防雷技术

防雷知识系列（四）－外部防雷系统
作者: www.tj-spd.cn 时间: 2007-12-01
本文章共7263字，

来源：防雷中国　

外部防雷系统由接闪器（避雷针）、引下线、接地地网等有机组成。缺一不可。下面分别对以上三个主要因素的相关技术及安装进行描述。

主要讲本部分的内容是对建筑物外部空气如何截雷，把雷电流向大地中泄放的问题。
本部分的内容提要是：
(1)接闪器：避雷针、避雷线、避雷带、避雷网
(2)避雷带和避雷网的结构设计
(3)接闪器的选择和布置

接闪器

直接截受雷击，以及用作接闪的器具、金属构件和金属屋面等，称之为接闪器。功能是把接引来的雷电流，通过引下线和接地装置因如大地中泄放，保护建筑物免受雷害。

从公元1753年，富兰克林发明了避雷针以来，避雷针作为接闪器唯一的形式，延续了上百年的历史，从十九世纪以后，逐渐有出现了避雷线、避雷带和避雷网。其分类如下：避雷针、避雷线 、避雷带 、避雷网, 下面逐一介绍。

避雷针

尖端放电
由物理学可知，通常物体内部的正电荷和负电荷是相等的，所以从整体来看不显示带电现象。当某一物体所具有的正、负电荷不相等时，这个物体就显示带电的特性。当物体内部的正电荷多于负电荷时，物体带正电，反之带负电。由于电荷都有异性相吸、同性相斥的特性，所以带电物体中的同性电荷总是受到相互排斥电场力的作用。以图中带尖锋的金属球为例，假如金属球上带负电（同样也可以理解带上正电），由于电荷同性相斥的作用，电子总是分布到金属球的最外层表面，并且容易逃离金属球。球的尖锋部分，电子受到同性电荷往外排斥力最强，最容易被排斥离开金属球，这就是通常说的“尖端放电”。


公元1749年4月29日，富兰克林在给约翰·米西尔（John Mitchel）的信中提出了，云层由于不断受到蒸汽摩擦而带电的看法，他认为"当带电的云块飘过田野、掠过高山、巨树、耸立的高塔、尖屋顶、船舶桅杆、烟筒等物的时候，拖曳出电火，正如许多尖导体和突出物产生的现象一样，整个云层就在那里放出电来"由此，他提出了避雷针的设想。他说：既然尖导体可以把一个离它很远的带电体上的电荷释放掉，避免它对其他物体产生电击，那麽尖导体对于人类可能有些用处。于是他建议将一根上端尖锐并涂有防锈层的铁杆安装在房屋的最高处，并用导线接在它的下端，沿着墙壁直通到地下。在海船上则把铁杆固定在桅杆顶端，用导线连接向下直通入水中。它们就能在云层将要产生电击的千钧一发之际，静悄悄地把电从云中吸走，因而使我们免受最突然、最骇人的悲剧。富兰克林详细描述避雷针的装置，并正式宣布它是在1753年。

避雷针的英文名字Lightning rod，直译为"闪电棍"更准确些，本无避免雷击之意。这个名词望文生义就会产生误解。我们国内许多物理课本，甚至大学的教课书也把避雷针的原理说成是靠尖端放电中和云层电荷从而消除闪电的，这是错误的。实际上，在富兰克林发明避雷针的时候，提出了两种避雷针工作机理的解析；第一种解析认为，避雷针是靠其针尖电晕放电发出与雷雨云相反的电荷，使雷雨云的电荷得到中和，从而免除建筑物的雷害。第二种解析认为，避雷针是靠把雷雨云所带的异种电荷引导到自身上来，通过良好的接地装置，把雷电流泄入大地，保护建筑物不受雷击。至1753年富兰克林明确倾向于避雷针引雷的理论了，所以说避雷针是靠尖端放电消除闪电而能避雷的提法是错误的，避雷针是消除不了闪电的。

工作原理
雷雨云形成以后对大地的电压，低则几百万伏，高则数千伏甚至更高，雷雨云对大地的一次闪击放电的峰值电流平均为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。


当高空出现雷雨云的时候，大地上由于静电感应作用，必然带上与雷雨云相反的电荷，避雷针处于地面建筑物的最高处，与雷雨云的距离最近，由于它与有良好的电气连接，所以它于大地有相同的电位，使避雷针附近空间的电场强度比较大，容易吸引雷电先驱，使主放电都集中到它的上面，从而保护附近比它低的物体遭受雷击的几率大大减少。而避雷针被雷击的几率却大大的提高。避雷针不但不能避雷反而引雷，它是自身的多受雷击而保护周围免受雷击。


由于避雷针与大地有良好的电气连接，能把大地积存的电荷能量迅速传递到雷雨云层中泄放；或把雷雨云层中积存的电荷能量传递到大地中泄放，使雷击而造成的过电压时间大大的缩短，从很大程度上降低了雷击的危害性，这就是避雷针的工作原理。
但需要说明，避雷针必须有足够可靠，并且有接地电阻尽量小的引下线接地装置与其配套，否则，它不但起不到避雷的作用，反而增大雷击的损害程度。

避雷针保护范围的计算方法
目前世界各国关于避雷针保护范围的计算公式在形式上各有不同，大体上有如下几种
计算方法：
1、 折线法：即单一避雷针的保护范围为一折线圆锥体。
2、 曲线法：即单支避雷针的保护范围为一曲线锥体。
3、 直线法：是以避雷针的针尖为顶点作一俯角来确定，有爆炸危险的建筑物用45°角，对一般建筑物采用60°角，实质上保护范围为一直线圆锥体。
自1983年起，我国正式制定了自己的防雷规范。目前我国建筑防雷规范GB50057-94也采纳了国际电工委员（IEC）推荐的"滚球法"作为避雷针保护范围的计算方法。

避雷针的制作规格
由大量模拟实验和实际调查统计资料表明，避雷针的外表形状与其避雷效果无明显的关系，所以，不必过多考虑采用单针式或者其他形式造型的避雷针。

避雷针宜采用圆钢或钢管制成，其直径不应小于下列数值：
针长1m以下： 圆钢为12mm 钢管为20mm
针长1-2m： 圆钢为16mm 钢管为25mm
烟囱顶上的针： 圆钢为20mm 钢管为40mm (见GB50057-94.第四章)


主动式避雷针
近来国内市场经销一种叫主动式避雷针的产品，主要有来自法国和澳大利亚的产品，据厂家称，这此产品能够随大气电场变化而吸收能量，当存储的能量达到某一程度时，便会在避雷针尖放电，尖端周围空气离子化，使避雷针上方形成一条人工的向上的雷电先导，它比自然的向上的雷电通道能更早的于雷雨云向下的雷电先导接触，形成主放电通道。这样，一方面可以使雷雨云靠该避雷针放电的几率增加，相当于避雷针的保护范围加大，或者相当于将避雷针加高。

避雷线


接闪器最初的形式只是富兰克林所设计的磨尖的铁棒。20世纪初，在电力系统，为了使输电线路少受雷击，采用了在输电线路上方架设平行的钢线避雷的方法，在实用中，由于它简单有效，逐步得到了推广。这种架设在输电线路上方的钢线，称之为避雷线。后来在房屋建筑上也推广了这种形式，开始布设在方脊、屋角、房檐等处作雷电保护，以后这种方式又有所改进。

避雷带

在房屋建筑雷电保护上，用扁平的金属带代替钢线接闪的方法称之为避雷带，它是由避雷线改进而来。在城市高大楼房上，使用避雷带比避雷针有较多的优点，它可以与楼房顶的装饰结合起来，可以与房屋的外形较好的配合，即美观防雷效果又好，特别是大面积的建筑，它的保护范围大而有效，这是避雷针所无法比的。避雷带的制作，采用扁钢，截面积不小于48mm2，其厚度不应小于4mm。

避雷网

避雷网是指利用钢筋混凝土结构中的钢筋网作为雷电保护的方法（必要时还可以辅助避雷网），也叫做暗装避雷网。它是根据古典电学中法拉第笼的原理达到雷电保护的金属导电体网络。


暗装避雷网是把最上层屋顶作为接闪设备。根据一般建筑物的结构，钢筋距面层只有6-7cm，面层愈薄，雷击点的洞愈小。但有些建筑物的防水层和隔热层较厚，入彀钢筋距面层厚度大于20cm，最好另装辅助避雷网。辅助避雷网一般可用直径为6mm或以上的镀锌圆钢，网格大小可根据建筑物重要性，分别采用5m′5m或10m′10m的圆钢制成。避雷网又分明网和暗网，其网格越密可靠性越好。
建筑物顶上往往有许多突出物，如金属旗杆、透气管、钢爬梯、金属烟囱、风窗、金属天沟等，都必须与避雷网焊成一体做接闪装置。在非混凝土结构的建筑物上，可采用明装避雷网。做法是首先在屋脊、屋檐等到顶的突出边缘部分装设避雷带主网，再在主网上加搭辅助网。

避雷带和避雷网的结构设计

避雷带和避雷网一般采用圆钢或扁钢，其尺寸不应小于下列数值：
圆钢直径为8mm，扁钢截面积为48mm2，扁钢厚度为4mm。
避雷线一般采用截面积不小于35mm2的镀锌钢绞线架设。

安装避雷带和避雷网要注意下面事项：

1、避雷带及其连接线经过沉降沟（沉降沟：一座较长的多层建筑物，往往在横向上把建筑物分成几段，段与段之间留有一段空隙，防止各段下沉不一致，引起建筑物损坏）时，应备有10-20cm以上的伸缩余裕的跨越线。

2、 有女儿墙的平顶房屋，其宽度小于24m时，只须沿女儿墙上部敷设避雷带；宽度大于24m时，须在房面上两条避雷带之间加装明装连接条，连接条的间距不大于20m时，只在屋檐上装避雷带；宽度大于20m时，需在屋面上加装明装连接条，连接条间距不大于20m。

3、瓦顶房屋面坡度为27°-35°，长度不超过75m时，只沿屋脊敷设避雷带。四坡顶房屋，应在各坡脊上装上避雷带。为使檐角得到保护，应在屋角上装短避雷针或将避雷带的引下线从檐角上绕下来。如果屋檐高度高于12m，且长度大于75m时，要在屋脊和房檐上都敷设避雷带。

4、当屋顶面积非常大时，应敷设金属网格，即避雷网。避雷网分明网和暗网，网格越密，可靠性越好，网格的密度视建筑物重要程度而定，重要建筑物采用5′5m的密网格，一般建筑物用20′20m的网格即可。

在非混凝土结构的建筑物上，可采用明装避雷网。做法是首先在屋脊、房檐等到顶的突出边缘部分装设避雷带主网，再在主网上加搭辅助网，避雷网格大小按上述要求。采用避雷带和避雷网保护时，屋顶上的烟囱、混凝土女儿墙、排气楼、天窗及建筑装饰等突出于屋顶上部的结构物和其他突出部分，都要装设短避雷针或避雷带保护，或暗装防护线，并连接到就近避雷带或避雷网上。对金属旗杆、金属烟囱、钢爬梯、风帽、透气管等必须与就近的避雷带、避雷网焊接。


采用避雷带和避雷网保护时，每一座房屋至少有两根引下线（投影面积小于50m2的建筑物可只用一根）。避雷引下线最好对称布置，例如两根引下线成"一"字或"Z"字形，四根引下线要做成"工"字形，引下线间距离不应大于20m，当大于20m时，应在中间多引一根引下线。见《雷电与避雷工程的避雷带和避雷网的结构设计》

接闪器的选择和布置
合理设计的接闪器将显著地减少雷电击中需要防雷空间的可能性。


只有将防雷装置的设计与建筑结构设计同时进行时，才能在技术和经济上得到最优化的组合。特别是在设计建筑物时，就应充分利用建筑物的金属物作为防雷装置的诸部分之用。

接闪器可由以下一种或多种组成选择：
1) 独立避雷针；
2) 架空避雷线或架空避雷网；
3) 直接装设在建筑物上的避雷针、避雷带或避雷网。

接闪器的布置：
GB50057-94 接闪器布置应符合下表的规定：
建筑物防雷类别滚 球半径hr(M) 避雷网网格尺寸（M）
第一类防雷建筑物 30 < 5*5或< 6* 4
第二类防雷建筑物 45 < 10*10或< 12* 8
第三类防雷建筑物 60 < 20*20或< 24*16

布置接闪器时，可单独或任意组合采用滚球法避雷网。

滚球法：滚球法是以hr为半径的一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物）或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位时，该部分就得到接闪器的保护。
IEC1024-1：1990 当符合下表的要求时，接闪器的布置就是合适的。按照保护级别布置接闪器

就设计接闪器系统而言，下列方法可单独使用，也可结合使用，只要接闪装置不同部分所提供的保护区能相互衔接，并确保建筑物得到完全的保护就行（见IEC1024-1第2.1.2条）：
--保护角法：
--滚球法：
--网格法：
所有这三种方法都可用于独立、半独立和非独立的防雷系统的设计。

1、 保护角法：接闪导体、避雷针、避雷杆塔和避雷线的位置，应使被保护建筑物的各个部分都处于由接闪装置导体上的各点以""角朝四面八方向地面投影所形成的轨迹面之内。保护角法有几何局限。

2、滚球法：对具有复杂几何形状的建筑物，或当IEC1024-1的表1排除采用保护角法时，应采用滚球法来确定建筑物的面积和各部分的保护空间。"滚球"半径应符合所选择的防雷系统保护等级。
滚球法是在建筑物上才利用半径为"R"的球，绕建筑物滚动，直到碰到地平面，或碰到与地平面接触且能用作雷电导体的任何永久性建筑物或物体为止。在滚动接触建筑物的地方便有可能受到雷击。在这样的点和地段处，就需要由接闪导体来提供防雷保护。

防雷系统的保护空间就是"滚球"接触该导体并作用于建筑物时并未穿过的那块空间的体积。保护等级和防雷系统的安装成本随所选滚球的尺寸的缩小而增加。

3、 网格法：接闪导体或屋顶导体应形成一个闭合多边形，其周边应靠近屋顶的边缘布设。这种多边形接闪装置应通过增设相互连接的横向接闪导线来完善，以形成符合IEC1024-1表1要求的网格。
选型程序：

(1)评估保护级数；
(2)选择合适的保护半径；
在地球上所处径、纬度的不同Na也不同。
评估保护级数
1、查出当地的雷电密度Na 我国北方地区一般为4，可查图而来。
理论上 1）建筑物的重要程度；
2）建筑物的危险程度；
现场记录风险内容： 3）建筑物的人员密度；
4）建筑物的构筑位置；
5）建筑物的建筑结构；
6）建筑物所在地的雷电密度；
2、做工地现场勘察
实际上：根据多年的实践经验，在实际运用上，多采用1类。查出滚球法半径D。
3、计算和选择合适的保护半径：根据上列Rp= h (2 hr – h ) 公式，设计人员需考虑所选择避雷针的型号，其保护半径将能覆盖在不同垂直距离上的受保护平面。


避雷针选型确定以后，安装时应注意以下事项：
a.砖木结构的房屋，可把避雷针敷设在山墙顶部或屋脊上，用抱箍或对锁坶丝固定于梁上，固定部分的长度为针高的1/3。也可以将避雷针嵌于砖墙或水泥中，为了结构的坚固，插在砖墙中的部分为针高的1/3，插在水泥中部分约为针高的1/4-1/5。

b.对于平顶屋上的避雷针应安上底座与屋顶层连接，并用螺丝紧固好。


引下线

连接接闪器与接地装置的金属导体称为引下线。

雷击时引下线上有很大的雷电流流过，会对附近接地的设备、金属管道、电源线等产生反击或旁侧闪击。为了减少和避免这种反击，现代建筑利用建筑物的柱筋作避雷引下线，经过实践证明这种方法不但可行，而且比专门引下线有更多的优点，因为柱钢筋与木梁、楼板的钢筋，都是连接在一起的和接地网络形成一个整体的"法拉第"笼，均处于等电位状态。雷电流会很快被分散掉，可以避免发击和旁侧闪击的现象发生。

关于引下线，"规范"作如下规定：《GB50057-94》引下线一般采用圆钢或扁钢，其尺寸不小于下列数值：
圆钢直径为 8mm；扁钢截面为 48mm2；扁钢厚度为 4mm。

装在烟囱上的引下线其尺寸不小于：圆钢直径?12mm；扁钢厚度为4mm，截面积为100mm2。

所有引下线要镀锌或涂漆，在腐蚀性较强场所，还应加大截面积或采取其他防腐措施。

引下线的固定支撑点间隔不得大于1.5-2m，引下线的敷设应保持一定的松紧度，不能拉的太紧，以免热胀冷缩而拉断。

为了减少引下线的电感量，引下线应沿最短接地路径敷设。对于建筑艺术要求较高的建筑物，引下线可采用暗敷设，但截面要加大。

由于建筑物的造型不同，不能做直线引下时，应注意弯曲开口处两点间的直线距离不得等于或小于弯曲部分线段的实际长度的0.1倍，一般弯曲处不用锐角尽量避免用直角。

引下线应装在人员不易碰到的隐蔽地点，以防接触电压的危害。

距地面2M以内的引下线，应有良好的保护，用瓷管或耐阳光的塑料管套住，避免人或动物触碰。

为便于检查避雷设施连接导体的导电情况和接地体的散流电阻，要在每根引下线上做断接卡子，断接卡子"规范"规定距地面最高为1.8M。暗装引下线也应在相应的地方做断接卡子接线盒。（利用混凝土柱钢筋做引下线时，不必做断接卡子，但必须引出测量线端子外露墙面）断接卡子必须镀锌，并保护接触面严密，接触面不得小于10mm2卡接母丝直径必须大于8mm，卡接母丝上应套有弹簧垫圈。