作者：劉屏周

    摘要： 建筑物防雷計算，折線法滾球半徑法等。避雷接地裝置的設置與規格要求……
    關鍵詞： 防雷設計 計算方法 設計

    １.1建筑物防雷設計的計算方法

    １.1.1建筑物年預計雷擊次數

    1.建筑物年預計雷擊次數應按下式確定：

　　　　(１－1)

式中N－建筑物預計雷擊次數，次/a；

k－校正系數，在一般情況下取1，在下列情況下取相應數值：位于曠野孤立的建筑物取2；金屬屋面的磚木結構建筑物取1.7；位于河邊、湖邊、山坡下或山地中土壤電阻率較小處、地下水露頭處、土山頂部、山谷風口等處的建筑物，以及特別潮濕的建筑物取1.5；

Ng－建筑物所處地區雷擊大地的年平均密度，次/km2?a；

Ae－與建筑物截收相同雷擊次數等效面積，km2。

    2.雷擊大地的年平均密度應按下式確定：

　　　　　　　　(１－2)

式中Td－年平均雷暴日，根據當地氣象臺、站資料確定，d/a。

    3.建筑物截收相同雷擊次數等效面積Ae應為其實際面積向外擴大后的面積。其計算方法應符合下列規定：

    一、當建筑物的高H小于100m時，其每邊的擴大寬度和等效面積應按下列公式計算確定（圖１－1）：

　　　　　　(１－3)

　　(１－4)

式中D－建筑物每邊的擴大寬度，m；

L、W、H－分別為建筑物的長、寬、高，m。

圖１－1建筑物截收相同雷擊次數等效面積

注：建筑物平面積擴大后的面積Ae如圖１－1中周邊虛線所包圍的面積。

    二、當建筑物的高H等于或大于100m時，其每邊的擴大寬度應按等于建筑物的高H計算；建筑物等效面積應按下式確定：

(１－5)

    三、當建筑物各部位的高不同時，應沿建筑物周邊逐點算出最大擴大寬度，其截收相同雷擊次數等效面積Ae應按每點最大擴大寬度外端的連接線所包圍的面積計算。

    １.1.2接地裝置沖擊接到電阻與工頻接地電阻的換算

    1.接地裝置沖擊接到電阻與工頻接到電阻的換算應按下式確定：

(１－6)

式中 R～－接地裝置各支線的長度取值小于或等于接地體的有效長度le或者有支線大于

le而取其等于le時的工頻接到電阻，Ω；

A－換算系數，其數值宜按圖１－2確定；

Ri－所要求的接地裝置沖擊接到電阻，Ω。

    2.接地體的有效長度應按下式確定：

(１－7)

式中 le－接地體的有效長度，應按圖１－3計量，m；

ρ－敷設接地體處的土壤電阻率，Ω?m。

3.環繞建筑物的環形接地體應按以下方法確定沖擊接到電阻：

    一、當環形接地體周長的一半大于或等于接地體的有效長度le時，引下線的沖擊接地電阻應為從與該引下線的連接點起沿兩側接地體各取le長度算出的工頻接到電阻（換算系數A等于1）。

    二、當環形接地體周長的一半l小于le時，引下線的沖擊接地電阻應為以接地體的實際長度算出的工頻接到電阻再除以A值。

    4.與引下線連接的基礎接地體，當其鋼筋從與引下線的連接點量起大于20 m時，其沖擊接地電阻應為以換算系數A等于1和以該連接點為圓心、20 m為半徑的半球體范圍內的鋼筋體的工頻接到電阻。

圖１－2換算系數A

注：l為接地體最長支線的實際長度，其計量與le類同。當它大于le時，取其等于le。

圖１－3接地體有效長度的計量

    １.1.3滾球法確定接閃器的保護范圍

    1.單支避雷針的保護范圍應按下列方法確定（圖１－4）。

    一、當避雷針高度h小于或等于hr時：

    ①距離地面hr處作一平行地面的平行線；

    ②以針尖為圓心，hr為半徑，作弧線交于平行線的A、B兩點；

    ③以A、B為圓心，hr為半徑作弧線，該弧線與針尖相交并與地面相切。則從此弧線起到地面止就是保護范圍。保護范圍是一個對稱的錐體；

    ④避雷針在hx高度的xx ’ 平面上和在地面上的保護半徑，按下式求得：

(１－8)

(１－9)

式中rx──避雷針在hx高度的xx ￠平面上的保護半徑，m；

hr──滾球半徑，第一、二、三類防雷建筑物分別為30 m、45 m、60 m ；

hx──被保護物的高度，m；

r0──避雷針在地面上的保護半徑，m。

    二、當h大于hr時，在避雷針上取高度hr的一點代替單支避雷針的針尖作為圓心。其余做法同本款第1）項。１－8和１－9式中的h用hr代入。

圖１－4單支避雷針的保護范圍

    2.單根避雷線的保護范圍，當避雷線的高度h大于或等于2hr時，無保護范圍；當避雷線的高度h小于2hr時，應按下列方法確定（圖１－5）。確定架空避雷線的高度時應計及弧垂的影響。在無法確定弧垂的情況下，當等高支柱間的距離小于120m時架空避雷線中點的弧垂宜采用2m，距離為120～150m時宜采用3m。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　a）hr<h<2hrb）h￡hr

圖１－5單根避雷線的保護范圍

    (1)距離地面hr處作一平行于地面的平行線；

    (2)以避雷線為圓心、hr為半徑，作弧線交于平行線的A、B兩點；

    (3)以A、B為圓心，hr為半徑作弧線，兩弧線相交或相切并與地面相切，從該弧線起到地面止就是保護范圍；

    (4)當h小于2hr且大于hr時，保護范圍的最高點的高度h0按下式計算：

(１－10)

    (5)避雷線在hx高度的xx’平面上的保護寬度bx，按下式：

(１－11)

式中bx──避雷線在hx高度的xx’平面上的保護寬度，m；

h──避雷線的高度，m；

hr──滾球半徑，m；

hx──被保護物的高度，m。

    (6)避雷線兩端的保護范圍按單支避雷針的方法確定。

    １.1.4雷電流

    1、閃電中可能出現的三種雷擊見圖１－6其參量應符合表１－1～表１－3的規定。雷擊參數的定義應按１－7確定。

圖１－6 閃電中可能出現的三種雷擊

    短時間首次雷擊后續雷擊長時間雷擊

圖１－7 雷擊參數定義

I－峰值電流（幅值）T－從波頭起自幅值10％至波點

T1－波頭時間降至峰值10％之間的時間

T2－半值時間Q1－長時間雷擊的電荷量

（a）短時雷擊（b）長時間雷擊

    2、對雷電流的電荷量Qs和單位能量可近似按下列計算式計算：

(１－12)

(１－13)

式中Qs－雷電流電荷量，C ；

W/R－雷電流單位能量，J/Ω；

I－雷電流幅值，A ；

T2－半值時間，s

表１－1首次雷擊的雷電流參量

    注：因為全部電荷量Qs的本質部分包括在首次雷擊中，故所規定的值考慮合并了所有短時間雷擊的電荷量。

    由于單位能量W/R的本質部分包括在首次雷擊中，故所規定的值考慮合并了所有短時間雷擊的單位能量。

表１－2首次以后雷擊的雷電流參量

表１－3長時間雷擊的雷電流參量

平均電流I≈Q1/T。

    １.2建筑物防雷設計要求

    １.2.1接閃器

    1.避雷針宜采用圓鋼或焊接鋼管制成，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 。

    2.避雷網和避雷帶宜采用圓鋼或扁鋼，優先采用圓鋼。圓鋼直徑不應小于8 mm。扁鋼截面不應小于48 mm2，其厚度不應小于4 mm。

    當煙囪上采用避雷環時,其圓鋼直徑不應小于12 mm。扁鋼截面不應小于100 mm2,其厚度不應小于4 mm。

    3.架空避雷線和避雷網宜采用截面不小于35 mm2的鍍鋅鋼鉸線。

    4.除第一類防雷建筑物外，金屬屋面的建筑物宜利用其屋面作為接閃器，并應符合下列要求：

        一、金屬板之間采用搭接時，其搭接長度不應小于100 mm；

        二、金屬板下面無易燃物品時，其厚度不應小于0.5 mm；

        三、金屬板下面有易燃物品時，其厚度，鐵板不應小于4 mm，銅板不應小于5 mm，鋁板不應小于7 mm；

        四、金屬板無絕緣被覆屋。

    注：薄的油漆保護層或0.5mm厚瀝青層或1mm厚聚氯乙烯層均不屬于絕緣覆層。

    5.除第一類防雷建筑物和第二類防雷建筑物排放爆炸危險氣體、蒸氣或粉塵的管道外，屋頂上永久性金屬物宜作為接閃器，但其各部件之間均應連成電氣通路，并應符合下列規定：

        一、旗桿、欄桿、裝飾物等，其尺寸應符合1.和2.的規定。

        二、鋼管、鋼罐的壁厚不小于2.5 mm，但鋼管、鋼罐一旦被雷擊穿，其介質對周圍環境造成危險時，其壁厚不得小于4 mm。

    6.除利用混凝土構件內鋼筋作接閃器外，接閃器應熱鍍鋅或涂漆。在腐蝕性較強的場所，尚應采取加大其截面或其它防腐措施。

    7.不得利用安裝在接收無線電視廣播的共用天線的桿頂上的接閃器保護建筑物。

    １.2.2引下線

    1.引下線宜采用圓鋼或扁鋼，宜優先采用圓鋼。圓鋼直徑不應小于8 mm。扁鋼截面不應小于48 mm2，其厚度不應小于4 mm。

當煙囪上的引下線采用圓鋼時，其直徑不應小于12 mm；采用扁鋼時，其截面不應小于100 mm2，厚度不應小于4 mm。

    防腐措施應符合１.2.1中的6.要求。

    2.引下線應沿建筑物外墻明敷，并經最短路徑接地；建筑藝術要求較高者可暗敷，但其圓鋼直徑不應小于10 mm，扁鋼截面不應小于80 mm2。

    3.建筑物的消防梯、鋼柱等金屬構件宜作為引下線，但其各部件之間均應連成電氣通路。

    4.采用多根引下線時，宜在各引下線上于距地面0.3 m至1.8 m之間裝設斷接卡。

當利用混凝土鋼筋、鋼柱作為自然引下線并同時采用基礎接地體時，可不設斷接卡，但利用鋼筋作引下線時應在室內外的適當地點設若干連接板，該連接板可供測量、接人工接地體和作等電位連接用。當僅利用鋼筋作引下線并采用埋于土壤中的人工接地體時，應在每根引下線上于距地面不低于0.3 m處接地體連接板。采用埋于土壤中的人工接地體時應設斷接卡，其上端應與連接板或鋼柱焊接。連接板處宜有明顯標志。

    5.在易受機械損壞和防人身接觸的地方，地面上1.7 m至地面下0.3 m的一段接地線應要取暗敷或鍍鋅角鋼、改性塑料管或橡膠管等保護設施。

    １.2.3接地裝置

    1.埋于土壤中的人工垂直接地體宜采用角鋼、鋼管或圓鋼；埋于土壤中的人工水平接地體宜采用扁鋼或圓鋼。圓鋼直徑不應小于10 mm；扁鋼截面不應小于100 mm2，其厚度不應小于4 mm；角鋼厚度不應小于4 mm；鋼管壁厚不應小于3.5 mm。

    在腐蝕性較強的土壤中，應采取熱鍍鋅等防腐措施或加大截面。接地線應與水平接地體的截面相同。

    2.人工垂直接地體的長度宜為2.5 m。人工垂直接地體間的距離及人工水平接地體間的距離宜為5 m，當受地方限制時可適當減小。

    3.人工接地體在土壤中的埋設深度不應小于0.5 m。接地體應遠離由于磚窯、煙道等高溫影響使土壤電阻率升高的地方。

    4.在高土壤電阻率地區，降低防直擊雷接地裝置接地電阻宜采用下列方法：

        一、采用多支線外引接地裝置，外引長度不應大于有效長度，有效長度應符合１.1.2的規定。

        二、接地體埋于較深的低電阻率土壤中。

        三、采用降阻劑。

        四、換土。

    5.防直擊雷的人工接地體距建筑物出入口或人行道不應小于3 m。當小于3 m時應采取下列措施之一：

        一、水平接地體局部深埋不應小于1 m；

        二、水平接地體局部應包絕緣物，可采用50 mm～80 mm厚的瀝青層；

        三、采用瀝青碎石地面或在接地體上面敷設50 mm～80 mm厚的瀝青層，其寬度應超過接地體2 m。

    6.埋在土壤中的接地裝置，其連接應采用焊接，并在焊接處作防腐處理。

    １.2.4接閃器選擇和接閃器布置

    1.接閃器應由下列的一種或多種組成：

        一、獨立避雷針；

        二、架空避雷線或架空避雷網；

        三、直接裝設在建筑物上的避雷針、避雷帶或避雷網。

    2.接閃器布置應符合表１－1的規定。

表１－1接閃器布置

    布置接閃器時，可單獨或任意組合采用滾球法、避雷網。

    １.2.5防雷保護區 (LPZ)

    1.防雷保護區應按下列原則劃分：

        一、LPZ0A區：本區內的各物體都可能遭到直接雷擊和導走全部雷電流；本區內的電磁場強度沒有衰減。

        二、LPZ0B區：本區內的各物體不可能遭到大于所選滾球半徑對應的雷電流直接雷擊，但本區內的電磁場強度沒有衰減。

        三、LPZ1區：本區內的各物體不可能遭到直接雷擊，流經各導體的電流比LPZ0B區更小；本區內的電磁場強度可能衰減，這取決于屏蔽措施。

        四、LPZn+1后續防雷區：當需要進一步減小流入的電流和電磁場強度時，應增設后續防雷區，并按照需要保護的對象所要求的環境區選擇后續防雷區的要求條件。

    注：n=1、2、……。

    2.在兩個防雷保護區的界面上應將所有通過界面的金屬物做等電位連接。并宜采取屏蔽措施。

    注：LPZ0A與LPZ0B區之間無界面。

    對各類防雷建筑物，各種連接導體的截面不應小于表１－2的規定。

表１－2各種連接導體的最小截面(mm2)

銅或鍍鋅鋼等電位連接帶的截面不應小于50mm2。