防雷措施----现代建筑物防雷无须避雷针
中国科学院电工研究所 马宏达
前言
由于防雷的问题涉及到许多学科，如大气科学、电力科学、建筑科学和电信科学等。它是一门边缘学科，它的理论须要各界专家共同学习交流才能完善。 1996 到 1999 年北京地区一些防雷专家自发组织了防雷学术讨论，这些学术论文发表在《电网技术》和清华大学物理系主办的《工程物理》杂志副刊现代防雷专辑 1998 年（一）、 1999 年（二）中。由于种种原因这种学习讨论会被迫停止。没有了同行的共同探讨，笔者不敢轻易发表自己的观点，害怕误导读者。《防雷》杂志已经声明“所刊登内容之观点并不代表本刊立场”，这一表态使笔者思想得以解放，可自由发表个人的学术观点，也不再顾及冒犯某些领导、老师和朋友。我认为“瞎子摸象”是人们认识过程的一种较为合理的比喻，一个人的认识往往是片面的。我提出自己对防雷的看法，并针对某些错误观点提出批评。或是或非，欢迎同行们讨论和批评。
本文分为四篇如下，将分期发表：
• 现代建筑物防雷无须避雷针；
• 法拉第笼的真实屏蔽性能；
• 外部防雷与内部防雷的区别；
• 电子系统的 EMC 要求与防雷要求的配合。
摘要 阐述了避雷针与法拉第笼防雷原理的区别、法拉第笼的接闪过程与雷电能量的消散原理。
关键词 建筑物防雷 法拉第笼
1 法拉第笼与避雷针是不同的两种防雷模式
上个世纪 50 年代我国引入两种建筑物防雷理论，即避雷针 [1] 与法拉第笼 [2] 。后者认为避雷针的保护范围是以从地面算起的避雷针高为滚球半径划出的弧线下的面积，它规定的保护范围很小；它认为法拉第笼才是建筑物防雷的可靠保护方式。当时我国工程设计全面按前苏联规范操作，所以不少建筑物上树有许多又高又长的避雷针，远看到处是危险品仓库和变电所。这样的防雷设计与我国的房屋结构很不协调。王时煦先生率先在天安门防雷采用避雷网，又在人大会堂防雷采用法拉第笼。 1958 年我们进行了建筑物易受雷击部位的模拟实验 [3] 。我们这些协作的研究成果都已写入 [4][5] 书中。
过去人们认为避雷针与法拉第笼是防雷形式的不同，但仔细分析和模拟试验表明它们是两种不同的防雷模式，即它们的防雷原理有显著地区别。避雷针防雷的原理是在空中拦截闪电，使雷电通过自身放电，从而保护建筑物免于遭受雷击，见图 1-1 。
避雷针保护范围是物体免于遭受雷击的空间，在此空间内仍有电磁感应作用，而且避雷针附近是强电磁感应区。避雷针附近的地电位梯度很大，在它周围有陡峭的跨步电压存在，在那里人们有生命的危险。文 [7] 论证了避雷针的功过，指出了避雷针防雷性能的严重缺陷，但是我们不同意“避雷针一般应当停用”的提法。因为电力系统还要大量使用避雷针，说在某些范围内无须避雷针才是合理的，房屋的防雷就无须避雷针。砖木结构的房屋可用避雷带或避雷网防雷，钢筋混凝土建筑可用法拉第笼防雷。
图 1-1 ，避雷针防雷的原理及其特性
2 现代建筑物可以直接接闪
现代建筑物都用钢筋网和钢结构建成，这些结构本身就可以耐受雷击，参看 GB 50057-94 《建筑物防雷设计规范》第 3.3.5 条说明。它们无须再安装避雷针，它们本身就能防雷，而且防雷的性能比避雷针好。我们在文 [5] 中曾介绍哥鲁德（ R.H.Golde ） [6] 给出的假想雷电先导模型，见图 1-2 。
假定雷电先导为垂直向下发展的导电通道，它从雷雨云中心高 h 2 处发展到离地上高 h 1 处，沿其高度分布的电荷密度（单位长度上的电荷量） Q h 以指数率递减，如图 1-2 所示。
Q h = Q 0 · ε - β h …………（ 1-1 ）
式中： Q h —沿导电通道高度的电荷密度（库仑 / 厘米）；
Q 0 --- 在先导流注端部的电荷密度（库仑 / 厘米）；
β—常数，其值约为 10 -5 。
在导电通道中总的电荷量为 Q Σ ：
Q Σ = Q 0
…………… (1-2)
现在， h 2 ≌ 2.5 × 10 5 厘米。由于 h 1 << h 2 ，可以近似地得到：
Q Σ ………………（ 1-3 ）
其中， Q 0 是先导端部电晕囊中的电荷，此带电囊直径为几百厘米到几千厘米，囊电荷密度约几十库仑 / 厘米 3 。 在主放电过程中上述先导流注电荷群变为雷电流脉冲波直接作用在雷击点。这样在被击物上将产生 10 6 ∽ 10 8 V 的电压，与雷击物的固有电容有关，前者指法拉第笼，
图 1-2 ，雷电先导向地面发展及其电荷密度的分布
后者指避雷针。为了形象地说明这种过程，讲波动过程的书中常用恒流电源（指内阻为无限大的电源）模型来比附它。有人抓住恒流电源模型的不现实，想否定雷电流脉冲引起的过电压现象。须知模型只是一种认识工具，庄子说“得鱼忘筌”，我们应记住雷电流脉冲引起的过电压现象，不要纠缠恒流电源模型。
此后的放电过程要用波动过程方法分析，笔者在文 [8] 中指出：从理论上一个六面封闭的金属壳体是全屏蔽的，雷电流沿其外表面流过，并经地表传开。在它的内部 E=0 ，Φ =0 ，所以雷电流对其内部电气设备没有强电磁干扰效应，见图 1-3 。
在实际上建筑物总得有门和窗、总得有电器线路和金属管路引入和引出。所以一般钢筋混凝土建筑物并不具备全屏蔽的性能，须要对其各种电气线路做屏蔽（穿铁管布线），还要对电气设备做过电压保护才能达到全面的防雷。法拉第笼下部有周圈式接地环、有等电位均压网，人在此等电位的环境中没有被电击的危险。
上世纪 90 年代初笔者曾设想制造消能避雷针，这种避雷针要用大体积的铸铁环制造，仔细分析表明密网格的钢筋网就是这种消能避雷针。许多人对雷电很害怕，认为它的能量很大。其实雷电的能量不大，一次闪电的总能量只有几十 kWh ，它相当于一台电冰箱一个月的耗电量。它是一种冲击能量，相当于锤击。锤击打在钉子上能钉入木中；可是锤击打在铁砧子上枕木不会受损。法拉第笼和接地网就相当雷击下的铁砧子。我们不要害怕雷击，我们要理智地聪明地对付它。
模拟实验和运行经验都证明建筑物易受雷击的部位是有规律的，见 GB 50057-94 《建筑物防雷设计规范》附录二。因此在建筑物易受雷击的部位敷设避雷带或避雷网就可接闪了，一般无须再装避雷针。屋顶上如有微波天线或其他怕雷击的突出物，则须就近装设短针以加
图 1-3 ，法拉第笼的屏蔽原理
强防护。实验和理论分析表明屋顶上的平面和非突出部位很少会遭受雷击；接闪点金属物的熔疤不大，其熔深最大不超过 2mm 。屋顶金属构架符合接闪器尺寸规定的（见 GB 50057-94 《建筑物防雷规范》第四章第一节各条）都能耐受得了直接雷击。有了法拉第笼再在屋顶上装设避雷针（包括非常规避雷针）是画蛇添足的无谓之举。
3 结论
1 ，现代建筑物多为钢筋混凝土结构和钢结构，它们的结构本身可以耐受雷击。在这些建筑物上无须装设避雷针。
2 ，按建筑物易受雷击的部位敷设明装避雷带和避雷网是优选方案。暗装避雷带和避雷网一般无碍接闪，但雷击时可能有局部屋面受损。
参考文献
1 И .C. 斯捷柯里尼柯夫 . 工业结构物和房屋的防雷保护，廖传善等译，建筑工程出版社， 1958 年
2 房屋和建筑物防雷（德意志民主共和国技术规程） . 解广润，陈慈宣译，电力工业出版社， 1958 年
3 马宏达 . 民用建筑简化防雷方式的研究 . 高电压会议文集， 1959 年 7 月；
4 王时煦，陈首新，马宏达，王宗俭 . 民用建筑物防雷保护（第一版） . 中国工业出版社， 1962 年
5 王时煦，马宏达，陈首新 . 建筑物防雷设计（第一版） . 中国建筑工业出版社， 1979 年
6 R.H.Golde.Lightning Protection,1973 ， London
7 解广润 . 避雷针一般应当停用 . 过电压专集，四川省电力局， 1980 年 3 月
8 马宏达 . 建筑物防雷与 LEMP 防护的原理 . 雷电与静电， 1994 年 3-4 合刊
转自 http://gzanren.blog.163.com/blog/static/4773427220080463233125/
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