建筑物防雷设计中的若干问题探析

建筑物防雷设计中的若干问题探析

刘德冉

机械工业第四设计研究院有限公司上海分公司 上海 200433

摘要：建筑物防雷设计是避免建筑物遭受雷电损害的重要手段，是工程设计中不可或缺的重要一环。本文从建筑物防雷的设计目标、建筑物防雷等级的确定、滚球法与球形闪电和电涌保护器SPD的选择与配合等几个方面试举几例以探讨设计中比较容易忽略的概念和问题。

关键词：防雷设计；易忽略问题

1 防雷设计的目标

建筑设计过程中，建筑物的防雷接地设计和措施能够有效降低建筑物遭受雷击的概率和降低雷击影响，最大限度地防止建筑物出现雷击事故，为建筑内部居民的人身财产安全提供保证。建筑物的接地防雷设计是系统性工程，主要包括防雷接地、工作接地、保护接地以及等电位连接等防护措施，进而从多个方面应对可能发生的雷电自然现象。通过落实全面的防雷接地措施，将建筑雷击时遭受到的瞬间雷电流导入大地，从而保证建筑及相关设备的安全。

防雷装置的设计耐雷水平，是综合考虑雷击概率、损失后果及经济性的结果，因此，防雷安全度不是100%的。常规的做法是先确定建筑物的防雷等级，再根据条件尽可能利用建筑物及设备金属结构进行防雷接地的连接，同时选择合理的保护设备，从而达到保护建筑物、设备及人身安全的目的。

2 建筑物防雷等级的确定

《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010中，对建筑物的防雷防雷等级有明确的划分。然而在设计中经常容易犯的一个错误是只以预计雷击次数划定建筑物的防雷等级，而忽视了对环境场所重要性和危险性的考量。第一类防雷建筑物最明显的特征是具有爆炸危险环境，会因为电火花而引起爆炸、爆轰，造成巨大破坏和人身伤亡。在区分第二类防雷建筑物与第三类防雷建筑物时，需考虑的一个点是建筑物是否为火灾危险场所。《建筑物防雷设计规范》为2011年10月1日开始实施，该规范对火灾危险环境的定义是与1992年12月1日开始实施的《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50058-92配套实施的。然而新版本的《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB50058-2014爆炸危险环境电力装置设计规范删除了对火灾危险环境的定义。因此，不同设计人之间出现了是否还需考量火灾危险环境这一点的争议。笔者认为《建筑物防雷设计规范》在对建筑物防雷等级进行划分时，是对场所的危险性进行了考量的。我们不能仅仅因为新规范对一个名词的定义缺失就对其视而不见，应该继续遵循原规范的定义进行设计。最近几年也是按此进行的设计。但是第四版《工业与民用供配电设计手册》中提及建筑物防雷设计规范国家标准管理组在2015-07-15复函中已删去“以及火灾危险场所”字样。

3 滚球法与球形闪电

接闪是防雷设计的重要一环，是建筑物防直击雷的主要手段。常用的做法有采用金属屋面、屋面明敷接闪带、设置接闪杆等。只要屋面下不存在易燃易爆物，金属屋面就是最好的接闪导体，整个屋面几乎能将建筑物的直击雷全部纳入保护范围内。接闪带是按建筑物的防雷等级在屋面敷设不同大小的防雷网格。接闪杆的保护范围也是根据建筑物的防雷等级选择不同的滚球半径，以滚球被接闪杆挡住而不触及被保护对象为准。这里有两点问题值得探讨：1.自然界中的球状雷电是一种特殊的大气雷电现象，其发生概率很小，线状雷电才是建筑物防雷设计的主要防护对象。那为何要以滚球半径作为设计依据？2.使用滚球法对屋面按照《建筑物防雷设计规范》设置的接闪网格进行校验会发现网格中的大部分屋面并不在保护范围内，这又如何解释？

滚球法的理论依据是以击距理论为基础，根据闪击距离（即放电距离）的大小来确定接闪杆、接闪线的保护范围。击距理论是假定雷电极在不同高度并相对接闪杆变化位置时进行人工模拟放电试验。流经被击物的雷电流幅值与定位高度、先导电荷相关。击距(击距为防雷计算中的抛球半径或滚球半径)有关，一般推断，目前上有很多不同的击距与电流之间的换算公式。一般地，雷电流越大，击距越长。若雷电流为200kA以止，则击距可能在200m及以上，若雷电流为15~20kA，则击距可能在20~30m。建筑物的防雷等级是根据其雷击概率及危害性等综合因素进行划定的。因此，根据防雷等级选择不同的击距能够最大限度的平衡经济性与安全性。并非假设雷电流为球形闪电而进行的保护模拟。

通用图15D501《建筑物防雷设施安装》中，有对屋面上的金属与非金属物体的防雷做法。可见除了需要特别保护的屋面设施外，一般不对其进行专门保护。显然，屋面的中心位置并没有更高的经济价值，被雷击后也不会产生安全方面的影响。因此，接闪网格并非是对屋面的整体性保护，而是对易受雷击部位和有安全隐患部位的保护。接闪网格的主要功能是为了接闪后的分流需求。

4 电涌保护器SPD的选择与配合

电涌保护器是装设在配电回路中用于带电系统限制瞬态过电压和导引泄放电涌电流的非线性防护器件。—个系统中所有SPD及所需保护的设备的能量配合，对保护的效率具有决定性意义。电涌保护器配合主要是为了：将最终的雷电威胁值减到需要保护设备的耐受程度；各个SPD的额定荷载电涌 能力不被超过，否则会造成SPD的损坏；当SPD之间的限制距离不足时，过电压波可能会在线路上形成 反射，产生振荡电压叠加到线路上，使线路上的电压升高，反而会对被保护设备造成威胁。实施能量配合和电 压配合，可以使各级SPD之间的限制电压相互协调，减少反射现象；保证SPD逐级先后动作；避 免SPD的动作出现盲点。SPD电压配合是对各级的SPD限制电压值进行逐级控制，以达到将过电压值限制在设备耐受范围之内。一般情况下SPD中通过电流越大残压就越高，通过能量分配后，末级SPD流过的雷电流越小，越有利于电压限制雷电电涌的传导。当两个或两个以上的SPD需要能量上的配合时，根据每个SPD的能量吸收能力共同分担总的电涌能量，使每个SPD所能承受的能量都低于其承受能力，从而达到良好的配合效果。

设备的保护需要进行防雷区的划分和雷击风险评估，根据防雷区的划分和风险评估的结果确定SPD的安装数量。处于LPZOA和LPZ1的SPD用来承受和泄放直接雷击的能量，雷击波形为10/350μs,一般选用电压开关型 SPD,称为第一级防护。第一级防护的主要作用是泄放大能量的雷电流。在LPZOB和LPZ1这两个区域内，由雷击引发的电磁场起支配作用，一般不会发生直接雷击。在这两个区域内往往选用8/20μs波形电压开关型或 限压型的较大通流量的SPD,也称为第一级防护。

在LPZ1和LPZ2内的SPD主要考虑上一级的剩余威胁值和LPZ1区内的电磁场的感应效应。一般选用 8/20μs波形限压型的SPD,称为第二级防护。篥二级的主要作用是泄放雷电流和限压。以后各级SPD泄放雷 电流的作用逐级减弱，限压作用逐级增强。依此类推，直到将威胁值减到需要保护设备的耐受能力以下。

为了达到更好的SPD能量配合效果，所以在靠近被保护设备处安装SPD时，应选用二级或三级SPD，同时满足多组SPD之间的距离要求，并且SPD之间的能量配合应遵循敏感的SPD首先响应的原则。

图1

为火花间隙+压敏电阻型SPD，在雷电流过来时，因为SPD2的导通电压低，因此SPD2先导通，当电压达到SPD1的触发电压时，SPD1导通。根据SPD能量配合的原则，SPD2必须能够承载部分10/350us波形的雷电流，并且在SPD2过载前，SPD1必须承担主要的能量泄放。

图2

为压敏电阻+压敏电阻型SPD浪涌保护器，因为两个限压型SPD标称导通电压相同，因此在雷电流过来时首先使SPD1导通，当电涌电流继续增大，使得SPD1残压上升，当达到SPD2的启动电压后SPD2导通。

5 结语

建筑物防雷设计是建筑电气设计中非常重要的一部分，随着国家经济腾飞，社会发展，高层建筑物越来越多，造型特别的建筑物也越来越常见，建筑物内的电气系统、电子信息系统越来越完善。如果缺乏一个完善、可靠的防雷系统，一旦遭受雷击，不仅可能导致人员伤亡，而且会引起电气火灾，损坏造价昂贵的电子信息设备，造成重大的财产损失。这就需要设计对建筑物的雷击危险性、建筑物的主体结构和防雷接地设施的经济成本等进行综合考量，以尽可能达到安全可靠与经济合理同时兼顾的目的。

参考文献

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