现代金属屋面建筑防雷系统的研讨

通天雷神

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现代金属屋面建筑防雷系统的研讨

北京首都国际机场新航站楼配电站 陈国新

　　摘要 文章从防雷系统的六大要素及闪电理论，阐述了首都机场新航站楼金属板屋面利用国际先进的Pulsar避雷针与避雷带相结合，并与墙内钢筋组成笼式避雷系统的防雷设计新做法，分析此种防雷系统的优点及好处，同时介绍了Pulsar避雷针的工作原理和保护范围的计算，并提出设计防雷系统应注意的接地问题。

　　关键词 防雷系统 闪电理论 金属板屋面 引下线 Pulsar避雷针

　　随着科技技术的发展，各式各样的现代建筑物如百花争艳地展现在人们的眼前如玻璃墙体、金属体包装等，现在又有许多新型的建筑物采用金属板做屋顶面，即用金属薄板代替传统的屋面材料，这种屋面具有保温性能好、自重轻、防水性能好的特点，同时使整个建筑物能起到一定的屏蔽作用，防止建筑物内的弱电系统受到外部其他信号的干扰，但金属板屋面容易遭受雷击，所以在防雷方面则比普通屋面的建筑物要求高，下面就金属屋面建筑物的防雷进行一些研讨。

　　首先我们分析一下防雷系统设计的六大要素：1、建筑物外部、内部防雷装置的接闪功能；2、引下线的分流效果；3、建筑物内各部位的均衡电位；4、内部各种设备的屏蔽保护作用；5、接地效果；6、内部各种线路的合理分布。综合来说就是外部防雷系统与内部防雷系统两大部分。而屋面的防雷则是外部防雷系统的一部分，即接闪器---避雷针、避雷带或避雷网，由于金属屋面容易引起雷击，所以在设计金属屋面建筑物时，应根据防雷设计的六大要素考虑如何在屋面上的防雷。传统建筑物的避雷方式是采用富兰克林常规避雷导体或避雷地结合避雷网，但是金属屋面的金属板较薄，无法安装高大沉重的传统避雷针，其次从闪电理论与观察表明，云地闪电与人类关系最密切，它是雷雨云中荷电中心对大地的脉冲放电过程，该过程除存在光导、回击主要脉冲放电过程外，还存在一系列其他脉冲放电过程，回击的特点是峰值电流高，放电时间短，回击的电流脉冲平均峰值为几十到几百千安，持续时间约为几十到上百微秒，形成了闪电电流的剧烈变化。

　　现在的建筑物在防雷方面，主要是根据闪电理论及防雷的六大因素进行设计，其中有肜安装多棵避雷针形式或避雷网形式，也有采用避雷带形式，不论采用什么形式的防雷系统，首先必须考虑防雷效果，对建筑物内部设备的保护，同时还应考虑施工实现的问题。首都国际机场新航站楼的防雷系统是采用避雷针与避雷带相结合及与航站楼周边的柱、墙内的钢筋、铁丝网组成一个庞大的笼式避雷网，因为首都国际机场新航站楼建筑虽然不是很高，地上只有三层楼高，但面积大，是一个长747米，宽359米，呈工字型的建筑，上面又是金属板做屋面，并且每天有几百架次飞机进行起降飞行，因此它比一般的建筑防雷设计增加了难度，如果采用单一避雷形式，则可能使大楼存在防雷盲区，而且采用传统常规的避雷针要达到防雷保护的目的，则避雷针太高，这对机场上空飞机飞行不利，如果采用避雷网形式，则因屋面的金属板薄，无法安装避雷网，采用避雷带形式效果也不太好。经北京市建筑设计研究院一些专家在现场测试各种数据，做相关试验，组织同行的知名人士反复论证，最后采用国际先进的Pulsar避雷针与避雷带相结合与航站楼周边柱墙中的钢筋、铁丝网组成一个庞大的笼式避雷系统，这样既避免大楼有防雷盲区，又能降低避雷针的高度，利于机场上空的飞机飞行，同时还能对大楼内的各种设备起到屏蔽保护作用。使其免受外来的电磁干扰，保证各种数据的可靠性。Pulsar避雷针的工作原理是：当闪电接近地面时，避雷导体上会出现不断上升的闪亮的刷形放电，如果是富兰克林针，这个刷形放电经过一个较长的过渡阶段沿上升光导形成和连续传播的过渡过程，因而产生了一个比富兰克林针更有效的雷电捕获能力。而且由于Pulsar的启动优势存在，它发出以一定频率和幅度变化的高压信号。它的有效性由迅速上升形成的先导和针点周围空间电荷的减少来保证。Pulsar是一个能量自给的独立系统，它在雷雨天气时，从周围的电场（10～20kV/m）中获取能量。初始发射随着周围电场超过一个最小接闪点对应的峰值开始。Pulsar的保护半径是根据法国1995年7月颁布的标准NFC17-102制定。其计算公式
　　　　 h(2D－h)+△L(2D+△L)　2
　　Rp= ----------- （h≥5m）
　　　　　　　　２　　　　　　　　　　　　　

　　Rp:是与针尖距离h的平面上的保护半径（m）；
　　h：被保护物体至Pulsar针尖的距离（m）；
　　D：建筑物防雷类别Ⅰ类D=20m、Ⅱ类D=45m、Ⅲ类D=60m；
　　△L=106·△T；
　　△T：被考虑的Pulsar启动抢先时间

Pulsar型号 标准化的启动抢先时间△T（?s)
Pulsar25           45
Pulsar40            70
Pulsar60           155

　　首都国际机场新航站楼防雷系统经过去年、今年两年的雷雨季节考验，效果还是比较理想的。

　　做好金属板屋面的防雷系统的设计，除了要选择好防雷的形式，选用好的接闪器，还要做好引下线及接地工作。GB50057-94《建筑防雷设计规范》中规定，建筑物的防雷分为3类，根据不同类别确定引下线接地的相互间隔。同时引下线不得少于2根。在设计大型建筑的引下线时，应尽量在建筑物周边做周圈式接地，因为大型建筑的基础均做了防水处理，如果引下线经过防水处理层时，接地电阻加大，效果就不好，而做周圈式接地则可避开防水处理层，同时将周圈式接地体埋在基础的外边，也具有均衡电位的效果。

　　总之，金属板屋面的防雷系统是一个很难处理的工程，必须选好屋面的避雷形式，还要做好引下线工作，这样才能保证建筑物的安全，使人身、设备有可靠的安全保证。

　　　　　　　　　　　　摘自《中国建设报》