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综论建筑物防雷

  北京市建筑设计研究院 王时煦   2006年02月10日    浏览数:
[摘要] 前言  在人类生存的环境中有许多自然灾害,如地震、暴雨、冰雹、水灾、旱灾、火灾、雷击等等。对此,人们总是想方设法进行防御,或减轻它们所造成的损失。雷击就是严重的自然灾害之一。但就我国而言,过去防雷设计
前言

  在人类生存的环境中有许多自然灾害,如地震、暴雨、冰雹、水灾、旱灾、火灾、雷击等等。对此,人们总是想方设法进行防御,或减轻它们所造成的损失。雷击就是严重的自然灾害之一。但就我国而言,过去防雷设计在整个建筑设计中所占的比重很小。电气设计人员不重视,其他专业的设计人员更不重视,但雷击所造成的损失却无法轻视。如1989年山东黄岛油库遭受雷击并引起大火,损失惨重。
  就防雷历史而言,我国建国初期大多是按照日本的45°~60°保护角确定避雷针的保护范围,用三叉小针铜避雷针、铜引下线和1m×1m铜板作为接地装置。50年代初期,引进苏联技术,采用抛物线或折线计算法,用铁管或镀锌元钢做避雷针,用镀锌元钢做引下线,地下打入3~5m长的镀锌铁管或钢材作接地极,以致现在的避雷带和避雷网均采用镀锌钢筋或扁钢。
  80年代以前,我国没有建筑物防雷规范,建筑电气设计人员只能凭自己的认识设计避雷针。自1957年北京市两大雷击事故发生以后,我国大量的古建筑物和群众集中的公共场所才开始安装避雷装置。1957年7月6日明十三陵长陵棱恩殿遭受雷击,劈掉西部吻兽,劈裂两根直径1.17m,高14.3m的大楠木柱子,死一人,伤三人;1957年7月8日中山公园内的一棵大树落雷,雷电流感应至附近的配电线路,然后传到中山公园音乐堂,烧毁了配电室、舞台和观众厅大顶棚。为此,北京市领导召开了紧急会议,决定对北京市重要古建筑物和人员众多的影剧院安装避雷针并指定由笔者负责设计。此后,从天安门开始,到劳动人民文化宫三大殿、景山万春亭、北海公园白塔,以至鼓楼、天坛祈年殿、颐和园排云殿、智慧海、十三陵长陵棱恩殿、明楼、戒台寺等30多处古建筑物和中山公园音乐堂等重要影剧院都相继安装了避雷装置。
  1957年,笔者将过去积累的雷击事故调查和设计经验进行了总结,写出了“民用建筑物防雷保护”研究报告并且于1958年9月在建工部设计局于武汉召开的“全国电气设计人员交流大会”上,作了报告,发表了防雷观点和设计方法。报告中提出的雷击规律、防雷标准、保护方式、设计要点、屋顶板内钢筋作接闪装置的理论以及详细的设计实例和数十种做法大样得到了与会代表的一致赞同,以后被广泛采用。
  1958年底,北京市建筑设计院研究室、中国科学院电工研究所和清华大学高压教研室共同成立了“北京建筑物防雷研究小组”。1962年5月出版的《民用建筑物防雷保护》和1980年9月出版的《建筑物防雷设计》就是在笔者1957年研究报告和小组研究成果的基础上写出来的。书中突出的观点是建筑物防雷设计的六项重要因素,即接闪功能、分流影响、屏蔽作用、均衡电位、接地效果和合理布线。现在看来,国内外的标准和规范都离不开这六要素,有的单位还把它们作为设计原则。笼式避雷网和等电位连接早在1958年就在人民大会堂的设计和工作实践中采用了,而国际上戈尔德(G.H.Golde)于1997年才在《雷电》一书(国际名著)中谈到等电位连接的做法,所以我国的防雷研究和实践并不落后。
  笔者主审的我国第一部《建筑物防雷设计规范》(GBJ57-83)于1983年11月7日公布。第二部《建筑物防雷设计规范》(GB50057-94)(机械工业部设计研究院林维勇先生主笔)于1994年4月18日公布。该部规范吸收了许多国外先进的东西,将接闪器保护范围的计算方法改为滚球法并结合我国防雷设计的实际经验增加了许多新条款。这两部规范对指导我国建筑物防雷设计起了很大的作用。
  70年代以前,人们听到的雷击事故多是击中建筑物或大树,严重的造成了建筑物烧毁或人员伤亡。那时被雷击的建筑物绝大多数是没有安装防雷装置(避雷针、避雷带或避雷网)。现在听到的雷击事故相对少了,其原因是,六层以上的多层建筑物和高层建筑物都安装了防雷装置。有时,接闪器接闪后,即使是微电子设备因雷电电磁脉冲感应受损,局外人也不知道,本单位做些局部修理也就完事了。其实,现在的雷击事故并不算少。雷击建筑物对某一栋楼而言可能是百年不遇的事,但防雷装置接闪则是较常见的,这也是正常的。
  接闪装置接闪后,建筑物引下线附近的设备会受到雷电流的感应,这就是雷电电磁脉冲干扰。90年代以前,国际和国内的规范都没有关于雷电电磁脉冲的规定。1992年国际电工委员会建筑物防雷专委会(IEC-TC/81)才开始讨论这个问题。1995年2月,该机构发布了国际标准《雷电电磁脉冲的防护》(IEC1312-1.2.3)。目前我国尚没有类似的规定,这是近年来的问题。
  随着电子技术的飞速发展,电子计算机早已步入社会的各行各业。建筑物内几乎无不设有复杂程度不同的微电子设备和计算机系统,民用建筑也不例外。雷电电磁脉冲干扰日益成为频发事故。面对这种挑战,设计人必须转变观念,把雷电电磁脉冲防护当作防雷设计的重点。这不只是电气一个专业的事,因为它涉及到电子设备的位置和管线的布置等问题。各个专业应充分协商,从整体上解决防雷设计上的问题。否则,建筑物设计得再好,也无法正常使用。
  研究建筑物防雷应从雷击事故调查入手,找出雷击规律,然后,利用雷击模拟实验,对所总结的规律和所提出的解决方案予以验证。研究人员应根据科技的发展,不断吸收新东西对满足不断变化的社会需要,如计算机的发展导致的对雷电电磁脉冲防扩的需要。
  下面将对防雷设计的基本原则、雷击规律、近年来国际上提出的新概念以及随着科技发展出现的新问题分别予以论述。

  1.雷电电磁脉冲

  雷电电磁脉冲(Lightning Electromagnetic Pulse),简称LEMP,是天空打雷时产生的作为干扰源的强大闪电流及其电磁场。它的感应范围很大,对建筑物、人身和各种电气设备及管线都会有不同程度的危害。这种危害就是雷电电磁脉冲所产生的干扰。
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