置和管线的布置等问题。

各个专业应充分协商，从整体上解决防雷设计上的问题。

否则，建筑物设计得再好，也无法正常使用。

研究建筑物防雷应从雷击事故调查入手，找出雷击规律，然后，利用雷击模拟实验，对所总结的规律和所提出的解决方案予以验证。

研究人员应根据科技的发展，不断吸收新东西对满足不断变化的社会需要，如计算机的发展导致的对雷电电磁脉冲防扩的需要。

下面将对防雷设计的基本原则、雷击规律、近年来国际上提出的新概念以及随着科技发展出现的新问题分别予以论述。

1．雷电电磁脉冲
雷电电磁脉冲（Lightning
Electromagnetic Pulse），简称LEMP，是天空打雷时产生的作为干扰源的强大闪电流及其电磁场。

它的感应范围很大，对建筑物、人身和各种电气设备及管线都会有不同程度的危害。

这种危害就是雷电电磁脉冲所产生的干扰。

建筑物内的雷电电磁脉冲干扰指以下三种情况：
（1）天空中雷电波的电磁辐射对建筑物内电力线路和电子设备的电磁干扰；
（2）建筑物的防雷装置接闪时，强大的瞬间雷电流对建筑物内电力线路和电子设备的干扰；
（3）由外部各种强、弱电架空线路或电缆线路传来的电磁波对建筑物内电子设备的干扰。

现代电子技术日益向高精度、高灵敏度、高频率和高可靠性方向发展。

这些电子设备非常灵敏，但耐压很低，一般电子设备都承受不了正负5伏的电压波动。

以各种微机为例，当雷电电磁脉冲的磁场强度超过0.07 高斯时，就会引起微机的误动作，当磁场强度超过2.4高斯时，就会造成微机的永久性损坏。

因此，我们必须对雷电电磁脉冲采取必要的防护措施，以便在先进的建筑物内实现良好的电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility）。

防御雷电电磁脉冲干扰的理想防雷设计方案是笼式避雷网，它利用的是法拉第笼原理。

建筑物的金属结构物遍及各处，不用很多钢材就可很容易连接起来形成法拉第笼，从而建筑物内的电子设备得到很好的屏蔽。

屏蔽做得
好，不仅能防御空间电磁波的辐射，而且还可使建筑物内部的分流和均压达到最佳效果。

这里要说明，屏蔽的做法应根据建筑物内电子设备的要求决定。

由于设备的性质不同，因此，有的要求仅对设备本身做屏蔽，有的要求在设备与设备之间做屏蔽，还有的要求在机房做屏蔽。

正因为这个问题的重要，所以1995年国际电工委员会建筑物防雷分委会（IEC/TC-81）在《雷电电磁脉冲的防护》的标准中提出了防雷保护区（LPZ）的概念，国际上刚开始实行这种规定，而我们国家还没有提出。

笔者认为，设计人员可以按照微电子设备的多少、繁简、重要程度、摆放位置及进出管线的具体情况自行划分防雷区以取得良好的屏蔽、等电位和接地效果。

因此，防御雷电电磁脉冲对室内布线的要求非常严格。

由于用作引下线的钢筋混凝土柱内的钢筋和整个建筑物的屏蔽网都在外墙处，雷电流需经此处的钢筋分流到接地装置上，所以外墙处的电流密度大，电磁场强。

因此，建筑物中的电源和通信等线路的主干线不应靠近外墙，最好设置在建筑物的中心部位，如电梯井在中心部位，可设置在电梯井的近旁。

建筑物内的各种电气馈线都要穿金属管保护或采用双层屏蔽电缆（或同轴电缆）。

在一些有特殊要求的线路电源侧，还应加装电涌保护器、隔离变压器、稳频、稳压以及滤波等装置。

防御雷电电磁脉冲对接地的要求也很严格。

电子系统的低频信号工作接地应采用单点接地系统，在整个建筑物内应为树干式结线布
置。

各层或各段的低频信号工作接地均应直接接到单点接地板上，不得形成环路。

单点接地系统不应与用作防雷引下线的柱子平行，以防强磁场干扰。

由于是利用建筑物结构钢筋作屏蔽，因此必须采用综合共同接地方式，即将防雷接地、电源的工作接地、各种装置的外壳、铁管外皮和高频电子设备的信号接地都统一接到建筑物的基础上或室外接地装置上。

为避免杂散电流，单点接地系统必须采用绝缘线，其主接地板必须置于建筑物的最底层且直接与基础或室外接地装置连接。

各层单点接地系统的区域接地板或终端接地板如需要与综合共用接地系统的装置接地板连接，应在它们之间加装不大于直流300V的放电管或压敏电阻。

综合共用接地的电阻一般应在1欧姆以下，对于特殊
的电子设备，可在0.5欧姆以下。

确定接地电阻时，应考虑各种设备对接地电阻值的要求，在所要求的各种阻值下，应取最低值。

在低压220/380V供电系统中，应采用三相五线（TN－S）系统，以便于装置接地（PE）线和中性（N）线分开，PE线应接到各层或各段装置接地的终端地板上。

为了防御雷电电磁脉冲，建筑物的电源、电话、广播等线路最好采用埋地电缆引入，所用电缆应为铠装电缆或同轴电缆且外皮两端均要接地。

2 外部防雷装置与内部防雷装置
国际电工委员会编制的标准（IEC1024－1）将建筑物的防雷装置分为两大部分：外部防雷装置和内部防雷装置。

笔者认为，这样划分很有必要，建筑物的防雷设计必须将外部防雷
装置和内部防雷装置作为整体统一考虑。

外部防雷装置（即传统的常规避雷装置）由接闪器、引下线和接地装置三部分组成。

接闪器（也叫接闪装置）有三种形式：避雷针、避雷带和避雷网，它位于建筑物的顶部，其作用是引雷或叫截获闪电，即把雷电流引下。

引下线，上与接闪器连接，下与接地装置连接，它的作用是把接闪器截获的雷电流引至接地装置。

接地装置位于地下一定深度之处，它的作用是使雷电流顺利流散到大地中去。

内部防雷装置的作用是减少建筑物内的雷电流和所产生的电磁效应以及防止反击、接触电压、跨步电压等二次雷害。

除外部防雷装置外，所有为达到此目的所采用的设施、手段和措施均为内部防雷装置，它包括等电位连接设
施（物）、屏蔽设施、加装的避雷器以及合理布线和良好接地等措施。

随着电子设备的广泛使用，雷电电磁脉冲的危害也相对严重起来。

1992年6月22日国家气象局中心大楼发生雷击事故，北京－东京的同步线路的调制解调器被击坏，致使线路中断46小时，另一主机的一块异步板被击坏，导致8条线路中断，影响了国际通讯。

其他地点因雷电电磁脉冲干扰而导致电子设备损坏的例子还有不少。

这类例子说明，只设计外部防雷装置而不配之内部防雷手段，接闪器再好，也无法获得好的防雷效果。

防雷工程是一种系统工程。

笔者早在1960年作人民大会堂工程总结及写作《建筑物防雷设计》一书时就提出了建筑物防雷设计的六项
重要因素，目的是提醒人们要整体地、全面地考虑建筑物防雷设计。

这六项要素是：
（1）接闪功能：指实现接闪功能所应具备的条件，包括接闪器的形式（避雷针、避雷带和避雷网）、耐流耐压能力、连续接闪效果、造价以及接闪器与建筑物的美学统一性等。

（2）分流影响：指引下线对分流效果的影响。

引下线的粗细和数量直接影响分流效果，引下线多，每根引下线通过的雷电流就小，其感应范围就小。

引下线相互之间的距离不应小于规范中的规定。

当建筑物很高，引下线很长时，应在建筑物的中间部位增加均压环，以减小引下线的电感电压降。

这不仅可以分流，而且还可以降低反击电压。

（3）均衡电位：指使建筑物内的各个部位
都形成一个相等的电位，即等电位。

若建筑物内的结构钢筋与各种金属设置及金属管线都能连接成统一的导电体，建筑物内当然就不会产生不同的电位，这样就可保证建筑物内不会产生反击和危及人身安全的接触电压或跨步电压，对防止雷电电磁脉冲干扰微电子设备也有很大的好处。

钢筋混凝土结构的建筑物最具备实现等电位的条件，因为其内部结构钢筋的大部分都是自然而然地焊接或绑扎在一起的。

为满足防雷装置的要求，应有目的地把接闪装置与梁、板、柱和基础可靠地焊接、绑扎或搭接在一起，同时再把各种金属设备和金属管线与之焊接或卡接在一起，这就使整个建筑物成为良好的等电位体。

（4）屏蔽作用：屏蔽的主要目的是使建筑
物内的通信设备、电子计算机、精密仪器以及自动控制系统免遭雷电电磁脉冲的危害。

建筑物内的这些设施，不仅在防雷装置接闪时会受到电磁干扰，而且由于它们本身灵敏性高且耐压水平低，有时附近打雷或接闪时，也会受到雷电波的电磁辐射的影响，甚至在其他建筑物接闪时，还会受到从该处传来的电磁波的影响。

因此，我们应尽量利用钢筋混凝土结构内的钢筋，即建筑物内地板、顶板、墙面、及梁、柱内的钢筋，使其构成一个六面体的网笼，即笼式避雷网，从而实现屏蔽。

由于结构构造的不同，墙内和楼板内的钢筋有疏有密，钢筋密度不够时，设计人应按各种设备的不同需要增加网格的密度。

良好的屏蔽不仅使等电位和分流这两个问题迎刃而解，而且对防御雷
电电磁脉冲也是最有效的措施。

此外，建筑物的整体屏蔽还能防球雷、侧击和绕击雷的袭击。

（5）接地效果：指接地效果的好坏。

良好的接地效果也是防雷成功的重要保证之一。

每个建筑物都要考虑哪种接地方式的效果最好和最经济。

笔者认为，当钢筋混凝土结构的建筑物符合规范条件时，应利用基础内的钢筋作为接地装置。

当达不到规范中规定的条件或基础包在防水卷材层内时，可做周圈式接地装置，但应将周圈式接地装置预先埋在基础槽的最外边（不必离开建筑物3m以外）。

接地体靠近基础内的钢筋有利于均衡电位，同时还可节省为挖深沟所花费的人力和物力。

在基础完工后再挖深沟则易影响基础的稳定性。

对木结构和砖混结构建筑物，必须做独立引下线并采用独立接地方式。

当土壤电阻率大，使用接地极较多时，也可做周围式接地装置。

因为周圈式接地装置的冲击阻抗小于独立接地装置的冲击阻抗，而且有利于改善建筑物内的地电位分布，减小跨步电压。

采用独立式接地方式时，以钻孔深埋接地极（约4~12m）的效果为最好，深孔接地极容易达到地下水位，且能减少接地极的用钢量。

（6）合理布线：指如何布线才能获得最好的综合效果。

现代化的建筑物都离不开照明、动力、电话、电视和计算机等设备的管线，在防雷设计中，必须考虑防雷系统与这些管线的关系。

为了保证在防雷装置接闪时这些管线不受影响，首先，应该将这些电线穿于金属管
内，以实现可靠的屏蔽；其次，应该把这些线路的主干线的垂直部分设置在高层建筑物的中心部位，且避免靠近用作引下线的柱筋，以尽量缩小被感应的范围。

在管线较长或桥架等设施较长的路线上，还需要两端接地；第三，应该注意电源线、天线和屋顶高处的彩灯及航空障碍灯等线路的引入做法，防止雷电波侵入。

除考虑布线的部位和屏蔽外，还应在需要的线路上加装避雷器、压敏电阻等浪涌保护器。

因此，设计室内各种管线时，必须与防雷系统统一考虑。

3 安全隔离距离与等电位连接
在建筑物内部，就总体来说，防雷措施可分为安全隔离距离和等电位连接两大类。

安全隔离距离指在需要防雷的空间内，两导电物体
之间不会发生危险的火花放电的最小距离，即不会发生反击的最小距离。

等电位连接的目的是减小或消除内部防雷装置各个部位上所产生的电位差，包括靠近进户点的外来导体上的电位差。

笔者主张，若采用安全距离法就应严格按照《建筑物防雷设计规范》（GB50057－94）规定的各类防雷措施去计算；若采用等电位连接法，就应彻底实现等电位。

木结构和砖混结构结构应采用安全距离措施，钢筋混凝土结构和钢结构应采用等电位连接措施。

5球雷
在国际建筑物防雷标准（IEC/TC－81）和我国的《建筑物防雷设计规范》中，均没有对球雷的防护作出规定。

在笔者的调查中，北京
地区的球雷事故还是不少的，球状闪电约占闪电统计总数的13.7％。

尽管国内外科技人员对球状闪电的形成机理尚无一致的观点，但对其性质、状态和危害还是比较清楚的。

球雷（即球状闪电）是一种橙色或红色的类似火焰的发光球体，偶尔也有黄色、蓝色或绿色的。

大多数火球的直径在10～100cm左右。

球雷多在强雷暴时空中普通闪电最频繁的时候出现。

球雷通常沿水平方向以1～2m/s的速度上下滚动，有时距地面0.5～1m，有时升起2～3m。

它在空中漂游的时间可由几秒到几分钟。

球雷常由建筑物的孔洞、烟囱或开着的门窗进入室内，有时也通过不接地的门窗铁丝网进入室内。

最常见的是沿大树滚下进入建筑物并伴有嘶嘶声。

球雷有时自然爆炸，有时遇到
金属管线而爆炸。

球雷遇到易燃物质（如木材、纸张、衣物、被褥等）则造成燃烧，遇到可爆炸的气体或液体则造成更大的爆炸。

有的球雷会不留痕迹地无声消失，但大多数均伴有爆炸声且响声震耳。

爆炸后偶尔有硫磺、臭氧或二氧化碳气味。

球雷火球可辐射出大量的热能，因此它的烧伤力比破坏力要大。

下面是一个典型的球雷实例：1982年8月16日，钓鱼台迎宾馆两处同时落球雷，均为沿大树滚下的球雷。

一处在迎宾馆的东墙边，一名警卫战士当即被击倒，该战士站在2.5m高的警卫室前，距落雷的大树约3m，树高20多米。

球雷落下的瞬间，他只感到一个火球距身体很近，随后眼前一黑就倒了。

醒来后，除耳聋外并无其他损伤。

但该警卫室的混凝土顶板外檐
和砖墙墙面被击出几个小洞，室内电灯被打掉，电灯的拉线开关被打坏，电话线被打断，估计均为电磁感应的电动力所致。

另一处在迎宾馆院内的东南区，距警卫室约100m，也是沿大树滚下。

距树2m处有个木板房（仓库），该房在三棵14～16m高大槐树包围之中，球雷沿东侧的大树滚下后钻窗进屋，窗玻璃外有较密的铁丝网，但没有接地，铁丝网被击穿8个小洞，窗玻璃被击穿两个小洞。

球雷烧焦了东侧木板墙和东南房角，烧毁了室内墙上挂的两条自行车内胎，烧坏了该室的胶盖闸，室内的电灯线也被烧断。

落雷大树下放有十多盘钢筋、8辆铁推车和6个空汽油桶。

这此金属物都是招引雷电的条件。

防护球雷并不困难，应该在规范或标准中
规定相应的措施。

就防护球雷措施而言，最好是笼式避雷网，如果达不到笼式避雷网条件，就在建筑物的门窗上安装金属纱网并接地；堵好建筑物墙面上不必要的孔洞；烟囱与出气管上口均要加装铁丝网并接地；储存或损伤易燃易爆物体的仓库和厂房的烟囱和放气管应加装阻火器并接地。

对高大树木下的重要建筑物尤其要采取防护球雷的措施。

6雷击规律认识雷击事故的规律非常重要，只有掌握了规律，防雷设计才能取得良好的效果。

在雷雨天，天空的雷云与地面上的物体各带不同的电荷，当电荷积累到一定的程度，就会产生电场畸变而发生落地雷击。

但如果地上某处没有足够强大的上行先导，则雷电是不会打到该处的。

北京紫禁城内的建筑物落较多，其原因在于：紫禁城周围是护城河，河内现在仍有水；通往护城河的古河道有4条：一条是玉河，它流入护城河的西北角；一条是潮白河的支流，它流入护河的东北角；一条是大通河，它流入护城河的正东部；另一条是潞河的支流，它流入护城河的东南角。

故宫内各栋建筑物下的基础均潮湿，过去东南部的水位较高，地下不到2m就能见水，可见故宫院内地下的土壤电阻率相对较低；另外院内又有高大的古树。

这些即为易发生雷击的内因，这些内因决定着该地区电场易产生电场畸变，瞬间发生的上行先导容易与雷云的下行阶段先导会合，从而形成落地雷。

这就是紫禁城范围内的明显雷击规律。

笔者自1954年到1988年在北京地区调查。