浅谈建筑物防雷与接地防护措施的设计与应用

浅谈建筑物防雷与接地防护措施的设计与应用
摘要：防雷接地防护措施是有效防止建筑物受自然灾害侵袭、保护人民财产与人身安全的科学策略。

本文详细阐述雷电的破坏作用,结合实际介绍高层建筑的防雷接地措施及其必要性。

关键词：雷电危害防雷接地
0引言
雷电是自然界中的一种放电现象，虽然时间短暂却可以在瞬间的放电过程中聚集很大的电流强度，通常对建筑物，尤其是高层大厦造成极大的破坏。

有时还会引发大面积的火灾或停电、电路虚连造成触电等现象的发生。

由此不难看出，雷电对建筑物的影响之大、速度之快、范围之广、作用之深是无法估量的，我们只有在建筑物的工程建设初期就对其供配电系统、电气设计进行科学的分析，结合实际施工过程中的成功经验及先进的科学技术不断创新、不断完善，才能使建筑物的防雷拒变能力得到根本的提高，使我国的电气设计行业朝着自动化、科学化、一体化的目标迈进。

1 雷电的破坏作用主要有
1.1直击雷
直击雷是雷电直接击在建筑物上。

由于雷击时放电电压很高、电流强大,在强大的雷电流通道上, 将物体水分受热汽化膨胀,而产生强大的热效应和机械效应, 从而使建筑物遭受到破坏, 并可能会引起火灾。

雷云对大地的电压低则几兆伏，高则数10MV甚至更高，雷云对大地一次闪击放电的峰值电流平均约为30多KA，它的瞬时功率为109—1012W以上，由于瞬时功率很大，所以它的破坏力是相当大的。

到现在为止，防直击雷都是采用避雷针、避雷带、避雷网、避雷线作为接闪器，把雷电流接收下来，然后通过良好的接地装置迅速而安全地把它送回大地。

所有的避雷装置都只是把雷击的几率和强度大大地降低，百分之百可靠的避雷装置即使做出来，造价也是十分昂贵的。

常用的接闪装置，如避雷针、避雷带、避雷线、避雷网等，它们都是用金属做成，安装在建筑物的最高点，如屋脊或屋角等最易受雷击的地方，避雷网是用金属线造成的网，架在建筑物顶部空间，然后用截面积足够大的金属物让它与大地连接。

当高空出现雷云的时候，大地上由于静电感应作用，必然带上与雷云相反的电荷，然而接闪设备(避雷针、避雷带、避雷线、避雷网等)都处于地面上建筑物的最高处与雷云的距离最近，而且与大地有良好的电气连接，所以它与大地有相
同的电位，以致接闪设备附近空间电场强度相对比较大，比较容易吸引雷电先驱，使主放电集中到它上面，因而在它附近尤其是比它低的物体受雷击的几率就大大减少。

而接闪器被雷击的几率却大大提高，所以就接闪器本身而言，它不但不能避免雷击，相反是招来更多的雷击，它以自身多受雷击而使周围免受雷击。

由于接闪器都与大地有良好的电气连接，使大地积存的电荷能量迅速与雷云的电荷中和。

这样由雷击而造成的过电压的时间大大地缩短，雷击危害性就大大减少。

1.2感应雷
感应雷是指当雷云来临时地面上的一切物体，尤其是导体，由于静电感应，都聚集起大量的雷电极性相反的束缚电荷，在雷云对地或对另一雷云闪击放电后，云中的电荷就变成了自由电荷，从而产生出很高的静电电压（感应电压）其过电压幅值可达到几万到几十万伏，这种过电压往往会造成建筑物内的导线，接地不良的金属物导体和大型的金属设备放电而引起电火花，从而引起火灾、爆炸、危及人身安全或对供电系统造成的危害。

另一种情况是，在雷电闪击时，由于雷电流的变化率大而在雷电流的通道附近就形成了一个很强的感应电磁场，对建筑物内的电子设备造成干扰、破坏，又或者使周围的金属构件产生感应电流，从而产生大量的热而引起火灾。

另外，当架空线遭受直击雷或产生感应雷，高电位便会沿着导线电源线以及信号侵入变电站或建筑物内，这种雷电波侵入也会对电气设备造成危害或使建筑物内的金属设备放电，引起破坏作用。

2依据雷电种类合理选择建筑物的防护设计措施
2.1 直击雷的特性及防护措施
直击雷是大自然中最为常见的一种放电方式，云层以带电的形式与建筑物、目标物体之间产生猛烈的放电现象，从而带来了一系列的电、热效应及机械作用力，对物体造成严重的被动破坏。

我们可以简单做一个估算，地球上若每年发生31 亿次闪电，直击雷就要至少占到其中的1/5，同时其放电的电流可高达200kA 以上，电压峰值则要上升到几万伏，最高可达到1MV 以上。

而雷云放电由于其具有重复放电的性质，因此，放电的叠加又会使放电能量继续集中，在一次全部雷电不超过500ms 的作用时间里，至少有50%以上的直击雷会发生三到四次的重复冲击，更有甚者可达到几十个冲击以上，按这种方式计算下去直击雷的破坏力可想而知。

直击雷的破坏力之大使人们开始研究如何能有效的对其加以科学的控制，通过多年的科学论证，健筑物防雷设计规范、雷电电磁脉冲的防护等规定相继出台，给人们提供了科学、具有实际操作意义的理论指导。

当今，最常用的防护直击雷策略主要以建筑物顶端安置避雷针、避雷带、避雷线、避雷网及金属物件作为接闪器等方式为主，同时配合接地设计将雷电流通过引入、接收的方式以金属导体导引至地下，从而起到疏散雷击冲击力、弱化降低破坏的作用。

2.2 感应雷的特性及防护措施
感应雷又称为雷电感应或感应过电压，由静电感应雷和电磁感应雷组成。

前者由带电积云接近地面而在架空线路导线或其他导电凸出物顶部感应出大量电荷引起，因此将产生很高的电位。

地面上的一切物体，尤其是导体在静电感应来临后就会聚集起大量的与雷电极性相反的束缚电荷，在雷云对地或对另一雷云闪击放电后，云中的电荷就变成了自由电荷，其过电压幅值可达到几万甚至是几十万伏以上，因此高电压会造成建筑物内的导线、接地不良的金属物导体和大型的金属设备放电而引起电火花，甚至是大范围火灾、爆炸等事故的发生，严重危及到了人们的生命财产安全，同时也会对建筑物的供电系统造成不可逆转的破坏。

在雷电闪击时，由于雷电流的变化率极大会在雷电流的通道附近形成一个很强的感应电磁场，从而对建筑物内的电子设备、仪器进行干扰、破坏，严重阻碍了人们生活、工作的正常开展。

因此根据感应雷的这一作用特性，我们可采用相应的防护措施提高建筑物的防雷能力。

首先，可根据电源防雷器能在最短时间内释放电路上因雷击感应而产生的大量脉冲能量短路泄放到大地并有效的降低设备各接口间的电位差的特性，采用电源防雷的方式在配电系统中选择从室外防雷与线路防雷相结合的综合防雷方案，运用外部避雷、内部避雷、建立保护区、实施防雷电位截流等方式切实可行的防护雷电感应。

我们可将电源防雷分为三个等级，第一级电源防雷四线采用高能避雷器 4 个，在三条火线上，一条零线上各并联一个高能避雷器与地连接。

第二级电源防雷采用过压保护器 4 个，在三条火线、一条零线上各并一个过压保护器与地连接。

而第三级防雷保护，则主要通过在重要设备上安装机架式防雷电源或电源防雷插座（PDU 防雷器）的方式进行。

另外，我们还可采取信号系统防雷、等电位联接等方式，通过通讯避雷器的串路连接、UPS 电位连接、金属屏蔽及重复地接的策略进行有效的防雷设计。

3 合理实施防护措施，增加建筑物整体的防雷性能
建筑物整体防雷性能的提高主要体现在对其进行的防雷设计、防雷设备安装及接地装置的实施等方面。

我们要在不违反建筑规划要求、整体外观设计、内部构造的基础上以美学的观点、科学的态度从实际出发尽量使避雷针、避雷带或避雷网与建筑物的立面相配，同时为了节约投资，可利用高大的建筑或高塔、烟囱等进行避雷装置的安装，从而实现对低矮建筑的一并保护作用。

对接地装置的设置我们也要综合考虑，对于相距较近的建筑物采用共用接地体的方式，同时可科学的利用现有的地下管网作为接地体的一部分以节省投资。

对于高层建筑的防雷措施我们可充分的利用高层顶部的造型设计，将幕墙竖向、横向龙骨及建筑物防雷网接通从而形成一个防雷整体并通过建筑物的接地系统使巨大的雷电能导入地下，防止电流的侧面横向发展绕击作用。

由于高层建筑玻璃幕墙部位极易受到雷击，因此，我们可将玻璃幕墙的每三层设置一圈均压环，使其充分的与防雷网及自身的防雷体系接通。

4 结束语
总之我们应本着防患于未然的科学态度利用一切可利用的资源对建筑物、小区现在乃至将来的防雷设施做必要的系统规划及改进，以科学的设计、高效的利用使建筑物整体防雷性能得到根本的改善与提升。

参考文献：
[1]乃远程.浅谈计算机网络系统的防雷设计[J].气象研究与应用，2007.。