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它的破坏力十分巨大，若不能迅速将其泻放入大地，将导致放电通道内的物体、建筑物、设施、人畜遭受严重的破坏或损害——火灾、建筑物损坏、电子电气系统摧毁，甚至危及人畜的生命安全。

（2）雷电波侵入

雷电不直接放电在建筑和设备本身，而是对布放在建筑物外部的线缆放电。

线缆上的雷电波或过电压几乎以光速沿着电缆线路扩散，侵入并危及室内电子设备和自动化控制等各个系统。

因此，往往在听到雷声之前，我们的电子设备、控制系统等可能已经损坏。

（3）感应过电压

雷击在设备设施或线路的附近发生，或闪电不直接对地放电，只在云层与云层之间发生放电现象。

闪电释放电荷，并在电源和数据传输线路及金属管道金属支架上感应生成过电压。

雷击放电于具有避雷设施的建筑物时，雷电波沿着建筑物顶部接闪器（避雷带、避雷线、避雷网或避雷针）、引下线泄放到大地的过程中，会在引下线周围形成强大的瞬变磁场，轻则造成电子设备受到干扰，数据丢失，产生误动作或暂时瘫痪；

严重时可引起元器件击穿及电路板烧毁，使整个系统陷于瘫痪。

（4）地电位反击

如果雷电直接击中具有避雷装置的建筑物或设施，接地网的地电位会在数微秒之内被抬高数万或数十万伏。

高度破坏性的雷电流将从各种装置的接地部分，流向供电系统或各种网络信号系统，或者击穿大地绝缘而流向另一设施的供电系统或各种网络信号系统，从而反击破坏或损害电子设备。

同时，在未实行等电位连接的导线回路中，可能诱发高电位而产生火花放电的危险。

如图1所示，当10KA的雷电流通过下导体入地时，假设接电阻为10欧姆,根据欧姆定律,可知在入地点A处电压为100KV。

因A点与C点、D点相连，所以这几点电压都为100KV。

而E点接地，其电压值为0，设备的D点与E点间有100KV的电压差，足以将设备损坏。

图1

以上四方面中雷电对建筑物的危害主要以后雷电波侵入、感应过电压与地电位反击三者居多，这三者统称为雷电电磁脉冲。

据有关统计资料，直击雷的损坏仅占15%，而雷电电磁脉冲的损坏占85%。

因此，现代建筑的防雷设计已不同以往，对雷电电磁脉冲的防护必须要加以重视。

2防雷等级分类计算

我们在着手建筑物防雷设计的第一步时，首先是要确定建筑物的防雷等级。

《建筑物防雷设计规范》（GB50057－972000）中，对建筑物防雷等级的划分，除了由建筑物的功能定性外，第二、三类防雷建筑，还取决于建筑物的预计年雷击次数N。

2.1建筑物的预计年雷击次数计算

建筑物年预计雷击次数应按下式计算：

N=k*Ng*Ae

（1）

式中：

N──建筑物年预计雷击次数（次／a）；

k──校正系数，在一般情况下取1，在下列情况下取相应数值：

位于旷野孤立的建筑物取2；

金属屋面的砖木结构建筑物取1.7；

位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5；

Ng──建筑物所处地区雷击大地的年平均密度［次／（km2·

a）］；

Ae──与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）。

雷击大地的年平均密度应按下式计算：

Ng＝0.024Td1.3

（2）

Td──年平均雷暴日，根据当地气象台、站资料确定（d／a）。

建筑物等效面积Ae是其实际平面积向外扩大后的面积。

其计算方法分以下三个方面：

（1）当建筑物的高H小于100m时，其等效面积按以下公式计算：

（3）

L、W、H──分别为建筑物的长、宽、高（m）。

（2）当建筑物的高H等于或大于100m时，建筑物的等效面积按下式计算：

Ae＝[LW＋2H（L＋W）＋πH2]·

10-6　（4）

（3）当建筑物各部位的高不同时，应沿建筑物周边逐点算出最大扩大宽度，其等效面积Ae应按每点最大扩大宽度外端的连接线所包围的面积计算。

（4）

按以上公式计算得到N后就可以确定防雷等级了。

一般先把建筑物按其重要性和使用性质分为部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物和住宅、办公楼等一般性民用建筑物两类。

部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物其年预计雷击次数N大于0.06次/a时，该建筑就划为第二类防雷建筑物；

若N大于等于0.012次/a，且小于或等于0.06次/a，则该建筑就划为第三类防雷建筑物。

住宅、办公楼等一般性民用建筑物其年预计雷击次数N大于0.3次/a时，该建筑就划为第二类防雷建筑物；

若N大于等于0.06次/a，且小于或等于0.3次/a，则该建筑就划为第三类防雷建筑物。

那么，如果N小于0.012次/a该怎么办呢？

按照规范的要求，如果N小于0.012次/a，同时该建筑物又不属于国家机关、政府大楼等重要建筑的话，可以不做防雷设计。

但是，从2004年7月开始，上海气象局对没有做建筑防雷设计的建筑工程不与审批通过。

因此，年预计雷击次数小于0.012次/a的建筑物的防雷设计还要根据各个地方的地方规定。

2.2计算举例

例1：

南京某大学教学楼，其屋顶平面图见附录图纸“教学楼屋顶平面图”，各尺寸见平面图标注，试确定其防雷等级。

解：

从建筑屋顶平面图各标高可以看到，此建筑属于上述三类中的（3），即建筑各部位的高度不同。

但它还有一个特殊的地方，就是整幢建筑的外形呈半工字形，对这种特殊的联体式的建筑，防雷计算有两种不同的可行的方法。

一种是把整幢建筑的外周长加起来，算做等效长度，然后根

据等效长度和宽、高来计算年预计雷击次数。

第二种是把整幢建筑按其结构功用分为三个单体来分别计算，计算后取防雷等级大的为整个建筑的防雷等级，然后根据每个单体建筑的长、宽、高适当增设避雷针。

第一种做法是常规的做法，而第二种做法是一种经验做法，目前已经被审图公司认可，之所以可以采取此种方法计算是因为像这样的建筑，因为其单体功能不同，建筑里配电设备一般是按单体设计的，每个单体都有其单独的室内防护（将在后面叙述），因此外部防雷也可以分开。

此建筑按第二种方法计算其年预计雷击次数。

因为其对称，所以只需计算上边部分与中间的单体。

现把其按高度分为4块区域（两边上屋顶楼梯不计）。

计算如下：

块1：

长21m、宽18m、高22.9m，所以

Ae1=0.01808

块2：

长72m、宽21.1m、高21m，所以

Ae2=0.024739

块3：

长30.2m、宽16.3m、高20.1m，所以

Ae3=0.017439

把Ae1、Ae2、Ae3相加得到上边部分的建筑等效面积

Ae=0.060258

南京地区年平均雷暴日Td=35.1d/a，所以

Ng＝2.449686411

校正系数k取1，则年预计雷击次数

N1=0.148

此学校建筑应该归类于人员密集的公共建筑物，其年预计雷击次数N大于0.06，因此此建筑单体属于二类防雷建筑。

下部单体与其对称，也属于二类防雷建筑。

块4：

长52m、宽37.8m、高14.5m，所以

Ae=0.019726

其年预计雷击次数

N2=0.0483

N大于0.012而小于0.06，所以此建筑单体属于三类防雷建筑。

综上所述，可以看到三个建筑单体的防雷等级不同，但按照原则，此建筑应归类于二类防雷建筑。

因此此建筑的所有防雷设计都应按照防雷设计规范上“二类防雷建筑物的防雷措施”进行设计。

3综合防雷系统设计

3.1综合防雷设计的六大要素

防雷设计是一个很复杂的问题，不可能依靠一、二种先进的防雷设备和防雷措施就能完全消除雷击过电压和感应过电压的影响，必须针对雷害入侵途径，对各类可能产生雷击危害的因素进行综合防护，才能将雷害减少到最低限度。

这种综合防护主要包括接闪、分流（保护）、均压、屏蔽、接地、合理布线，统称为综合防雷六大要素。

（1）接闪

接闪就是让在一定程度范围内出现的闪电放电不能任意地选择放电通道，而只能按照人们事先设计的防雷系统的规定通道，将雷电能量泄放到大地中去。

（2）分流（保护）

这是现代防雷技术迅猛发展的重点，是保护各种电子设备或电气系统的关键措施。

所谓分流就是在一切从室外来的导体（包括电力电源线、数据线、电话线或天馈线等信号线）与防雷接地装置或接地线之间并联一种适当的避雷器SPD，当直击雷或雷击效应在线路上产生的过电压波沿这些导线进入室内或设备时，避雷器的电阻突然降到低值，近于短路状态，雷电电流就由此处分流入地了。

雷电流在分流之后，仍会有少部份沿导线进入设备，这对于一些不耐高压的微电子设备来说是很危险的，所以对于这类设备在导线进入机壳前，应进行多级分流（即不少于三级防雷保护）。

（3）均压

指使建筑物内的各个部位都形成一个相等的电位，即等电位。

若建筑物内的结构钢筋与各种金属设置及金属管线都能连接成统一的导电体，建筑物内当然就不会产生不同的电位，这样就可保证建筑物内不会产生反击和危及人身安全的接触电压或跨步电压，对防止雷电电磁脉冲干扰微电子设备也有很大的好处。

钢筋混凝土结构的建筑物最具备实现等电位的条件，因为其内部结构钢筋的大部分都是自然而然地焊接或绑扎在一起的。

为满足防雷装置的要求，应有目的地把接闪装置与梁、板、柱和基础可靠地焊接、绑扎或搭接在一起，同时再把各种金属设备和金属管线与之焊接或卡接在一起，这就使整个建筑物成为良好的等电位体。

（4）屏蔽

屏蔽的主要目的是使建筑物内的通信设备、电子计算机、精密仪器以及自动控制系统免遭雷电电磁脉冲的危害。

建筑物内的这些设施，不仅在防雷装置接闪时会受到电磁干扰，而且由于它们本身灵敏性高且耐压水平低，有时附近打雷或接闪时，也会受到雷电波的电磁辐射的影响，甚至在其他建筑物接闪时，还会受到从该处传来的电磁波的影响。

因此，我们应尽量利用钢筋混凝土结构内的钢筋，即建筑物内地板、顶板、墙面、及梁、柱内的钢筋，使其构成一个网笼，从而实现屏蔽。

由于结构构造的不同，墙内和楼板内的钢筋有疏有密，钢筋密度不够时，设计人员应按各种设备的不同需要增加网格的密度。

良好的屏蔽不仅使等电位和分流这两个问题迎刃而解，而且对防御雷电电磁脉冲也是最有效的措施。

此外，建筑物的整体屏蔽还能防球雷、侧击和绕击雷的袭击。

（5）接地

接地就是让已经流入防雷系统的闪电电流顺利地流入大地，而不能让雷电能量集中在防雷系统的某处对被保护物体产生破坏作用，良好的接地才能有效地泄放雷电能量，降低引下线上的电压，避免发生反击。

过去的一些旧规范要求电子设备单独接地，目的是防止电网中杂散电流干扰设备的正常工作。

但现在，防雷工程设计已不提倡单独接地，而是更多的与防雷接地系统共用接地装置，但接地电阻要由原来的小于4Ω减少到1Ω。

我国的现用的规范规定，如果电子设备接地装置采用专用的接地系统，则其与防雷接地系统的地中距离要大于20m。

防雷接地是防雷系统中最基础的环节，也是防雷安装验收规范中最基本的安全要求。

接地不好，所有防雷措施的防雷效果都不能发挥出来。

（6）合理布线

指如何布线才能获得最好的综合效果。

现代化的建筑物都离不开照明、动力、电话、电视和

计算机等设备的管线，在防雷设计中，必须考虑防雷系统与这些管线的关系。

为了保证在防雷装置接闪时这些管线不受影响，首先，应该将这些电线穿于金属管内，以实现可靠的屏蔽；

其次，应该把这些线路的主干线的垂直部分设置在建筑物的中心部位，且避免靠近用作引下线的柱筋，以尽量缩小被感应的范围。

除考虑布线的部位和屏蔽外，还应在需要的线路上加装避雷器、压敏电阻等浪涌保护器。

因此，设计室内各种管线时，必须与防雷系统统一考虑。

3.2综合防雷设计分类

传统的防雷方法主要就是直击雷的防护，其技术措施可分为接闪器、引下线、接地体等。

其中接闪器可以根据建筑物的地理位置、现有结构、重要程度等，决定是否采用避雷针、避雷带、避雷网或其联合接闪方式。

但随着微电子技术高度发展及广泛应用，传统的防雷设计方法已难以满足现代建筑防雷的需要。

根据以上综合防雷六要素可以把现代防雷保护分为外部防雷保护（建筑物或设施的直击雷防护）和内部防雷保护（雷电电磁脉冲的防护）两部份，外部防雷系统主要是为了保护建筑物免受直接雷击引起火灾事故及人身安全事故，而内部防雷系统则是防止雷电波侵入、雷击感应过电压以及地电位反击电压侵入设备造成的毁坏，这是外部防雷系统无法保证的。

3.2.1外部防雷系统及其设计

如上面所述外部防雷主要是指防止建筑物或设施（含室外独立电子设备）免遭直击雷的危害，其技术措施有接闪器、引下线、接地体等几种。

下面分别阐述它们的类别和具体设计。

3.2.1.1接闪器

接闪器是避雷针、避雷带（线）、避雷网以及用作接闪的金属屋面和金属构件等的总称。

功能是把接引来的雷电流，通过引下线和接地装置向大地中泄放，以保护建筑物免受雷害。

现在常用的接闪器有避雷针、避雷带（线）、避雷网等几种。

（1）避雷针

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的一种金属装置。

避雷针的工作原理：

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。

由于它与建筑物的钢筋网有良好的电气连接，再通过引下线与基础接地连接，所以它与大地有相同的电位，因此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，从而使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。

由于避雷针与大地有良好的电气连接，能把雷雨云层中积存的电荷能量传递到大地中泄放，使因雷击而造成的过电压时间大大的缩短，所以从很大程度上降低了雷击的危害性。

以上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和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。

避雷针不但不能避雷反而是引雷，它是使自身多受雷击而保护周围免受雷击。

我们国内有些教科书，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，这是错误的。

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：

折线法：

即单一避雷针的保护范围为一折线圆锥体。

曲线法：

即单支避雷针的保护范围为一曲线锥体。

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。

目前我国《建筑物防雷设计规范》（GB50057-942000）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。

在此就不再叙述，如有需要可参见《建筑物防雷设

计规范》（GB50057-942000）附录4。

避雷针的制作规格：

由许多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。

避雷针大多采用圆钢或钢管制成，其直径要求如下：

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GB50057-942000第四章）。

近来国内市场上经销一种叫主动式避雷针的产品，主要来自法国和澳大利亚。

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，雷雨云靠该避雷针放电的几率就增加了，相当于避雷针的保护范围加大了，或者相当于将避雷针加高了。

（2）避雷带（线）

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。

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，现在这种方法已经被避雷带所替代。

在房屋建筑屋顶周围，用扁平的金属带做接闪的方法称之为避雷带，它是由避雷线改进而来。

在建筑物屋顶上，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。

避雷带一般采用扁钢制作，其截面积不小于48mm2，厚度不应小于4mm，现今的一般做法是不管建筑物属于几类防雷建筑，都采用4X40的镀锌扁钢制作避雷带。

根据规定二类防雷建筑避雷带应在整个屋面组成不大于10m×

10m或12m×

8m的网格。

三类防雷建筑避雷带应在整个屋面组成不大于20m×

20m或24m×

l6m的网格。

如果同时还有避雷针，则避雷针应用避雷带相互连接。

（3）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，也叫做暗装避雷网。

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5mX5m或10mX10m的圆钢制成。

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。

（4）安装避雷带和避雷网注意事项

a.避雷带及其连接线经过沉降缝（沉降缝：

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，防止各段因下沉不一致而引起建筑物损坏）时，应留有10-20cm以上余量的跨越线。

b.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。

c.房屋面坡度为27°

-35°

且长度不超过75m时，只需沿屋脊敷设避雷带。

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。

d.当屋顶面积非常大时，应在屋顶上敷设金属网格，即避雷网。

避雷网分明网和暗网，网格越密，可靠性越好，网格的密度可视建筑物重要程度而定，重要建筑物采用5X5m的网格，一般建筑物用20X20m的网格即可。

3.2.1.2引下线

连接接闪器与接地装置的金属导体称为引下线。

现代建筑多利用建筑物的柱筋作避雷引下线。

因为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，而实践证明这种方法可以减少和避免这种反击。

它还比专门引下线有更多的优点，因为柱钢筋与梁、楼板的钢筋都是连接在一起的，和接地网络形成了一个整体的"

法拉第"

笼，它们处于等电位状态，雷电流会很快被分散掉，可以避免反击和旁侧闪击的现象发生。

规范对引下线的设计有如下要求：

表1

建筑物防雷等级

引下线数量

引下线间距离

一类防雷建筑

≥2根

<

12m

二类防雷建筑

18m

三类防雷建筑

25m

另外，普通引下线采用圆钢时，其直径为不应小于16mm；

采用扁钢时，其截面积最小为48mm2；

厚度不小于4mm。

装在烟囱上的引下线其尺寸是：

圆钢直径大于24mm；

扁钢截面积不小于100mm2，厚度为4mm。

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，要在建筑物四周的引下线上做断接卡子，断接卡子距地面最高为1.8M。

当利用混凝土柱钢筋做引下线时，因为是从上而下连接一体，因此不能设置断接卡子测试接地电阻。

需在柱内做为引下线的钢筋上，距室外地面0.5m处的柱子外侧，另焊一根圆钢（Φ≥10）引至柱外侧的墙体上，做为防雷测试点。

每根引下线处的冲击接地电阻不能大于5Ω。

3.2.1.3接地体

接地装置应优先利用建筑物钢筋混凝土基础内的钢筋。

有钢筋混凝土地梁时，应将地梁内钢筋连成环形接地装置；

没有钢筋混凝土地梁时，也可在建筑物周边无钢筋的闭合条形混凝土基础内，用40x4mm镀锌扁钢直接敷设在槽坑外沿，形成环形接地。

当将变压器和柴油发电机的中性点工作接地、电气保护接地和弱电系统工作接地等共用接地装置时，接地电阻值应不大于1Ω。

采用共用接地装置时，弱电系统应将各自设备机房内与建筑物绝缘的接地端子，用25mm2以上的铜芯电缆或导线穿焊接钢管做单独的引下线，在建筑物基础处与接地板相连。

弱电系统一般要求接地电阻不大于4Ω，如若设独立的接地系统，其与防雷接地系统的距离要大于20m。

3.2.2内部防雷系统及其设计

构筑和作用于建筑物内部的防雷工程称为内部防雷工程，其系统就是内部防雷系统。

建筑物内部防雷工程涉及面较宽，面对的是包括感应雷、传导雷和因线路上浪涌高电压所造成电网波动在内的众多损害，归纳起来危害最大的主要方面是高电压的引入。

高电压引入是指雷电高电压通过金属线引导到室内或其他地方造成破坏的雷害现象。

高电压引入的电源有三种：

其一是直击雷直接击中金属导线，让