中国舰船研究设计中心建筑群防雷研究

中国舰船研究设计中心建筑群防雷研究

张潜 成城 万倩

中国舰船研究设计中心 湖北省武汉市 430064

摘要：本文从防雷工作重要性出发，对中国舰船研究设计中心建筑群防雷装置设计理论依据、设计参数，防雷装置施工建造，防雷装置性能检测及效果评估等方面进行论述。

关键词：建筑群；防雷装置；设计与施工；定期检测

(一)前言

雷击是自然界一种强大的脉冲放电过程，它对地面物有着巨大的破坏作用，主要表现形式有直击雷和雷电感应及雷电波侵入三种。联合国已把雷击灾害列为世界严重危害的十大自然灾害之一，《中华人民共和国安全生产法》中明确规定：为確保防雷设施的建设质量，必须做到防雷设计与建筑设计同步进行；防雷施工与建筑施工同步进行；同时投入生产和使用的“三同时”。

1972年中国舰船研究设计中心从南京搬到武昌炮校，绝大多数办公楼和住房都是一、二层，少数三层，而且隐藏在周围树木林中，无人问津也无人关注防雷。九十年代大院有几栋五、六层楼高的办公及住宅楼，特别是2000年后的十几年中，陆续建造了12栋18层以上高的办公及住宅楼，原来的一、二层房屋逐年拆除，高层建筑群成为大院主体，防雷工作已势在必行。但大多数人对防雷的必要性和重要性的认识还是一般，主要因素可能还是因为防雷的概率性事件，並且要化费一大笔资金。实际上雷击一旦发生具有极大的破坏力，威胁着人类的生命安全，建筑物的电力系统、弱电系统等设备设施等会遭到严重破坏。据有关资料，雷电造成的损失占事故比率为31.68%，而水灾才6.22%，火灾为4.88%，风暴仅0.78%，误操作事故灾害22.67％，盗窃为7.01%，其他为26.76%，因此可以看出，雷电灾害的损失是排在首位的。另外有的电气设备、仪器仪表、高精度自动化器件、计算机、电脑等普遍存在绝缘强度低、过电压和过电流耐受能力差，对电磁干扰敏感等弱点，例如：工业PC机的核心器件CPU的工作电压仅1.2伏，而当一旦遭到直击雷击或附近区域发生了雷击，雷电过电压，过电流和脉冲电磁场会通过供电线，信号线，电缆汇线槽，穿线管等途径传输到设备，威胁设备的正常工作和安全运行。轻则使设备工作失灵，重则使设备永久性损坏，严重时造成人员伤害等重大生产事故。美国通用公司证实磁场脉冲超过0.07高斯就可引起计算失效；磁场脉冲超过2.4高斯就可造成集成电路永久破坏。在欧洲和北美对雷电感应的统计数据表明，一个中等能量的外部雷击在线路上感应的浪涌电压能量就会大于这个数字。

笔者负责防雷工程项目多年，多年防雷工作的学习与实践，积累了一些资料，具备了一定的防雷理论和实践经验。在部门同事的共同努力下，防雷工作确保了单位人员、建筑物、仪器设备的安全，为写出本文奠定了基础。

(二)中国舰船研究设计中心建筑群防雷理论研究

现代防雷技术的理论基础是雷电、土木工程、电子技术和信息系统等方面的基本理论。首先雷电现象的基本参数如下：

• 电流幅值大(100一300千安)

• 电压峰值高(数百千伏)

• 放电过程时间短(几十微秒)

• 闪电电流波形陡度大

• 猛烈的冲击波

• 剧变的电磁场

国内外科学家提出了很多有关雷电放电过程的理论模型，归纳起来，一类是电流源模型，另一类是电压源模型。电流源模型的理论认为：雷云是一个内阻无限大的电流源，在分析防雷系统反击电压、电磁感应和跨步电压等过程时，都要采用标准雷电流波进行，并提出在避雷针上串入任何阻抗元件都是危险的，人为改变雷电参数是不可能的，该模型是现行防雷规范的理论基础。电压源模型的理论认为：雷云好比是充了电的电容器，大气雷电通道本身有一个内阻，因此在避雷装置的电路内串入一个特定的阻抗可以改变雷电参数，该模型是消雷学派的基本观点。

根据有关资料，结合中国舰船研究设计中心高楼建筑，对于建立电流源模型做理论研究，该模型认为先导通道与中国舰船研究设计中心高楼建筑向上发出的回击头部相遇处，是雷电通道的电流源。雷电流以（1/3一1/2）C，C光速=30万公里／秒的速度随主放电通道向上发展，而雷电流是电流波，它从电流源沿闪电通道向地面以光速传播，闪电通道长度就是雷云到地面的高度h。资料中对雷电模型进行相关假设后，在闪电通道中取高度为dh的一段，它成为局部雷电电磁脉冲辐射源，t时刻在距雷击点水平距离S处，闪电通道辐射体所产生的垂直地面的电磁強度B和水平方向的磁感应强度E可以用积分公式表达。表达式中主要参量有真空导磁率、真空介电常数、C光速、闪电电流i、t时刻闪电通道辐射体的电流矩、由i、t形成的电流通道长度、电流矩的时间变化率。

表达式第一项是静电场分量，其大小与被观察点到雷击点距离S的三次方成反比，随S增大，静电场分量迅速衰减，这说明近场时静电分量是主要成分。

表达式第二项是感应电场分量，其大小与S的二次方成反比。

表达式第三项是辐射分量，其大小与S成反比。

由S＞C／2兀f，可以推算出，当频率f＞1000赫兹时，差不多相距(S)50公里就是远场区了。

按照电流源模型对中国舰船研究设计中心建筑群防雷的理论研究，由于雷电能量巨大，达数百兆焦耳，建筑群高度(在h参数中)和雷电源距离(在S参数中)是雷电电磁脉冲产生的电场强度和磁感应强度积分表达式中的重要参数，说明建筑群越高h大就越容易遭雷击，雷电源越近S小越容易遭雷击，一般超过50公里远场区，虽看到闪电或听到雷声都不可能发生雷击了。

(三)中国舰船研究设计中心建筑群防雷工程设计与施工

中国舰船研究设计中心办公楼和住宅楼的防雷工程设计是由建筑设计院承担，与土建施工同时进行。并按GB50057-94《建筑物防雷设计规范》进行防雷设计：

1)中国舰船研究设计中心是国家重要的科研设计单位，具有许多先进科研仪器、计算机、局域网络、广域网络等，由于单位内原有建筑群都低于所外1公里范围内的高层建筑，因此都没有防雷设施。随着单位内高层建筑群陆续出现，防雷工作必需纳入安全生产工作考虑。根据GB50057-94规定和单位区域内环境、地质条件、闪雷次数等综合因素，经专业机构认定为第三类防雷建筑，并按第三类防雷建筑物要求设计防护直击雷(侧击雷）、感应雷和雷电波的防雷设施。

2)中国舰船研究设计中心大院内树木每年修剪，使树木高度不超高层建筑群。对于每栋高层办公室和住宅楼、配电房、热力站的三类防直击雷的设计，宜采用装设在建筑物上的避雷网(带)或避雷针，或由这两种混合组成的接闪器。避雷网(带)应按规范的规定沿屋角、屋背、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设，並应在整个屋面组成不大于20米x20米或24米x16米的网格。为防雷装置专设引下线时，引下线至少2根，引下线应沿建筑物四周均匀或对称布置，间距不应大于25米。当引下线利用建筑物四周钢柱或柱子钢筋时，可按跨度设引下线，但引下线的平均间距不应大于25米，每根引下线的冲击接地电阻不大于30欧，其接地装置与电气设备等接地装置共用。防雷的接地装置宜与埋地的金属管道相连。当不共用、不相连时，两者间在地中的距离不应小于2米。在共用接地装置与埋地金属管道相连的情况下，接地装置宜围绕建筑物敷设成环形接地体。

3)为了防感应雷和雷电波侵入，对电缆进出线，应在进出端将电缆的金属外套、钢管等与电气设备接地相连。电缆金属外套和绝缘子铁脚、金具等应连在一起接地，其冲击接地电阻不大于30欧。对低压架空线及多回路架空进出线等进出处设避雷器或其它类型的过压保护器，但绝缘子铁脚、金具仍应接到接地装置上。进出建筑物的架空金属管道也应就近接入防雷或电气设备接地装置上或独自接地，其冲击接地电阻不大于30欧。屋面所有暴露金属物均与防雷装置可靠联接。对于弱电系统的接入处设置弱电保护的浪涌保护器，以防止弱电设备因受到雷电感应而受损。

4)接地系统设计：

(1)等电位联接包括配电室接地系统、消防及弱电系统的接地，接地由接地母线(层接地端子)、接地干线及主接地母线(总接地端子)实施。

(2)等电位联接设计，对于建筑物防雷设计而言，在实施等电位联接时，应该包括以下几方面：总等电位联接、辅助等电位联接、局部等电位联接。

等电位联接的应用体现以下几方面：

• 建筑物钢筋构件及大型金属体的等电位联接

• 电子信息系统的等电位联接

• 线路上的等电位联接。

(3)接地网是利用建筑物基础承台及桩基内主钢筋作环形共用自然接地装置，接地电阻不大于1欧，当接地电阻不满足要求时，采用室外人工接地。也可利用结构钢筋网作接地体，所有接地装置釆用热镀锌钢材。

防雷工程施工由建筑工程公司承担，与土建施工同时进行。按照防雷设计施工图、防雷施工方法与工艺标准进行施工、验收。根据有关资料，对防雷工程接地要注意三个方面：一是防直击雷措施安装要求---在建筑屋面避雷带的安装、避雷网格的敷设、避雷带的施工工艺、避雷带与引下线的联接、在建筑物天台上易遭雷击部位加装避雷小针、引下线及等电位措施要求冲击接地电阻不大于10欧。二是避雷器安装要求---AC供配电系统、避雷器安装、加装退耦电感、各级电源SPD安装、SPD和空气开关与35毫米标准导轨安装、SPD接地及接地电阻小于4欧。三是独立人工接地装置解决方案---接地电阻小于4欧、接地体与建筑物距离3－5米、水平和垂直接地体埋入地下0.6米、垂直接地体用角钢、水平接地体用扁钢、地网焊接面积及焊点防腐防锈、独立接地铜排与人工装置焊接及焊点防腐防锈、土壤导电性接地电阻小于4欧，回填土导电性能好、防直击雷的人工接地体距建筑物出入口或人行道大于3米，当小于3米时要作绝缘处理。

对从事中国舰船研究设计中心建筑群进行防雷设计的建筑设计院及施工的建筑工程有限公司都分别具有《防雷工程专业设计资质证》和《防雷工程专业施工资质证》。

(四)中国舰船研究设计中心建筑群防雷装置检测与效果评估

按照《建筑物防雷装置检测技术规范》(GB／T21431－2015)和《电子信息系统防雷装置检测技术规范》(DB42/T513－2015)规定，所有投入使用的防雷装置需要每年进行一次常规防雷检测，特殊场所需每半年进行一次常规防雷检测。这是因为通过防雷检测能够及时掌握防雷装置的运行情况，了解到新建、改建、扩建后的建筑物防雷装置是否符合防雷规范要求，可以发现防雷隐患及时整改，气象主管部门也能全面掌控本辖区内防雷装置运行情况和对雷击风险采取监管措施。通过每年防雷检测，测量出防雷装置的各项参数，科学客观评价防雷装置的性能及防雷效果，为雷电防护安全提供科学依据。因此，防雷装置检测是防雷安全工作的重要环节。

中国舰船研究设计中心建筑群防雷装置定期检测由武汉天宏防雷检测中心发展有限公司(资质证书：1172016002）。

检测的主要技术依据：GB/T21431－2015、DB42/T513－2015；

检测的主要仪器设备：4102A接地电阻测试仪、数显卡尺(0－150)mm；

1)现场检查项目：

防直击雷措施、接闪器类型、接地引下线状况、接地类型、接地形式、防闪电感应措施及类型、防闪电电涌侵入措施及类型、电涌保护器(SPD)及类型、等电位联接及类型、屏蔽措施及类型。

2)检测项目：

接地装置、引下线、接闪带、接闪杆、接闪网、接闪线、其它接闪器(其它金属构件：水箱、风机、爬梯等）、等电位联接、等电位联接环。

3)接地电阻测量：标准值小于等于4欧

4)检测结果：现场检查项目、检测项目及各测点接地电阻测量值都符合引用检测标准要求。

中国舰船研究设计中心建筑群防雷装置效果评估：

1)根据《防雷装置定期检测报告书》得出防雷装置状态良好、运行正常、性能达标的结论。

2)根据《防雷装置定期检测报告书》中闪电监测资料，武汉属多雷暴区域，雷击大地的年平均密度约为25次/平方公里/年，雷暴最多的年份，雷击大地的年平均密度髙达45次/平方公里/年。在这种雷暴环境下，防雷装置经历了多年的考验，保障了建筑群财产、人员、设备的安全。

3)多年防雷效果的事实证明，防雷装置的设计、施工及日常管理是成功的。

(五)结束语

“安全”是笔者与同事们工作的宗旨，也是部门领导经常強调的，防雷工作就是安全工作之一。本文从防雷工程设计、施工建造、交付验收、定期检测每个环节，通过理论与实践两个方面，参考相关资料进行论述，加深了对防雷工作的重要性、工程设计的科学性、施工建造的严密性、定期检测的必要性等方面认识，相信建设处今后一定会把单位防雷工作做得更好！

参考文献：

1.《建筑物防雷设计规范》GB50057一94.

2.现代防雷技术(2). 潘忠林. 南京信息工程大学. 2006年2月.

3.防雷装置定期检测报告书. 武汉天宏防雷检测中心有限公司. 2020年07月30日.

4.防雷工程设计方案. 周珏. 2009年04月18日.(个人图书馆)

5.高层住宅建筑物防雷系统设计案例分析(内容来源，电气设计圈，信息转载，仅供参考). 2020年07月07日.

作者简介：张潜（1976-03），男，汉族，籍贯：江苏常州，当前职称：工程师，学历：硕士研究生，研究方向：建筑施工安全管理