防雷技术

浅谈古建筑的防雷技术

古建筑一般是指古人遗留下来的具有较长历史年代的寺、庙、殿、楼、塔等建筑，它是研究古代社会政治经济、文化艺术、宗教信仰的历史资料，也是人类文化遗产的瑰宝。由于古建筑多为木结构，火灾荷载较大，一旦遭雷击起火，火势易蔓延，可能造成难以挽回的损失。而我国现存古建筑的防雷还存在许多问题，比如防雷引下线少，不易采取均衡电位措施，没有防球雷措施等。因此笔者撰文介绍几种常见的防雷技术，希望对古建筑防雷工作有所启示。

一、古建筑易遭雷击的原因和规律

1. 古建筑易遭雷击的原因

一般雷击类型可分为直击雷、感应雷、雷电波侵入和球雷四种。对古建筑危害较大的主要是直击雷和球雷。而要产生雷击，首先必须有足够的电量积累，达到一定的强度，击穿绝缘空气，形成电流通道；其次要有突出的物体造成其周围电场突变，感应出异号电荷。古建筑多为木结构，木材经过千百年变得十分干燥，在雨天潮湿，电阻率变小，并且内部年久积满灰尘，易积蓄净电，带有电荷容易引来雷电流。还有很多古建筑建于高山上，本身地势较高，且位置突出，更容易遭受雷击；同时有些古建筑内高大树木较多，也容易引雷殃及古建筑。

2. 古建筑的雷击规律

雷击规律的影响因素。大量雷害事故统计资料和试验研究证明，雷击的地点和建筑物遭受雷击的部位是有一定规律的，这些规律称为雷击规律。地面上建筑物的性质、形状，以及建筑物的结构、内部设备情况对雷击的选择都会产生影响。当雷电先驱发展到离地面不远的空中时，地面上的电场不断增强，在高大建筑物的尖顶和边缘上场强最大，构成雷电发展的良好条件。雷电先驱就自然被吸引到这些地方，因此高大建筑物就容易遭雷击。

A、地点上的规律。雷害事故表明，多数雷击发生在靠近河湖池沼和潮湿地区，其次是大树、旗杆、杉槁，球雷占8%。

B、雷击部位上的规律。古建筑易受雷击的部位多为屋角兽头、房脊和梁柱以及丰宝铜顶。北京十三陵长陵的棱恩殿、鼓楼、故宫的承乾殿皆因兽头、屋脊被雷击起火，也恰恰说明了这一规律。故此在防雷时应加以防范。

二、古建筑防雷技术

随着科技大发展，人们对雷电知识的了解逐步深入，防雷技术也不断更新，但主要有以下7种：避雷针防雷法、法拉第笼式防雷法、滚球防雷法、E·F避雷保护系统、消雷器防护法、避雷设施保护法、人工影响雷电防雷法。几种方法各有侧重，对古建筑较为适用的是避雷针防雷法。

1. 避雷针系统

防雷原理及使用范围

A、防雷原理。避雷针防雷法是利用避雷针高出被保护物的高度，使雷云下的电场发生畸变，从而将雷电流吸引到避雷针上，通过引下线和接地装置导入大地，使被保护对象免遭雷电直击。也就是说其实质并不是避雷，而是引雷。

B、适用范围。避雷针系统主要用于防直击雷，这一系统的接闪器有很多，如：避雷针、避雷线、避雷网、带等。由于古建筑防雷设置不仅要具有实效性，同时要尽量保持其原有风貌，所以多用避雷带、网作为古建筑防雷的接闪器。

2. 避雷针系统的局限性

A、保护范围不稳定。避雷针保护范围是一个伞形或屋脊形保护区，其张开角度受到接闪器设置高度、雷电强度等多种参数的影响，有的采用30，有的采用60，尽管关于保护角的计算公式很多，但如何确定一直是富兰克林防雷理论的最大困扰所在。

B、反击问题。当雷击避雷针或避雷带时，由于引下线的阻抗，对地电压可达到相当高的数值，以至于可能造成接闪器及引下线向周围设备跳火反击。避雷针系统还存在着感应电压的危害，以及接触电压和跨步电压等问题，但其对古建筑危害不大，在此不作详细讨论。

3. 球雷的预防

A、球雷概述。球雷很久以来就引起了人们的注意，根据球雷现象规律和许多球雷案例剖析及模仿实验表明：球雷是空中带静电荷气雾层运动相互作用放电电离的结果。其本质是一个由高速旋转电子封闭的等离子球体，之所以能形成球体，主要是空气中气雾层电离产生强电场和高频电磁振荡，产生一团漩涡状等离子体的缘故。漩涡体的存在或消失，取决于其内部的电磁平衡和能量补充。球雷是一个复杂的电荷系统，球体本身好似法拉第笼，对外不呈现电性，普通避雷针、网、带对其不起作用，并能从网、带孔洞缝隙中自由出入。故此，目前还没有同它斗争的较为有效、可靠的办法。



B、球雷的基本预防措施。由于球雷的难预防性，防护球雷的最好方法是采用屏蔽。对于一般的建筑（钢筋混凝土），可将门窗加上金属纱网与全部钢筋连成一片，构成一个笼式防雷网，可以防止球雷侵入。但对古建筑这样做是很困难的。对重要的古建筑应当做金属纱窗和金属纱门，将它可靠接地；对次要的古建筑，如不能补加金属纱门窗，应注意在雷雨天紧闭门窗，力争达到全封闭状态，以防球雷的侵入，但不可用纸裱糊门窗。

三、避雷设施的安装与管理

1. 安装及注意事项

接闪器。接闪器一般可分为避雷针、避雷线、避雷带、避雷网等，针对古建筑则主要有这样几种形式：A、避雷针是经常置于古建筑屋顶的，通常采用双支接闪器，置于大吻内自箭把伸出。此种做法美观但费时，一般置于大吻的一侧，用铁卡子卡牢，然后与导线焊接牢固，固定的长度为针长的三分之一左右。B、采用避雷带时，按大吻的轮廓用避雷线绕一圈，须离开构件10~15cm ，用铁卡子卡牢。但保护范围不包括檐头时，避雷线应顺脊延续至翼角至檐头，并将垂兽、戗兽、翼角的小兽等都包括在内。C、有铜宝顶的建筑物，如果其范围够用时，可利用铜宝顶做接闪器，仅将倒替焊接在最上面铜块上即可。

导线（引下线）。导线安装分为明、暗两种，对古建筑而言，应采用明线，易于检查施工。导线一般应垂直引下，但古建筑轮廓复杂，事实上不可能做到。当引下线沿古建筑轮廓弯曲时，应保证其弯曲段开口部分的直线距离，不小于弯曲段全长的十分之一，并避免弯折成直角或锐角。古建筑的导线安装应自上而下，先与接闪器焊接，至檐头斗拱部位，预先在瓦顶上打一个直径10 cm的圆洞，套在磁管内，将导线穿洞而下。

接地体。接地体应选择安装在土壤电阻率较低的地方，同时应考虑在行人较少的地方，以避免或减少跨步电压的危害。距离建筑物的台基不小于300 cm，埋深深度在100 cm以上。地极的形状有闭合形、一字形、放射形，闭合形又分为方形、三角形、圆形。我们一般采用闭合方形或一字形。方形地极用镀锌铁管4根，每角1根，管距不小于250 cm；一字形用管3~4根排列成一字形。安装时，管子打入地内，上露50 cm以便与导线连接，导线引至地极自作一弯与第一根管子接上，用卡子卡紧焊牢，同样将第二、三、四根与导线焊接。

2. 维护检查

为了使建筑物的防雷装置有可靠的保护效果，不仅要有合理的设计和正确的施工，还要注意经常维护检查。维护检查分为定期检查和临时检查。一般检查事项有如下几条：①是否由于修缮古建筑和建筑物本身变形引起防雷装置的保护情况发生变化；②检查有无因挖土方，敷设其他管线或种植树木而挖断接地装置；③检查各处明装导体有无因锈蚀或机械力的损伤而折断的情况；④检查接闪器有无因接受雷击而熔断或折断的情况；⑤检查引下线的绝缘保护处理有无破坏；⑥检查断接卡子有无接触不良情况；⑦检查木结构接闪器支架有无腐朽现象；⑧检查接地装置周围的土壤有无沉陷情况；⑨测量全部接地装置的流散电阻。

四、古建筑中高大树木的防雷

很多古建筑中都有不少高大树木，这些树木可能遭受直击雷或引下球雷，对古建筑造成破坏，因此应注意采取以下措施：

A、在树顶安装避雷针，沿树干敷设引下线，下部埋设接地装置；B、枯朽树木的洞穴应用灰膏封堵严密，防止积水，导致树木接闪；C、树木本身或根部不得缠绕钢筋，并不得在树下堆放大量金属物体；D、古建筑周围栽种树木时，树干应距建筑物不应小于5米，树冠不应小于3米。

以上是对古建筑防雷技术的初步探讨，可以看到防雷技术存在很大的缺陷，避雷针系统虽然经过安装设计上的调整，但仍存在不妥之处。相信随着对雷电认识的逐步加深，还会出现更完善、有效的防雷技术，能够更好地保护古建筑。