2 外部防雷装置与内部防雷装置

　　国际电工委员会编制的标准（IEC1024－1）将建筑物的防雷装置分为两大部分：外部防雷装置和内部防雷装置。笔者认为，这样划分很有必要，建筑物的防雷设计必须将外部防雷装置和内部防雷装置作为整体统一考虑。

　　外部防雷装置（即传统的常规避雷装置）由接闪器、引下线和接地装置三部分组成。接闪器（也叫接闪装置）有三种形式：避雷针、避雷带和避雷网，它位于建筑物的顶部，其作用是引雷或叫截获闪电，即把雷电流引下。引下线，上与接闪器连接，下与接地装置连接，它的作用是把接闪器截获的雷电流引至接地装置。接地装置位于地下一定深度之处，它的作用是使雷电流顺利流散到大地中去。

　　内部防雷装置的作用是减少建筑物内的雷电流和所产生的电磁效应以及防止反击、接触电压、跨步电压等二次雷害。除外部防雷装置外，所有为达到此目的所采用的设施、手段和措施均为内部防雷装置，它包括等电位连接设施（物）、屏蔽设施、加装的避雷器以及合理布线和良好接地等措施。

　　随着电子设备的广泛使用，雷电电磁脉冲的危害也相对严重起来。1992年6月22日国家气象局中心大楼发生雷击事故，北京－东京的同步线路的调制解调器被击坏，致使线路中断46小时，另一主机的一块异步板被击坏，导致8条线路中断，影响了国际通讯。其他地点因雷电电磁脉冲干扰而导致电子设备损坏的例子还有不少。这类例子说明，只设计外部防雷装置而不配之内部防雷手段，接闪器再好，也无法获得好的防雷效果。

　　防雷工程是一种系统工程。笔者早在1960年作人民大会堂工程总结及写作《建筑物防雷设计》一书时就提出了建筑物防雷设计的六项重要因素，目的是提醒人们要整体地、全面地考虑建筑物防雷设计。这六项要素是：

　　（1）接闪功能：指实现接闪功能所应具备的条件，包括接闪器的形式（避雷针、避雷带和避雷网）、耐流耐压能力、连续接闪效果、造价以及接闪器与建筑物的美学统一性等。

　　（2）分流影响：指引下线对分流效果的影响。引下线的粗细和数量直接影响分流效果，引下线多，每根引下线通过的雷电流就小，其感应范围就小。引下线相互之间的距离不应小于规范中的规定。当建筑物很高，引下线很长时，应在建筑物的中间部位增加均压环，以减小引下线的电感电压降。这不仅可以分流，而且还可以降低反击电压。

　　（3）均衡电位：指使建筑物内的各个部位都形成一个相等的电位，即等电位。若建筑物内的结构钢筋与各种金属设置及金属管线都能连接成统一的导电体，建筑物内当然就不会产生不同的电位，这样就可保证建筑物内不会产生反击和危及人身安全的接触电压或跨步电压，对防止雷电电磁脉冲干扰微电子设备也有很大的好处。钢筋混凝土结构的建筑物最具备实现等电位的条件，因为其内部结构钢筋的大部分都是自然而然地焊接或绑扎在一起的。为满足防雷装置的要求，应有目的地把接闪装置与梁、板、柱和基础可靠地焊接、绑扎或搭接在一起，同时再把各种金属设备和金属管线与之焊接或卡接在一起，这就使整个建筑物成为良好的等电位体。

　　（4）屏蔽作用：屏蔽的主要目的是使建筑物内的通信设备、电子计算机、精密仪器以及自动控制系统免遭雷电电磁脉冲的危害。建筑物内的这些设施，不仅在防雷装置接闪时会受到电磁干扰，而且由于它们本身灵敏性高且耐压水平低，有时附近打雷或接闪时，也会受到雷电波的电磁辐射的影响，甚至在其他建筑物接闪时，还会受到从该处传来的电磁波的影响。因此，我们应尽量利用钢筋混凝土结构内的钢筋，即建筑物内地板、顶板、墙面、及梁、柱内的钢筋，使其构成一个六面体的网笼，即笼式避雷网，从而实现屏蔽。由于结构构造的不同，墙内和楼板内的钢筋有疏有密，钢筋密度不够时，设计人应按各种设备的不同需要增加网格的密度。良好的屏蔽不仅使等电位和分流这两个问题迎刃而解，而且对防御雷电电磁脉冲也是最有效的措施。此外，建筑物的整体屏蔽还能防球雷、侧击和绕击雷的袭击。

　　（5）接地效果：指接地效果的好坏。良好的接地效果也是防雷成功的重要保证之一。每个建筑物都要考虑哪种接地方式的效果最好和最经济。笔者认为，当钢筋混凝土结构的建筑物符合规范条件时，应利用基础内的钢筋作为接地装置。当达不到规范中规定的条件或基础包在防水卷材层内时，可做周圈式接地装置，但应将周圈式接地装置预先埋在基础槽的最外边（不必离开建筑物3m以外）。接地体靠近基础内的钢筋有利于均衡电位，同时还可节省为挖深沟所花费的人力和物力。在基础完工后再挖深沟则易影响基础的稳定性。

　　对木结构和砖混结构建筑物，必须做独立引下线并采用独立接地方式。当土壤电阻率大，使用接地极较多时，也可做周围式接地装置。因为周圈式接地装置的冲击阻抗小于独立接地装置的冲击阻抗，而且有利于改善建筑物内的地电位分布，减小跨步电压。采用独立式接地方式时，以钻孔深埋接地极（约4~12m）的效果为最好，深孔接地极容易达到地下水位，且能减少接地极的用钢量。

　　（6）合理布线：指如何布线才能获得最好的综合效果。现代化的建筑物都离不开照明、动力、电话、电视和计算机等设备的管线，在防雷设计中，必须考虑防雷系统与这些管线的关系。为了保证在防雷装置接闪时这些管线不受影响，首先，应该将这些电线穿于金属管内，以实现可靠的屏蔽；其次，应该把这些线路的主干线的垂直部分设置在高层建筑物的中心部位，且避免靠近用作引下线的柱筋，以尽量缩小被感应的范围。在管线较长或桥架等设施较长的路线上，还需要两端接地；第三，应该注意电源线、天线和屋顶高处的彩灯及航空障碍灯等线路的引入做法，防止雷电波侵入。除考虑布线的部位和屏蔽外，还应在需要的线路上加装避雷器、压敏电阻等浪涌保护器。因此，设计室内各种管线时，必须与防雷系统统一考虑。

　　3 安全隔离距离与等电位连接

　　在建筑物内部，就总体来说，防雷措施可分为安全隔离距离和等电位连接两大类。安全隔离距离指在需要防雷的空间内，两导电物体之间不会发生危险的火花放电的最小距离，即不会发生反击的最小距离。等电位连接的目的是减小或消除内部防雷装置各个部位上所产生的电位差，包括靠近进户点的外来导体上的电位差。

　　笔者主张，若采用安全距离法就应严格按照《建筑物防雷设计规范》（GB50057－94）规定的各类防雷措施去计算；若采用等电位连接法，就应彻底实现等电位。木结构和砖混结构结构应采用安全距离措施，钢筋混凝土结构和钢结构应采用等电位连接措施。

　　5球雷

　　在国际建筑物防雷标准（IEC/TC－81）和我国的《建筑物防雷设计规范》中，均没有对球雷的防护作出规定。在笔者的调查中，北京地区的球雷事故还是不少的，球状闪电约占闪电统计总数的13.7％。尽管国内外科技人员对球状闪电的形成机理尚无一致的观点，但对其性质、状态和危害还是比较清楚的。

　　球雷（即球状闪电）是一种橙色或红色的类似火焰的发光球体，偶尔也有黄色、蓝色或绿色的。大多数火球的直径在10～100cm左右。球雷多在强雷暴时空中普通闪电最频繁的时候出现。球雷通常沿水平方向以1～2m/s的速度上下滚动，有时距地面0.5～1m，有时升起2～3m。它在空中漂游的时间可由几秒到几分钟。球雷常由建筑物的孔洞、烟囱或开着的门窗进入室内，有时也通过不接地的门窗铁丝网进入室内。最常见的是沿大树滚下进入建筑物并伴有嘶嘶声。球雷有时自然爆炸，有时遇到金属管线而爆炸。球雷遇到易燃物质（如木材、纸张、衣物、被褥等）则造成燃烧，遇到可爆炸的气体或液体则造成更大的爆炸。有的球雷会不留痕迹地无声消失，但大多数均伴有爆炸声且响声震耳。爆炸后偶尔有硫磺、臭氧或二氧化碳气味。球雷火球可辐射出大量的热能，因此它的烧伤力比破坏力要大。

　　下面是一个典型的球雷实例：1982年8月16日，钓鱼台迎宾馆两处同时落球雷，均为沿大树滚下的球雷。一处在迎宾馆的东墙边，一名警卫战士当即被击倒，该战士站在2.5m高的警卫室前，距落雷的大树约3m，树高20多米。球雷落下的瞬间，他只感到一个火球距身体很近，随后眼前一黑就倒了。醒来后，除耳聋外并无其他损伤。但该警卫室的混凝土顶板外檐和砖墙墙面被击出几个小洞，室内电灯被打掉，电灯的拉线开关被打坏，电话线被打断，估计均为电磁感应的电动力所致。另一处在迎宾馆院内的东南区，距警卫室约100m，也是沿大树滚下。距树2m处有个木板房（仓库），该房在三棵14～16m高大槐树包围之中，球雷沿东侧的大树滚下后钻窗进屋，窗玻璃外有较密的铁丝网，但没有接地，铁丝网被击穿8个小洞，窗玻璃被击穿两个小洞。球雷烧焦了东侧木板墙和东南房角，烧毁了室内墙上挂的两条自行车内胎，烧坏了该室的胶盖闸，室内的电灯线也被烧断。落雷大树下放有十多盘钢筋、8辆铁推车和6个空汽油桶。这此金属物都是招引雷电的条件。

　　防护球雷并不困难，应该在规范或标准中规定相应的措施。就防护球雷措施而言，最好是笼式避雷网，如果达不到笼式避雷网条件，就在建筑物的门窗上安装金属纱网并接地；堵好建筑物墙面上不必要的孔洞；烟囱与出气管上口均要加装铁丝网并接地；储存或损伤易燃易爆物体的仓库和厂房的烟囱和放气管应加装阻火器并接地。对高大树木下的重要建筑物尤其要采取防护球雷的措施。