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現代建筑防雷體系探討

文檔作者：呂俊霞文檔來源：河南工業職業技術學院			點擊數：
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©
·防雷技術·
呂俊霞(19 63 —) , 女,
講師, 從事電工電子
教學工作。
現代建筑防雷體系探討
呂俊霞
(河南工業職業技術學院機電工程系, 河南南陽　473009)
摘　要: 為了避免雷電給人們生命財產造成極大損失,對現代建筑防雷體系進行
了深入的探討研究。介紹了現代防雷技術的特點、防雷分區、現代防雷體系組成、
防雷技術水平等。最后指出,要將現代的被動式防雷技術措施變成主動,在高空
區域消滅雷害之源。
關鍵詞: 現代建筑; 雷電; 過電壓; 防雷體系; 防雷區; 雷電電磁脈沖
中圖分類號: TU 856　文獻標志碼: A　文章編號: 167428417 ( 2010) 0520045204
0　引　言
隨著科學技術的迅速發展,人類經過長期的
探索與實踐,已經積累了許多防雷知識,形成了
一系列行之有效的防雷方法,逐步建立起現代防
雷體系。
所謂現代防雷體系,就是在分析雷害成因的
基礎上,劃分不同層次的防雷區域, 采用不同的
防雷措施,全方位、多層次地裝設保護裝置,這樣
可在很大程度上提高整體防雷的可靠性。
現代防雷體系是一項重大的系統工程,它正
面臨著概念上和方法上的轉變。常規的避雷針
和避雷線主要是一維空間防御;避雷帶和避雷網
是二維空間防御;現代防雷體系則是三維立體空
間防御。
在現代防雷體系中,防御的界限大大延伸
了,因為閃電和雷電電磁脈沖(L ightning Electro2
Magnetic Pulse, LEMP)是發生在整個空間范圍內
的,從大氣對流層直接到大地表層以下,全面危
及人類的生命和財產安全。上自航空航天飛行
器,下至地下的電纜、光纜、油管、氣管、礦井等,
無不受其侵襲,因此,應把防雷的界限延伸至更
廣闊的范圍。把需要保護的空間劃分成不同的
防雷區,層層設防,既經濟省事,又安全可靠。
1　現代防雷技術的特點
在現代防雷技術理論中, 閃電是電流源,防
雷的基本途徑就是要提供雷電流(包括雷電電磁
脈沖輻射) 對地泄放的合理阻抗途徑。簡言之,
就是要控制雷電能量的泄放與轉換。
德國專家希曼斯基在《過電壓保護理論與實
踐中》提出了現代防雷保護的3道防線:
(1) 外部保護:將絕大部分雷電流直接引入
大地泄散。
(2) 內部保護:防止沿電源線或數據線、信
號線侵入的雷電波危害設備。
(3) 過電壓保護:限制被保護設備上的雷電
流過電壓幅值。
這3道防線互相配合,各盡其職,缺一不可。
雷電的防護可分為兩方面,即直擊雷的防護和雷
電感應的防護。
1. 1　直擊雷的防護
直擊雷防護的主要設計依據為IEC 131221～
3《雷電電磁脈沖的防護》、GB 50174—1993《電子
計算機機房設計規范》、GB 7450—1987《電子設
備雷擊保護導則》、GB 50057—1994《建筑物防雷
設計規范》等標準。目前,防直擊雷都采用避雷
針、避雷帶、避雷線、避雷網作為接閃器,然后通
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·防雷技術·
過良好的接地裝置迅速、安全地把它送回大地。
1. 2　雷電感應的防護
雷電感應的防護是指從整體和系統上建立
起三維防護體系,主要應在被保護設備構成的系
統中采取以下措施。
( 1) 電源防雷。配電系統電源防雷應視實
際情況確定其防護級別,避雷器采用的是B、C、D
三級防雷方式。第一級保護(B級)一般安裝在
建筑物輸入電源總配電室內的進線配電柜上或
樓內單元輸入電源的主配電盤上,主要用于保護
整幢建筑物用電設備或單位的主要用電設備。
第二級保護( C級)主要安裝在設備配電柜上。
第三級保護(D級)主要安裝在各個用電設備的
電源端,用于保護最終的用電設備。
( 2) 信號系統防雷。與電源防雷一樣,信號
系統的防雷主要采用信號避雷器。目前,數據網
絡常采用的方式有電話線、專線、X. 25、DDN和
幀中繼等,通信網絡設備主要采用調制解調器、
路由器和遠程中斷控制器等。通常根據通信線
路的類型、通信頻帶、線路電平等選擇通信避雷
器,將通信避雷器串聯或并聯于通信線路上。
(3) 等電位聯結。等電位聯結是將正常不
帶電(或不傳輸信息)的、未接地或未良好接地的
設備金屬外殼、電纜的金屬外皮、建筑物的金屬
構架、金屬管線的橋架與接地系統作電氣聯結,
防止在這些物件上由于感應雷高電壓或接地裝
置上雷電入地高電位的傳遞造成對設備內部絕
緣、電纜芯線的反擊。等電位聯結的目的是減少
需要防雷的空間內金屬部件和各系統之間的電
位差,防止雷電反擊。
(4) 金屬屏蔽及重復接地。在做好以上措
施的基礎上,還應采用有效的屏蔽、重復接地等
方法,避免架空導線直接進入建筑物內配電系統
和信號系統,盡可能采用埋地電纜引入,并用金
屬導管屏蔽。屏蔽金屬管在進入建筑物或機房
前重復接地,最大限度地衰減,從各種線纜上引
入雷電高電壓。
圖1　建筑物防雷區域劃分示意圖
2　防雷分區
根據GB 50057—1994 和IEC 6131221,應將
建筑物需要進行保護的空間劃分為不同的防雷
區,以區分各部分LEMP的嚴重程度和相應的防
護對策。從電磁兼容( EMC)的觀點來看,由外到
內可分為LPZ0A區、LPZ0B區、LPZ1區、LPZn +1
區( = , , 3?)幾級保護區。各區以其交界處
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·防雷技術·
的電磁環境有明顯改變作為劃分不同防雷區的
特征。
通常,防雷區的級數越高,電磁環境參數就
越好。規定的各防雷區,除了LPZ0A與LPZ0B
區之間無界面外,其余各防雷區之間均有明確分
割的交界面。在兩個防雷區的交界面附近,應將
所有穿過交界面的金屬物體、電纜屏蔽層、金屬
管道作等電位聯結。等電位聯結的目的在于減
小防雷保護區內各金屬物與各系統之間的電位
差。
3　現代防雷體系的組成
現代防雷體系從大地及其外圍空間來說,可
劃分為3 個防雷層次,即高空防雷區、低空防雷
區和地下防雷區。這3個防雷區域各有一定的
獨立性,相互又有一定的關系,可以說3個防雷
區域是3個子防雷體系,由3個子防雷體系組成
總防雷體系。
3. 1　高空防雷區
高空防雷區位于大氣對流層,在地面以上約
2～14 km。在雷雨季節,該區域經常有大量雷云
生成, 容易發生云閃和直接雷擊, 同時形成
LEMP,對現代宇宙火箭、飛行器和航空、航天飛
機等造成了巨大的破壞。
該區內各物體都可能遭到直接雷擊,且電磁
場強度沒有衰減,因此按IEC 6131221 的標準來
區分,應屬于LPZ0A區。
3. 2　低空防雷區
低空防雷區是地面上空的防雷區域,高度范
圍約為0～1 km。在該區域內,雷擊的主要形式
是直擊雷和LEMP,它給地面生物、建筑物、電力
設備和信息系統等帶來了巨大危害。由于該區
域是人類的主要生活空間,所以防雷特別重要。
除了常規的防避直擊雷的接閃裝置外,為了防避
直擊雷電磁脈沖對現代電子信息系統的侵襲,必
須采取一些新的綜合防護措施,如限壓型和開關
型SPD,整體的與局部的電磁屏蔽裝置, 聯合接
地與等電位聯結裝置等。在該區域內,又以建筑
物為主題劃分為不同層次的防雷區。
3. 3　地下防雷區
地下防雷區是指在地面以下的防雷區域。
有人認為地下的設施就不會遭受雷擊,事實卻相
反。如埋在地下的電纜與光纜就時常會遭受雷
擊,地下隧道、地鐵和地下礦井作業也多次發生
雷害事故。
電纜與光纜的防雷措施基本相同,主要有兩
種方法。一種方法是采用避雷線(也稱為排流
線) ,即在地下電纜(或光纜)的上方敷設1條或
2條與電纜(或光纜)平行的金屬線。當有雷電
流到來時,電流將大部分從排流線流走,從而保
護了下部的線纜。避雷線也可安裝在地面上方,
與地下線纜平行,避雷效果更好,施工也方便。
另一種方法是在線纜外加裝金屬管,也能達到可
靠的保護效果。
4　現代防雷體系特點
根據上述分析,現代防雷體系的主要特點可
歸納如下:
(1) 現代防雷體系的范圍包括高空防雷區、
低空防雷區和地下防雷區3個層次。這3個層
次的防雷效果是互相聯系、互相影響的。
(2) 現代防雷體系中要考慮的雷擊形式,除
直擊雷外,還有L EMP、雷電波侵入和高電壓放電
等。
(3) 現代防雷體系的各種技術措施都不是
孤立的,而是互相聯系、互相影響的。如建筑物
防直擊雷安裝避雷針與室內電子設備防LEMP
安裝SPD,兩者是互相聯系的,在總體防雷效果
上是互補的。建筑物各防雷區SPD的防電涌效
果與接地和等電位聯結關系又是密切的。
(4) 現代防雷技術是多種科學知識的結晶。
它應用到的技術和基礎理論包括線性與非線性
電路理論、電磁場理論、氣體放電理論、高頻傳輸
線理論、計算機網絡技術、現代通信技術、固體及
氣體微電子技術、高電壓技術、模擬及數字電子
技術、新材料技術等。
(5) 現代防雷體系是一項重大的系統工程,
從雷電防護專業性質來分,主要包括3 個子系
統:直擊雷防御系統、雷擊電磁脈沖防御系統、雷
電探測及預警系統。
5　防雷技術水平的提高
目前,提高防雷技術需從兩個方面開展工
作①不斷探討和完善現代防雷理論; ②開發和
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·防雷技術·
研制新一代的防雷產品。現代避雷器應同時具
有以下技術性能。
( 1) 具有完全的防雷功能,即雷電陡波和雷
電幅值同樣具有限壓保護作用。
( 2) 其防雷保護作用不會造成網絡接地故
障或線間短路故障,是保證網絡正常、安全運行
的重要要求。
( 3) 動作特性應具有長期運行穩定性,避免
受暫態過電壓危害。
( 4) 具有連續雷電沖擊保護能力。
( 5) 具有較小的外形尺寸,更便于安裝。
( 6) 具有較高的技術性能指標和低損耗。
( 7) 具有5～10 a的使用壽命。
在國民經濟的許多重要領域(如郵電、廣電、
金融、電力、公路等) ,防雷已是熱門話題。這是
因為電子信息設備的廣泛應用引發了對傳統防
雷技術的創新和發展,因此應推動各種防雷新產
品的開發和研制,使現代防雷技術不斷地創新和
完善。對于電子信息系統總的防雷原則如下:
( 1) 將絕大部分雷電流通過接閃器直接接
閃引入地下泄散(外部保護) 。
( 2) 阻塞沿電源線或數據信號線引入的雷
電過電壓波(外部保護及過電壓保護) 。
( 3) 限制被保護設備上的浪涌過電壓幅值。
為了消除雷電引起的毀滅性電位差,在一個
完整的防雷系統中必須實施等電位聯結。目的
是減小需要防雷的空間各金屬部件和各系統之
間的電位差。電源線、信號線要通過過電壓保護
器進行等電位聯結, 金屬管道、設備機殼、電源
線、信號線的屏蔽體都要實現等電位聯結,建筑
物各個內層保護區的界面處同樣要進行局部等
電位聯結,各個局部等電位采用等電位聯結棒相
互聯結,并最后與主電位母線聯結為一體。電位
均衡聯結就是使導體良好地導電性聯結,使它們
達到電位相等,為雷電流提供低阻抗的通道,使
它迅速泄散入地。
6　結　語
從防護效果方面來看,現代防雷技術是成功
的、可靠的,對保護人民生命財產安全和信息系
統的正常運行起到了很大的作用,但是還不能做
到絕對可靠。其主要原因在于現代防雷技術措
施是被動式的。要變被動為主動,必須從根本上
控制雷電的形成和發展,即在高空區域就把雷害
之源消除掉。這一方面依賴于新型消雷技術的
發展,另一方面依賴于高性能雷電探測和預警系
統的建立。
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中國建筑工業出版社, 2003.
[ 5 ] 　浙江神龍電器有限公司. 防雷常識[G ]. 2007.
收稿日期: 2009 - 10 - 09
D iscussion about L igh tn ing Protect ion System in M odern Bu ild ing
LV J un xia
(Henan Poly2technical Institute, Nanyang 473009, China)
　　Abstra c t: Modern lightning protection system wa s deeply disscussed and re sea rched to avoid great loss of people’s
life and p rope rty caused by lightning. The charac teristic s of mode rn lightning protection technology, lightning protec tion
zoning, composition ofmodern lightning protection system, lightning p rotec tion leve l were introduced. A t last, it was
pointed out tha t it should change the pa ssive lightning p rotec tion technology into the active one and elim inate the source
of lightning in the air.
K y ; ; 2 ; y ;
; ( L M )
· ·
e word s: m odern bu ild ing lightn in g over vo lta ge lightn in g pr otec tion s stem l igh tn ing pr otect ion
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