2017.3|刘旭,姜克强:限流接闪器在高层建筑中的应用

admin

近年来随着我国经济和技术的不断发展，大量的高层建筑拔地而起，从广州610 m高的“小蛮腰”到苏州729 m高的“中南中心”，全国各地处处可见高层建筑的身影；众所周知，这些高层建筑大都采用了互联网、计算机、通信、人工智能等技术，安装使用了大量的微电子设备。虽然这些建筑物的雷电防护设计均已按照相关的标准进行了“接闪、分流、屏蔽、均压、接地、保护”设计，并且设计方案和防雷装置均通过了相关部门的审核和验收，但是伴随高层建筑的投入运行，微电子设备的雷电事故频现。

为了完善高层建筑的雷电防护措施，降低其雷电事故发生概率，有必要对高层建筑雷电事故发生的机理展开分析与研究，通过理论分析提出解决方案，通过实验室试验来验证解决方案的可行性。

传统接闪器的不足

1  反击的危害

高层建筑直击雷防护方法如图1所示，A点为某楼层的等电位汇接排，当雷击接闪器时，A点的电位UA由下式确定：

UA = IRi + L0 · hx · di/dt（1）

式中：Ri —— 接地装置的冲击接地电阻，Ω；

I —— 直击的雷电流幅值，kA；

L0 —— 引下线单位长度的电感量，μH/m；

hx  —— A点距地面的距离，m；

di/dt —— 雷电流陡度，kA/μs。

如果取楼层高度hx为100 m，Ri为1 Ω，L0为1 μH / m，雷电流幅值I为100 kA，波头时间dt为10 μs，代入式（1）可得UA高达1 100 kV，如此高的电位极易导致微电子设备因反击而损坏，并且随着楼层的进一步升高（hx的增加），UA的电位还会继续升高，其造成反击的事故几率将会更大。

2  雷击电磁场的风险

关于雷击电磁场对微电子设备的风险，国内外都有研究和报道：

a. 早在晶体管和小规模集成电路被广泛应用的70年代，美国的AD722675研究报告中指出，传统接闪器接闪100 kA雷电流时，在距离它860 m处会产生0. 07 Gs的电磁场，该强度的电磁场足以使计算机产生误动作；在距离它83 m处会产生2. 4 Gs的电磁场，该强度的电磁场足以使计算机永久性损坏。

由此可见传统接闪器在接闪雷电的同时，所产生的雷击电磁场对当时抗扰度为几百伏至上千伏的电子设备具有如此之大的损害能力，那对当今抗扰度仅为几十伏的微电子设备的危害程度就更难以想象。

b. GB 50057 - 2010指出（如图2所示），雷击点附近LPZ0区的磁场强度H0和LPZ1区的磁场强度H1分别可由下式确定：

H0 = i  / （2πSa）（2）

H1 = H0 / 10SF/20（3）

式中：H0、H1 —— 磁场强度，A/m；

i —— 雷电流的幅值，kA;

Sa —— 距雷击点的距离，m；

SF —— 屏蔽系数，dB。

分析式（2）、（3）可知，雷电流的幅值越大或距离落雷点（引下线）距离越近，雷击电磁场就越大，造成微电子设备因雷电感应而损坏的几率就会越大。

虽然在雷电防护标准和规范中对雷击电磁波的侵害已提出了一些防护方法和要求，如采用分流、屏蔽等技术手段来减小雷击电磁波的危害程度，但是这些方式只是被动、消极、局部的防护措施，并没有从源头上来降低雷击电磁波的强度，故效果不够完善。

从公式（1）、（2）、（3）中可看出，反击的危害和雷击电磁场风险的主要原因是雷击电流的幅值较大，而现代的微电子设备的抗扰度较低。因此，如果能有效地将雷电直击接闪器的电流幅值降低几个数量级，那么雷击接闪器导致的电位升高幅值和雷击电磁场强度也会降低几个数量级，因雷击接闪器而导致的微电子设备损坏几率将大大降低。

限流接闪器

限流接闪器是在富兰克林传统接闪器的基础上发展起来的一种新型接闪器，它采用导电硅橡胶高分子材料，在保留了普通接闪器功能、满足保护范围设计要求的同时，能利用导电硅橡胶的电阻特性，延缓雷击主放电时间、降低雷电流幅值，从而大大降低接闪器接闪后的雷电电磁场幅值和电位升高。限流接闪器结构简单、安装方便、机械强度高、免维护，可用于各种建筑物的直击雷防护。

1 工作原理

众所周知，起电后的雷云和大地之间相当于一个充了电的电容器（如图3所示），雷云对接闪器的放电相当于电容器的放电过程，如在电容器放电回路中串入阻抗可以降低电容器放电时的电流大小和延长放电时间。限流接闪器就是利用串入阻抗后电容器放电的这一特性来实现雷击接闪器的限流功能。

我们知道电容器在放电过程中（不同时间）的放电电流函数由下式确定：

i（t）= Q0/RC × e-t/RC（4）

式中：Q0 —— 充电电荷量；

R —— 回路的放电电阻值；

C —— 电容器的容量；

t —— 放电时间。

由上式可知，电容器放电电流的初值大小与回路电阻成反比，也就是说，接闪器接闪雷电过程中，回路放电电阻越大，雷电流的幅值就会越小。然而由于传统接闪器的针体电阻R针很小（几乎为零），导致弧道电阻R弧道也较小，所以回路放电电阻R（R针与R弧道之和）值就很小、雷电流的幅值就较大。采用限流接闪器后，由于其针体电阻R针高达数十千欧姆，从而使弧道电阻R弧道也高达数兆欧，所以R值就很大、雷电流的幅值就被大大降低了，试验证明通常可以降低雷电流幅值两个数量级左右。

2 火箭引雷试验结论

为研究和证实限流接闪器在雷电防护中的限流性能，我们和武汉大学等研究机构曾对限流接闪器进行了火箭引雷试验，从典型的火箭引雷对比光学照片（图4和图5）中可看出，相同能量的雷云被火箭引雷到限流接闪器上时，其主放电电流（约90 A）刚刚达到引雷钢丝的发光电流范围，故雷电通道的余晖很细且较暗；而被火箭引雷到传统接闪器上时，其主放电电流（约16 kA）已超过引雷钢丝的汽化电流值，故雷电通道的余晖很粗（宽）且非常明亮，从而说明限流接闪器实现了对雷电流的限制功能。

经反复多次的对比试验和统计，试验结果表明：

a. 火箭引雷到限流接闪器上时，雷电流比引到普通接闪器上时小了2 ～ 3个数量级。

b. 限流接闪器即便是在闪络后仍有很好的限流能力，可将雷电流限制到数十到数百安。

c. 限流接闪器在强雷击时仍能将雷电流限制到原值的12.6% 左右。

3 典型应用案例

限流接闪器按照GB 50057 - 2010进行保护范围的设计，多年来在高层建筑中已得到了广泛的应用，应用领域涉及广电、通信、电力、铁路、军工、石化等系统，鉴于篇幅原因，这里只举一个典型应用案例。

某电网调度中心大楼高约65m，肩负五省一市的电力调配；大楼内安装有各种微电子设备，早年在楼顶部安装有传统接闪器，1983 ～ 1984年间发生过两次电子设备和计算机因雷击接闪器而损坏的事故。

1986年调度大楼更换、安装了爱劳公司生产的限流接闪器，在1986 ～ 2007年的20多年的运行中，未发生过一起因雷击接闪器而导致电子设备损害的雷电事故，期间还发生过3次雷电流较大的雷击事件（事后测量、分析的雷电流幅值大于150 kA），但是调度大楼的设备仍然能正常工作，未发现一例电子设备雷击损坏的案例。

2008年，在调度大楼维修中，调度中心用普通接闪器替换了限流接闪器，当年7月的一次雷击（雷电检测显示为106 kA）将调度大楼内的多台电子设备和计算机击坏，造成了严重的安全事故。

2009年7月，调度大楼重新安装了限流接闪器，时至今日，调度大楼已又安全运行了7年，在这7年中未发生过一次因雷击接闪器而导致电子设备和计算机损坏的事故。

无论是本文的理论分析，还是火箭引雷试验结果，特别是典型应用案例中限流接闪器的“装 — 拆 — 再装”过程，都表明：在高层建筑中采用传统接闪器对微电子设备的保护存在着一定的盲区。为了提高对微电子设备保护的可靠性，建议在高层建筑的新建、改建中使用限流接闪器。

---

作者：

刘旭，北京爱劳高科技有限公司，高级工程师，董事长。

姜克强，北京爱劳高科技有限公司，高级工程师，技术总监。

本文有删减，全文载于《建筑电气》2017年第3期，详文请见杂志。版权归《建筑电气》所有。