防雷知識系列（四）－外部防雷系統
作者: www.tj-spd.cn 時間: 2007-12-01
本文章共7263字，

來源：防雷中國　

外部防雷系統由接閃器（避雷針）、引下線、接地地網等有機組成。缺一不可。下面分別對以上三個主要因素的相關技術及安裝進行描述。

主要講本部分的內容是對建筑物外部空氣如何截雷，把雷電流向大地中泄放的問題。
本部分的內容提要是：
(1)接閃器：避雷針、避雷線、避雷帶、避雷網
(2)避雷帶和避雷網的結構設計
(3)接閃器的選擇和布置

接閃器

直接截受雷擊，以及用作接閃的器具、金屬構件和金屬屋面等，稱之為接閃器。功能是把接引來的雷電流，通過引下線和接地裝置因如大地中泄放，保護建筑物免受雷害。

從公元1753年，富蘭克林發明了避雷針以來，避雷針作為接閃器唯一的形式，延續了上百年的歷史，從十九世紀以后，逐漸有出現了避雷線、避雷帶和避雷網。其分類如下：避雷針、避雷線 、避雷帶 、避雷網, 下面逐一介紹。

避雷針

尖端放電
由物理學可知，通常物體內部的正電荷和負電荷是相等的，所以從整體來看不顯示帶電現象。當某一物體所具有的正、負電荷不相等時，這個物體就顯示帶電的特性。當物體內部的正電荷多于負電荷時，物體帶正電，反之帶負電。由于電荷都有異性相吸、同性相斥的特性，所以帶電物體中的同性電荷總是受到相互排斥電場力的作用。以圖中帶尖鋒的金屬球為例，假如金屬球上帶負電（同樣也可以理解帶上正電），由于電荷同性相斥的作用，電子總是分布到金屬球的最外層表面，并且容易逃離金屬球。球的尖鋒部分，電子受到同性電荷往外排斥力最強，最容易被排斥離開金屬球，這就是通常說的“尖端放電”。


公元1749年4月29日，富蘭克林在給約翰·米西爾（John Mitchel）的信中提出了，云層由于不斷受到蒸汽摩擦而帶電的看法，他認為"當帶電的云塊飄過田野、掠過高山、巨樹、聳立的高塔、尖屋頂、船舶桅桿、煙筒等物的時候，拖曳出電火，正如許多尖導體和突出物產生的現象一樣，整個云層就在那里放出電來"由此，他提出了避雷針的設想。他說：既然尖導體可以把一個離它很遠的帶電體上的電荷釋放掉，避免它對其他物體產生電擊，那麼尖導體對于人類可能有些用處。于是他建議將一根上端尖銳并涂有防銹層的鐵桿安裝在房屋的最高處，并用導線接在它的下端，沿著墻壁直通到地下。在海船上則把鐵桿固定在桅桿頂端，用導線連接向下直通入水中。它們就能在云層將要產生電擊的千鈞一發之際，靜悄悄地把電從云中吸走，因而使我們免受最突然、最駭人的悲劇。富蘭克林詳細描述避雷針的裝置，并正式宣布它是在1753年。

避雷針的英文名字Lightning rod，直譯為"閃電棍"更準確些，本無避免雷擊之意。這個名詞望文生義就會產生誤解。我們國內許多物理課本，甚至大學的教課書也把避雷針的原理說成是靠尖端放電中和云層電荷從而消除閃電的，這是錯誤的。實際上，在富蘭克林發明避雷針的時候，提出了兩種避雷針工作機理的解析；第一種解析認為，避雷針是靠其針尖電暈放電發出與雷雨云相反的電荷，使雷雨云的電荷得到中和，從而免除建筑物的雷害。第二種解析認為，避雷針是靠把雷雨云所帶的異種電荷引導到自身上來，通過良好的接地裝置，把雷電流泄入大地，保護建筑物不受雷擊。至1753年富蘭克林明確傾向于避雷針引雷的理論了，所以說避雷針是靠尖端放電消除閃電而能避雷的提法是錯誤的，避雷針是消除不了閃電的。

工作原理
雷雨云形成以后對大地的電壓，低則幾百萬伏，高則數千伏甚至更高，雷雨云對大地的一次閃擊放電的峰值電流平均為30多KA，它的瞬時功率為109-1012W以上。由于瞬時功率很大，所以它的破壞力是相當大的。


當高空出現雷雨云的時候，大地上由于靜電感應作用，必然帶上與雷雨云相反的電荷，避雷針處于地面建筑物的最高處，與雷雨云的距離最近，由于它與有良好的電氣連接，所以它于大地有相同的電位，使避雷針附近空間的電場強度比較大，容易吸引雷電先驅，使主放電都集中到它的上面，從而保護附近比它低的物體遭受雷擊的幾率大大減少。而避雷針被雷擊的幾率卻大大的提高。避雷針不但不能避雷反而引雷，它是自身的多受雷擊而保護周圍免受雷擊。


由于避雷針與大地有良好的電氣連接，能把大地積存的電荷能量迅速傳遞到雷雨云層中泄放；或把雷雨云層中積存的電荷能量傳遞到大地中泄放，使雷擊而造成的過電壓時間大大的縮短，從很大程度上降低了雷擊的危害性，這就是避雷針的工作原理。
但需要說明，避雷針必須有足夠可靠，并且有接地電阻盡量小的引下線接地裝置與其配套，否則，它不但起不到避雷的作用，反而增大雷擊的損害程度。

避雷針保護范圍的計算方法
目前世界各國關于避雷針保護范圍的計算公式在形式上各有不同，大體上有如下幾種
計算方法：
1、 折線法：即單一避雷針的保護范圍為一折線圓錐體。
2、 曲線法：即單支避雷針的保護范圍為一曲線錐體。
3、 直線法：是以避雷針的針尖為頂點作一俯角來確定，有爆炸危險的建筑物用45°角，對一般建筑物采用60°角，實質上保護范圍為一直線圓錐體。
自1983年起，我國正式制定了自己的防雷規范。目前我國建筑防雷規范GB50057-94也采納了國際電工委員（IEC）推薦的"滾球法"作為避雷針保護范圍的計算方法。

避雷針的制作規格
由大量模擬實驗和實際調查統計資料表明，避雷針的外表形狀與其避雷效果無明顯的關系，所以，不必過多考慮采用單針式或者其他形式造型的避雷針。

避雷針宜采用圓鋼或鋼管制成，其直徑不應小于下列數值：
針長1m以下： 圓鋼為12mm 鋼管為20mm
針長1-2m： 圓鋼為16mm 鋼管為25mm
煙囪頂上的針： 圓鋼為20mm 鋼管為40mm (見GB50057-94.第四章)


主動式避雷針
近來國內市場經銷一種叫主動式避雷針的產品，主要有來自法國和澳大利亞的產品，據廠家稱，這此產品能夠隨大氣電場變化而吸收能量，當存儲的能量達到某一程度時，便會在避雷針尖放電，尖端周圍空氣離子化，使避雷針上方形成一條人工的向上的雷電先導，它比自然的向上的雷電通道能更早的于雷雨云向下的雷電先導接觸，形成主放電通道。這樣，一方面可以使雷雨云靠該避雷針放電的幾率增加，相當于避雷針的保護范圍加大，或者相當于將避雷針加高。

避雷線


接閃器最初的形式只是富蘭克林所設計的磨尖的鐵棒。20世紀初，在電力系統，為了使輸電線路少受雷擊，采用了在輸電線路上方架設平行的鋼線避雷的方法，在實用中，由于它簡單有效，逐步得到了推廣。這種架設在輸電線路上方的鋼線，稱之為避雷線。后來在房屋建筑上也推廣了這種形式，開始布設在方脊、屋角、房檐等處作雷電保護，以后這種方式又有所改進。

避雷帶

在房屋建筑雷電保護上，用扁平的金屬帶代替鋼線接閃的方法稱之為避雷帶，它是由避雷線改進而來。在城市高大樓房上，使用避雷帶比避雷針有較多的優點，它可以與樓房頂的裝飾結合起來，可以與房屋的外形較好的配合，即美觀防雷效果又好，特別是大面積的建筑，它的保護范圍大而有效，這是避雷針所無法比的。避雷帶的制作，采用扁鋼，截面積不小于48mm2，其厚度不應小于4mm。

避雷網

避雷網是指利用鋼筋混凝土結構中的鋼筋網作為雷電保護的方法（必要時還可以輔助避雷網），也叫做暗裝避雷網。它是根據古典電學中法拉第籠的原理達到雷電保護的金屬導電體網絡。


暗裝避雷網是把最上層屋頂作為接閃設備。根據一般建筑物的結構，鋼筋距面層只有6-7cm，面層愈薄，雷擊點的洞愈小。但有些建筑物的防水層和隔熱層較厚，入彀鋼筋距面層厚度大于20cm，最好另裝輔助避雷網。輔助避雷網一般可用直徑為6mm或以上的鍍鋅圓鋼，網格大小可根據建筑物重要性，分別采用5m′5m或10m′10m的圓鋼制成。避雷網又分明網和暗網，其網格越密可靠性越好。
建筑物頂上往往有許多突出物，如金屬旗桿、透氣管、鋼爬梯、金屬煙囪、風窗、金屬天溝等，都必須與避雷網焊成一體做接閃裝置。在非混凝土結構的建筑物上，可采用明裝避雷網。做法是首先在屋脊、屋檐等到頂的突出邊緣部分裝設避雷帶主網，再在主網上加搭輔助網。

避雷帶和避雷網的結構設計

避雷帶和避雷網一般采用圓鋼或扁鋼，其尺寸不應小于下列數值：
圓鋼直徑為8mm，扁鋼截面積為48mm2，扁鋼厚度為4mm。
避雷線一般采用截面積不小于35mm2的鍍鋅鋼絞線架設。

安裝避雷帶和避雷網要注意下面事項：

1、避雷帶及其連接線經過沉降溝（沉降溝：一座較長的多層建筑物，往往在橫向上把建筑物分成幾段，段與段之間留有一段空隙，防止各段下沉不一致，引起建筑物損壞）時，應備有10-20cm以上的伸縮余裕的跨越線。

2、 有女兒墻的平頂房屋，其寬度小于24m時，只須沿女兒墻上部敷設避雷帶；寬度大于24m時，須在房面上兩條避雷帶之間加裝明裝連接條，連接條的間距不大于20m時，只在屋檐上裝避雷帶；寬度大于20m時，需在屋面上加裝明裝連接條，連接條間距不大于20m。

3、瓦頂房屋面坡度為27°-35°，長度不超過75m時，只沿屋脊敷設避雷帶。四坡頂房屋，應在各坡脊上裝上避雷帶。為使檐角得到保護，應在屋角上裝短避雷針或將避雷帶的引下線從檐角上繞下來。如果屋檐高度高于12m，且長度大于75m時，要在屋脊和房檐上都敷設避雷帶。

4、當屋頂面積非常大時，應敷設金屬網格，即避雷網。避雷網分明網和暗網，網格越密，可靠性越好，網格的密度視建筑物重要程度而定，重要建筑物采用5′5m的密網格，一般建筑物用20′20m的網格即可。

在非混凝土結構的建筑物上，可采用明裝避雷網。做法是首先在屋脊、房檐等到頂的突出邊緣部分裝設避雷帶主網，再在主網上加搭輔助網，避雷網格大小按上述要求。采用避雷帶和避雷網保護時，屋頂上的煙囪、混凝土女兒墻、排氣樓、天窗及建筑裝飾等突出于屋頂上部的結構物和其他突出部分，都要裝設短避雷針或避雷帶保護，或暗裝防護線，并連接到就近避雷帶或避雷網上。對金屬旗桿、金屬煙囪、鋼爬梯、風帽、透氣管等必須與就近的避雷帶、避雷網焊接。


采用避雷帶和避雷網保護時，每一座房屋至少有兩根引下線（投影面積小于50m2的建筑物可只用一根）。避雷引下線最好對稱布置，例如兩根引下線成"一"字或"Z"字形，四根引下線要做成"工"字形，引下線間距離不應大于20m，當大于20m時，應在中間多引一根引下線。見《雷電與避雷工程的避雷帶和避雷網的結構設計》

接閃器的選擇和布置
合理設計的接閃器將顯著地減少雷電擊中需要防雷空間的可能性。


只有將防雷裝置的設計與建筑結構設計同時進行時，才能在技術和經濟上得到最優化的組合。特別是在設計建筑物時，就應充分利用建筑物的金屬物作為防雷裝置的諸部分之用。

接閃器可由以下一種或多種組成選擇：
1) 獨立避雷針；
2) 架空避雷線或架空避雷網；
3) 直接裝設在建筑物上的避雷針、避雷帶或避雷網。

接閃器的布置：
GB50057-94 接閃器布置應符合下表的規定：
建筑物防雷類別滾 球半徑hr(M) 避雷網網格尺寸（M）
第一類防雷建筑物 30 < 5*5或< 6* 4
第二類防雷建筑物 45 < 10*10或< 12* 8
第三類防雷建筑物 60 < 20*20或< 24*16

布置接閃器時，可單獨或任意組合采用滾球法避雷網。

滾球法：滾球法是以hr為半徑的一個球體，沿需要防直擊雷的部位滾動，當球體只觸及接閃器（包括被利用作為接閃器的金屬物）或只觸及接閃器和地面（包括與大地接觸并能承受雷擊的金屬物），而不觸及需要保護的部位時，該部分就得到接閃器的保護。
IEC1024-1：1990 當符合下表的要求時，接閃器的布置就是合適的。按照保護級別布置接閃器

就設計接閃器系統而言，下列方法可單獨使用，也可結合使用，只要接閃裝置不同部分所提供的保護區能相互銜接，并確保建筑物得到完全的保護就行（見IEC1024-1第2.1.2條）：
--保護角法：
--滾球法：
--網格法：
所有這三種方法都可用于獨立、半獨立和非獨立的防雷系統的設計。

1、 保護角法：接閃導體、避雷針、避雷桿塔和避雷線的位置，應使被保護建筑物的各個部分都處于由接閃裝置導體上的各點以""角朝四面八方向地面投影所形成的軌跡面之內。保護角法有幾何局限。

2、滾球法：對具有復雜幾何形狀的建筑物，或當IEC1024-1的表1排除采用保護角法時，應采用滾球法來確定建筑物的面積和各部分的保護空間。"滾球"半徑應符合所選擇的防雷系統保護等級。
滾球法是在建筑物上才利用半徑為"R"的球，繞建筑物滾動，直到碰到地平面，或碰到與地平面接觸且能用作雷電導體的任何永久性建筑物或物體為止。在滾動接觸建筑物的地方便有可能受到雷擊。在這樣的點和地段處，就需要由接閃導體來提供防雷保護。

防雷系統的保護空間就是"滾球"接觸該導體并作用于建筑物時并未穿過的那塊空間的體積。保護等級和防雷系統的安裝成本隨所選滾球的尺寸的縮小而增加。

3、 網格法：接閃導體或屋頂導體應形成一個閉合多邊形，其周邊應靠近屋頂的邊緣布設。這種多邊形接閃裝置應通過增設相互連接的橫向接閃導線來完善，以形成符合IEC1024-1表1要求的網格。
選型程序：

(1)評估保護級數；
(2)選擇合適的保護半徑；
在地球上所處徑、緯度的不同Na也不同。
評估保護級數
1、查出當地的雷電密度Na 我國北方地區一般為4，可查圖而來。
理論上 1）建筑物的重要程度；
2）建筑物的危險程度；
現場記錄風險內容： 3）建筑物的人員密度；
4）建筑物的構筑位置；
5）建筑物的建筑結構；
6）建筑物所在地的雷電密度；
2、做工地現場勘察
實際上：根據多年的實踐經驗，在實際運用上，多采用1類。查出滾球法半徑D。
3、計算和選擇合適的保護半徑：根據上列Rp= h (2 hr – h ) 公式，設計人員需考慮所選擇避雷針的型號，其保護半徑將能覆蓋在不同垂直距離上的受保護平面。


避雷針選型確定以后，安裝時應注意以下事項：
a.磚木結構的房屋，可把避雷針敷設在山墻頂部或屋脊上，用抱箍或對鎖坶絲固定于梁上，固定部分的長度為針高的1/3。也可以將避雷針嵌于磚墻或水泥中，為了結構的堅固，插在磚墻中的部分為針高的1/3，插在水泥中部分約為針高的1/4-1/5。

b.對于平頂屋上的避雷針應安上底座與屋頂層連接，并用螺絲緊固好。


引下線

連接接閃器與接地裝置的金屬導體稱為引下線。

雷擊時引下線上有很大的雷電流流過，會對附近接地的設備、金屬管道、電源線等產生反擊或旁側閃擊。為了減少和避免這種反擊，現代建筑利用建筑物的柱筋作避雷引下線，經過實踐證明這種方法不但可行，而且比專門引下線有更多的優點，因為柱鋼筋與木梁、樓板的鋼筋，都是連接在一起的和接地網絡形成一個整體的"法拉第"籠，均處于等電位狀態。雷電流會很快被分散掉，可以避免發擊和旁側閃擊的現象發生。

關于引下線，"規范"作如下規定：《GB50057-94》引下線一般采用圓鋼或扁鋼，其尺寸不小于下列數值：
圓鋼直徑為 8mm；扁鋼截面為 48mm2；扁鋼厚度為 4mm。

裝在煙囪上的引下線其尺寸不小于：圓鋼直徑?12mm；扁鋼厚度為4mm，截面積為100mm2。

所有引下線要鍍鋅或涂漆，在腐蝕性較強場所，還應加大截面積或采取其他防腐措施。

引下線的固定支撐點間隔不得大于1.5-2m，引下線的敷設應保持一定的松緊度，不能拉的太緊，以免熱脹冷縮而拉斷。

為了減少引下線的電感量，引下線應沿最短接地路徑敷設。對于建筑藝術要求較高的建筑物，引下線可采用暗敷設，但截面要加大。

由于建筑物的造型不同，不能做直線引下時，應注意彎曲開口處兩點間的直線距離不得等于或小于彎曲部分線段的實際長度的0.1倍，一般彎曲處不用銳角盡量避免用直角。

引下線應裝在人員不易碰到的隱蔽地點，以防接觸電壓的危害。

距地面2M以內的引下線，應有良好的保護，用瓷管或耐陽光的塑料管套住，避免人或動物觸碰。

為便于檢查避雷設施連接導體的導電情況和接地體的散流電阻，要在每根引下線上做斷接卡子，斷接卡子"規范"規定距地面最高為1.8M。暗裝引下線也應在相應的地方做斷接卡子接線盒。（利用混凝土柱鋼筋做引下線時，不必做斷接卡子，但必須引出測量線端子外露墻面）斷接卡子必須鍍鋅，并保護接觸面嚴密，接觸面不得小于10mm2卡接母絲直徑必須大于8mm，卡接母絲上應套有彈簧墊圈。