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建筑结构防雷

Marek Loboda（Warsaw University of technology）

摘要：本文基于IEC 62305一系列被引入欧盟标准的条例论述了具体的建筑防雷的实际方法。雷电会影响建筑本身及其内部人员和设备，亦会造成内部电气、电子系统的受损。这些危害甚至会影响到周围的建筑及环境。建筑及雷电的特征将决定对周围环境的影响程度。若想减小任何可避免的损害，应基于雷电风险评估决定是否需要设置防雷措施，防雷装置的设置应严格遵循于风险评估。只有遵循相关规范条例的要求及损害的类型，防雷保护措施才被认为是有效的。

关键词：雷电防护；过电压保护；雷电危害；雷电保护措施

1引言

没有设备或者方法能改变天气情况到阻止雷电发生。雷击建筑或雷击建筑物附近（或与建筑物相连的设备）会对建筑本身、建筑物内的设备、人员造成危害。雷暴云积聚气的巨大能量通过放电通道以雷击电流的形式泄放将会产生巨大的破坏。因此，防雷保护措施的应用必不可少。

防雷装置的设置伴随一系列工程问题，经济合理二等雷电防护需充分仔细的考虑问题并采取合理可行的措施。

国际或国内的地面建筑或物体防雷规范决定风险评估结果，风险评估结果决定：是否需要防雷保护、防雷防护的经济效益、防雷防护措施的选择。

2 雷电风险评估

雷云对地放电是一种偶然的自然现象，会对建筑物造成雷击建筑物或雷击建筑物附近而产生的损害。雷电电流是造成损害的主要因素，会对人员及建筑物本身和其内部的设备造成损害。这种危害会对整个建筑造成影响，并会引起建筑物内的电气或电子设备失效或者误操作。间接危害可能影响会对邻近的建筑物及其相关环境。

为减小这种由雷电造成的危害，应采取能有效降低风险的保护措施，风险降低的程度由建筑的预计年损失来度量。

为了进行雷电风险评估，下列的数据是被需要的：

·建筑或敏感设备所在的地区的雷电密度，

·建筑结构的特征、类型和内部设备，

·穿过建筑内部的主要通信、数据线路的特征，

·建筑内部设备和装置的耐过电压能力，

·针对直击雷、火灾、爆炸及雷电的热效应和电动力效应而采取的措施，

·列如备用的供电、输电系统等一些减轻损害的措施，

·由雷电影响范围而决定的间接损害的损失和后果的程度。

如同雷击建筑物或雷击入户线路一样，间接雷击的影响同样应予以重视。间接雷击中强大的雷电流会在电气和电子设备上耦合出过电压从而导致设备的失效。

根据IEC 62305-1,2016，年雷击风险可由下式表示：

（1）

式中：N-影响建筑物及其内部设备的雷电的数量，P-由于会对建筑及其内部设备造成特定损害的雷电造成的损害或误操作的可能性，L-考虑到损害的特殊性及其顺带后果的损失。

考虑到通常NPlt;lt;1,式(1)可简化表示为：

(2)

根据IEC 62305-2,2006，上式对实际运用和基础的风险评估非常有用。

由于直击雷与间接雷击的差异，危害的类型不同，是否仅仅是一项危害还是几种危害的组合，间接雷击对建筑物的影响会有所不同，并且有建筑物及其内部设备的特点决定。因此，很方便实际做出一系列关于危害类型和损失类型的风险因子。

下列分类被规范所采用：

·危险的来源

-雷电直击建筑物（S1）

-雷击建筑物附近（S2）

-雷击入户设备（S3）

-雷击入户设备附近（S4）

·危害的类型

-由于接触电压和跨步电压对人造成的伤害(D1)

-由于雷电的物理效应造成的例如：火灾(D2)

-由过电压引起的电气、电子设备的失效

·损失的类型

-生命的损失（L1）

-公共设备的损失（L2）

-文化遗产的损失（L3）

-经济的损失（L4）

表1.由不同雷击造成的损害和损失

由这种分类总体的风险值可以被进一步细分：

参考雷电闪击的类型：

， (3)

上式：-由于雷击建筑物造成的风险，-由于间接的雷击造成的风险，

参考损失的类型：

， (4)

上式：-由雷击人员造成的风险，-由物理损害造成的风险，-由因过电压而造成的电气、电子系统的失效。

雷击风险已在表1中写出。

每一个风险因子都可以根据式(2) 并考虑下列参数：

(5)

(6)

上图中：-雷击地面的密度，由一平方公里及一年内的雷闪数计算；A-雷击建筑物和影响室内设备的入户线路的面积；-与建筑物环境有关的环境因素（参见表3）；-没有保护装置的可能受雷击概率；-考虑到保护装置有效作用的折减因子。

为准确评估是否需要防雷措施应：

-定义构成风险的因子和计算它们的数值，

-计算总体的风险值,

-定义最大风险容许值，

-比较每一项的计算风险值与容许风险值：

如果-不需要雷电防护；如果则应采取相应的防雷措施使。容许风险因数代表值在IEC 62305-2:2006中给出，当雷闪危及人员性命或造成社会文化财产损失时由表2计算。

1. 防雷措施的基本特征

作为一种自然现象，雷电的电流及电磁脉冲波形变化很大。但是它必须以一种标准的方式去选择和安装防护措施。根据最新的国际（IEC）和欧洲（EN）标准的相关建筑防雷的条例（IEC 62305-1:2006，IEC 62305-2：2006，IEC 6230-3：2006，IEC 62305-4:2006），根据防雷等级（LPL）定义了最大雷电流参数（见表3）。

表3根据防雷等级定义的最大雷电流

保护水平LPL将雷电定义为危害的根源。对某一保护水平都有一组固定的最大和最小雷电流参数。最大雷电流数值影响着保护装置的选择。最小雷电流数值影响着拦截直击雷的防雷保护系统中（LPS）空气终端系统的位置。

IEC标准（IEC 62305-1:2006）定义了四个保护水平Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。最大雷电流数值列在表3中。对于Ⅰ保护水平最大雷电流不被超过的概率为99%。根据正负极性闪电的比率（10%的正地闪和90%的负地闪），从正地闪的取值低于10%，从负地闪的取值低于1%。

第一保护水平的最大值减小至75%，对其余保护水平降低至50%（IEC 62305-1:2006）。

3.1防雷保护系统

防雷保护系统（LPS）将保护建筑物和结构免受因雷击造成的火灾或电动力损害及室内人员的伤亡（IEC 62305-3:2006）。LPS包括内部防雷系统和外部防雷系统。外部防雷系统用于：

-拦截威胁建筑物的直击雷（通过避雷针）；

-将雷电流安全的导入大地（通过以下系统）；

-将雷电流泄放入地（通过接地系统）；

内部防雷系统的功能是：

-阻止建筑内部的过电压。

这通过等电位连接或者保持在外部防雷系统的部件和建筑物内部的导体之间保持一定的距离（因此隔离电磁干扰），直接通过金属连接及安装电涌保护器（SPD）。

具体的外部防雷和内部防雷的例子在图3中。

3.1.1接闪系统

接闪装置的作用是防止雷电直击建筑物。通过对建筑物的正确的几何分析，可以有效手段控制雷击损害。建筑物的角落、突出的点及边缘会安装避雷针。可用一下方法确定避雷装置的位置和布置：

-滚球法，

-保护角度法，

-折线法，

滚球法任何条件下均可以适用。这种方法基于电磁模型，一次云地闪由先导发展而来。当先导距离地面还有几百米时（仅距离地面一次距离才会发生闪击），这叫做最终的雷击距离d，雷击距离和雷电流大小及滚球半径正相关。

保护角度法也是由电磁模型推出（角度由滚球的半径决定）。这种方法主要适用于形体简单的建筑物，但这种方法受限于避雷针的高度。

折线法适用于平坦的已被保护的表面。不管屋顶的形状和高度如何，折线法均可适用。

对每一级的雷电保护系统的保护角度、滚球半径、折线尺寸都在表4中给出。

图3防雷保护系统（LPS）：（a）外部，（b）内部

图4根据电磁模型定义的雷击点

表4根据防雷保护水平定义的滚球半径、折线尺寸和保护角度

图5建筑物接闪装置的安装（根据IEC 62305-3:2006）

3.1.2引下系统

引下系统通过良导体将接闪系统与接地系统相连，其功能是将接闪系统上的雷电流引入大地而不损害建筑物。为了减小LPS中的雷电流对建筑物造成损害的可能性，引下线应该按以下方式敷设：

-同时存在几根平行的传导线路；

-传导的线路应满足最小值得限制（笔直、垂直、不得打结）；

-需要时将建筑物各导电部分作等电位连接。

工程经验表示将较高建筑的引下线每隔10米到20米这种连接应越多越好，每隔一等距通过导电环路，以减少被保护建筑内部的可能造成危险的火花放电（在金属框架结构和混凝土结构中，内部的钢筋已经有良好的电气连接，这种情况自动满足）。

根据IEC 62305-3:2006，在图6中展示了接地导体和环形连接导体的隔离距离和需要的距离。

图6引下系统（IEC 62305-3:2006)

3.1.3引下系统

接地系统是将接闪系统和引下系统传递的雷电流泄放入地的系统。它也可以在引下导体间建立等电位连接和建筑外墙附近的可能的控制。

当考虑到雷电流入地时的散流，同时减小任何可能的危险过电压，接地系统的形状和尺寸是很重要的。总体上，推荐较低的接地电阻（当低频测试时必须低于10欧姆）。从防雷保护的整体来看，一个综合的接地系统在任何情况下都适用（即防雷保护，电力系统和通信系统）。

IEC标准（IEC 62305-3:2006）将接地电极分布分为两类，A类和B类。对每一种接地电极分布，最小的接地长度由LPL的功能和土壤的电阻率决定（图7）。

图7最小接地长度（IEC 62305-3:2006）

A类包含与引下线相连的水平接地和垂直接地。接地导体的总数不应小于2根。对水平接地体的最小长度以引下线为基础为；或者对垂直（或者倾斜）接地体为0.5。对于水平接地和垂直接地的结合体，总体等效长度应计算得出。当低频的接地电阻低于10欧姆时，接地体的最小长度应忽略不计。

B类接地体包含建筑物外的环形导体，与土壤接触的部分至少为80%，或者基础接地。对于环形接地导体（或者基础接地导体）环形导体包围的范围r不应小于图7中的。当需要的值大于r的值，应添加额外的水平或垂直接地体，水平和垂直接地体的长度由下式给出：

(7)

和

(8)

附件接地的数量不应少于引下线的数量，最小要两根。在引下线与环形接地体相连的地方接额接地，并且尽可能的等距和多。如果它们与基础接地体相连（图8）应注意接地体的材料和与基础接地体的连接方式。

4内部防雷保护

所有内部装有电气电子设施的建筑为避免危险过电压（在被保护的导体和低电压装置、金属、供气和供热的管子）而安装内部防雷系统（见图3b）。

等电位位连接带可以通过以下方式获得：

·结构内部的金属部分；

·内部金属装置；

·外部的导电部分；

·被保护建筑物内的电子电气装置。

图8建筑物内部的基础接地体

在上述系统和LPS之间的等电位连接仅在隔离距离不能满足的条件下被考虑。内部连接意味着：

·自然连接不具备连续性时的连接导体；

·在直接连接不可行的地方安装电涌保护器。

防雷等电位连接的方式十分重要，必须考虑电源系统的工作，通信网络的工作，或其他的相关设施，因为等电位连接会造成一定的冲突。

5防雷击电磁脉冲

雷击电磁脉冲的防护基于防雷保护区的划分（LPZ）（IEC 62305-4:2006）。根据这个原则，由电磁防护的水平建筑物内被保护的系统被划分为几个不同的防雷分区。合适的防雷分区通过电磁脉冲保护水平在允许的范围内而定义

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