摘要：本文扼要说明了传统防雷局限性以及智能建筑对防雷的要求，根据IEC的标准，论述在智能建筑中应采取相应的防雷措施，防止雷电的侵害。

关键词：智能建筑 直击雷 感应雷击 避雷针 防雷保护区

一、前言

在智能建筑中，系统内的电子设备的数量和规模不断扩大，大量采用计算机技术，而电子计算机、微处理器以及其他电子仪器设备普遍存在着绝缘强度低，过电压耐受能力差的弱点，当其受到电磁脉冲，特别是闪电电磁脉冲的袭击，使得这些高灵敏的电子系统在运行时，出现程序运行错误；数据错误；时间错误；死机；无故重新启动甚至造成用电设备的永久性损坏，给各行各业以及人们日常生活造成巨大损失。

1992年，北京气象局16层气象中心大楼遭受雷击，楼内计算机、电子设备受损，损失达数十万元，中断通讯24小时；1994年和1995年深圳蛇口电信公司两次遭受雷击破坏,使得深圳蛇口地区电话系统分别瘫痪六小时和八小时，经济损失巨大；1996年深圳市气象台受雷击破坏,涉及破坏范围包括程控交换系统、电脑网络系统、闭路电视监控系统、CT机等；1996年4月20日，深圳市收容站价值一百多万元的电脑网络系统、闭路电视监控系统、CATV系统因遭受雷击而瘫痪；同年深圳中信公司证卷公司也遭受雷击，使得电脑网络卡、调制解调器受到破坏。电子元件的损坏不仅使系统的瘫痪，造成损失，而且在修复及重新整理数据上的费用也是巨大的。据统计，仅深圳市在1996年因瞬态电涌而造成的经济损失就高达6千多万元。

为此，在智能建筑中，特别是对计算机和精密的电子设备，对雷电如何采取有效的防护措施，保障其安全，已受到普遍关注。

二、雷电对智能建筑的危害

雷电现象是指雷云之间或雷云与地之间迅猛放电的过程，在该过程中，不仅会产生强大的雷电流（可达数十至数百千安），并且会伴随有强烈的闪光和巨大的声响。雷电主要分为直击雷击和感应雷击。

1.直击雷击是指雷云之间或雷云与地之间与建筑物的某一点放电。其主要危害有：

(1) 强大的雷电流通过被击物体时产生热效应，这种热效应所产生巨大的热量会使被击物体温度突升，甚至引起火灾。

(2) 达数十甚至数百千安雷电流通道，会使空气急剧膨胀，并以超生速向四周扩散，其外围附近的冷空气被强烈压缩，形成“激波”，它会破坏其附近的建筑物、人员、树木等。

(3) 雷电流通过导体产生的雷电电磁场，产生电动力效应，会使处在其中的导体受力变形甚至折断。

2. 感应雷击是指雷电通过静电感应或电磁感应对被击物体的损坏。雷电流有50℅是直接流入大地，还有50℅是流入各电气道（如电源线、信号线和金属管道等）。当雷闪放电发生或雷击输电线路时，强大的雷电流会产生强大的电磁场。它通过直接或电容耦合方式在输电线路上形成暂态过电压以流动波形式沿线路传播，一般在以雷击中心1.5－2km范围内都可能产生危险过电压,损坏电路上的设备。据统计：在整个瞬变脉冲事故中雷击产生过电压约占20℅左右。感应雷击其主要危害有：

(1) 在雷云出现后，雷云下的建筑物由于静电感应作用而带上大量相反电荷，雷击过后，雷云所带的电荷与地很快中和，而地上某些局部上的感应电荷，由于与大地间电阻较大，而且不能在同样短的时间内相互消失，形成了局部地区高的感应电压，该电压达数十千伏至数百千伏，这样高的的电压可使接地不良的电气系统遭受破坏。根据《建筑物防雷设计规范 GB50057-94》中的公式，防雷装置地上高度h_x处的电位：

式中 U_R雷电流流过防雷装置时接地装置上的电阻电压降（kV）；

U_L雷电流流过防雷装置时引下线的电感电压降（kV）；

I 雷电流幅值；二类防雷建筑取100kA；

R_I 冲击接地电阻，对于采用共用接地极的建筑，一般取其等于1(Ω)；

L₀ 引下线的单位长度电感，取其等于1.5μ H /m；

di/dt 雷电流徒度（kA/μs）。

对于一个30m高的二类建筑，经计算：

由此可见，仅接地装置上的电位升高100 kV，30m高度的电位就达775 kV，也正是由于高电位引入、反击、感应、耦合等二次效应，对电气设备及人员危害极大。

(2) 雷电产生电磁感应的破坏。由于雷电有极大的峰值和徒度，在其周围形成强大的变化的电磁场，处在变化电磁场中的导体会感应出较大的电压，该电压由导线可传至较远电气设备。根据美国A/D报告研究表明：当电磁感应强度B为0.03GS时，计算机会产生误动作，当B为2.4GS时，计算机芯片会产生永久性损坏。

式中 B电磁感应强度（GS）；

I 雷电流幅值 （kA）；

r 雷击半径 (m)；

P 发生雷击电流I值的概率。

故可以算出：电子设备误动作概率为： P=93.6℅,

电子设备产生永久性损坏概率为： P=60℅。

(4) 雷电产生地电位反击的破坏。智能建筑内计算机及微电子设备均要求有“干净”的地，如果在建筑不同接地系统被泄入雷电流时，引起电位不均，高电位的地会反击地电位的地，导致电气设备损坏。

三、防雷保护区域的划分

针对信息系统的防雷特殊性，作为防雷标准IEC-1024-1标准的补充，1995年IEC出版了1312-1标准。对防雷保护区域进行了划分，一个欲保护的区域，从电磁兼容(EMC)的观点来看，由外到内可分为几级保护区，（图1 所示）最外层是LPZ0区—雷闪电磁场原区。在该区域内雷闪电磁场未产生衰减。雷闪电磁场按大气状态下自然分布。在该区域又分为LPZOA和LPZOB两个区域。

图1 建筑物防雷区域（LPZ）的划分

LPZOA区是直接雷击区域，在该区域内各物体都可能受到直接雷击，产生全雷电流，雷闪电磁场未产生衰减，从防雷保护角度看，该区域属于保护以外区域。

LPZOB区是不受直接雷击区域，在该区域内各物体不可能受到直接雷击，但雷闪电磁场未产生衰减，该区域受防雷装置保护。

LPZ1区是不受直接雷击区域，在该区域内各物体不可能受到直接雷击，在该区域内，所有导体上的雷电流比LPZOB区减少，其减少程度取决于屏蔽措施和等电位联结做法。

如果需要进一步减少雷电流和雷闪电磁场，应按需要保护系统的要求，选择后续防雷区域（LPZ2、3、4……）。

四、智能建筑中的防雷措施

防雷工程通常分为直击雷和感应雷两部分。直击雷防御系统是捕捉雷电闪击保护建筑物及设备。感应雷防御系统是为了降低雷击时的冲击电位差和电磁脉冲。传统的防雷技术一般是在建筑物屋面装设接闪器，由接闪器和引下线将雷电流导入接地极，流向大地，并在电网中加装避雷器等防雷措施，采用这些措施，虽然可以有效防止直击雷和消弱电压波的强度，减少雷击的破坏程度，但这些措施并不能完全消除电网中的又雷击引起的暂态过电压，感应雷电脉冲一般都在千伏以上，普通的电气设备一般可允许闪电脉冲电压6000V,但对于计算机设备，其信号电压很低，一般只有100V左右，最小仅有10V左右，当其闪电脉冲电压为在几十伏或到几百伏就会见计算机损坏。IEC标准根据雷电日雷电日将地区雷电级别分为3级。

（1） Q1级：此级别雷电日不超过25天，可不设置雷电过电压保护。

（2） AQ2级：此级别雷电日超过25天，应考虑是否设置架空线路引入的感应雷电过电压保护。

（3） AQ3级：同上，但还应考虑架空线路引入的直接雷击的过电压保护。

1． 对电源系统和信息系统分级保护

一般电子设备的电源系统分级保护参见图2所示，为了有效防止暂态过电压的灾害， IEC664-1中提出，对电源系统分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级防护，将过电压数值降低到设备可以承受的水平。表1给出了IEC664-1瞬变过电压水平等级的划分。

IEC664-1瞬变过电压水平等级的划分 表1

供电系统标准电压（Ｖ）		由标称电压派生的交流或直流相电压（Ｖ）	额定脉冲电压（Ｖ）
三相	单相		过电压等级分类
			Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ
		50	330	500	800	1500
		100	500	800	1500	2500
	120～240	150	800	1500	2500	4000
230/400 277/480		300	1500	2500	4000	6000
400/690		600	2500	4000	6000	8000
1000		1000	4000	6000	8000	12000

图2 电子设备的电源系统分级保护

雷电及其它瞬态浪涌冲击现象，对精密电子设备和计算机设备（包括UPS电源），造成很大的危害。采用电源过电压保护器可以利用快速响应模块，通过其优良的非线性伏安特性，来实现抑制暂态过电压的。在正常工作时，模块呈高阻抗特性，泄漏电流很低，不影响正常工作。当出现暂态过电压时，模块呈低阻抗特性，使暂态过电流迅速泄放，抑制暂态过电压，维持电压稳定。

信息系统保护分粗保护和精细保护。粗保护量级系根据所从属的保护区的级别确定，精细保护则需要根据电子设备的敏感度来选择。退耦元件应能无损坏地承受电压降和不影响数据的正常传输。信息系统采用的保护器主要是过电压限制器，其系统保护分级原理如图3所示。

图3　信息系统的分级保护

高频信号保护器主要防止天线的雷击和感应雷击，因为天线受雷击或雷电感应时，天线对偶极子上都将形成对地的暂态过电压，天馈线上两极导线上的暂态过电压是对共同地的，即形成共模暂态电压。高频信号保护器其内部采用特制的电感线圈，线圈两头并接于馈线上，中心抽头接地。在正常工作时，由于信号频率高，并接在信号线两端电感线圈呈高阻抗，不影响正常工作。当出现暂态过电压时，形成的暂态过电流经电感线圈两端到电感中心入地，线圈两半处于并联工作状态。由于暂态过电流流过两半线圈时，在两半线圈中产生的磁通量相互抵消，暂态过电流对地呈低阻抗，从而有效地限制信号线对地的共模暂态电压幅值。高频信号保护器主用于防护雷击或雷电感应引起的天馈线对地的共模暂态电压幅值，从而保护通信设备免受暂态过电压侵害。

2．采用等电位联接

防止雷电的侵害的一项关键措施，即采用等电位联接。等电位联结的目的在于减小需要防雷的空间内，各种金属部件和各种系统之间的电位差，而实施的导体联结。电源线、信号线、金属管道等都要通过过压保护器进行等电位联接。总等电位联接（如图3所示），就是将所有进出保护范围的金属管道（包括水管、供热管道等）以及所有电源线和所有信号线（包括载流导体），当闪电电流流经这些导体时，等电位联接可以用来安全地承载涌流。

图3总等电位联接示意图

3．加强传统防雷装置

（1） 传统避雷针在引雷后会引发地电位反击和二次雷击效应。为了减少雷电流精度徒度和电磁辐射场，应选用阻抗型的避雷针和接闪器等。或者采用提前放电式避雷针, 如采用提前放电式避雷针PULSAR。它的主要原理是将一个高脉冲电压系列加在普通避雷针尖端（大约10000伏），来引发自发电晕效果，形成上行先导，从而吸引雷电流使其更准确地通过避雷针形成的泄放通道泄放雷电流。由于提前放电式避雷针在雷电泄放前提前放电，形成上行先导，所以，它将传统避雷针的被动吸引雷电流变为主动吸引雷电流。也就克服了传统避雷针的缺陷，相当于加长了传统避雷针的高度，自然在同等高度下也就加大了避雷针的保护角，使其提供的保护范围更大、更加可靠有效。使其具有更大的保护范围。

（2） 充分利用建筑物的钢筋混凝土结构组成的经济可靠的笼式避雷网。增加引下线数量，加速雷电流的分流，减少磁场集中程度。加强所有外漏的金属门窗与结构的连接，提高建筑物的自然屏蔽能力。减少接地电阻值，降低接地电位。

总之，随着计算机及精密电子设备日益普及，人们对其防护的要求也愈加严格，然而，防雷设计是一项复杂的系统工程，所以如何保证智能建筑信息系统中的计算机及精密电子设备正常运行，将是工程设计人员一直要关注的问题。