作者：刘屏周

    摘要： 建筑物防雷计算，折线法滚球半径法等。避雷接地装置的设置与规格要求……
    关键词： 防雷设计 计算方法 设计

    １.1建筑物防雷设计的计算方法

    １.1.1建筑物年预计雷击次数

    1.建筑物年预计雷击次数应按下式确定：

　　　　(１－1)

式中N－建筑物预计雷击次数，次/a；

k－校正系数，在一般情况下取1，在下列情况下取相应数值：位于旷野孤立的建筑物取2；金属屋面的砖木结构建筑物取1.7；位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5；

Ng－建筑物所处地区雷击大地的年平均密度，次/km2?a；

Ae－与建筑物截收相同雷击次数等效面积，km2。

    2.雷击大地的年平均密度应按下式确定：

　　　　　　　　(１－2)

式中Td－年平均雷暴日，根据当地气象台、站资料确定，d/a。

    3.建筑物截收相同雷击次数等效面积Ae应为其实际面积向外扩大后的面积。其计算方法应符合下列规定：

    一、当建筑物的高H小于100m时，其每边的扩大宽度和等效面积应按下列公式计算确定（图１－1）：

　　　　　　(１－3)

　　(１－4)

式中D－建筑物每边的扩大宽度，m；

L、W、H－分别为建筑物的长、宽、高，m。

图１－1建筑物截收相同雷击次数等效面积

注：建筑物平面积扩大后的面积Ae如图１－1中周边虚线所包围的面积。

    二、当建筑物的高H等于或大于100m时，其每边的扩大宽度应按等于建筑物的高H计算；建筑物等效面积应按下式确定：

(１－5)

    三、当建筑物各部位的高不同时，应沿建筑物周边逐点算出最大扩大宽度，其截收相同雷击次数等效面积Ae应按每点最大扩大宽度外端的连接线所包围的面积计算。

    １.1.2接地装置冲击接到电阻与工频接地电阻的换算

    1.接地装置冲击接到电阻与工频接到电阻的换算应按下式确定：

(１－6)

式中 R～－接地装置各支线的长度取值小于或等于接地体的有效长度le或者有支线大于

le而取其等于le时的工频接到电阻，Ω；

A－换算系数，其数值宜按图１－2确定；

Ri－所要求的接地装置冲击接到电阻，Ω。

    2.接地体的有效长度应按下式确定：

(１－7)

式中 le－接地体的有效长度，应按图１－3计量，m；

ρ－敷设接地体处的土壤电阻率，Ω?m。

3.环绕建筑物的环形接地体应按以下方法确定冲击接到电阻：

    一、当环形接地体周长的一半大于或等于接地体的有效长度le时，引下线的冲击接地电阻应为从与该引下线的连接点起沿两侧接地体各取le长度算出的工频接到电阻（换算系数A等于1）。

    二、当环形接地体周长的一半l小于le时，引下线的冲击接地电阻应为以接地体的实际长度算出的工频接到电阻再除以A值。

    4.与引下线连接的基础接地体，当其钢筋从与引下线的连接点量起大于20 m时，其冲击接地电阻应为以换算系数A等于1和以该连接点为圆心、20 m为半径的半球体范围内的钢筋体的工频接到电阻。

图１－2换算系数A

注：l为接地体最长支线的实际长度，其计量与le类同。当它大于le时，取其等于le。

图１－3接地体有效长度的计量

    １.1.3滚球法确定接闪器的保护范围

    1.单支避雷针的保护范围应按下列方法确定（图１－4）。

    一、当避雷针高度h小于或等于hr时：

    ①距离地面hr处作一平行地面的平行线；

    ②以针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线的A、B两点；

    ③以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切。则从此弧线起到地面止就是保护范围。保护范围是一个对称的锥体；

    ④避雷针在hx高度的xx ’ 平面上和在地面上的保护半径，按下式求得：

(１－8)

(１－9)

式中rx──避雷针在hx高度的xx ￠平面上的保护半径，m；

hr──滚球半径，第一、二、三类防雷建筑物分别为30 m、45 m、60 m ；

hx──被保护物的高度，m；

r0──避雷针在地面上的保护半径，m。

    二、当h大于hr时，在避雷针上取高度hr的一点代替单支避雷针的针尖作为圆心。其余做法同本款第1）项。１－8和１－9式中的h用hr代入。

图１－4单支避雷针的保护范围

    2.单根避雷线的保护范围，当避雷线的高度h大于或等于2hr时，无保护范围；当避雷线的高度h小于2hr时，应按下列方法确定（图１－5）。确定架空避雷线的高度时应计及弧垂的影响。在无法确定弧垂的情况下，当等高支柱间的距离小于120m时架空避雷线中点的弧垂宜采用2m，距离为120～150m时宜采用3m。

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

图１－5单根避雷线的保护范围

    (1)距离地面hr处作一平行于地面的平行线；

    (2)以避雷线为圆心、hr为半径，作弧线交于平行线的A、B两点；

    (3)以A、B为圆心，hr为半径作弧线，两弧线相交或相切并与地面相切，从该弧线起到地面止就是保护范围；

    (4)当h小于2hr且大于hr时，保护范围的最高点的高度h0按下式计算：

(１－10)

    (5)避雷线在hx高度的xx’平面上的保护宽度bx，按下式：

(１－11)

式中bx──避雷线在hx高度的xx’平面上的保护宽度，m；

h──避雷线的高度，m；

hr──滚球半径，m；

hx──被保护物的高度，m。

    (6)避雷线两端的保护范围按单支避雷针的方法确定。

    １.1.4雷电流

    1、闪电中可能出现的三种雷击见图１－6其参量应符合表１－1～表１－3的规定。雷击参数的定义应按１－7确定。

图１－6 闪电中可能出现的三种雷击

    短时间首次雷击后续雷击长时间雷击

图１－7 雷击参数定义

I－峰值电流（幅值）T－从波头起自幅值10％至波点

T1－波头时间降至峰值10％之间的时间

T2－半值时间Q1－长时间雷击的电荷量

（a）短时雷击（b）长时间雷击

    2、对雷电流的电荷量Qs和单位能量可近似按下列计算式计算：

(１－12)

(１－13)

式中Qs－雷电流电荷量，C ；

W/R－雷电流单位能量，J/Ω；

I－雷电流幅值，A ；

T2－半值时间，s

表１－1首次雷击的雷电流参量

    注：因为全部电荷量Qs的本质部分包括在首次雷击中，故所规定的值考虑合并了所有短时间雷击的电荷量。

    由于单位能量W/R的本质部分包括在首次雷击中，故所规定的值考虑合并了所有短时间雷击的单位能量。

表１－2首次以后雷击的雷电流参量

表１－3长时间雷击的雷电流参量

平均电流I≈Q1/T。

    １.2建筑物防雷设计要求

    １.2.1接闪器

    1.避雷针宜采用圆钢或焊接钢管制成，其直径不应小于下列数值：

        针长1m以下：圆钢为12mm ；

        钢管为20mm 。

        针长1～2m：圆钢为16mm ；

        钢管为25mm 。

        烟囱顶上的针：圆钢为20mm ；

        钢管为40mm 。

    2.避雷网和避雷带宜采用圆钢或扁钢，优先采用圆钢。圆钢直径不应小于8 mm。扁钢截面不应小于48 mm2，其厚度不应小于4 mm。

    当烟囱上采用避雷环时,其圆钢直径不应小于12 mm。扁钢截面不应小于100 mm2,其厚度不应小于4 mm。

    3.架空避雷线和避雷网宜采用截面不小于35 mm2的镀锌钢铰线。

    4.除第一类防雷建筑物外，金属屋面的建筑物宜利用其屋面作为接闪器，并应符合下列要求：

        一、金属板之间采用搭接时，其搭接长度不应小于100 mm；

        二、金属板下面无易燃物品时，其厚度不应小于0.5 mm；

        三、金属板下面有易燃物品时，其厚度，铁板不应小于4 mm，铜板不应小于5 mm，铝板不应小于7 mm；

        四、金属板无绝缘被覆屋。

    注：薄的油漆保护层或0.5mm厚沥青层或1mm厚聚氯乙烯层均不属于绝缘覆层。

    5.除第一类防雷建筑物和第二类防雷建筑物排放爆炸危险气体、蒸气或粉尘的管道外，屋顶上永久性金属物宜作为接闪器，但其各部件之间均应连成电气通路，并应符合下列规定：

        一、旗杆、栏杆、装饰物等，其尺寸应符合1.和2.的规定。

        二、钢管、钢罐的壁厚不小于2.5 mm，但钢管、钢罐一旦被雷击穿，其介质对周围环境造成危险时，其壁厚不得小于4 mm。

    6.除利用混凝土构件内钢筋作接闪器外，接闪器应热镀锌或涂漆。在腐蚀性较强的场所，尚应采取加大其截面或其它防腐措施。

    7.不得利用安装在接收无线电视广播的共用天线的杆顶上的接闪器保护建筑物。

    １.2.2引下线

    1.引下线宜采用圆钢或扁钢，宜优先采用圆钢。圆钢直径不应小于8 mm。扁钢截面不应小于48 mm2，其厚度不应小于4 mm。

当烟囱上的引下线采用圆钢时，其直径不应小于12 mm；采用扁钢时，其截面不应小于100 mm2，厚度不应小于4 mm。

    防腐措施应符合１.2.1中的6.要求。

    2.引下线应沿建筑物外墙明敷，并经最短路径接地；建筑艺术要求较高者可暗敷，但其圆钢直径不应小于10 mm，扁钢截面不应小于80 mm2。

    3.建筑物的消防梯、钢柱等金属构件宜作为引下线，但其各部件之间均应连成电气通路。

    4.采用多根引下线时，宜在各引下线上于距地面0.3 m至1.8 m之间装设断接卡。

当利用混凝土钢筋、钢柱作为自然引下线并同时采用基础接地体时，可不设断接卡，但利用钢筋作引下线时应在室内外的适当地点设若干连接板，该连接板可供测量、接人工接地体和作等电位连接用。当仅利用钢筋作引下线并采用埋于土壤中的人工接地体时，应在每根引下线上于距地面不低于0.3 m处接地体连接板。采用埋于土壤中的人工接地体时应设断接卡，其上端应与连接板或钢柱焊接。连接板处宜有明显标志。

    5.在易受机械损坏和防人身接触的地方，地面上1.7 m至地面下0.3 m的一段接地线应要取暗敷或镀锌角钢、改性塑料管或橡胶管等保护设施。

    １.2.3接地装置

    1.埋于土壤中的人工垂直接地体宜采用角钢、钢管或圆钢；埋于土壤中的人工水平接地体宜采用扁钢或圆钢。圆钢直径不应小于10 mm；扁钢截面不应小于100 mm2，其厚度不应小于4 mm；角钢厚度不应小于4 mm；钢管壁厚不应小于3.5 mm。

    在腐蚀性较强的土壤中，应采取热镀锌等防腐措施或加大截面。接地线应与水平接地体的截面相同。

    2.人工垂直接地体的长度宜为2.5 m。人工垂直接地体间的距离及人工水平接地体间的距离宜为5 m，当受地方限制时可适当减小。

    3.人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于0.5 m。接地体应远离由于砖窑、烟道等高温影响使土壤电阻率升高的地方。

    4.在高土壤电阻率地区，降低防直击雷接地装置接地电阻宜采用下列方法：

        一、采用多支线外引接地装置，外引长度不应大于有效长度，有效长度应符合１.1.2的规定。

        二、接地体埋于较深的低电阻率土壤中。

        三、采用降阻剂。

        四、换土。

    5.防直击雷的人工接地体距建筑物出入口或人行道不应小于3 m。当小于3 m时应采取下列措施之一：

        一、水平接地体局部深埋不应小于1 m；

        二、水平接地体局部应包绝缘物，可采用50 mm～80 mm厚的沥青层；

        三、采用沥青碎石地面或在接地体上面敷设50 mm～80 mm厚的沥青层，其宽度应超过接地体2 m。

    6.埋在土壤中的接地装置，其连接应采用焊接，并在焊接处作防腐处理。

    １.2.4接闪器选择和接闪器布置

    1.接闪器应由下列的一种或多种组成：

        一、独立避雷针；

        二、架空避雷线或架空避雷网；

        三、直接装设在建筑物上的避雷针、避雷带或避雷网。

    2.接闪器布置应符合表１－1的规定。

表１－1接闪器布置

    布置接闪器时，可单独或任意组合采用滚球法、避雷网。

    １.2.5防雷保护区 (LPZ)

    1.防雷保护区应按下列原则划分：

        一、LPZ0A区：本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷电流；本区内的电磁场强度没有衰减。

        二、LPZ0B区：本区内的各物体不可能遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击，但本区内的电磁场强度没有衰减。

        三、LPZ1区：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各导体的电流比LPZ0B区更小；本区内的电磁场强度可能衰减，这取决于屏蔽措施。

        四、LPZn+1后续防雷区：当需要进一步减小流入的电流和电磁场强度时，应增设后续防雷区，并按照需要保护的对象所要求的环境区选择后续防雷区的要求条件。

    注：n=1、2、……。

    2.在两个防雷保护区的界面上应将所有通过界面的金属物做等电位连接。并宜采取屏蔽措施。

    注：LPZ0A与LPZ0B区之间无界面。

    对各类防雷建筑物，各种连接导体的截面不应小于表１－2的规定。

表１－2各种连接导体的最小截面(mm2)

铜或镀锌钢等电位连接带的截面不应小于50mm2。