浅析雷电对现代建筑物的影响
发布时间：2009.07.14 新闻来源： 浏览次数：28
我们知道：雷电是发生在大气中的一种放电现象，具有高电压、大电流、强电磁辐射的特征。传统的防雷技术是在高大的建筑物楼顶或其附近，安装防直击雷的防护装置。这种防雷装置是由接闪器、引下线和接地体三部分组成。安装这种防护装置的目的是将强大的雷电电流，按照设计的通道泄放到大地。也就是由设在建筑物顶端的接闪器拦截雷电电流，之后通过导电通畅的引下线，引导到电阻值很小的接地体泄入到大地。这是属于防直击雷的措施，一般我们称之为外部防雷。
当雷击发生时，建筑物的外部防雷装置确实有效地防御了雷击对建筑物结构的破坏，防止和减少了火灾和人身伤亡。但它并不能保护建筑物内的电气系统和电子系统免遭雷击。因为，首先当雷电流快速泄放到大地的同时，在空中就会产生一个强大的变化磁场，处在这个强力变化磁场作用范围内的所有电气和电子系统的线路和设备，都会因为切割了磁场的磁力线而感应产生出电涌电流，轻则会产生误动作，重则会造成设备损坏。原因之二，雷击发生时雷电流可能击中架空的电力线或通信线，也可能击在这些金属线缆附近而感应出电涌电流。这些电涌电流会沿着金属线缆进入电气和电子系统，造成破坏。
我们把上述通过感应磁场的效应即“场”的作用；以及通过线路雷电流侵入即“路”的作用统称为雷击电磁脉冲，也有的称为二次雷击。这种二次雷击的破坏，不象直击雷那样伴随着强烈的电闪雷鸣，而是在人们看不见的感应磁场中发生的。由此可见，雷击电磁脉冲的破坏作用是悄然发生，不易察觉，但后果远比直击雷严重得多。防御雷击电磁脉冲的技术可称为“内部防雷”。外部防雷与内部防雷共同组成了系统的综合防雷体系。
另外，雷击发生时建筑物的避雷装置在防止直击雷过程中，强大的雷电流经过引下线和接地体泄入大地。与此同时，可向附近的各种接地导体闪络电弧，电压可高达数万伏以上。会向建筑物内对包括：机房内各类接地的机器设备和电子设备；自来水管道、暖气管道、煤气管道等各类金属管线；接地的金属门窗甚至人，发生闪络现象，至使设备和人员受到侵害。所以在设计系统综合防雷工程时，对上述问题均要一并予以考虑。
综合防雷的主要技术措施
由于雷电波的侵袭是无孔不入的，因此系统的综合防雷体系，是一项综合性的系统工程，应包括对直击雷和对雷电电磁脉冲的防护;采取的技术措施也是多方面的，除了外部防护外，还应有内部防护。按照国际上雷电防护标准的规定，可将综合的主要技术措施用以下框图表示：
我们可以这样理解综合防雷体系的作用：“防雷”如同“防洪”。象在防洪过程中，为了防御或减轻洪水的危害，我们要采取引流和泄洪的措施一样，在防雷工程中采取一系列技术措施的目的是，为雷电流提供一条低阻抗泄入大地的通道，同时还要防止雷击电磁脉冲通过“场”和“路”的侵入。
1、外部防雷—拦截措施
综合性系统防雷工程的第一道防线，就是拦截直击雷。最经济、最有效的方法，仍然是采用安装包括接闪器、引下线和接地体在内的防直击雷防护装置的方法。作为拦截雷电的接闪器—避雷针，其保护的范围是有一定限制的。在防雷工程设计时，对建筑物的直击雷防护，要通过滚球法计算来确定设置避雷针的高度，或采用多根避雷针来覆盖被保护的建筑物。
当接闪器接闪后，为了分流，可能需要多根引下线将雷电流引下，这就好比使用多条河道或拓宽了河道以泄洪水。大地是泄放雷电流的最好场所，如同海纳百川一样。如果接地装置的接地电阻很低，则雷电流的泄放速度更会加快。如果接地电阻值较高，根据欧姆定理U=R?I，当电流值一定时，引下线上的电位会因接地电阻值较高而增大，此时可能对引下线周边的物体发生闪络。好比象洪水因泄流不畅，而漫出大堤的效果一样。
2、屏蔽措施
屏蔽是防止任何形式电磁干扰的基本手段之一，屏蔽的目的，一是限制某一区域内部的电磁能量向外传播，二是防止或降低外界电磁辐射能量向被保护的空间传播。空中的雷击电磁场是无孔不入，特别是对砖木结构的建筑物以及钢筋结构建筑物的非金属门窗这样的“洞”，强的雷击电磁场会轻易地钻进来破坏设备。对于电子设备的屏蔽，主要依赖其外壳。对于屏蔽要求很高的设备，应设置专用的屏蔽室。因此，当被保护的电子设备比较重要，同时耐磁场强度较弱时，就要采用金属网或金属板组成的屏蔽室，将设备屏蔽起来的措施予以保护。这也就如同防洪中，加固堤防的措施一样。
另外，电缆的敷设形式不同，其屏蔽效果也大不相同，架空电缆比埋地电缆更易受雷电袭击。电缆的屏蔽性能与电缆外导体或屏蔽体是否接地以及它的敷设形式有关。对于入户电缆的屏蔽要采取入地敷设、穿管走线、可靠接地等措施，才能达到良好、有效的屏蔽效果。
3、等电位连接
等电位连接也称作均压。我们知道，站在地上的人触摸电线就会被电击，而在高压线上作业的工人不会被高压电电击，原因是他与高压线的高电压是等电位的，由于没有电位差，所以没有电流流过，就不会被电击。同样道理，为了保证设备和操作人员的安全，各类电器设备和信息技术设备均应采取等电位连接的措施。就是把各类设备包括所有的导体，都要做到良好的导电性连接，并且还要与接地系统连通。其中非带电导体可直接用导线连接，带电导体通过电涌保护器（SPD）连接。其目的是使所有的设备和导体与接地系统做到电位均衡连接，也就是所有导电部件之间不能存在显著的电位差，导电部件与接地系统之间也就不会产生电位差，从而形成电位相等的电磁环境，这样就组成了一个安全的电位补偿系统。
具体地讲，就是对进入建筑物的所有金属导体、管道、电缆的外屏蔽层，都做等电位连接与接地。而对于配置有电子信息系统设备的机房内，应设等电位连接端子板，端子板也应可靠接地。机房内的电气设备和电子设备的金属外壳、机柜、机架、屏蔽线外层以及在电源通道、天馈通道和信号通道上加装的各种SPD，都要以最短的距离就近与等电位连接端子板连接。所以，在综合布线过程中，也应使所有的设备和导体与共用接地系统之间，保持可靠的等电位连接，从而达到保护设备和人身安全的目的。
4、防闪络措施
所谓闪络现象就是，电流传导过程中在导体之间跨越绝缘体产生电弧，从而改变了电流传递通道。产生电弧的主要原因是电弧两端的导体之间电位差很大，距离又很近，从而击穿了绝缘体，如空气或土壤等介质。因此，为防止闪络的发生，可以采取隔离或保持安全距离的方法。如外露外引下线使用耐100kV的绝缘层隔离以防止对人体和其他导体的闪络；在引下线入地处铺设厚度为5cm以上的沥青层使其3m范围内的土壤地表层电阻率大于5kΩ.m防止跨步电压等。这也是如同在防洪中加固大堤，防止洪水溢出。当然防止闪络还有其他的措施，如：采取等电位连接，使闪络的两端等电位；用网状接地装置对地面作均衡电位处理以防止跨步电压等。
5、电涌保护器
电涌保护器（SPD）是一种箝制过电压和分走电涌电流的器件。当SPD被并联到被保护的低压电气线路或电子线路时，如果线路上流过的是正常的工作电压，则其呈高阻抗状态；只有在线路上出现过电压和过电流时，它们才呈低阻抗状态，此时电涌电流通过SPD泄入大地，从而保护了后端的电气或电子设备。实际上，我们可以把SPD的作用，看作是防洪工程中的分洪泄流来比喻。
当然，SPD的选择是比较复杂的技术，需要考虑的主要因素有：SPD的最大持续运行电压、SPD能承受预期通过它们的雷电流值、SPD的电压保护水平、被保护设备的耐压水平、雷击类型以及需防护的电气系统和电子系统所在地的年平均雷暴天数等等。有些建筑物内电子信息系统防雷标准不从客观实际出发，一味强调什么“层层设防、多重保护”不仅大量地浪费了资源，而且会适得其反地破坏了SPD的保护作用。
对于具备各类电子系统的现代建筑物大楼防雷工程，是一项多种技术措施综合运用的系统工程。只有按防雷技术规范的要求，结合工程实际，使外部防雷和内部防雷密切结合，整体地采用各种防雷措施，才能充分发挥综合防雷的有效作用。任何单方面的措施，其防雷效果都将大打折扣。因此，对于现代建筑物大楼的防雷工程，必须全面综合考虑，相互配合，才能更有效地防止雷击对现代电子系统的侵害。
当雷击发生时，建筑物的外部防雷装置确实有效地防御了雷击对建筑物结构的破坏，防止和减少了火灾和人身伤亡。但它并不能保护建筑物内的电气系统和电子系统免遭雷击。因为，首先当雷电流快速泄放到大地的同时，在空中就会产生一个强大的变化磁场，处在这个强力变化磁场作用范围内的所有电气和电子系统的线路和设备，都会因为切割了磁场的磁力线而感应产生出电涌电流，轻则会产生误动作，重则会造成设备损坏。原因之二，雷击发生时雷电流可能击中架空的电力线或通信线，也可能击在这些金属线缆附近而感应出电涌电流。这些电涌电流会沿着金属线缆进入电气和电子系统，造成破坏。
我们把上述通过感应磁场的效应即“场”的作用；以及通过线路雷电流侵入即“路”的作用统称为雷击电磁脉冲，也有的称为二次雷击。这种二次雷击的破坏，不象直击雷那样伴随着强烈的电闪雷鸣，而是在人们看不见的感应磁场中发生的。由此可见，雷击电磁脉冲的破坏作用是悄然发生，不易察觉，但后果远比直击雷严重得多。防御雷击电磁脉冲的技术可称为“内部防雷”。外部防雷与内部防雷共同组成了系统的综合防雷体系。
另外，雷击发生时建筑物的避雷装置在防止直击雷过程中，强大的雷电流经过引下线和接地体泄入大地。与此同时，可向附近的各种接地导体闪络电弧，电压可高达数万伏以上。会向建筑物内对包括：机房内各类接地的机器设备和电子设备；自来水管道、暖气管道、煤气管道等各类金属管线；接地的金属门窗甚至人，发生闪络现象，至使设备和人员受到侵害。所以在设计系统综合防雷工程时，对上述问题均要一并予以考虑。
综合防雷的主要技术措施
由于雷电波的侵袭是无孔不入的，因此系统的综合防雷体系，是一项综合性的系统工程，应包括对直击雷和对雷电电磁脉冲的防护;采取的技术措施也是多方面的，除了外部防护外，还应有内部防护。按照国际上雷电防护标准的规定，可将综合的主要技术措施用以下框图表示：
我们可以这样理解综合防雷体系的作用：“防雷”如同“防洪”。象在防洪过程中，为了防御或减轻洪水的危害，我们要采取引流和泄洪的措施一样，在防雷工程中采取一系列技术措施的目的是，为雷电流提供一条低阻抗泄入大地的通道，同时还要防止雷击电磁脉冲通过“场”和“路”的侵入。
1、外部防雷—拦截措施
综合性系统防雷工程的第一道防线，就是拦截直击雷。最经济、最有效的方法，仍然是采用安装包括接闪器、引下线和接地体在内的防直击雷防护装置的方法。作为拦截雷电的接闪器—避雷针，其保护的范围是有一定限制的。在防雷工程设计时，对建筑物的直击雷防护，要通过滚球法计算来确定设置避雷针的高度，或采用多根避雷针来覆盖被保护的建筑物。
当接闪器接闪后，为了分流，可能需要多根引下线将雷电流引下，这就好比使用多条河道或拓宽了河道以泄洪水。大地是泄放雷电流的最好场所，如同海纳百川一样。如果接地装置的接地电阻很低，则雷电流的泄放速度更会加快。如果接地电阻值较高，根据欧姆定理U=R?I，当电流值一定时，引下线上的电位会因接地电阻值较高而增大，此时可能对引下线周边的物体发生闪络。好比象洪水因泄流不畅，而漫出大堤的效果一样。
2、屏蔽措施
屏蔽是防止任何形式电磁干扰的基本手段之一，屏蔽的目的，一是限制某一区域内部的电磁能量向外传播，二是防止或降低外界电磁辐射能量向被保护的空间传播。空中的雷击电磁场是无孔不入，特别是对砖木结构的建筑物以及钢筋结构建筑物的非金属门窗这样的“洞”，强的雷击电磁场会轻易地钻进来破坏设备。对于电子设备的屏蔽，主要依赖其外壳。对于屏蔽要求很高的设备，应设置专用的屏蔽室。因此，当被保护的电子设备比较重要，同时耐磁场强度较弱时，就要采用金属网或金属板组成的屏蔽室，将设备屏蔽起来的措施予以保护。这也就如同防洪中，加固堤防的措施一样。
另外，电缆的敷设形式不同，其屏蔽效果也大不相同，架空电缆比埋地电缆更易受雷电袭击。电缆的屏蔽性能与电缆外导体或屏蔽体是否接地以及它的敷设形式有关。对于入户电缆的屏蔽要采取入地敷设、穿管走线、可靠接地等措施，才能达到良好、有效的屏蔽效果。
3、等电位连接
等电位连接也称作均压。我们知道，站在地上的人触摸电线就会被电击，而在高压线上作业的工人不会被高压电电击，原因是他与高压线的高电压是等电位的，由于没有电位差，所以没有电流流过，就不会被电击。同样道理，为了保证设备和操作人员的安全，各类电器设备和信息技术设备均应采取等电位连接的措施。就是把各类设备包括所有的导体，都要做到良好的导电性连接，并且还要与接地系统连通。其中非带电导体可直接用导线连接，带电导体通过电涌保护器（SPD）连接。其目的是使所有的设备和导体与接地系统做到电位均衡连接，也就是所有导电部件之间不能存在显著的电位差，导电部件与接地系统之间也就不会产生电位差，从而形成电位相等的电磁环境，这样就组成了一个安全的电位补偿系统。
具体地讲，就是对进入建筑物的所有金属导体、管道、电缆的外屏蔽层，都做等电位连接与接地。而对于配置有电子信息系统设备的机房内，应设等电位连接端子板，端子板也应可靠接地。机房内的电气设备和电子设备的金属外壳、机柜、机架、屏蔽线外层以及在电源通道、天馈通道和信号通道上加装的各种SPD，都要以最短的距离就近与等电位连接端子板连接。所以，在综合布线过程中，也应使所有的设备和导体与共用接地系统之间，保持可靠的等电位连接，从而达到保护设备和人身安全的目的。
4、防闪络措施
所谓闪络现象就是，电流传导过程中在导体之间跨越绝缘体产生电弧，从而改变了电流传递通道。产生电弧的主要原因是电弧两端的导体之间电位差很大，距离又很近，从而击穿了绝缘体，如空气或土壤等介质。因此，为防止闪络的发生，可以采取隔离或保持安全距离的方法。如外露外引下线使用耐100kV的绝缘层隔离以防止对人体和其他导体的闪络；在引下线入地处铺设厚度为5cm以上的沥青层使其3m范围内的土壤地表层电阻率大于5kΩ.m防止跨步电压等。这也是如同在防洪中加固大堤，防止洪水溢出。当然防止闪络还有其他的措施，如：采取等电位连接，使闪络的两端等电位；用网状接地装置对地面作均衡电位处理以防止跨步电压等。
5、电涌保护器
电涌保护器（SPD）是一种箝制过电压和分走电涌电流的器件。当SPD被并联到被保护的低压电气线路或电子线路时，如果线路上流过的是正常的工作电压，则其呈高阻抗状态；只有在线路上出现过电压和过电流时，它们才呈低阻抗状态，此时电涌电流通过SPD泄入大地，从而保护了后端的电气或电子设备。实际上，我们可以把SPD的作用，看作是防洪工程中的分洪泄流来比喻。
当然，SPD的选择是比较复杂的技术，需要考虑的主要因素有：SPD的最大持续运行电压、SPD能承受预期通过它们的雷电流值、SPD的电压保护水平、被保护设备的耐压水平、雷击类型以及需防护的电气系统和电子系统所在地的年平均雷暴天数等等。有些建筑物内电子信息系统防雷标准不从客观实际出发，一味强调什么“层层设防、多重保护”不仅大量地浪费了资源，而且会适得其反地破坏了SPD的保护作用。
对于具备各类电子系统的现代建筑物大楼防雷工程，是一项多种技术措施综合运用的系统工程。只有按防雷技术规范的要求，结合工程实际，使外部防雷和内部防雷密切结合，整体地采用各种防雷措施，才能充分发挥综合防雷的有效作用。任何单方面的措施，其防雷效果都将大打折扣。因此，对于现代建筑物大楼的防雷工程，必须全面综合考虑，相互配合，才能更有效地防止雷击对现代电子系统的侵害。