建筑防雷綜合論述

PAGEPAGE8建筑防雷綜合論述前言在人類生存的環(huán)境中有許多自然災(zāi)害，如地震、暴雨、冰雹、水災(zāi)、旱災(zāi)、火災(zāi)、雷擊等等。對(duì)此，人們總是想方設(shè)法進(jìn)行防御，或減輕它們所造成的損失。雷擊就是嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。但就我國(guó)而言，過(guò)去防雷設(shè)計(jì)在整個(gè)建筑設(shè)計(jì)中所占的比重很小。電氣設(shè)計(jì)人員不重視，其他專業(yè)的設(shè)計(jì)人員更不重視，但雷擊所造成的損失卻無(wú)法輕視。如1989年山東黃島油庫(kù)遭受雷擊并引起大火，損失慘重。就防雷歷史而言，我國(guó)建國(guó)初期大多是按照日本的45°～60°保護(hù)角確定避雷針的保護(hù)范圍，用三叉小針銅避雷針、銅引下線和1m×1m銅板作為接地裝置。50年代初期，引進(jìn)蘇聯(lián)技術(shù)，采用拋物線或折線計(jì)算法，用鐵管或鍍鋅元鋼做避雷針，用鍍鋅元鋼做引下線，地下打入3～5m長(zhǎng)的鍍鋅鐵管或鋼材作接地極，以致現(xiàn)在的避雷帶和避雷網(wǎng)均采用鍍鋅鋼筋或扁鋼。80年代以前，我國(guó)沒有建筑物防雷規(guī)范，建筑電氣設(shè)計(jì)人員只能憑自己的認(rèn)識(shí)設(shè)計(jì)避雷針。自1957年北京市兩大雷擊事故發(fā)生以后，我國(guó)大量的古建筑物和群眾集中的公共場(chǎng)所才開始安裝避雷裝置。1957年7月6日明十三陵長(zhǎng)陵棱恩殿遭受雷擊，劈掉西部吻獸，劈裂兩根直徑1.17m，高14.3m的大楠木柱子，死一人，傷三人；1957年7月8日中山公園內(nèi)的一棵大樹落雷，雷電流感應(yīng)至附近的配電線路，然后傳到中山公園音樂堂，燒毀了配電室、舞臺(tái)和觀眾廳大頂棚。為此，北京市領(lǐng)導(dǎo)召開了緊急會(huì)議，決定對(duì)北京市重要古建筑物和人員眾多的影劇院安裝避雷針并指定由筆者負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)。此后，從天安門開始，到勞動(dòng)人民文化宮三大殿、景山萬(wàn)春亭、北海公園白塔，以至鼓樓、天壇祈年殿、頤和園排云殿、智慧海、十三陵長(zhǎng)陵棱恩殿、明樓、戒臺(tái)寺等30多處古建筑物和中山公園音樂堂等重要影劇院都相繼安裝了避雷裝置。1957年，筆者將過(guò)去積累的雷擊事故調(diào)查和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，寫出了“民用建筑物防雷保護(hù)”研究報(bào)告并且于1958年9月在建工部設(shè)計(jì)局于武漢召開的“全國(guó)電氣設(shè)計(jì)人員交流大會(huì)”上，作了報(bào)告，發(fā)表了防雷觀點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法。報(bào)告中提出的雷擊規(guī)律、防雷標(biāo)準(zhǔn)、保護(hù)方式、設(shè)計(jì)要點(diǎn)、屋頂板內(nèi)鋼筋作接閃裝置的理論以及詳細(xì)的設(shè)計(jì)實(shí)例和數(shù)十種做法大樣得到了與會(huì)代表的一致贊同，以后被廣泛采用。1958年底，北京市建筑設(shè)計(jì)院研究室、中國(guó)科學(xué)院電工研究所和清華大學(xué)高壓教研室共同成立了“北京建筑物防雷研究小組”。1962年5月出版的《民用建筑物防雷保護(hù)》和1980年9月出版的《建筑物防雷設(shè)計(jì)》就是在筆者1957年研究報(bào)告和小組研究成果的基礎(chǔ)上寫出來(lái)的。書中突出的觀點(diǎn)是建筑物防雷設(shè)計(jì)的六項(xiàng)重要因素，即接閃功能、分流影響、屏蔽作用、均衡電位、接地效果和合理布線。現(xiàn)在看來(lái)，國(guó)內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范都離不開這六要素，有的單位還把它們作為設(shè)計(jì)原則。籠式避雷網(wǎng)和等電位連接早在1958年就在人民大會(huì)堂的設(shè)計(jì)和工作實(shí)踐中采用了，而國(guó)際上戈?duì)柕拢℅.H.Golde）于1997年才在《雷電》一書（國(guó)際名著）中談到等電位連接的做法，所以我國(guó)的防雷研究和實(shí)踐并不落后。筆者主審的我國(guó)第一部《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ57－83）于1983年11月7日公布。第二部《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057－94）（機(jī)械工業(yè)部設(shè)計(jì)研究院林維勇先生主筆）于1994年4月18日公布。該部規(guī)范吸收了許多國(guó)外先進(jìn)的東西，將接閃器保護(hù)范圍的計(jì)算方法改為滾球法并結(jié)合我國(guó)防雷設(shè)計(jì)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)增加了許多新條款。這兩部規(guī)范對(duì)指導(dǎo)我國(guó)建筑物防雷設(shè)計(jì)起了很大的作用。70年代以前，人們聽到的雷擊事故多是擊中建筑物或大樹，嚴(yán)重的造成了建筑物燒毀或人員傷亡。那時(shí)被雷擊的建筑物絕大多數(shù)是沒有安裝防雷裝置（避雷針、避雷帶或避雷網(wǎng)）。現(xiàn)在聽到的雷擊事故相對(duì)少了，其原因是，六層以上的多層建筑物和高層建筑物都安裝了防雷裝置。有時(shí)，接閃器接閃后，即使是微電子設(shè)備因雷電電磁脈沖感應(yīng)受損，局外人也不知道，本單位做些局部修理也就完事了。其實(shí)，現(xiàn)在的雷擊事故并不算少。雷擊建筑物對(duì)某一棟樓而言可能是百年不遇的事，但防雷裝置接閃則是較常見的，這也是正常的。接閃裝置接閃后，建筑物引下線附近的設(shè)備會(huì)受到雷電流的感應(yīng)，這就是雷電電磁脈沖干擾。90年代以前，國(guó)際和國(guó)內(nèi)的規(guī)范都沒有關(guān)于雷電電磁脈沖的規(guī)定。1992年國(guó)際電工委員會(huì)建筑物防雷專委會(huì)（IEC－TC/81）才開始討論這個(gè)問題。1995年2月，該機(jī)構(gòu)發(fā)布了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《雷電電磁脈沖的防護(hù)》（IEC1312－1.2.3）。目前我國(guó)尚沒有類似的規(guī)定，這是近年來(lái)的問題。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)早已步入社會(huì)的各行各業(yè)。建筑物內(nèi)幾乎無(wú)不設(shè)有復(fù)雜程度不同的微電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，民用建筑也不例外。雷電電磁脈沖干擾日益成為頻發(fā)事故。面對(duì)這種挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人必須轉(zhuǎn)變觀念，把雷電電磁脈沖防護(hù)當(dāng)作防雷設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。這不只是電氣一個(gè)專業(yè)的事，因?yàn)樗婕暗诫娮釉O(shè)備的位置和管線的布置等問題。各個(gè)專業(yè)應(yīng)充分協(xié)商，從整體上解決防雷設(shè)計(jì)上的問題。否則，建筑物設(shè)計(jì)得再好，也無(wú)法正常使用。研究建筑物防雷應(yīng)從雷擊事故調(diào)查入手，找出雷擊規(guī)律，然后，利用雷擊模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)所總結(jié)的規(guī)律和所提出的解決方案予以驗(yàn)證。研究人員應(yīng)根據(jù)科技的發(fā)展，不斷吸收新東西對(duì)滿足不斷變化的社會(huì)需要，如計(jì)算機(jī)的發(fā)展導(dǎo)致的對(duì)雷電電磁脈沖防擴(kuò)的需要。下面將對(duì)防雷設(shè)計(jì)的基本原則、雷擊規(guī)律、近年來(lái)國(guó)際上提出的新概念以及隨著科技發(fā)展出現(xiàn)的新問題分別予以論述。1．雷電電磁脈沖雷電電磁脈沖（LightningElectromagneticPulse），簡(jiǎn)稱LEMP，是天空打雷時(shí)產(chǎn)生的作為干擾源的強(qiáng)大閃電流及其電磁場(chǎng)。它的感應(yīng)范圍很大，對(duì)建筑物、人身和各種電氣設(shè)備及管線都會(huì)有不同程度的危害。這種危害就是雷電電磁脈沖所產(chǎn)生的干擾。建筑物內(nèi)的雷電電磁脈沖干擾指以下三種情況：（1）天空中雷電波的電磁輻射對(duì)建筑物內(nèi)電力線路和電子設(shè)備的電磁干擾；（2）建筑物的防雷裝置接閃時(shí)，強(qiáng)大的瞬間雷電流對(duì)建筑物內(nèi)電力線路和電子設(shè)備的干擾；（3）由外部各種強(qiáng)、弱電架空線路或電纜線路傳來(lái)的電磁波對(duì)建筑物內(nèi)電子設(shè)備的干擾。現(xiàn)代電子技術(shù)日益向高精度、高靈敏度、高頻率和高可靠性方向發(fā)展。這些電子設(shè)備非常靈敏，但耐壓很低，一般電子設(shè)備都承受不了正負(fù)5伏的電壓波動(dòng)。以各種微機(jī)為例，當(dāng)雷電電磁脈沖的磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)0.07高斯時(shí)，就會(huì)引起微機(jī)的誤動(dòng)作，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)2.4高斯時(shí)，就會(huì)造成微機(jī)的永久性損壞。因此，我們必須對(duì)雷電電磁脈沖采取必要的防護(hù)措施，以便在先進(jìn)的建筑物內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的電磁兼容性（Electromagneticpatibility）。防御雷電電磁脈沖干擾的理想防雷設(shè)計(jì)方案是籠式避雷網(wǎng)，它利用的是法拉第籠原理。建筑物的金屬結(jié)構(gòu)物遍及各處，不用很多鋼材就可很容易連接起來(lái)形成法拉第籠，從而建筑物內(nèi)的電子設(shè)備得到很好的屏蔽。屏蔽做得好，不僅能防御空間電磁波的輻射，而且還可使建筑物內(nèi)部的分流和均壓達(dá)到最佳效果。這里要說(shuō)明，屏蔽的做法應(yīng)根據(jù)建筑物內(nèi)電子設(shè)備的要求決定。由于設(shè)備的性質(zhì)不同，因此，有的要求僅對(duì)設(shè)備本身做屏蔽，有的要求在設(shè)備與設(shè)備之間做屏蔽，還有的要求在機(jī)房做屏蔽。正因?yàn)檫@個(gè)問題的重要，所以1995年國(guó)際電工委員會(huì)建筑物防雷分委會(huì)（IEC/TC-81）在《雷電電磁脈沖的防護(hù)》的標(biāo)準(zhǔn)中提出了防雷保護(hù)區(qū)（LPZ）的概念，國(guó)際上剛開始實(shí)行這種規(guī)定，而我們國(guó)家還沒有提出。筆者認(rèn)為，設(shè)計(jì)人員可以按照微電子設(shè)備的多少、繁簡(jiǎn)、重要程度、擺放位置及進(jìn)出管線的具體情況自行劃分防雷區(qū)以取得良好的屏蔽、等電位和接地效果。因此，防御雷電電磁脈沖對(duì)室內(nèi)布線的要求非常嚴(yán)格。由于用作引下線的鋼筋混凝土柱內(nèi)的鋼筋和整個(gè)建筑物的屏蔽網(wǎng)都在外墻處，雷電流需經(jīng)此處的鋼筋分流到接地裝置上，所以外墻處的電流密度大，電磁場(chǎng)強(qiáng)。因此，建筑物中的電源和通信等線路的主干線不應(yīng)靠近外墻，最好設(shè)置在建筑物的中心部位，如電梯井在中心部位，可設(shè)置在電梯井的近旁。建筑物內(nèi)的各種電氣饋線都要穿金屬管保護(hù)或采用雙層屏蔽電纜（或同軸電纜）。在一些有特殊要求的線路電源側(cè)，還應(yīng)加裝電涌保護(hù)器、隔離變壓器、穩(wěn)頻、穩(wěn)壓以及濾波等裝置。防御雷電電磁脈沖對(duì)接地的要求也很嚴(yán)格。電子系統(tǒng)的低頻信號(hào)工作接地應(yīng)采用單點(diǎn)接地系統(tǒng)，在整個(gè)建筑物內(nèi)應(yīng)為樹干式結(jié)線布置。各層或各段的低頻信號(hào)工作接地均應(yīng)直接接到單點(diǎn)接地板上，不得形成環(huán)路。單點(diǎn)接地系統(tǒng)不應(yīng)與用作防雷引下線的柱子平行，以防強(qiáng)磁場(chǎng)干擾。由于是利用建筑物結(jié)構(gòu)鋼筋作屏蔽，因此必須采用綜合共同接地方式，即將防雷接地、電源的工作接地、各種裝置的外殼、鐵管外皮和高頻電子設(shè)備的信號(hào)接地都統(tǒng)一接到建筑物的基礎(chǔ)上或室外接地裝置上。為避免雜散電流，單點(diǎn)接地系統(tǒng)必須采用絕緣線，其主接地板必須置于建筑物的最底層且直接與基礎(chǔ)或室外接地裝置連接。各層單點(diǎn)接地系統(tǒng)的區(qū)域接地板或終端接地板如需要與綜合共用接地系統(tǒng)的裝置接地板連接，應(yīng)在它們之間加裝不大于直流300V的放電管或壓敏電阻。綜合共用接地的電阻一般應(yīng)在1歐姆以下，對(duì)于特殊的電子設(shè)備，