摘要：詳細(xì)闡述了樓宇避雷系統(tǒng)的技術(shù)原理及其在樓宇智能化系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。在樓宇智能化系統(tǒng)中，對(duì)于雷電的緊急防護(hù)要制定極具針對(duì)性的解決方案，實(shí)現(xiàn)防雷電的系統(tǒng)配套，進(jìn)而完成智能化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)管理。

關(guān)鍵詞：避雷;樓宇智能化系統(tǒng);防雷裝置;防雷接地

0? ? 引言

雷電是地球上的自然現(xiàn)象，它會(huì)對(duì)我們的生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，因此，做好防雷工作十分重要。建筑智能化系統(tǒng)和防雷工程似乎是兩個(gè)互不搭界的專業(yè)，但有些智能化項(xiàng)目在雷電發(fā)生后，盡管沒(méi)有被雷擊，仍會(huì)發(fā)現(xiàn)設(shè)備損壞，累及中央監(jiān)控系統(tǒng)，破壞系統(tǒng)正常工作，造成較大損失。事后往往會(huì)在一些設(shè)備的通信線、電源線上加裝浪涌保護(hù)器，但雷電破壞事故仍時(shí)有發(fā)生。

本文分析了雷電的形成及其危害，著重介紹了雷擊防護(hù)技術(shù)的機(jī)理，并探討了最常用的防雷設(shè)施——避雷針及其接地要求，以此為例深入剖析防雷技術(shù)。作為建筑智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工的專業(yè)工程技術(shù)人員，充分掌握這些專業(yè)知識(shí)，可以加深對(duì)防雷技術(shù)的認(rèn)識(shí)，減少甚至避免建筑智能化系統(tǒng)工程施工及運(yùn)行的隱患和風(fēng)險(xiǎn)。

1? ? 雷電形成機(jī)理及其特性

雷電的形成與地球大氣層的氣流運(yùn)動(dòng)相關(guān)。云層由大量的水成物凝聚而成，地球表面含有水蒸氣的空氣，因受熱上升或冷空氣侵入，不同比重的溫?zé)釟鈭F(tuán)將被墊高，產(chǎn)生向上流動(dòng)的氣流。氣流使得雷雨云內(nèi)部不停運(yùn)動(dòng)并相互摩擦以致生電，于是雷雨云內(nèi)部產(chǎn)生大量帶有正、負(fù)電荷的小微粒。氣流運(yùn)動(dòng)越是劇烈，就越是加速了正、負(fù)電荷的產(chǎn)生和帶電微粒的集結(jié)。

地球是一個(gè)大磁場(chǎng)，動(dòng)態(tài)的雷雨云在流動(dòng)中將切割地磁場(chǎng)的磁力線，就像導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)一樣，將產(chǎn)生電荷的定向移動(dòng)，使得正電荷向上移動(dòng)，負(fù)電荷向下移動(dòng)，這就造成正電荷在云的上端聚結(jié)，負(fù)電荷在云的下端聚結(jié)，這樣就形成了很強(qiáng)的靜電場(chǎng)。當(dāng)此電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí)（25～30 kV/cm），云中的水成物分子會(huì)被電離激發(fā)導(dǎo)致雷雨云間強(qiáng)烈放電或者對(duì)地放電，產(chǎn)生巨大的閃光和雷聲。

雷雨云帶有大量電荷，由于靜電感應(yīng)的作用，雷雨云下方的地面和地面上的物體都被感應(yīng)出帶有雷雨云下方相反的電荷。由于帶電體的電荷有趨膚效應(yīng)，地面上感應(yīng)的電荷主要集結(jié)在地球表面，并且電荷受到同性電荷往外排斥的作用，最容易從尖端逸出，這就是尖端放電。雷雨云與地面間的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，地面上的突出物如高層建筑、空曠地的古樹(shù)等容易與雷雨云間構(gòu)成放電通道，引起雷擊，被稱為“閃擊”。

雷雨云與大地之間形成放電之初，有兩種放電方向：一種是從雷雨云云層的電荷中心伸向地面，另一種是從地面接地體如某建筑物向雷雨云云層推進(jìn)。前者稱為“下行先導(dǎo)”，后者稱為“上行先導(dǎo)”。根據(jù)雷雨云與地面間轉(zhuǎn)移電荷的極性不同，每種先導(dǎo)形式又可分為正極性下行先導(dǎo)、負(fù)極性下行先導(dǎo)與正極性上行先導(dǎo)、負(fù)極性上行先導(dǎo)。據(jù)大量觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，云地間放電的90%以上是負(fù)極性下行先導(dǎo)，也就是雷云下部帶負(fù)電，上部帶正電，云體向地面輸送負(fù)電荷。由于云地間空氣狀態(tài)的差異性，云地間的放電有一個(gè)從漸變到突變的過(guò)程。以下行先導(dǎo)為例，先是由帶電雷云建立空氣電離的分枝狀的微弱通道，然后迅速形成沿著空氣電離最強(qiáng)、最容易導(dǎo)電的路徑發(fā)展成主放電通道，這就形成了閃擊，云地間聚集的電荷能量得以釋放。在上行先導(dǎo)中，由于地面上的建筑物、鐵塔等突出物聚集大量感應(yīng)電荷，它可以使其周圍的空氣電離，為云地間泄出電荷開(kāi)闊通道，形成主放電通道。

2? ? 雷電閃擊的危害性

雷電閃擊對(duì)地面的破壞性打擊主要由如下三方面造成：

2.1? ? 巨大的主放電電流

在閃擊中地面雷擊點(diǎn)受到直擊雷電擊的主放電電流相當(dāng)巨大，其峰值電流大多為幾十千安，也有超過(guò)幾百千安的。同樣的雷擊，其電流峰值的大小與雷擊點(diǎn)土壤電阻率有關(guān)，土壤電阻率高，峰值電流小，土壤電阻率小，峰值電流大。

雷雨云與大地的放電過(guò)程十分短促，主放電電流的波型是一個(gè)前沿陡狹、后沿較為平坦的單極性強(qiáng)脈動(dòng)波，一般在微秒級(jí)，如圖1所示。

圖1中T1為波頭到達(dá)時(shí)間，即主放電電流上升階段，從峰值電流10%到達(dá)主放電電流90%的時(shí)間，T1=10 μs。T2為波尾到達(dá)時(shí)間，即從主放電電流在上升階段到達(dá)峰值電流10%，然后經(jīng)過(guò)最大峰值回落到峰值電流50%的時(shí)間，T2=350 μs。由圖可見(jiàn)，在極短時(shí)間內(nèi)形成巨大的放電電流，對(duì)雷擊點(diǎn)的打擊甚大。電能轉(zhuǎn)化成熱能，足以使被雷擊物體融化、燃燒、爆炸，造成建筑損壞、森林火災(zāi)、鐵塔傾塌、供電/通信線路中斷甚至人員傷亡等。

2.2? ? 雷電的超強(qiáng)過(guò)電壓

在雷擊短暫的主放電過(guò)程中，由于自然或人為條件影響，如土壤導(dǎo)電率或防雷接地措施不佳，感應(yīng)電荷不能在瞬間全部釋放，就會(huì)在局部地區(qū)或構(gòu)筑物上產(chǎn)生感應(yīng)高電壓。此電壓可達(dá)40～60 kV，足以擊穿設(shè)備或電氣線路的絕緣物，也可能在建筑物內(nèi)部的金屬構(gòu)架與接地不良的點(diǎn)產(chǎn)生火花，造成設(shè)備損壞或引燃易燃易爆物，這對(duì)生產(chǎn)、存放可燃、易燃易爆物或濃粉塵環(huán)境的倉(cāng)庫(kù)、車間是相當(dāng)危險(xiǎn)的。

2.3? ? 雷電的電磁感應(yīng)

雷電的主放電電流就像一股強(qiáng)大的脈沖電流在導(dǎo)體內(nèi)流動(dòng)，該電流峰流大，上升沿甚陡，具有豐富的諧波，因此在其周圍的空間存在強(qiáng)大的電磁場(chǎng)。處在變化的電磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體會(huì)感應(yīng)出較大的電動(dòng)勢(shì)，不閉合的金屬導(dǎo)體回路在此電磁場(chǎng)中將在間隙處產(chǎn)生火花，這也同樣會(huì)造成災(zāi)害。強(qiáng)大的電磁波會(huì)穿透電氣設(shè)備的屏蔽物，破壞電氣設(shè)備正常運(yùn)行。

3? ? 在智能化建筑中配備防止雷擊的內(nèi)外部防雷裝置

雷云與雷擊是在諸多因素綜合影響下形成的自然現(xiàn)象，人為地干擾、阻礙雷云的生成相當(dāng)困難，但防止雷擊以減少雷擊造成的損失還是有可能的。富蘭克林避雷針是18世紀(jì)美國(guó)科學(xué)家富蘭克林發(fā)明的，至今還是防雷技術(shù)中的重要設(shè)施。

根據(jù)云地放電的特性，用以對(duì)某一空間構(gòu)筑物進(jìn)行雷電防護(hù)的整套裝置由外部防雷裝置與內(nèi)部防雷裝置組成。外部防雷裝置是在外部空間設(shè)置的防雷設(shè)施，主要由接閃器、引下線和接地裝置組成，用于防護(hù)直擊雷，其中接閃器由避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)、避雷線等組成。內(nèi)部防雷裝置是指除了外部防雷裝置外所有其他附加防雷設(shè)施，主要用于減少和防護(hù)雷電流在防護(hù)空間內(nèi)所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)，如建立等電位連接，增設(shè)浪涌保護(hù)器（SPD）、過(guò)電流保護(hù)器等。

現(xiàn)代化建筑樓宇中必須強(qiáng)制采用避雷針等外部防護(hù)裝置，將防雷系統(tǒng)作為建筑智能化整體系統(tǒng)的一個(gè)必備子系統(tǒng)。外部防雷裝置由接閃器如避雷針、帶、網(wǎng)、線、引下線及接地裝置組成，實(shí)質(zhì)上是人為建立暢通的、安全的云地電荷釋放通道，使雷電主放電電流沿著人們?cè)O(shè)計(jì)的通道順暢地流入大地，以達(dá)到云地間電荷在一定時(shí)間內(nèi)“平衡”。

接閃器是外部防雷器的前端設(shè)備，它安裝于被防護(hù)物外部空間，用來(lái)接收雷云與大地間的放電電流。通過(guò)引下線把避雷針等接閃器和與大地等電位的接地裝置連接在一起，以引導(dǎo)雷電電流流入大地。

3.1? ? 避雷針

避雷針是防雷外部裝置接閃器中最常見(jiàn)的設(shè)備，避雷針設(shè)計(jì)長(zhǎng)度及安裝位置根據(jù)它的防護(hù)范圍而定，而防護(hù)范圍的確立要依據(jù)被保護(hù)物的防護(hù)等級(jí)。

根據(jù)建筑物使用性質(zhì)、發(fā)生雷擊事故后果的嚴(yán)重性以及由當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供的有關(guān)年平均雷暴日資料等，按《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057—2010），被保護(hù)物可劃分為4個(gè)防護(hù)等級(jí)，最高等級(jí)為Ⅰ級(jí)，其次為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)。在雷擊發(fā)生時(shí)，主放電峰值電流大小不等，防護(hù)等級(jí)越高，最小主放電峰值電流限定值越小，該值表示超過(guò)此值的雷電流被限制侵入的可能性。對(duì)大量觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，各防護(hù)等級(jí)限定入侵雷電流峰值大小如表1所示。

對(duì)避雷針?lè)雷o(hù)范圍的描述和計(jì)算，常用的有保護(hù)角法和滾球法。前者適用于對(duì)簡(jiǎn)單小型建筑物進(jìn)行估算，表2表示對(duì)不同防護(hù)等級(jí)設(shè)置的避雷針其高度和保護(hù)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

實(shí)際情況下，避雷針保護(hù)范圍的模型不完全是以避雷針為中心軸、以α為半圓錐角的圓錐體。所以，根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057—2010）采用滾球法可以較好地描述和計(jì)算避雷針的保護(hù)范圍。

滾球法把雷擊產(chǎn)生的最小峰值電流與滾球半徑建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)，而最小峰值電流又與保護(hù)物的保護(hù)等級(jí)有確定的關(guān)系，三者的聯(lián)系如表3所示。

用滾球法計(jì)算避雷針保護(hù)范圍，或根據(jù)保護(hù)范圍計(jì)算避雷針高度。式（1）表明了被保護(hù)物高度（hx）平面上的保護(hù)半徑rx和滾球半徑（hτ）、避雷針高度（h）之間的關(guān)系：

對(duì)于某防護(hù)物要先確定保護(hù)等級(jí)，由此保護(hù)等級(jí)可確定滾球半徑hτ，那么由式（1）可根據(jù)避雷針高度（h）及被保護(hù)物高度（hx）求得避雷針在hx高度平面上的保護(hù)半徑rx。同理，已知rx、hτ、hx可以計(jì)算出避雷針高度h，由于公式（1）是h的一元二次方程，會(huì)有兩個(gè)h的解，可以選擇一個(gè)合理的解作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

例如：某現(xiàn)代化標(biāo)準(zhǔn)廠區(qū)占地面積為30 m×40 m，廠房高度為4 m，如在該廠區(qū)的中心位置安裝避雷針作為外部雷擊防護(hù)設(shè)施，求此避雷針高度為多少能起到有效的防護(hù)作用。

首先確定該廠區(qū)的使用性質(zhì)屬于Ⅲ類防護(hù)建筑物，設(shè)定滾球半徑hτ為60 m，并設(shè)定在離地4 m平面上，以廠區(qū)中心位置為保護(hù)區(qū)中心，保護(hù)半徑為20 m，將上述已知條件代入式（2）：

解式（2）可得h值為16.5 m和104 m，顯然選擇h=16.5 m為合理值;如選取h=104 m，則工程成本大大增加，故不予采納。

外部防雷裝置除避雷針以外，還可以設(shè)置避雷帶、避雷網(wǎng)、避雷線等。

3.2? ? 避雷針的接地裝置

在外部防雷裝置中，避雷針和接地裝置以及連接二者的引下線是一個(gè)完整的裝置，缺少其中任意一個(gè)環(huán)節(jié)或某一環(huán)節(jié)有故障，則避雷針不僅起不到作用，反而會(huì)引來(lái)災(zāi)害。2007年5月，四川省有一個(gè)鄉(xiāng)村小學(xué)遭遇雷擊，造成該校7名學(xué)生死亡，40多人受傷。事后經(jīng)專家現(xiàn)場(chǎng)勘查，在分析報(bào)告中指出：雷電從南邊過(guò)來(lái)，首先擊向2 m高的金屬旗桿，旗桿采用一般的基礎(chǔ)固定安裝在地面，沒(méi)有專門的接地裝置。由于旗桿未接地，把雷迎來(lái)后，電荷得不到順暢泄放，于是轉(zhuǎn)向附近教室的金屬窗戶、預(yù)制板鋼筋，導(dǎo)致多名學(xué)生遭受雷擊，造成慘禍。由此可見(jiàn)，避雷針的接地十分重要。

地球陸地表層是具有良好導(dǎo)電率的土壤或砂石，一般情況下處于電荷平衡狀態(tài)，這個(gè)地電平可以看作零電平。如果發(fā)生云地放電，通過(guò)避雷針，經(jīng)引下線流入接地體，地表的土壤層可以作為電荷的接收體，由于其導(dǎo)電率高，能很快地將雷電流的放電電荷消散。接地電流流入地面以后，是自接地體向四周做半球形流散，自接地體向四周流散的電流叫流散電流，流散電流在土壤中遇到的全部電阻叫做流散電阻，也就是接地電阻，按標(biāo)準(zhǔn)接地電阻值不大于10 Ω考慮。

一般情況下，防雷接地可利用建筑物的混凝土鋼筋，但這些被利用當(dāng)防雷接地體的鋼筋框架必須全部焊接，符合接地電阻的要求，如果不符合的話，則必須另設(shè)置人工接地體，以符合接地電阻的要求?？梢圆捎?0 mm×4 mm扁鋼作為接地引下線與接地體相連。

接地體結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中所有材料的連接點(diǎn)必須焊接良好，并做好機(jī)械安裝工作。

避雷針的接地除了符合接地有關(guān)規(guī)定外，下列諸點(diǎn)必須注意。

（1）獨(dú)立的避雷針與被保護(hù)物間應(yīng)保持一定的空間距離，一般不應(yīng)小于5 m。與被保護(hù)物的接地網(wǎng)（如混凝土鋼筋框架）之間也應(yīng)保持一定的地中距離，一般不應(yīng)小于3 m。以避免避雷針引雷時(shí)，產(chǎn)生的高壓電位對(duì)被保護(hù)物發(fā)生“反擊”事故。

（2）獨(dú)立的避雷針及其接地裝置，離建筑物出入口等人員經(jīng)常出入的區(qū)域，不應(yīng)小于3 m，以降低跨步電壓。如有困難，可在水平接地體上敷設(shè)50～80 mm的瀝青層，其寬度應(yīng)超過(guò)接地裝置2 m。

（3）避雷針接地引下線在地面敷設(shè)不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)，雷擊時(shí)，高頻高壓電流通過(guò)直線狀的金屬帶，其呈現(xiàn)的感抗會(huì)在引下線上產(chǎn)生較高的感抗壓降，會(huì)傷害周邊人員，引起事故。

（4）所有防雷接地的金屬構(gòu)件必須做好防腐蝕措施以及日常檢查工作。

當(dāng)今的智能化建筑普遍兼具個(gè)性和獨(dú)特性，因此需要配備極具針對(duì)性的防雷系統(tǒng)。理論和實(shí)踐證實(shí)，唯有完善和有效的防雷措施才能確保樓宇整體智能化系統(tǒng)的正常運(yùn)行以及各分系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控信息的即時(shí)傳輸和用戶的安全。如機(jī)電系統(tǒng)在防雷接地設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中采用的接線方式存在缺陷和瑕疵，就會(huì)導(dǎo)致智能化系統(tǒng)中機(jī)電分系統(tǒng)運(yùn)行異?！，F(xiàn)在常用的接地方式包括單獨(dú)接地和共同接地兩種，實(shí)際使用過(guò)程中通常采用共同接地的接線方式。除此之外，智能化機(jī)電系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)工程是一個(gè)完整的系統(tǒng)性工程，需要從全局的角度進(jìn)行把控，將防雷措施的各個(gè)相關(guān)因素整合，實(shí)現(xiàn)具體防雷工作的有效實(shí)施。

建筑物接地系統(tǒng)可以具體地劃分為保護(hù)區(qū)域系統(tǒng)、防雷區(qū)域系統(tǒng)以及屏蔽區(qū)域系統(tǒng)等。各個(gè)不同的系統(tǒng)都有不同的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)不同的接地系統(tǒng)存在的問(wèn)題較多，一旦處理不恰當(dāng)，就很容易產(chǎn)生安全隱患。因?yàn)橹悄芑ㄖ?huì)受到較多因素干擾，同時(shí)防雷區(qū)域跟保護(hù)區(qū)域之間互相連通，可以選用基礎(chǔ)性的鋼筋網(wǎng)絡(luò)作為接地體，并采用統(tǒng)一的接地方式。

從實(shí)際的防雷安全角度進(jìn)行分析，防雷接地與電力設(shè)備之間的連接是防雷保護(hù)的關(guān)鍵。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)電系統(tǒng)的接地方式為單獨(dú)接地，優(yōu)點(diǎn)是能夠保證地電位的穩(wěn)定，如果將傳統(tǒng)的接線方法應(yīng)用到智能化建筑防雷工作中，很容易形成反擊現(xiàn)象，因此不適合采用此類線路接地方式。

由此可見(jiàn)，防雷接地裝置并不十分復(fù)雜，然而一旦發(fā)生雷擊就可能造成巨大損失，所以，建設(shè)、施工單位和使用單位應(yīng)給予足夠的重視，在設(shè)計(jì)、施工時(shí)必須嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，并加強(qiáng)日常檢查與維護(hù)。特別是對(duì)裸裝的金屬件和連接處，要定期檢查，防止因腐蝕引起災(zāi)害事故。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

建筑智能化系統(tǒng)在運(yùn)行中受到雷電破壞并不少見(jiàn)，作為建筑智能化系統(tǒng)工程技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解和認(rèn)識(shí)雷電破壞智能化系統(tǒng)設(shè)施的原因，從而采取有效措施保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備。筆者專程考察過(guò)大量受到雷擊破壞的建筑現(xiàn)場(chǎng)，絕大多數(shù)事故都是由小疏忽造成的，但遭到的損失極其巨大。所以，必須重視建筑智能化系統(tǒng)工程與防雷工程的關(guān)聯(lián)性，將防雷系統(tǒng)作為建筑智能化整體系統(tǒng)的一個(gè)必備子系統(tǒng)。

在考察中有些問(wèn)題必須引起重視，如在空曠地安裝智能化監(jiān)控設(shè)備的金屬立桿的接地;對(duì)安裝在屋頂空間或直接與水管連接BA樓宇自動(dòng)化控制設(shè)備、中央監(jiān)控控制柜、靜電地板等這些設(shè)施的接地點(diǎn)，應(yīng)認(rèn)真檢查接地點(diǎn)質(zhì)量狀況，內(nèi)外相連的通信、電源電纜，正確安裝浪涌保護(hù)器（SPD）等等。希望本文的論述對(duì)建筑智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工從業(yè)人員有所啟示，能對(duì)照國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范認(rèn)真落實(shí)防雷的有關(guān)要求，更好地防范雷擊事故發(fā)生。

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收稿日期：2020-05-25

作者簡(jiǎn)介：黃文葳（1972—），男，上海人，工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。