55. 外部防雷系統
作者：佚名--------文章來源： 智能建築系統集成網- 外部防雷系統由接閃器（避雷針）、引下線、接地地網等有機組成。缺一不可。下面分別對以上三個主要因素的相關技術及安裝進行描述。
主要講本部分的內容是對建築物外部空氣如何截雷，把雷電流向大地中洩放的問題。
本部分的內容提要是：
(1)接閃器：避雷針、避雷線、避雷帶、避雷網
(2)避雷帶和避雷網的結構設計
(3)接閃器的選擇和佈置
接閃器
- 直接截受雷擊，以及用作接閃的器具、金屬構件和金屬屋面等，稱之為接閃器。功能是把接引來的雷電流，通過引下線和接地裝置因如大地中洩放，保護建築物免受雷害。
從公元1753年，富蘭克林發明了避雷針以來，避雷針作為接閃器唯一的形式，延續了上百年的歷史，從十九世紀以後，逐漸有出現了避雷線、避雷帶和避雷網。其分類如下：避雷針、避雷線、避雷帶、避雷網,下面逐一介紹。 - 1. 避雷針
尖端放電
由物理學可知，通常物體內部的正電荷和負電荷是相等的，所以從整體來看不顯示帶電現象。當某一物體所具有的正、負電荷不相等時，這個物體就顯示帶電的特性。當物體內部的正電荷多於負電荷時，物體帶正電，反之帶負電。由於電荷都有異性相吸、同性相斥的特性，所以帶電物體中的同性電荷總是受到相互排斥電場力的作用。
帶尖鋒的金屬球為例，假如金屬球上帶負電（同樣也可以理解帶上正電），由於電荷同性相斥的作用，電子總是分佈到金屬球的最外層表面，並且容易逃離金屬球。球的尖鋒部分，電子受到同性電荷往外排斥力最強，最容易被排斥離開金屬球，這就是通常說的「尖端放電」。
公元1749年4月29日，富蘭克林在給約翰·米西爾（John Mitchel）的信中提出了，雲層由於不斷受到蒸汽摩擦而帶電的看法，他認為"當帶電的雲塊飄過田野、掠過高山、巨樹、聳立的高塔、尖屋頂、船舶桅桿、煙筒等物的時候，拖曳出電火，正如許多尖導體和突出物產生的現象一樣，整個雲層就在那裡放出電來"由此，他提出了避雷針的設想。
他說：既然尖導體可以把一個離它很遠的帶電體上的電荷釋放掉，避免它對其他物體產生電擊，那麼尖導體對於人類可能有些用處。於是他建議將一根上端尖銳並塗有防銹層的鐵桿安裝在房屋的最高處，並用導線接在它的下端，沿著牆壁直通到地下。在海船上則把鐵桿固定在桅桿頂端，用導線連接向下直通入水中。它們就能在雲層將要產生電擊的千鈞一髮之際，靜悄悄地把電從雲中吸走，因而使我們免受最突然、最駭人的悲劇。富蘭克林詳細描述避雷針的裝置，並正式宣佈它是在1753年。
避雷針的英文名字Lightning rod，直譯為"閃電棍"更準確些，本無避免雷擊之意。這個名詞望文生義就會產生誤解。我們國內許多物理課本，甚至大學的教課書也把避雷針的原理說成是靠尖端放電中和雲層電荷從而消除閃電的，這是錯誤的。實際上，在富蘭克林發明避雷針的時候，提出了兩種避雷針工作機理的解析；第一種解析認為，避雷針是靠其針尖電暈放電發出與雷雨雲相反的電荷，使雷雨雲的電荷得到中和，從而免除建築物的雷害。第二種解析認為，避雷針是靠把雷雨雲所帶的異種電荷引導到自身上來，通過良好的接地裝置，把雷電流洩入大地，保護建築物不受雷擊。至1753年富蘭克林明確傾向於避雷針引雷的理論了，所以說避雷針是靠尖端放電消除閃電而能避雷的提法是錯誤的，避雷針是消除不了閃電的。
工作原理
雷雨雲形成以後對大地的電壓，低則幾百萬伏，高則數千伏甚至更高，雷雨雲對大地的一次閃擊放電的峰值電流平均為30多KA，它的瞬時功率為109-1012W以上。由於瞬時功率很大，所以它的破壞力是相當大的。
當高空出現雷雨雲的時候，大地上由於靜電感應作用，必然帶上與雷雨雲相反的電荷，避雷針處於地面建築物的最高處，與雷雨雲的距離最近，由於它與有良好的電氣連接，所以它於大地有相同的電位，使避雷針附近空間的電場強度比較大，容易吸引雷電先驅，使主放電都集中到它的上面，從而保護附近比它低的物體遭受雷擊的幾率大大減少。
而避雷針被雷擊的幾率卻大大的提高。避雷針不但不能避雷反而引雷，它是自身的多受雷擊而保護周圍免受雷擊。 由於避雷針與大地有良好的電氣連接，能把大地積存的電荷能量迅速傳遞到雷雨雲層中洩放；或把雷雨雲層中積存的電荷能量傳遞到大地中洩放，使雷擊而造成的過電壓時間大大的縮短，從很大程度上降低了雷擊的危害性，這就是避雷針的工作原理。
但需要說明，避雷針必須有足夠可靠，並且有接地電阻盡量小的引下線接地裝置與其配套，否則，它不但起不到避雷的作用，反而增大雷擊的損害程度。
避雷針保護範圍的計算方法
目前世界各國關於避雷針保護範圍的計算公式在形式上各有不同，大體上有如下幾種
計算方法：
1、折線法：即單一避雷針的保護範圍為一折線圓錐體。
2、曲線法：即單支避雷針的保護範圍為一曲線錐體。
3、直線法：是以避雷針的針尖為頂點作一俯角來確定，有爆炸危險的建築物用45°角，對一般建築物採用60°角，實質上保護範圍為一直線圓錐體。
避雷針的製作規格
由大量模擬實驗和實際調查統計資料表明，避雷針的外表形狀與其避雷效果無明顯的關係，所以，不必過多考慮採用單針式或者其他形式造型的避雷針。
主動式避雷針
近來國內市場經銷一種叫主動式避雷針的產品，主要有來自美國、法國和澳大利亞的產品，據廠家稱，這此產品能夠隨大氣電場變化而吸收能量，當存儲的能量達到某一程度時，便會在避雷針尖放電，尖端周圍空氣離子化，使避雷針上方形成一條人工的向上的雷電先導，它比自然的向上的雷電通道能更早的於雷雨雲向下的雷電先導接觸，形成主放電通道。這樣，一方面可以使雷雨雲靠該避雷針放電的幾率增加，相當於避雷針的保護範圍加大，或者相當於將避雷針加高的避雷針 。 - 2. 避雷線
接閃器最初的形式只是富蘭克林所設計的磨尖的鐵棒。20世紀初，在電力系統，為了使輸電線路少受雷擊，採用了在輸電線路上方架設平行的鋼線避雷的方法，在實用中，由於它簡單有效，逐步得到了推廣。這種架設在輸電線路上方的鋼線，稱之為避雷線。後來在房屋建築上也推廣了這種形式，開始布設在方脊、屋角、房簷等處作雷電保護，以後這種方式又有所改進。
3. 避雷帶
在房屋建築雷電保護上，用扁平的金屬帶代替鋼線接閃的方法稱之為避雷帶，它是由避雷線改進而來。在城市高大樓房上，使用避雷帶比避雷針有較多的優點，它可以與樓房頂的裝飾結合起來，可以與房屋的外形較好的配合，即美觀防雷效果又好，特別是大面積的建築，它的保護範圍大而有效，這是避雷針所無法比的。避雷帶的製作，採用扁鋼，截面積不小於48mm2，其厚度不應小於4mm。
4. 避雷網
避雷網是指利用鋼筋混凝土結構中的鋼筋網作為雷電保護的方法（必要時還可以輔助避雷網），也叫做暗裝避雷網。它是根據古典電學中法拉第籠的原理達到雷電保護的金屬導電體網絡。
- 暗裝避雷網是把最上層屋頂作為接閃設備。根據一般建築物的結構，鋼筋距面層只有6-7cm，面層愈薄，雷擊點的洞愈小。但有些建築物的防水層和隔熱層較厚，入彀鋼筋距面層厚度大於20cm，最好另裝輔助避雷網。輔助避雷網一般可用直徑為6mm或以上的鍍鋅圓鋼，網格大小可根據建築物重要性，分別採用5m′5m或10m′10m的圓鋼製成。避雷網又分明網和暗網，其網格越密可靠性越好。
建築物頂上往往有許多突出物，如金屬旗桿、透氣管、鋼爬梯、金屬煙囪、風窗、金屬天溝等，都必須與避雷網焊成一體做接閃裝置。
在非混凝土結構的建築物上，可採用明裝避雷網。做法是首先在屋脊、屋簷等到頂的突出邊緣部分裝設避雷帶主網，再在主網上加搭輔助網。
避雷帶和避雷網的結構設計
避雷帶和避雷網一般採用圓鋼或扁鋼，其尺寸不應小於下列數值：
圓鋼直徑為8mm，扁鋼截面積為48mm2，扁鋼厚度為4mm。
避雷線一般採用截面積不小於35mm2的鍍鋅鋼絞線架設。 - 安裝避雷帶和避雷網要注意下面事項：
1、避雷帶及其連接線經過沉降溝（沉降溝：一座較長的多層建築物，往往在橫向上把建築物分成幾段，段與段之間留有一段空隙，防止各段下沉不一致，引起建築物損
壞）時，應備有10-20cm以上的伸縮餘裕的跨越線。
2、有女兒牆的平頂房屋，其寬度小於24m時，只須沿女兒牆上部敷設避雷帶；寬度大於24m時，須在房面上兩條避雷帶之間加裝明裝連接條，連接條的間距不大於
20m時，只在屋簷上裝避雷帶；寬度大於20m時，需在屋面上加裝明裝連接條，連接條間距不大於20m。
3、瓦頂房屋面坡度為27°-35°，長度不超過75m時，只沿屋脊敷設避雷帶。四坡頂房屋，應在各坡脊上裝上避雷帶。為使簷角得到保護，應在屋角上裝短避雷針或將避
雷帶的引下線從簷角上繞下來。如果屋簷高度高於12m，且長度大於75m時，要在屋脊和房簷上都敷設避雷帶。
4、當屋頂面積非常大時，應敷設金屬網格，即避雷網。避雷網分明網和暗網，網格越密，可靠性越好，網格的密度視建築物重要程度而定，重要建築物採用5′5m的密
網格，一般建築物用20′20m的網格即可。
在非混凝土結構的建築物上，可採用明裝避雷網。做法是首先在屋脊、房簷等到頂的突出邊緣部分裝設避雷帶主網，再在主網上加搭輔助網，避雷網格大小按上述要求。採用避雷帶和避雷網保護時，屋頂上的煙囪、混凝土女兒牆、排氣樓、天窗及建築裝飾等突出於屋頂上部的結構物和其他突出部分，都要裝設短避雷針或避雷帶保護，或暗裝防護線，並連接到就近避雷帶或避雷網上。對金屬旗桿、金屬煙囪、鋼爬梯、風帽、透氣管等必須與就近的避雷帶、避雷網焊接。
採用避雷帶和避雷網保護時，每一座房屋至少有兩根引下線（投影面積小於50m2的建築物可只用一根）。避雷引下線最好對稱佈置，例如兩根引下線成"一"字或"Z"字形，四根引下線要做成"工"字形，引下線間距離不應大於20m，當大於20m時，應在中間多引一根引下線。見《雷電與避雷工程的避雷帶和避雷網的結構設計》 - 接閃器的選擇和佈置
合理設計的接閃器將顯著地減少雷電擊中需要防雷空間的可能性。只有將防雷裝置的設計與建築結構設計同時進行時，才能在技術和經濟上得到最優化的組合。特別是在設計建築物時，就應充分利用建築物的金屬物作為防雷裝置的諸部分之用。
接閃器可由以下一種或多種組成選擇：
1) 獨立避雷針；
2) 架空避雷線或架空避雷網；
3) 直接裝設在建築物上的避雷針、避雷帶或避雷網。
滾球法：滾球法是以hr為半徑的一個球體，沿需要防直擊雷的部位滾動，當球體只觸及接閃器（包括被利用作為接閃器的金屬物）或只觸及接閃器和地面（包括與大地接觸並能承受雷擊的金屬物），而不觸及需要保護的部位時，該部分就得到接閃器的保護。計算公式為：式中：Rp=避雷針在地面上的保護半徑（m）
hx =被保護物的高度（m）
h =避雷針高度（m）
hr =滾球半徑（m）
IEC1024-1：1990 當符合下表的要求時，接閃器的佈置就是合適的。按照保護級別佈置接閃器
就設計接閃器系統而言，下列方法可單獨使用，也可結合使用，只要接閃裝置不同部分所提供的保護區能相互銜接，並確保建築物得到完全的保護就行（見IEC1024-1第2.1.2條）：
--保護角法：
--滾球法：
--網格法：
所有這三種方法都可用於獨立、半獨立和非獨立的防雷系統的設計。
1、保護角法：接閃導體、避雷針、避雷桿塔和避雷線的位置，應使被保護建築物的各個部分都處於由接閃裝置導體上的各點以""角朝四面八方向地面投影所形成的軌跡
面之內。保護角法有幾何局限。
2、滾球法：對具有複雜幾何形狀的建築物，或當IEC1024-1的表1排除採用保護角法時，應採用滾球法來確定建築物的面積和各部分的保護空間。"滾球"半徑應符合所
選擇的防雷系統保護等級。
滾球法是在建築物上才利用半徑為"R"的球，繞建築物滾動，直到碰到地平面，或碰到與地平面接觸且能用作雷電導體的任何永久性建築物或物體為止。在滾動接觸建築物的地方便有可能受到雷擊。在這樣的點和地段處，就需要由接閃導體來提供防雷保護。防雷系統的保護空間就是"滾球"接觸該導體並作用於建築物時並未穿過的那塊空間的體積。保護等級和防雷系統的安裝成本隨所選滾球的尺寸的縮小而增加。
3、網格法：接閃導體或屋頂導體應形成一個閉合多邊形，其周邊應靠近屋頂的邊緣布設。這種多邊形接閃裝置應通過增設相互連接的橫向接閃導線來完善，以形成符
合 IEC1024-1表1要求的網格。
選型程序：
(1)評估保護級數；
(2)選擇合適的保護半徑；
在地球上所處徑、緯度的不同Na也不同。
評估保護級數
1、查出當地的雷電密度Na。
理論上
1）建築物的重要程度；
2）建築物的危險程度；
現場記錄風險內容：
3）建築物的人員密度；
4）建築物的構築位置；
5）建築物的建築結構；
6）建築物所在地的雷電密度；
2、做工地現場勘察
實際上：根據多年的實踐經驗，在實際運用上，多採用1類。查出滾球法半徑D。
3、計算和選擇合適的保護半徑：根據上列Rp= h (2 hr – h ) 公式，設計人員需考慮所選擇避雷針的型號，其保護半徑將能覆蓋在不同垂直距離上的受保護平面。 避雷
針選型確定以後，安裝時應注意以下事項：
磚木結構的房屋，可把避雷針敷設在山牆頂部或屋脊上，用抱箍或對鎖坶絲固定於樑上，固定部分的長度為針高的1/3。也可以將避雷針嵌於磚牆或水泥中，為了結
構的堅固，插在磚牆中的部分為針高的1/3，插在水泥中部分約為針高的1/4-1/5。
對於平頂屋上的避雷針應安上底座與屋頂層連接，並用螺絲緊固好。