李維時(shí) / 龐傳貴 (中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院機(jī)電院，北京 100044)

關(guān)于雷電成因的說(shuō)法很多，雷電釋放能量的推算結(jié)果也有差異，從而導(dǎo)致人們對(duì)建筑物防雷以及防雷措施不同的認(rèn)識(shí)。目前《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010已經(jīng)頒布，作為建筑物防雷的設(shè)計(jì)人員，需要更深入的學(xué)習(xí)、研究并執(zhí)行“規(guī)范”，做好建筑物防雷的設(shè)計(jì)。

1 雷電成因

雷電的成因與帶電云層的形成分不開(kāi)，而帶電云層形成的觀點(diǎn)很多。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，含水蒸氣的上升氣流遇冷，水蒸氣形成“水成物”（即雨滴、冰雹等）。“水成物”在地球靜電場(chǎng)的作用下被極化，并在上升的高速氣流作用下，相互碰撞、聚集，體積增大。通過(guò)重力、分離等復(fù)雜作用，形成上部帶正電、下部帶負(fù)電的帶電云層。帶電云層在電場(chǎng)的作用下，使水成物進(jìn)一步極化，在重力、分離等作用下形成“雷云”。還有觀點(diǎn)認(rèn)為，帶電云層是源于高速氣流與地面物體強(qiáng)烈摩擦生電，氣流中的塵埃等物質(zhì)帶上了游離的電荷。帶電的高溫空氣上升，進(jìn)入寒冷的高空，由于氣溫急劇下降，水蒸氣結(jié)露成云霧。在強(qiáng)氣流高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，云霧、水滴等物質(zhì)相互碰撞、摩擦，分別帶上了正電荷與負(fù)電荷，并進(jìn)一步聚集形成雷云。帶電云層的形成還有其他觀點(diǎn)，不贅述。

不論哪種觀點(diǎn)，都認(rèn)同帶電云層最終內(nèi)部同性電荷匯集，形成帶電中心，當(dāng)異性帶電中心之間的空氣被其強(qiáng)大的電場(chǎng)擊穿時(shí)，就形成“云間放電”（即閃電）。云間放電形成片狀雷，占雷電形式的95%。當(dāng)帶電云層向下靠近地面時(shí)，地面的凸出導(dǎo)電物、金屬等會(huì)被感應(yīng)出相反的電荷。隨著電場(chǎng)的增強(qiáng)，雷云下行先導(dǎo)與地面物體感應(yīng)出的向上電荷靠近，形成微弱電離通道，這一階段稱(chēng)為先驅(qū)放電 。先驅(qū)放電是一個(gè)一個(gè)相繼向前發(fā)展的脈沖，它的平均發(fā)展速度約為1×105～1×106m/s，各脈沖的時(shí)間間隔約為30～90μs。每階段向前推進(jìn)的長(zhǎng)度約為50m。先驅(qū)放電常常是分枝狀的，這是因?yàn)榉烹娡茄刂諝庥坞x最強(qiáng)、最容易導(dǎo)電的路徑發(fā)展，通常只是一個(gè)前驅(qū)放電枝杈到達(dá)大地。在先驅(qū)接近地面時(shí)，由地面或建筑物上發(fā)出的反方向放電，稱(chēng)為“迎面放電”。階段先驅(qū)與迎面放電在距地面一定距離的地點(diǎn)相遇。

先驅(qū)放電及迎面放電后，開(kāi)始“主放電階段”，也稱(chēng)“先導(dǎo)放電階段”。此后則是可看到的雷電本體。在主放電階段中，聚集在電路中的電荷與地面上的電荷猛烈中和，巨大的電流流過(guò)雷擊點(diǎn)，發(fā)出強(qiáng)烈的閃光和聲響。

雷云對(duì)地放電多為線狀雷（也有極少數(shù)形成球雷），占雷電形式的5%，此種形式的雷電對(duì)建筑物和信息系統(tǒng)的危害較大。

如根據(jù)云層帶電極性來(lái)定義雷電流的極性，云層帶正電荷對(duì)地的放電稱(chēng)為正閃電，而云層帶負(fù)電荷對(duì)地的放電稱(chēng)為負(fù)閃電。

圖1 雷電放電過(guò)程示意圖

2 雷電的效應(yīng)

雷電流具有電流所具有的一切效應(yīng)。本文只針對(duì)雷電流熱效應(yīng)，對(duì)防雷引下線規(guī)格的影響等方面談?wù)効捶?。希望在工程設(shè)計(jì)中，做到即安全又不浪費(fèi)。

研究雷電的能量，常以對(duì)地放電的雷電形式為主。

雷電放電大多是重復(fù)性的，每次放電幾十至幾百微秒，間歇時(shí)間為幾十毫秒，一次雷電平均包括3～4次，最多可達(dá)40次，通常首次放電的電流幅值最高。重復(fù)放電都是沿著第一次放電的通路發(fā)展的，這時(shí)由雷云向下發(fā)展的先驅(qū)放電是連續(xù)的，不是階段式的，是主放電的重復(fù)過(guò)程。雷電的重復(fù)放電現(xiàn)象，主要是由于雷云中的大量電荷不可能一次放電完全。第一次放電是從雷云的最下層發(fā)出的，隨后是由較高的云層或相鄰區(qū)域提供電荷的放電。

雷電流效應(yīng)不同于一般電流，它是在短時(shí)間內(nèi)以脈沖的形式通過(guò)強(qiáng)大的電流。尤其是直擊雷，它的峰值有幾十千安培，甚至幾百千安培。雷電流具有單極性的脈沖波形，有80% ～ 90%的雷電流是負(fù)極性的（負(fù)地閃）。習(xí)慣上用電流波形起始時(shí)刻至幅值下降為半幅值的時(shí)間間隔來(lái)表征雷電流脈沖的波長(zhǎng)。雷電流的大小與許多因素有關(guān)，各地區(qū)有很大差別。一般平原地區(qū)比山地雷電流大，正閃電比負(fù)閃電大，第一閃擊比隨后閃擊大，雷電流波形如圖2所示。

一次雷電放電的總能量不是很大，但因?yàn)橹鞣烹姇r(shí)間很短，能量集中，瞬時(shí)功率大，造成的危害也較大。

圖2 雷電流波形圖

3 民用建筑中的防雷引下線截面

雷電通道的溫度可達(dá)6000℃～10000℃（太陽(yáng)表面的溫度為6000℃），甚至更高。當(dāng)雷電流通過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí)，如果金屬體截面積不夠大，甚至可使其熔化。但是雷電流的峰值持續(xù)時(shí)間很短，對(duì)于大體積的金屬，雷電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)是相當(dāng)有限的。遭到雷擊的架空明線，若線徑很細(xì)就有可能熔斷。避雷針在經(jīng)受雷擊之后，針表面會(huì)留下小的坑點(diǎn)，對(duì)整個(gè)避雷針并無(wú)大礙。依據(jù)規(guī)范GB50057-2010：“引下線宜采用熱鍍鋅圓鋼或扁鋼，宜優(yōu)先選用圓鋼。當(dāng)獨(dú)立煙囪上的引下線采用圓鋼時(shí)，其直徑不應(yīng)小于12mm；采用扁鋼時(shí)，其截面不應(yīng)小于100mm2、厚度不應(yīng)小于4mm。”利用建筑物構(gòu)件內(nèi)鋼筋作為引下線時(shí)，該規(guī)范第4.3.5條和第4.4.5條規(guī)定：“敷設(shè)在混凝土中作為防雷裝置的鋼筋或圓鋼，當(dāng)僅為一根時(shí)，其直經(jīng)不應(yīng)小于10mm。被利用作為防雷裝置的混凝土構(gòu)件內(nèi)有箍筋連接的鋼筋時(shí)，其截面積總和不應(yīng)小于一根直徑10mm鋼筋的截面積?！贝藭r(shí)，流過(guò)雷電流的鋼筋溫升不影響鋼筋的強(qiáng)度及其承載能力。

確定引下線截面的計(jì)算如下：

由于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2002規(guī)定構(gòu)件的最高允許表面溫度是：對(duì)于需要驗(yàn)算疲勞的構(gòu)件（如吊車(chē)梁等承受重復(fù)荷載的構(gòu)件）不宜超過(guò)60℃；對(duì)于屋架、托架、屋面梁等不宜超過(guò)80℃；對(duì)于其它構(gòu)件（如柱子、基礎(chǔ)）則沒(méi)有規(guī)定最高允許溫度值，對(duì)此類(lèi)構(gòu)件可按不宜超過(guò)100℃考慮。

由于建筑物遭雷擊時(shí)，雷電流流經(jīng)的路徑為屋面、屋架（或托架或屋面梁）、柱子、基礎(chǔ)，則流經(jīng)需要驗(yàn)算疲勞的構(gòu)件（如吊車(chē)梁等承受重復(fù)荷載的構(gòu)件）的雷電流已分流到很小的數(shù)值。因此，雷電流流過(guò)構(gòu)件內(nèi)鋼筋或圓鋼后，其最高溫度按80℃～100℃考慮?，F(xiàn)取最終溫度80℃作為計(jì)算值，鋼筋的起始溫度取40℃，因此，鋼導(dǎo)體的溫度升高考慮為40℃，這是一個(gè)很安全的數(shù)值。

表1 首次正極性雷擊的雷電流參數(shù)

根據(jù)規(guī)范GB50057-2010表F.0.1-1（詳表1），用一根φ10圓鋼的截面積，分別取第二防雷建筑物的W/R值（5.6×106J/Ω）和第三防雷建筑物的W/R值（2.5×106J/Ω），代入溫升校驗(yàn)公式（規(guī)范GB50057-2010,141頁(yè)），溫升均小于40K?？梢?jiàn)規(guī)范中規(guī)定的φ10圓鋼滿足防雷引下線的截面積要求。

有一些關(guān)于加大防雷引下線截面的說(shuō)法，是基于雷電能量按3～4次的雷擊次數(shù)計(jì)算，同樣經(jīng)過(guò)溫升計(jì)算，引下線的截面積增大了幾倍。見(jiàn)表2、表3。

表2 接閃器或單根引下線截面積、直徑與雷電流峰值的關(guān)系（KC=1）

表3 引下線截面積、直徑與雷電流峰值的關(guān)系（KC=0.44）

在新規(guī)范GB50057-2010中，表F.0.1-1內(nèi)關(guān)于雷電流的電荷量Qs和單位能量的意義沒(méi)有解釋。在舊規(guī)范GB50057-94中，則有如下說(shuō)明：

1) 因?yàn)槿侩姾闪縌s的本質(zhì)部分包括在首次雷擊中，故所規(guī)定的值考慮合并了所有短時(shí)間雷擊的電荷量。

2) 因?yàn)閱挝荒芰縒/R的本質(zhì)部分包括在首次雷擊中，故所規(guī)定的值考慮合并了所有短時(shí)間雷擊的單位能量。

由上可知，表1中的單位能量已考慮了重復(fù)雷擊。對(duì)雷電流的電荷量Qs及單位能量W可近似按公式（1）、（2）計(jì)算。計(jì)算中的電流可按正雷擊的雷電流峰值IM計(jì)算。因?yàn)槭状呜?fù)雷擊以后的負(fù)雷擊的雷電流峰值IM均小于首次正雷擊的電流。

綜上所述，在民用建筑防雷設(shè)計(jì)中，防雷引下線截面積的規(guī)范要求已有安全裕度，不宜再放大設(shè)置。

[1]中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì). GB50057-2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

[2]劉興順. 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2004.

[3] 徐澤芳. 防雷引下線截面積的確定方法[J]. 科技資訊,2008(33).