摘要：本文扼要說明了傳統防雷局限性以及智能建筑對防雷的要求，根據IEC的標準，論述在智能建筑中應采取相應的防雷措施，防止雷電的侵害。

關鍵詞：智能建筑 直擊雷 感應雷擊 避雷針 防雷保護區

一、前言

在智能建筑中，系統內的電子設備的數量和規模不斷擴大，大量采用計算機技術，而電子計算機、微處理器以及其他電子儀器設備普遍存在著絕緣強度低，過電壓耐受能力差的弱點，當其受到電磁脈沖，特別是閃電電磁脈沖的襲擊，使得這些高靈敏的電子系統在運行時，出現程序運行錯誤；數據錯誤；時間錯誤；死機；無故重新啟動甚至造成用電設備的永久性損壞，給各行各業以及人們日常生活造成巨大損失。

1992年，北京氣象局16層氣象中心大樓遭受雷擊，樓內計算機、電子設備受損，損失達數十萬元，中斷通訊24小時；1994年和1995年深圳蛇口電信公司兩次遭受雷擊破壞，使得深圳蛇口地區電話系統分別癱瘓六小時和八小時，經濟損失巨大；1996年深圳市氣象臺受雷擊破壞，涉及破壞范圍包括程控交換系統、電腦網絡系統、閉路電視監控系統、CT機等；1996年4月20日，深圳市收容站價值一百多萬元的電腦網絡系統、閉路電視監控系統、CATV系統因遭受雷擊而癱瘓；同年深圳中信公司證卷公司也遭受雷擊，使得電腦網絡卡、調制解調器受到破壞。電子元件的損壞不僅使系統的癱瘓，造成損失，而且在修復及重新整理數據上的費用也是巨大的。據統計，僅深圳市在1996年因瞬態電涌而造成的經濟損失就高達6千多萬元。

為此，在智能建筑中，特別是對計算機和精密的電子設備，對雷電如何采取有效的防護措施，保障其安全，已受到普遍關注。

二、雷電對智能建筑的危害

雷電現象是指雷云之間或雷云與地之間迅猛放電的過程，在該過程中，不僅會產生強大的雷電流（可達數十至數百千安），并且會伴隨有強烈的閃光和巨大的聲響。雷電主要分為直擊雷擊和感應雷擊。

1.直擊雷擊是指雷云之間或雷云與地之間與建筑物的某一點放電。其主要危害有：

(1) 強大的雷電流通過被擊物體時產生熱效應，這種熱效應所產生巨大的熱量會使被擊物體溫度突升，甚至引起火災。

(2) 達數十甚至數百千安雷電流通道，會使空氣急劇膨脹，并以超生速向四周擴散，其外圍附近的冷空氣被強烈壓縮，形成“激波”，它會破壞其附近的建筑物、人員、樹木等。

(3) 雷電流通過導體產生的雷電電磁場，產生電動力效應，會使處在其中的導體受力變形甚至折斷。

2. 感應雷擊是指雷電通過靜電感應或電磁感應對被擊物體的損壞。雷電流有50℅是直接流入大地，還有50℅是流入各電氣道（如電源線、信號線和金屬管道等）。當雷閃放電發生或雷擊輸電線路時，強大的雷電流會產生強大的電磁場。它通過直接或電容耦合方式在輸電線路上形成暫態過電壓以流動波形式沿線路傳播，一般在以雷擊中心1.5－2km范圍內都可能產生危險過電壓，損壞電路上的設備。據統計：在整個瞬變脈沖事故中雷擊產生過電壓約占20℅左右。感應雷擊其主要危害有：

(1) 在雷云出現后，雷云下的建筑物由于靜電感應作用而帶上大量相反電荷，雷擊過后，雷云所帶的電荷與地很快中和，而地上某些局部上的感應電荷，由于與大地間電阻較大，而且不能在同樣短的時間內相互消失，形成了局部地區高的感應電壓，該電壓達數十千伏至數百千伏，這樣高的的電壓可使接地不良的電氣系統遭受破壞。根據《建筑物防雷設計規范 GB50057-94》中的公式，防雷裝置地上高度hx處的電位：

式中 UR雷電流流過防雷裝置時接地裝置上的電阻電壓降（kV）；

UL雷電流流過防雷裝置時引下線的電感電壓降（kV）；

I 雷電流幅值；二類防雷建筑取100kA；

RI 沖擊接地電阻，對于采用共用接地極的建筑，一般取其等于1(Ω)；

L0 引下線的單位長度電感，取其等于1.5μ H /m；

di/dt 雷電流徒度（kA/μs）。

對于一個30m高的二類建筑，經計算：

由此可見，僅接地裝置上的電位升高100 kV，30m高度的電位就達775 kV，也正是由于高電位引入、反擊、感應、耦合等二次效應，對電氣設備及人員危害極大。

(2) 雷電產生電磁感應的破壞。由于雷電有極大的峰值和徒度，在其周圍形成強大的變化的電磁場，處在變化電磁場中的導體會感應出較大的電壓，該電壓由導線可傳至較遠電氣設備。根據美國A/D報告研究表明：當電磁感應強度B為0.03GS時，計算機會產生誤動作，當B為2.4GS時，計算機芯片會產生永久性損壞。

式中 B電磁感應強度（GS）；

I 雷電流幅值 （kA）；

r 雷擊半徑 (m)；

P 發生雷擊電流I值的概率。

故可以算出：電子設備誤動作概率為： P=93.6℅，

電子設備產生永久性損壞概率為： P=60℅。

(4) 雷電產生地電位反擊的破壞。智能建筑內計算機及微電子設備均要求有“干凈”的地，如果在建筑不同接地系統被泄入雷電流時，引起電位不均，高電位的地會反擊地電位的地，導致電氣設備損壞。

三、防雷保護區域的劃分

針對信息系統的防雷特殊性，作為防雷標準IEC-1024-1標準的補充，1995年IEC出版了1312-1標準。對防雷保護區域進行了劃分，一個欲保護的區域，從電磁兼容(EMC)的觀點來看，由外到內可分為幾級保護區，（圖1 所示）最外層是LPZ0區—雷閃電磁場原區。在該區域內雷閃電磁場未產生衰減。雷閃電磁場按大氣狀態下自然分布。在該區域又分為LPZOA和LPZOB兩個區域。

圖1建筑物防雷區域（LPZ）的劃分

LPZOA區是直接雷擊區域，在該區域內各物體都可能受到直接雷擊，產生全雷電流，雷閃電磁場未產生衰減，從防雷保護角度看，該區域屬于保護以外區域。

LPZOB區是不受直接雷擊區域，在該區域內各物體不可能受到直接雷擊，但雷閃電磁場未產生衰減，該區域受防雷裝置保護。

LPZ1區是不受直接雷擊區域，在該區域內各物體不可能受到直接雷擊，在該區域內，所有導體上的雷電流比LPZOB區減少，其減少程度取決于屏蔽措施和等電位聯結做法。

如果需要進一步減少雷電流和雷閃電磁場，應按需要保護系統的要求，選擇后續防雷區域（LPZ2、3、4……）。

四、智能建筑中的防雷措施

防雷工程通常分為直擊雷和感應雷兩部分。直擊雷防御系統是捕捉雷電閃擊保護建筑物及設備。感應雷防御系統是為了降低雷擊時的沖擊電位差和電磁脈沖。傳統的防雷技術一般是在建筑物屋面裝設接閃器，由接閃器和引下線將雷電流導入接地極，流向大地，并在電網中加裝避雷器等防雷措施，采用這些措施，雖然可以有效防止直擊雷和消弱電壓波的強度，減少雷擊的破壞程度，但這些措施并不能完全消除電網中的又雷擊引起的暫態過電壓，感應雷電脈沖一般都在千伏以上，普通的電氣設備一般可允許閃電脈沖電壓6000V，但對于計算機設備，其信號電壓很低，一般只有100V左右，最小僅有10V左右，當其閃電脈沖電壓為在幾十伏或到幾百伏就會見計算機損壞。IEC標準根據雷電日雷電日將地區雷電級別分為3級。

（1） Q1級：此級別雷電日不超過25天，可不設置雷電過電壓保護。

（2） AQ2級：此級別雷電日超過25天，應考慮是否設置架空線路引入的感應雷電過電壓保護。

（3） AQ3級：同上，但還應考慮架空線路引入的直接雷擊的過電壓保護。

1． 對電源系統和信息系統分級保護

一般電子設備的電源系統分級保護參見圖2所示，為了有效防止暫態過電壓的災害， IEC664-1中提出，對電源系統分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級防護，將過電壓數值降低到設備可以承受的水平。表1給出了IEC664-1瞬變過電壓水平等級的劃分。

雷電及其它瞬態浪涌沖擊現象，對精密電子設備和計算機設備（包括UPS電源），造成很大的危害。采用電源過電壓保護器可以利用快速響應模塊，通過其優良的非線性伏安特性，來實現抑制暫態過電壓的。在正常工作時，模塊呈高阻抗特性，泄漏電流很低，不影響正常工作。當出現暫態過電壓時，模塊呈低阻抗特性，使暫態過電流迅速泄放，抑制暫態過電壓，維持電壓穩定。

高頻信號保護器主要防止天線的雷擊和感應雷擊，因為天線受雷擊或雷電感應時，天線對偶極子上都將形成對地的暫態過電壓，天饋線上兩極導線上的暫態過電壓是對共同地的，即形成共模暫態電壓。高頻信號保護器其內部采用特制的電感線圈，線圈兩頭并接于饋線上，中心抽頭接地。在正常工作時，由于信號頻率高，并接在信號線兩端電感線圈呈高阻抗，不影響正常工作。當出現暫態過電壓時，形成的暫態過電流經電感線圈兩端到電感中心入地，線圈兩半處于并聯工作狀態。由于暫態過電流流過兩半線圈時，在兩半線圈中產生的磁通量相互抵消，暫態過電流對地呈低阻抗，從而有效地限制信號線對地的共模暫態電壓幅值。高頻信號保護器主用于防護雷擊或雷電感應引起的天饋線對地的共模暫態電壓幅值，從而保護通信設備免受暫態過電壓侵害。

2．采用等電位聯接

防止雷電的侵害的一項關鍵措施，即采用等電位聯接。等電位聯結的目的在于減小需要防雷的空間內，各種金屬部件和各種系統之間的電位差，而實施的導體聯結。電源線、信號線、金屬管道等都要通過過壓保護器進行等電位聯接。總等電位聯接（如圖3所示），就是將所有進出保護范圍的金屬管道（包括水管、供熱管道等）以及所有電源線和所有信號線（包括載流導體），當閃電電流流經這些導體時，等電位聯接可以用來安全地承載涌流。

3．加強傳統防雷裝置

（1） 傳統避雷針在引雷后會引發地電位反擊和二次雷擊效應。為了減少雷電流精度徒度和電磁輻射場，應選用阻抗型的避雷針和接閃器等。或者采用提前放電式避雷針， 如采用提前放電式避雷針PULSAR。它的主要原理是將一個高脈沖電壓系列加在普通避雷針尖端（大約10000伏），來引發自發電暈效果，形成上行先導，從而吸引雷電流使其更準確地通過避雷針形成的泄放通道泄放雷電流。由于提前放電式避雷針在雷電泄放前提前放電，形成上行先導，所以，它將傳統避雷針的被動吸引雷電流變為主動吸引雷電流。也就克服了傳統避雷針的缺陷，相當于加長了傳統避雷針的高度，自然在同等高度下也就加大了避雷針的保護角，使其提供的保護范圍更大、更加可靠有效。使其具有更大的保護范圍。

（2） 充分利用建筑物的鋼筋混凝土結構組成的經濟可靠的籠式避雷網。增加引下線數量，加速雷電流的分流，減少磁場集中程度。加強所有外漏的金屬門窗與結構的連接，提高建筑物的自然屏蔽能力。減少接地電阻值，降低接地電位。