防雷知識系列四－外部防雷系統(tǒng)

     外部防雷系統(tǒng)                                               
     外部防雷系統(tǒng)由接閃器（避雷針）、引下線、接地地網(wǎng)等有機組成。缺一不可。下面分別對以上三個主要因素的相關(guān)技術(shù)及安裝進(jìn)行描述。
     主要講本部分的內(nèi)容是對建筑物外部空氣如何截雷，把雷電流向大地中泄放的問題。
     本部分的內(nèi)容提要是：
     (1)接閃器：避雷針、避雷線、避雷帶、避雷網(wǎng)
     (2)避雷帶和避雷網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
     (3)接閃器的選擇和布置
    接閃器
    直接截受雷擊，以及用作接閃的器具、金屬構(gòu)件和金屬屋面等，稱之為接閃器。功能是把接引來的雷電流，通過引下線和接地裝置因如大地中泄放，保護(hù)建筑物免受雷害。
    從公元1753年，富蘭克林發(fā)明了避雷針以來，避雷針作為接閃器唯一的形式，延續(xù)了上百年的歷史，從十九世紀(jì)以后，逐漸有出現(xiàn)了避雷線、避雷帶和避雷網(wǎng)。其分類如下：避雷針、避雷線 、避雷帶 、避雷網(wǎng), 下面逐一介紹。
    避雷針
    尖端放電
    由物理學(xué)可知，通常物體內(nèi)部的正電荷和負(fù)電荷是相等的，所以從整體來看不顯示帶電現(xiàn)象。當(dāng)某一物體所具有的正、負(fù)電荷不相等時，這個物體就顯示帶電的特性。當(dāng)物體內(nèi)部的正電荷多于負(fù)電荷時，物體帶正電，反之帶負(fù)電。由于電荷都有異性相吸、同性相斥的特性，所以帶電物體中的同性電荷總是受到相互排斥電場力的作用。以圖中帶尖鋒的金屬球為例，假如金屬球上帶負(fù)電（同樣也可以理解帶上正電），由于電荷同性相斥的作用，電子總是分布到金屬球的最外層表面，并且容易逃離金屬球。球的尖鋒部分，電子受到同性電荷往外排斥力最強，最容易被排斥離開金屬球，這就是通常說的“尖端放電”。
    公元1749年4月29日，富蘭克林在給約翰·米西爾（John Mitchel）的信中提出了，云層由于不斷受到蒸汽摩擦而帶電的看法，他認(rèn)為"當(dāng)帶電的云塊飄過田野、掠過高山、巨樹、聳立的高塔、尖屋頂、船舶桅桿、煙筒等物的時候，拖曳出電火，正如許多尖導(dǎo)體和突出物產(chǎn)生的現(xiàn)象一樣，整個云層就在那里放出電來"由此，他提出了避雷針的設(shè)想。他說：既然尖導(dǎo)體可以把一個離它很遠(yuǎn)的帶電體上的電荷釋放掉，避免它對其他物體產(chǎn)生電擊，那麼尖導(dǎo)體對于人類可能有些用處。于是他建議將一根上端尖銳并涂有防銹層的鐵桿安裝在房屋的最高處，并用導(dǎo)線接在它的下端，沿著墻壁直通到地下。在海船上則把鐵桿固定在桅桿頂端，用導(dǎo)線連接向下直通入水中。它們就能在云層將要產(chǎn)生電擊的千鈞一發(fā)之際，靜悄悄地把電從云中吸走，因而使我們免受最突然、最駭人的悲劇。富蘭克林詳細(xì)描述避雷針的裝置，并正式宣布它是在1753年。
    避雷針的英文名字Lightning rod，直譯為"閃電棍"更準(zhǔn)確些，本無避免雷擊之意。這個名詞望文生義就會產(chǎn)生誤解。我們國內(nèi)許多物理課本，甚至大學(xué)的教課書也把避雷針的原理說成是靠尖端放電中和云層電荷從而消除閃電的，這是錯誤的。實際上，在富蘭克林發(fā)明避雷針的時候，提出了兩種避雷針工作機理的解析；第一種解析認(rèn)為，避雷針是靠其針尖電暈放電發(fā)出與雷雨云相反的電荷，使雷雨云的電荷得到中和，從而免除建筑物的雷害。第二種解析認(rèn)為，避雷針是靠把雷雨云所帶的異種電荷引導(dǎo)到自身上來，通過良好的接地裝置，把雷電流泄入大地，保護(hù)建筑物不受雷擊。至1753年富蘭克林明確傾向于避雷針引雷的理論了，所以說避雷針是靠尖端放電消除閃電而能避雷的提法是錯誤的，避雷針是消除不了閃電的。
    工作原理
    雷雨云形成以后對大地的電壓，低則幾百萬伏，高則數(shù)千伏甚至更高，雷雨云對大地的一次閃擊放電的峰值電流平均為30多KA，它的瞬時功率為109-1012W以上。由于瞬時功率很大，所以它的破壞力是相當(dāng)大的。
    當(dāng)高空出現(xiàn)雷雨云的時候，大地上由于靜電感應(yīng)作用，必然帶上與雷雨云相反的電荷，避雷針處于地面建筑物的最高處，與雷雨云的距離最近，由于它與有良好的電氣連接，所以它于大地有相同的電位，使避雷針附近空間的電場強度比較大，容易吸引雷電先驅(qū)，使主放電都集中到它的上面，從而保護(hù)附近比它低的物體遭受雷擊的幾率大大減少。而避雷針被雷擊的幾率卻大大的提高。避雷針不但不能避雷反而引雷，它是自身的多受雷擊而保護(hù)周圍免受雷擊。
    由于避雷針與大地有良好的電氣連接，能把大地積存的電荷能量迅速傳遞到雷雨云層中泄放；或把雷雨云層中積存的電荷能量傳遞到大地中泄放，使雷擊而造成的過電壓時間大大的縮短，從很大程度上降低了雷擊的危害性，這就是避雷針的工作原理。
    但需要說明，避雷針必須有足夠可靠，并且有接地電阻盡量小的引下線接地裝置與其配套，否則，它不但起不到避雷的作用，反而增大雷擊的損害程度。
    避雷針保護(hù)范圍的計算方法
    目前世界各國關(guān)于避雷針保護(hù)范圍的計算公式在形式上各有不同，大體上有如下幾種
    計算方法：
    1、 折線法：即單一避雷針的保護(hù)范圍為一折線圓錐體。
    2、 曲線法：即單支避雷針的保護(hù)范圍為一曲線錐體。
    3、 直線法：是以避雷針的針尖為頂點作一俯角來確定，有爆炸危險的建筑物用45°角，對一般建筑物采用60°角，實質(zhì)上保護(hù)范圍為一直線圓錐體。
    自1983年起，我國正式制定了自己的防雷規(guī)范。目前我國建筑防雷規(guī)范GB50057-94也采納了國際電工委員（IEC）推薦的"滾球法"作為避雷針保護(hù)范圍的計算方法。
    避雷針的制作規(guī)格
    由大量模擬實驗和實際調(diào)查統(tǒng)計資料表明，避雷針的外表形狀與其避雷效果無明顯的關(guān)系，所以，不必過多考慮采用單針式或者其他形式造型的避雷針。
    避雷針宜采用圓鋼或鋼管制成，其直徑不應(yīng)小于下列數(shù)值：
    針長1m以下： 圓鋼為12mm 鋼管為20mm
    針長1-2m： 圓鋼為16mm 鋼管為25mm
    煙囪頂上的針： 圓鋼為20mm 鋼管為40mm (見GB50057-94.第四章)
    主動式避雷針
    近來國內(nèi)市場經(jīng)銷一種叫主動式避雷針的產(chǎn)品，主要有來自法國和澳大利亞的產(chǎn)品，據(jù)廠家稱，這此產(chǎn)品能夠隨大氣電場變化而吸收能量，當(dāng)存儲的能量達(dá)到某一程度時，便會在避雷針尖放電，尖端周圍空氣離子化，使避雷針上方形成一條人工的向上的雷電先導(dǎo)，它比自然的向上的雷電通道能更早的于雷雨云向下的雷電先導(dǎo)接觸，形成主放電通道。這樣，一方面可以使雷雨云靠該避雷針放電的幾率增加，相當(dāng)于避雷針的保護(hù)范圍加大，或者相當(dāng)于將避雷針加高。
    避雷線
    接閃器最初的形式只是富蘭克林所設(shè)計的磨尖的鐵棒。20世紀(jì)初，在電力系統(tǒng)，為了使輸電線路少受雷擊，采用了在輸電線路上方架設(shè)平行的鋼線避雷的方法，在實用中，由于它簡單有效，逐步得到了推廣。這種架設(shè)在輸電線路上方的鋼線，稱之為避雷線。后來在房屋建筑上也推廣了這種形式，開始布設(shè)在方脊、屋角、房檐等處作雷電保護(hù)，以后這種方式又有所改進(jìn)。
    避雷帶
    在房屋建筑雷電保護(hù)上，用扁平的金屬帶代替鋼線接閃的方法稱之為避雷帶，它是由避雷線改進(jìn)而來。在城市高大樓房上，使用避雷帶比避雷針有較多的優(yōu)點，它可以與樓房頂?shù)难b飾結(jié)合起來，可以與房屋的外形較好的配合，即美觀防雷效果又好，特別是大面積的建筑，它的保護(hù)范圍大而有效，這是避雷針?biāo)鶡o法比的。避雷帶的制作，采用扁鋼，截面積不小于48mm2，其厚度不應(yīng)小于4mm。
    避雷網(wǎng)
    避雷網(wǎng)是指利用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋網(wǎng)作為雷電保護(hù)的方法（必要時還可以輔助避雷網(wǎng)），也叫做暗裝避雷網(wǎng)。它是根據(jù)古典電學(xué)中法拉第籠的原理達(dá)到雷電保護(hù)的金屬導(dǎo)電體網(wǎng)絡(luò)。
    暗裝避雷網(wǎng)是把最上層屋頂作為接閃設(shè)備。根據(jù)一般建筑物的結(jié)構(gòu)，鋼筋距面層只有6-7cm，面層愈薄，雷擊點的洞愈小。但有些建筑物的防水層和隔熱層較厚，入彀鋼筋距面層厚度大于20cm，最好另裝輔助避雷網(wǎng)。輔助避雷網(wǎng)一般可用直徑為6mm或以上的鍍鋅圓鋼，網(wǎng)格大小可根據(jù)建筑物重要性，分別采用5m′5m或10m′10m的圓鋼制成。避雷網(wǎng)又分明網(wǎng)和暗網(wǎng)，其網(wǎng)格越密可靠性越好。
    建筑物頂上往往有許多突出物，如金屬旗桿、透氣管、鋼爬梯、金屬煙囪、風(fēng)窗、金屬天溝等，都必須與避雷網(wǎng)焊成一體做接閃裝置。在非混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物上，可采用明裝避雷網(wǎng)。做法是首先在屋脊、屋檐等到頂?shù)耐怀鲞吘壊糠盅b設(shè)避雷帶主網(wǎng)，再在主網(wǎng)上加搭輔助網(wǎng)。
    避雷帶和避雷網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
    避雷帶和避雷網(wǎng)一般采用圓鋼或扁鋼，其尺寸不應(yīng)小于下列數(shù)值：