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建筑物防雷设计规范》（2000年版）若干质疑问题浅析 摘要 本文从工程设计角度通俗地分析了《建筑物防雷设计规范》（2000年版）的技术基础、避雷针作用及保护范围计算、10/350μs电流波形、电源SPD分级等质疑问题
关键词 技术基础 避雷针 雷电波形
《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)发布以来，受到了广大科技工作者和工程技术人员的高度重视。该规范不仅对建筑物的直击雷、雷电感应、雷电波侵入的防护具有重要的指导作用，而且对信息系统的雷电防护（信息线路及设备的SPD部分除外）（1）也具有同样重要的意义。鉴于《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)对我国建筑工程的雷电防护所作出的巨大贡献，2003年1月被建设部授予全国工程建设标准定额优秀标准。
在执行《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)（以下简称为《规范》）过程中，有些工程技术人员提出了第6.1.2条中信息系统如何评估是否需要防雷击电磁脉冲、第6.3.1条中屏蔽计算如何应用、第6.3.4条信号"地"怎么接以及与产品制造商协调等问题。这类问题通过讨论基本都可以解决，故本文不论及。另外，某些专家、学者对《规范》的防雷技术基础和一些基本原则提出了质疑，笔者作为《规范》技术审查组长，从工程技术角度对此提出看法，供大家参考。
1 雷电防护的技术基础和现行建筑物防雷设计规范
1.1 雷电防护的技术基础
《建筑物防雷设计规范》（2000年版）编制的技术依据是雷电防护的技术基础和工程实践经验。雷电防护的技术基础是什么？目前有不同看法。
有人提出21世纪防雷技术必须用麦克斯韦尔方程组所规定的场的概念去了解和研究，承袭18、19世纪以来的防雷思维和静电学、似稳电路的物理已是不适合了（2）。笔者认为，技术基础和理论研究有关系，但又有区别，至今尚没有见到用麦克斯韦尔方程组所提出的具体做法。估计该文作者强调具有"速变现象"的电磁现象的作用，是因为他认为"21世纪雷灾的主要方面是电子信息系统而不是建筑物和强电设备"（3）。但是，信息时代的21世纪人仍然是最可宝贵的，强电设备损坏了信息设备照样无法工作。实践证明造成信息系统雷害的成因中，强电系统所占比例最大。另一方面，至今尚没有一个关于雷电形成机理的无懈可击的学说。2000多年前《庄子》中记载"阴阳分争故为电，阳阴交争为雷，阴阳错行，天地大骇，于是有雷、有霆"。目前占主导地位的雷云放电学说基本上还是一种假说，但据英国《新科学家》杂志报道，在人们观察到的37次闪电中，有31次在闪电产生之前发生了10μs至100μs的高频射线，着意味着人们应重新思考闪电形成的机理（5）。因此，用精确而繁杂的理论去计算假说，以及脱离工程实际的不切实的提法将会产生误导。
要搞清雷电防护的技术基础是什么，首先应搞清雷电是如何造成危害的，其中包括造成危害的方式和侵入的途径。雷电破坏作用的方式主要有雷电流的热效应、电动力效应、静电感应效应、电磁感应效应和冲击波效应等。冲击波效应可以使人耳震聋，使人和物体震倒而造成损伤，它不能靠电气防护，故本文不涉及，而对其他破坏方式均可采取电气防护措施。雷害侵入的途径主要是"路"和"场"，即雷电波由导体构成的电路引入，以及空间电磁场变化在导体上产生感应电压，闭合导体形成感应电流，变化的磁场尚能使磁敏器件受损（某军事院校曾作过磁场脉冲损坏计算机的试验）。笔者基本同意"现代防雷技术基础是高电压工程学，它包括电场学、气体放电学、等离子物理学、绝缘材料学、高电压实验技术、波动电磁学等（4）"等多种学科的综合而不是靠物理概念的提法。但是，笔者又认为他们都忽略了与雷电关系更为密切的大气物理学，这也就是理论计算、实验室模拟以及人工引雷试验所得出的结论总是与自然界实际的雷击现象有某些差别的原因。
1.2 《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)的先进性和可操作性
"标准"是对重复事物和概念所做的统一规定，它以科学、技术和实践经验的综合结果为基础，经协调统一，由主管机构批准，以特定的形式发布，作为共同遵守的准则和依据。工程建设标准是当前科学技术成果、实践经验和经济发展水平有机结合的产物。工程建设标准应具有先进性。标准应采用先进的成熟的科学技术成果，应当与先进的国际标准接轨，这是我国编制标准的基本原则。
规范》编制中主要参照了国际电工委员会（IEC）标准，这在规范的条文说明中讲得很清楚。IEC标准的某些具体规定并未必是世界上最严格的，但它代表了先进的、许多国家可以接受或经过努力能够接受的技术规定。有人发表文章，提?quot;IEC建筑防雷标准和我国建筑防雷国家标准中的几个急需纠正的错误和问题"，并列举出具体条文进行分析，提出自己的观点。本文不评论其具体内容，但这种态度值得赞赏。而另有些人提出TC81是被欧洲国家所控制的，某某国家就不执行等说法，却不拿出问题来分析，显然不够严谨，并且与事实不符。
笔者认为，建筑物防雷设计规范GB50057-94(2000年版)是具有国际先进水平的，并具有较好的操作性。工程技术人员对此有基本共识。当然任何标准的制定都会受到当时的生产力（包括科学技术）、经济发展水平和人们的认识能力所限定，任何标准都可能存在一些问题，并会不断修订。该《规范》存在前面讲的一些问题，这里有一定的主、客观原因。例如，《规范》第6.1.2条中没有讲如何评估问题，这是因为IEC61662：1995《雷击危害风险评估》已经明显地暴露出操作性差等问题，并准备修订。《规范》编制者难以在很短时间内制定出我国的雷击危害风险评估办法。后来的实践证明，全国雷电防护技术标准委员会组织编写的国家标准《雷击危害风险评估》以及某个国家标准中的雷击危害风险评估部分都存在一些问题。笔者认为《规范》中个别条文操作性较差，是今后修订时需要完善的
有人说《规范》只是外部防雷，甚至在某些严肃的文件中也出现类似的观点。稍微学习过《规范》的人明眼就可看出这是对《规范》片面、肤浅的理解。这种对《规范》的曲解是十分有害的，会造成防雷设计的混乱。
2 关于避雷针问题
关于避雷针的争论由来已久，各种不同观点在1996年开始的关于消雷器问题争论中已经阐述得很清楚了，近年来又旧事重提。笔者不同意某些人给避雷针正名为"引雷针"、"引雷棒"之类新的新名称，但严格地讲避雷针是接闪针，是接闪器的一种。避雷针是公认的俗称，无须改变。
2.1避雷针的功与过
避雷针接闪雷电流，使其下部一定区域内的物体不被雷击。避雷针发明250年来的实践证明，它能在一定程度上保护建筑物本身不遭受雷击。这是世界所公认的。处于多雷区的西昌卫星发射塔架采用三只避雷针保护，30年来从未发生过直击雷事故。避雷针的作用不可质疑。
有人被避雷针引起了"困惑"，提出避雷针一般应停故褂茫?⒋?992年国家气象中心大楼雷击事故得出了三点意见：一是该大楼不安装避雷针，则雷打到别的楼上去；二是该大楼不装避雷针至多击碎一点屋面混凝土而已，这种落地雷电流肯定比避雷针引下的闪电电流小很多，避雷针庞大金属网产生的异性电荷比混凝土屋面的异性电荷多得多；三是没有避雷针的大楼受到雷击时闪电电流分散到以千百计的钢筋入地，它对楼内辐射的脉冲电磁场比装避雷针的大楼沿大楼引下的闪电电流的电磁场要弱得多（3）。
笔者尽管没有对气象中心大楼雷击事故进行调查，但也不同意"困惑者"的上述观点。第一，当雷云先驱放电形成并向地面延伸后，雷击的发生已是势不可挡，最后的闪击点与地面物体的几何特征、物理特性、土壤电阻率、地下金属管道分布以及局部气象状况（如风向）等因素有关。在高楼林立的城市，雷不是击在最高的楼也是可能的。广州市某大厦中上部位的14层外墙被雷击，而且破坏很严重。国家气象中心大楼不装避雷针雷就肯定打到别的楼上的梦想未必成真。再说，各家都想不装避雷针，让雷打到别的楼去，那么雷到底往哪落呢？即使雷不打到你的楼而是打到附近的大楼，你楼内的信息设备也可能被损坏，这一点在《规范》中雷击电磁脉冲的定义已经讲得很清楚了。第二，高层建筑屋面打掉一点混凝土，不是"而已"的问题，混凝土块落地伤人也是人命关天，所以高层建筑不宜将避雷带暗敷，如果暗敷则应有做法要求。同一个雷落在装和没装避雷针的建筑物时雷电流相差很大，不知有何根据？大楼钢筋网是结构专业需要，不是装避雷针造成的，装与不装避雷针的大楼被感应的异性电荷量大不一样的论点也未必成立。再说，大楼钢筋网是稀疏的法拉第笼，它的屏蔽作用对防护来自大楼外的雷击电磁脉冲大有好处，这在《规范》第6.3.2条已有论述。重要的机房还要另做金属屏蔽呢！第三，正确的工程设计中，钢筋混凝土结构大楼的防雷引下线是利用结构柱内的钢筋，它与大部分甚至全部钢筋都有意或无意地连接在一起，雷电流的分流与是否装避雷针关系不大。当然，如果把避雷针的引下线独立地、绝缘地设置，而不与建筑物结构钢筋连接，才会出现分流不合理，局部电磁场强度很大的情况。这显然是不合理的、违反《规范》的设计。
笔者不知道"困惑者"说的避雷针是什么样的？在工程设计中，防直击雷需要设置接闪器。它可以是独立避雷针，也可以是安装在建筑物上的短针（也是避雷针）、避雷带以及防雷网格，或者是它们的组合。安装独立避雷针的很少，一般是一类防雷建筑物。只有具有爆炸危险环境的建筑物才可能划为一类，它们通常体积较小，有时用离开建筑物的独立避雷针（线）来保护。二类、三类防雷建筑物则几乎没有安装独立避雷针的，我国安装短针的也较少，一般是避雷带和网格。避雷带、网格的高度与大楼高度相比可以忽略，所以某些?quot;避雷带增加了引雷几率"的说法毫无道理。
大楼屋顶上安装高大的避雷针通常有四种情况。一种是保护卫星接收天线的。有的天线上配带二个短针，则不需要另设避雷针；有的天线上不带短针（这是产品差距），另设计了比较高的避雷针。《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（报批稿）中规?quot;架空天线必须置于避雷针的保护范围LPZ0B区内"。尽管其未必应包括各种类型天线，但也说明有时避雷针是不可缺少的。虽然高的避雷针拦截雷闪的几率高，但不论是高针还是短针，信息系统的防雷都是必须要有的。第二种是建筑物顶上安装很高的无线电类通信天线，安装天线振子的金属构架顶尖就是避雷针，这是特定的使用要求所确定的。第三种是建筑师在楼顶上设计一个很高的金属的或其他材料的尖塔，电气设计者就顺理成章地将其作为避雷针用了，但这并不是为了防雷而要求建筑师做的。第四种是大楼上安装了各类宣示具有特殊功能（如保护角80°等）的、各种造型的非常规避雷针，这是防雷设计者的主意，笔者对此感到"困惑"，理由本文不予论述。
我国的国防试验工程中雷达天线一般采用独立避雷针保护，而美国等一些发达国家的雷达天线上自带短针，明确提出不需要另设避雷针。这是产品差距问题，其苦衷笔者深有体会。我国某些行业标准规定天线应设独立避雷针保护，认为天线上的短针距天馈线过近，接闪雷电流时磁场脉冲强度会损坏电磁器件。天线类保护不属《规范》之内，笔者在此不讨论。
2.2 避雷针的保护范围问题
首先说明，《规范》第1.0.2条中指出：本规范不适用于天线塔、共用天线电视接收系统、油罐、化工户外装置的防雷设计。笔者本节不涉及架空线路保护范围问题。
避雷针（本文仅指单针）保护范围计算方法主要有保护角法、折线法、滚球法等。我国有人提出抛球法，尚未列为标准。保护角法有二种。一种保护角法是以避雷针针尖为顶点向地面做45°（或60°，取决于保护对象性质）斜线所形成锥体。第二种是IEC61024-1中的保护角法，角度是变化的，计算角度的原则是其保护的面积与滚球法保护面积相同。《规范》规定我国只采用滚球法，而不采用第二种保护角法，原因是它与滚球法在某些部位上计算结果不同（主要在上部），造成标准使用上的矛盾。折线法是我国《建筑防雷设计规范》GBJ57-83（试行）中采用的计算方法，它是在原苏联保护范围计算方法基础上经广西大学老师改进的。避雷针保护范围是一个以针尖为顶点的折线形锥体。折线法显然比第一种保护角法要准确，但它的缺点一是不能解释发生侧击问题；二是只适用于120m以下，不能计算高度120m以上的建筑物的保护范围；三是计算结果与雷电流大小无关，这与实际情况不符。滚球法可以判断侧击是否得到保护，可以计算避雷针（带）与网格组合时的保护范围，多高的建筑物都能计算，并且保护范围与雷电流大小有关，使得保护方案经济合理。所以许多防雷专家认为滚球法计算的结果比较可靠，也有人认为滚球法计算结果偏于安全，但总的认为滚球法是比较科学、先进的。
笔者不同意"IEC（防雷技术标准）是抄自欧洲国家制定的防雷规范，没有供科学家公认的科学实验，纯属个别学者的一种科学假说"（3）的观点。笔者不知道雷电形成的机理是否有科学家公认的理论？折线法是否有科学家公认的科学实验？滚球法于1980年首先被美国采用，后来为德国、英国、法国等国家采用，并成为IEC61024-1规定为计算方法。滚球法并没有象被指责的那样"精确预知落地雷的轨迹"，它是以雷击距为基础建立的雷闪数学模型--电气-几何模型推导出的计算公式：
hr=10·I0.65
式中 hr--雷闪的最后闪络距离（雷击距），即滚球半径（m）;
I--与滚球半径对应的能得到保护的最小雷电流幅值（kA）。
《规范》中规定滚球半径有60m、45m、30m三种(IEC为60m、45m、30m、20m四种)，对应的最小雷电流为I=16kA、10kA、5kA（IEC草案中取整数-与《规范》第5.2.1条文说明略有不同）。以滚球半径60m为例，在雷电先导距接闪器60m之前，其发展方向是不确定的；之后，大于16kA的雷则可能形成对接闪器主放电，但不一定必然对该接闪器放电，也可能对60m之内的别的接闪器或其他物体放电-雷击是必然要发生的了。很清楚，滚球法并没有规定落地雷的轨迹，但雷击点应在保护区之外（不考虑概率误差）。对自然界现象做工程计算，必然要有假说，要建立数学模型。任何数学模型都必然与实际有误差，即使"用麦克斯韦尔方程组"去求解也不例外，无人敢说"精确"。
3 关于雷电源系统中SPD问题
由于某些原因，《规范》中没有关于信息线路和设备安装SPD的内容，并在最后的注解中予以说明。《规范》只对电源系统安装SPD作了若干规定。下面对该部分内容的不同意见，提出本人看法。
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发表于 2003-9-7 07:06:00
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