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建筑物的雷电防护
Marek Łoboda
摘要 本文介绍了基于IEC62305系列标准的建筑物防雷的实际方法，该标准已被欧洲（CENELEC）标准EN引用为相同标准。影响建筑物的雷电会对建筑物本身还有建筑物的内部物体造成损害，包括内部电气和电子系统的故障。损害和故障也可能扩展到建筑物的周围，甚至涉及当地的环境。这种扩展的规模取决于建筑物的特点和闪电的特性。当希望消除任何可避免的风险时，提供足够的防雷措施的决定应以严格按照此类评估提出的建议的风险评估为依据。保护措施旨在根据损害类型降低风险，只有在符合相关标准要求的情况下才有效:
–以防止对建筑物物理损害以及对其中生物的伤害(IEC 62305-3);
–用于防止内部系统故障（IEC 62305-4）;
–用于保护服务设施（IEC 62305-5）。
最合适的保护措施的选择应由设计师根据各风险组成部分在总风险R中的比例，并根据不同保护措施的技术和经济方面进行。
关键词 防雷·过电压保护·闪电危险·防雷措施
1引言
没有什么装置或者方法能够将自然天气现象改变到能够防止雷电放电的程度。闪电向建筑物（或连接到建筑物的服务）闪电或附近对人员，建筑物本身，其内容物和设施以及服务构成危害。闪电的破坏力源于闪电产生的高能量 云到地面放电通道和雷击电流。 这就是为什么应用防雷措施是至关重要的。
与大多数工程问题一样，达到令人满意的防雷要求需要说明问题，考虑可解决的技术，然后解决问题。
从风险管理的角度来确定安全需要，安装的经济效益和选择适当的保护措施，目前这是与地面建筑物物体的雷电防护相关的国际或国家标准的主题。
2 雷电风险评估
闪电云对地放电是随机的自然现象，可能导致与直接闪击和间接（附近）对建筑物的闪击相关的损害。 损害的来源是雷电电流，不仅危害人，还危及建筑物,建筑物内存物,或周围连接的建筑物。 这种危险可能会导致整个建筑物的损坏以及电气和电子设备的故障或故障。损坏和故障的重大后果可以扩展到临近建筑物，并可能涉及其周围环境。
为了减少闪电造成的损害，有必要采取保护措施，这可能会大大降低风险，被定义为建筑物中可能的年度损失（Flisowski和Mazzetti，1984）。
对于雷电风险分析，需要以下数据：
-建筑物,服务设施所在地区的雷电密度
-建筑物特点及其类型和内容，
-进入建筑物的服务（电力，电信和数据线）的特点，
-内部安装和设备过电压免疫特性，
-防止直接打击，火灾蔓延，爆炸等机械和热雷击的防护措施，
-限制损坏后果的措施（例如，电气系统的冗余，备用电源线等）
-相应的损失金额和费用取决于损害的程度。
特别要注意的是，间接闪光引起的闪电危险，以及直接闪烁到建筑物或输入线路，可能会导致电气和电子设备由于过电压而导致电气和电感耦合造成的故障 与雷电流。
根据（IEC 62305-1，2006），雷电损害的年度风险可以通过以下关系来描述：
R L (27.1)
其中：N年影响建筑物及其设备的闪电次数，P--单个闪电造成的损坏或故障的概率，对建筑物或设备造成特定的损坏，L--系数 考虑到特殊的平均数量雷击造成的损害类型，其程度和后果性影响。
假设N P lt;lt; 1，关系（27.1）可以简化形式表示：
R = N · P · L (27.2)
这对于根据最近的IEC出版物（IEC 62305-2,2006）的实际应用和风险分析的基础是非常有用的。
由于直接或间接闪击（损害的来源）和损害类型，单独或与其他组合，建筑物中的不同后果性损失可能会出现，具体取决于建筑物及其设备的特点。 因此，实际应用创造了一套与损失类型，损失类型相关的风险成分非常方便。
应用了以下分类（见表27.1）（IEC 62305-2,2006）：
损害来源
- 直接雷击建筑物（S 1）
- 雷击建筑物附近（S 2）
- 知己雷击服务设施（S 3）
- 雷击服务设施附近（S 4）
伤害类型
- 触摸和步进电压对人造成的伤害（D 1）
- 闪电的物理效应引起火灾，爆炸，机械破坏等（D 2）
- 由于过电压导致的电气和电子系统故障（D 3）
损失类型
- 人员生命损失（L 1）
- 公众服务损失（L 2）
- 文化遗产损失（L 3）
- 经济损失（L 4）
Table 27.1 按雷击点区分的损害源、损害类型和损失类型
|
Point of strike |
Source of damage |
Structure Type of damage |
Type of loss |
Service |
|
|
Type of damage |
Type of loss |
作为这种分类的结果，风险R的总值可以被细分：
参考闪电的类型： R = RD RI, (27.3)
其中：R D - 由于直接闪击引起建筑物的风险，R I - 由间接（附近）闪击引起的风险，
- 参考损害类型： R = RS RF RO, (27.4)
其中：RS=RA RU--由于对人类的冲击造成的风险，RF=RB RV--由于物理损坏而导致的风险，RO=RM RC RW RZ-由于过电压引起的电气和电子系统故障的风险。
雷电风险分量的布局如图27.1所示。
考虑到以下参数，可以根据公式（27.2）计算每个风险成分的价值：
N = NgACd (27.5)
P (27.6)
Fig. 27.1 符合IEC（EN）62305-2的雷电风险成分
其中：N g – 每年每平方千米雷击大地次数; A – 建筑物或服务设施的截收面积; C d - 与建筑物位置相关的位置因子（见表27.3）; P x – 建筑物内损害概率;k j - 减少系数, 考虑到应用保护措施的有效性。
为了评估对防雷的需要，有必要：
- 识别构成风险并计算其价值的组分R x，
- 计算总风险值R，
- 确定最大可容忍风险值R a，
- 将总风险值与可容忍的价值进行比较。 对于每种类型的损坏：
如果Rle;Ra - 不需要雷电保护，如果Rgt; R采用保护措施以减少R lt;R a。 在表27.2中报告了（IEC 62305-2：2006）中给出的雷电闪电涉及人身伤亡或社会或文化价值损失的可承受风险R a的代表性值。
为了更容易地计算所需的雷电风险分析，IEC风险评估计算器（RAC）由TC81 IEC（IEC 62305-3：2006）中的第9组成员开发。 它适用于单屏计算机（见图27.2），使用户能够对典型建筑物进行风险计算，而无需深入了解IEC（IEC62305-2：2006，Surtees等人2005）所涵盖的细节和方法。
RAC旨在作为一种简化的工具，不实现书面标准的完整功能，并为相对简单的建筑物提供风险组件。 在书面标准中找到的一些参数在RAC软件中默认为固定值，用户只能从有限的选择子集进行选择。 与IEC 62305标准的发展同步，在不同的国家开发了足够的软件。 可用的提案之一是替代闪电风险计算软件（ALRISK），该软件旨在通过互联网在线和/或作为单个PC的单独副本（Loboda，2006）可用。
Table 27.2 Typical values of tolerable risk
|
Type of losses |
Tolerable risk Ra |
|
Loss of human life |
10minus;5 |
|
Loss of service to the public |
10minus;3 |
|
Loss of cultural heritage |
10minus;3 |
Fig. 27.2 Layout of lightning risk assessment calculator screen
3 建筑物防雷的基本特点
闪电在自然界中发生，具有无限多种电流和电磁脉冲波形。 但是，必须以可用于选择和指定保护系统的形式进行描述。 根据与防雷有关的国际（IEC）和欧洲标准（EN）（IEC 62305-1：2006，IEC 62305-2：2006，IEC 62305-3：2006，IEC 62305-4：2006）的实际新系列的建筑物，根据防雷等级（LPL）定义了最大雷电电流参数。
保护等级LPL用于将闪电定义为损坏源。 对于每个保护级别，固定一组最大（尺寸标准）和最小（截取标准）雷电流参数值。 雷电电流参数的最大值影响保护措施的尺寸选择。雷电电流参数的最小值对LPS的空气终端系统的定位有一定的影响，以便直接拦截到建筑物的闪电。
IEC（EN）标准（IEC）中定义了四个保护等级I，II，III，IV（62305-1：2006）。 对于保护等级I，固定的最大值不应超过99％的概率。 根据极性比（10％正和90％负闪烁），从正闪光获得的值必须低于10％，负闪烁低于1％。 二级保护等级I的最大值降至75％，三级和四级的最大值降至50％（IEC62305-1：2006）。
3.1 防雷系统
防雷系统（LPS）将保护建筑物和建筑物免遭火灾或机械破坏，避免建筑物内的人员受到伤害甚至死亡（IEC 62305-3：2006）。 LPS包括外部和内部保护。 外部LPS旨在：
- 拦截对建筑物的直接雷击（带有空气终端系统）;
- 使用下导体系统，将雷电电流安全地传导到地球上;
- 将雷电流分散到地球（使用接地终端系统）。
内部LPS的功能是：
- 防止建筑物内发生危险的火花。
这是通过使用直接金属接合连接或安装浪涌保护装置（SPD）的外部LPS部件和建筑物内部的其他导电元件之间的等电位连接或间隔距离（因此电绝缘）来实现的。
外部和内部LPS的实例如图所示。 27.3。
图27.3防雷系统（LPS）：（a）外部，（b）内部
3.1.1接闪系统
LPS的空中接闪系统的功能是防止直接的雷击损坏要保护的体积。 通过正确的空中接闪系统的尺寸，可以以受控的方式减少雷击对建筑物的影响。 安装在建筑物上的空气端子部件将位于拐角，暴露点和边缘（特别是在任何部分的上层）。为了确定空气端接的布置和布置，可以使用以下方法（IEC 62305- 3：2006）：
- 滚球法，
- 角度保护法。
- 网格法，
滚球法适用于所有情况。 它是基于电子几何模型，它定义了由一个梯级先导从云到地发出的闪电闪电的罢工点。 当先导距离地面有几百米（它只能从一定距离接近地面）时，这被称为最后的闪击距离d，其长度与雷电流I的峰值成比例，对应于滚动球体的半径（见图27.4）。
角度保护方法也是由电子几何模型导出的（角度由滚动球体的半径决定）。 该方法适用于简单形状的建筑物，但受到接闪器高度的限制。
网格方法适用于要保护平面的表面。网状空气接闪系统可以被普遍使用，而不管其屋顶的建筑物和形状如何。
3.1.2 引下系统.
引下系统是空气接闪系统和接地终端系统之间的导电连接，其功能是将拦截的雷电流引导到地面而不损坏建筑物。 为了降低由于雷电流在LPS中流动造成的损坏的可能性，
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