前言
在人類生存的環(huán)境中有許多自然災害，如地震、暴雨、冰雹、水災、旱災、火災、雷擊等等。對此，人們總是想方設(shè)法進行防御，或減輕它們所造成的損失。雷擊就是嚴重的自然災害之一。但就我國而言，過去防雷設(shè)計在整個建筑設(shè)計中所占的比重很小。電氣設(shè)計人員不重視，其他專業(yè)的設(shè)計人員更不重視，但雷擊所造成的損失卻無法輕視。如1989年山東黃島油庫遭受雷擊并引起大火，損失慘重。
就防雷歷史而言，我國建國初期大多是按照日本的45°～60°保護角確定避雷針的保護范圍，用三叉小針銅避雷針、銅引下線和1m×1m銅板作為接地裝置。50年代初期，引進蘇聯(lián)技術(shù)，采用拋物線或折線計算法，用鐵管或鍍鋅元鋼做避雷針，用鍍鋅元鋼做引下線，地下打入3～5m長的鍍鋅鐵管或鋼材作接地極，以致現(xiàn)在的避雷帶和避雷網(wǎng)均采用鍍鋅鋼筋或扁鋼。
80年代以前，我國沒有建筑物防雷規(guī)范，建筑電氣設(shè)計人員只能憑自己的認識設(shè)計避雷針。自1957年北京市兩大雷擊事故發(fā)生以后，我國大量的古建筑物和群眾集中的公共場所才開始安裝避雷裝置。1957年7月6日明十三陵長陵棱恩殿遭受雷擊，劈掉西部吻獸，劈裂兩根直徑1.17m，高14.3m的大楠木柱子，死一人，傷三人；1957年7月8日中山公園內(nèi)的一棵大樹落雷，雷電流感應至附近的配電線路，然后傳到中山公園音樂堂，燒毀了配電室、舞臺和觀眾廳大頂棚。為此，北京市領(lǐng)導召開了緊急會議，決定對北京市重要古建筑物和人員眾多的影劇院安裝避雷針并指定由筆者負責設(shè)計。此后，從天安門開始，到勞動人民文化宮三大殿、景山萬春亭、北海公園白塔，以至鼓樓、天壇祈年殿、頤和園排云殿、智慧海、十三陵長陵棱恩殿、明樓、戒臺寺等30多處古建筑物和中山公園音樂堂等重要影劇院都相繼安裝了避雷裝置。
1957年，筆者將過去積累的雷擊事故調(diào)查和設(shè)計經(jīng)驗進行了總結(jié)，寫出了“民用建筑物防雷保護”研究報告并且于1958年9月在建工部設(shè)計局于武漢召開的“全國電氣設(shè)計人員交流大會”上，作了報告，發(fā)表了防雷觀點和設(shè)計方法。報告中提出的雷擊規(guī)律、防雷標準、保護方式、設(shè)計要點、屋頂板內(nèi)鋼筋作接閃裝置的理論以及詳細的設(shè)計實例和數(shù)十種做法大樣得到了與會代表的一致贊同，以后被廣泛采用。
1958年底，北京市建筑設(shè)計院研究室、中國科學院電工研究所和清華大學高壓教研室共同成立了“北京建筑物防雷研究小組”。1962年5月出版的《民用建筑物防雷保護》和1980年9月出版的《建筑物防雷設(shè)計》就是在筆者1957年研究報告和小組研究成果的基礎(chǔ)上寫出來的。書中突出的觀點是建筑物防雷設(shè)計的六項重要因素，即接閃功能、分流影響、屏蔽作用、均衡電位、接地效果和合理布線?，F(xiàn)在看來，國內(nèi)外的標準和規(guī)范都離不開這六要素，有的單位還把它們作為設(shè)計原則。籠式避雷網(wǎng)和等電位連接早在1958年就在人民大會堂的設(shè)計和工作實踐中采用了，而國際上戈爾德（G.H.Golde）于1997年才在《雷電》一書（國際名著）中談到等電位連接的做法，所以我國的防雷研究和實踐并不落后。
筆者主審的我國第一部《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GBJ57－83）于1983年11月7日公布。第二部《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057－94）（機械工業(yè)部設(shè)計研究院林維勇先生主筆）于1994年4月18日公布。該部規(guī)范吸收了許多國外先進的東西，將接閃器保護范圍的計算方法改為滾球法并結(jié)合我國防雷設(shè)計的實際經(jīng)驗增加了許多新條款。這兩部規(guī)范對指導我國建筑物防雷設(shè)計起了很大的作用。
70年代以前，人們聽到的雷擊事故多是擊中建筑物或大樹，嚴重的造成了建筑物燒毀或人員傷亡。那時被雷擊的建筑物絕大多數(shù)是沒有安裝防雷裝置（避雷針、避雷帶或避雷網(wǎng)）?，F(xiàn)在聽到的雷擊事故相對少了，其原因是，六層以上的多層建筑物和高層建筑物都安裝了防雷裝置。有時，接閃器接閃后，即使是微電子設(shè)備因雷電電磁脈沖感應受損，局外人也不知道，本單位做些局部修理也就完事了。其實，現(xiàn)在的雷擊事故并不算少。雷擊建筑物對某一棟樓而言可能是百年不遇的事，但防雷裝置接閃則是較常見的，這也是正常的。
接閃裝置接閃后，建筑物引下線附近的設(shè)備會受到雷電流的感應，這就是雷電電磁脈沖干擾。90年代以前，國際和國內(nèi)的規(guī)范都沒有關(guān)于雷電電磁脈沖的規(guī)定。1992年國際電工委員會建筑物防雷專委會（IEC－TC/81）才開始討論這個問題。1995年2月，該機構(gòu)發(fā)布了國際標準《雷電電磁脈沖的防護》（IEC1312－1.2.3）。目前我國尚沒有類似的規(guī)定，這是近年來的問題。
隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子計算機早已步入社會的各行各業(yè)。建筑物內(nèi)幾乎無不設(shè)有復雜程度不同的微電子設(shè)備和計算機系統(tǒng)，民用建筑也不例外。雷電電磁脈沖干擾日益成為頻發(fā)事故。面對這種挑戰(zhàn)，設(shè)計人必須轉(zhuǎn)變觀念，把雷電電磁脈沖防護當作防雷設(shè)計的重點。這不只是電氣一個專業(yè)的事，因為它涉及到電子設(shè)備的位置和管線的布置等問題。各個專業(yè)應充分協(xié)商，從整體上解決防雷設(shè)計上的問題。否則，建筑物設(shè)計得再好，也無法正常使用。
研究建筑物防雷應從雷擊事故調(diào)查入手，找出雷擊規(guī)律，然后，利用雷擊模擬實驗，對所總結(jié)的規(guī)律和所提出的解決方案予以驗證。研究人員應根據(jù)科技的發(fā)展，不斷吸收新東西對滿足不斷變化的社會需要，如計算機的發(fā)展導致的對雷電電磁脈沖防擴的需要。
下面將對防雷設(shè)計的基本原則、雷擊規(guī)律、近年來國際上提出的新概念以及隨著科技發(fā)展出現(xiàn)的新問題分別予以論述。
1．雷電電磁脈沖
雷電電磁脈沖（Lightning Electromagnetic Pulse），簡稱LEMP，是天空打雷時產(chǎn)生的作為干擾源的強大閃電流及其電磁場。它的感應范圍很大，對建筑物、人身和各種電氣設(shè)備及管線都會有不同程度的危害。這種危害就是雷電電磁脈沖所產(chǎn)生的干擾。
建筑物內(nèi)的雷電電磁脈沖干擾指以下三種情況：
?。?）天空中雷電波的電磁輻射對建筑物內(nèi)電力線路和電子設(shè)備的電磁干擾；
（2）建筑物的防雷裝置接閃時，強大的瞬間雷電流對建筑物內(nèi)電力線路和電子設(shè)備的干擾；
?。?）由外部各種強、弱電架空線路或電纜線路傳來的電磁波對建筑物內(nèi)電子設(shè)備的干擾。
現(xiàn)代電子技術(shù)日益向高精度、高靈敏度、高頻率和高可靠性方向發(fā)展。這些電子設(shè)備非常靈敏，但耐壓很低，一般電子設(shè)備都承受不了正負5伏的電壓波動。以各種微機為例，當雷電電磁脈沖的磁場強度超過0.07 高斯時，就會引起微機的誤動作，當磁場強度超過2.4高斯時，就會造成微機的永久性損壞。因此，我們必須對雷電電磁脈沖采取必要的防護措施，以便在先進的建筑物內(nèi)實現(xiàn)良好的電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility）。
防御雷電電磁脈沖干擾的理想防雷設(shè)計方案是籠式避雷網(wǎng)，它利用的是法拉第籠原理。建筑物的金屬結(jié)構(gòu)物遍及各處，不用很多鋼材就可很容易連接起來形成法拉第籠，從而建筑物內(nèi)的電子設(shè)備得到很好的屏蔽。屏蔽做得好，不僅能防御空間電磁波的輻射，而且還可使建筑物內(nèi)部的分流和均壓達到最佳效果。這里要說明，屏蔽的做法應根據(jù)建筑物內(nèi)電子設(shè)備的要求決定。由于設(shè)備的性質(zhì)不同，因此，有的要求僅對設(shè)備本身做屏蔽，有的要求在設(shè)備與設(shè)備之間做屏蔽，還有的要求在機房做屏蔽。正因為這個問題的重要，所以1995年國際電工委員會建筑物防雷分委會（IEC/TC-81）在《雷電電磁脈沖的防護》的標準中提出了防雷保護區(qū)（LPZ）的概念，國際上剛開始實行這種規(guī)定，而我們國家還沒有提出。筆者認為，設(shè)計人員可以按照微電子設(shè)備的多少、繁簡、重要程度、擺放位置及進出管線的具體情況自行劃分防雷區(qū)以取得良好的屏蔽、等電位和接地效果。
因此，防御雷電電磁脈沖對室內(nèi)布線的要求非常嚴格。由于用作引下線的鋼筋混凝土柱內(nèi)的鋼筋和整個建筑物的屏蔽網(wǎng)都在外墻處，雷電流需經(jīng)此處的鋼筋分流到接地裝置上，所以外墻處的電流密度大，電磁場強。因此，建筑物中的電源和通信等線路的主干線不應靠近外墻，最好設(shè)置在建筑物的中心部位，如電梯井在中心部位，可設(shè)置在電梯井的近旁。建筑物內(nèi)的各種電氣饋線都要穿金屬管保護或采用雙層屏蔽電纜（或同軸電纜）。在一些有特殊要求的線路電源側(cè)，還應加裝電涌保護器、隔離變壓器、穩(wěn)頻、穩(wěn)壓以及濾波等裝置。
防御雷電電磁脈沖對接地的要求也很嚴格。電子系統(tǒng)的低頻信號工作接地應采用單點接地系統(tǒng)，在整個建筑物內(nèi)應為樹干式結(jié)線布置。各層或各段的低頻信號工作接地均應直接接到單點接地板上，不得形成環(huán)路。單點接地系統(tǒng)不應與用作防雷引下線的柱子平行，以防強磁場干擾。由于是利用建筑物結(jié)構(gòu)鋼筋作屏蔽，因此必須采用綜合共同接地方式，即將防雷接地、電源的工作接地、各種裝置的外殼、鐵管外皮和高頻電子設(shè)備的信號接地都統(tǒng)一接到建筑物的基礎(chǔ)上或室外接地裝置上。為避免雜散電流，單點接地系統(tǒng)必須采用絕緣線，其主接地板必須置于建筑物的最底層且直接與基礎(chǔ)或室外接地裝置連接。各層單點接地系統(tǒng)的區(qū)域接地板或終端接地板如需要與綜合共用接地系統(tǒng)的裝置接地板連接，應在它們之間加裝不大于直流300V的放電管或壓敏電阻。綜合共用接地的電阻一般應在1歐姆以下，對于特殊的電子設(shè)備，可在0.5歐姆以下。確定接地電阻時，應考慮各種設(shè)備對接地電阻值的要求，在所要求的各種阻值下，應取最低值。
在低壓220/380V供電系統(tǒng)中，應采用三相五線（TN－S）系統(tǒng)，以便于裝置接地（PE）線和中性（N）線分開，PE線應接到各層或各段裝置接地的終端地板上。為了防御雷電電磁脈沖，建筑物的電源、電話、廣播等線路最好采用埋地電纜引入，所用電纜應為鎧裝電纜或同軸電纜且外皮兩端均要接地。
