外部防雷系統(tǒng)　

外部防雷系統(tǒng)由接閃器（避雷針）、引下線、接地地網(wǎng)等有機(jī)組成。缺一不可。下面分別對(duì)以上三個(gè)主要因素的相關(guān)技術(shù)及安裝進(jìn)行描述。

主要講本部分的內(nèi)容是對(duì)建筑物外部空氣如何截雷，把雷電流向大地中泄放的問(wèn)題。
本部分的內(nèi)容提要是：
(1)接閃器：避雷針、避雷線、避雷帶、避雷網(wǎng)
(2)避雷帶和避雷網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
(3)接閃器的選擇和布置

接閃器

直接截受雷擊，以及用作接閃的器具、金屬構(gòu)件和金屬屋面等，稱之為接閃器。功能是把接引來(lái)的雷電流，通過(guò)引下線和接地裝置因如大地中泄放，保護(hù)建筑物免受雷害。

從公元1753年，富蘭克林發(fā)明了避雷針以來(lái)，避雷針作為接閃器的形式，延續(xù)了上百年的歷史，從十九世紀(jì)以后，逐漸有出現(xiàn)了避雷線、避雷帶和避雷網(wǎng)。其分類如下：避雷針、避雷線 、避雷帶 、避雷網(wǎng), 下面逐一介紹。

避雷針

放電
由物理學(xué)可知，通常物體內(nèi)部的正電荷和負(fù)電荷是相等的，所以從整體來(lái)看不顯示帶電現(xiàn)象。當(dāng)某一物體所具有的正、負(fù)電荷不相等時(shí)，這個(gè)物體就顯示帶電的特性。當(dāng)物體內(nèi)部的正電荷多于負(fù)電荷時(shí)，物體帶正電，反之帶負(fù)電。由于電荷都有異性相吸、同性相斥的特性，所以帶電物體中的同性電荷總是受到相互排斥電場(chǎng)力的作用。以圖中帶尖鋒的金屬球?yàn)槔偃缃饘偾蛏蠋ж?fù)電（同樣也可以理解帶上正電），由于電荷同性相斥的作用，電子總是分布到金屬球的最外層表面，并且容易逃離金屬球。球的尖鋒部分，電子受到同性電荷往外排斥力，最容易被排斥離開(kāi)金屬球，這就是通常說(shuō)的“放電"。

公元1749年4月29日，富蘭克林在給約翰·米西爾（John Mitchel）的信中提出了，云層由于不斷受到蒸汽摩擦而帶電的看法，他認(rèn)為"當(dāng)帶電的云塊飄過(guò)田野、掠過(guò)高山、巨樹(shù)、聳立的高塔、尖屋頂、船舶桅桿、煙筒等物的時(shí)候，拖曳出電火，正如許多尖導(dǎo)體和突出物產(chǎn)生的現(xiàn)象一樣，整個(gè)云層就在那里放出電來(lái)"由此，他提出了避雷針的設(shè)想。他說(shuō)：既然尖導(dǎo)體可以把一個(gè)離它很遠(yuǎn)的帶電體上的電荷釋放掉，避免它對(duì)其他物體產(chǎn)生電擊，那麼尖導(dǎo)體對(duì)于人類可能有些用處。于是他建議將一根上端尖銳并涂有防銹層的鐵桿安裝在房屋的處，并用導(dǎo)線接在它更準(zhǔn)確些，本無(wú)避免雷擊之意。這個(gè)名詞望文生義就會(huì)產(chǎn)生誤解。我們國(guó)內(nèi)許多物理課本，甚至大學(xué)的教課書(shū)也把避雷針的原理說(shuō)成是靠放電中和云層電荷從而消除閃電的，這是錯(cuò)誤的。實(shí)際上，在富蘭克林發(fā)明避雷針的時(shí)候，提出了兩種避雷針工作機(jī)理的解析；種解析認(rèn)為，避雷針是靠其針尖電暈放電發(fā)出與雷雨云相反的電荷，使雷雨云的電荷得到中和，從而免除建筑物的雷害。第二種解析認(rèn)為，避雷針是靠把雷雨云所帶的異種電荷引導(dǎo)到自身上來(lái)，通過(guò)良好的接地裝置，把雷電流泄入大地，保護(hù)建筑物不受雷擊。至1753年富蘭克林明確傾向于避雷針引雷的理論了，所以說(shuō)避雷針是靠放電消除閃電而能避雷的提法是錯(cuò)誤的，避雷針是消除不了閃電的。

工作原理
雷雨云形成以后對(duì)大地的電壓，低則幾百萬(wàn)伏，高則數(shù)千伏甚至更高，雷雨云對(duì)大地的一次閃擊放電的峰值電流平均為30多KA，它的瞬時(shí)功率為109-1012W以上。由于瞬時(shí)功率很大，所以它的破壞力是相當(dāng)大的。

當(dāng)高空出現(xiàn)雷雨云的時(shí)候，大地上由于靜電感應(yīng)作用，必然帶上與雷雨云相反的電荷，避雷針處于地面建筑物的處，與雷雨云的距離最近，由于它與有良好的電氣連接，所以它于大地有相同的電位，使避雷針附近空間的電場(chǎng)強(qiáng)度比較大，容易吸引雷電，使主放電都集中到它的上面，從而保護(hù)附近比它低的物體遭受雷擊的幾率大大減少。而避雷針被雷擊的幾率卻大大的提高。避雷針不但不能避雷反而引雷，它是自身的多受雷擊而保護(hù)周圍免受雷擊。

由于避雷針與大地有良好的電氣連接，能把大地積存的電荷能量迅速傳遞到雷雨云層中泄放；或把雷雨云層中積存的電荷能量傳遞到大地中泄放，使雷擊而造成的過(guò)電壓時(shí)間大大的縮短，從很大程度上降低了雷擊的危害性，這就是避雷針的工作原理。
但需要說(shuō)明，避雷針必須有足夠可靠，并且有接地電阻盡量小的引下線接地裝置與其配套，否則，它不但起不到避雷的作用，反而增大雷擊的損害程度。

避雷針保護(hù)范圍的計(jì)算方法
目前世界各國(guó)關(guān)于避雷針保護(hù)范圍的計(jì)算公式在形式上各有不同，大體上有如下幾種
計(jì)算方法：
1、 折線法：即單一避雷針的保護(hù)范圍為一折線圓錐體。
2、 曲線法：即單支避雷針的保護(hù)范圍為一曲線錐體。
3、 直線法：是以避雷針的針尖為頂點(diǎn)作一俯角來(lái)確定，有爆炸危險(xiǎn)的建筑物用45°角，對(duì)一般建筑物采用60°角，實(shí)質(zhì)上保護(hù)范圍為一直線圓錐體。
自1983年起，我國(guó)正式制定了自己的防雷規(guī)范。目前我國(guó)建筑防雷規(guī)范GB50057-94也采納了電工委員（IEC）推薦的"滾球法"作為避雷針保護(hù)范圍的計(jì)算方法。

避雷針的制作規(guī)格
由大量模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料表明，避雷針的外表形狀與其避雷效果無(wú)明顯的關(guān)系，所以，不多考慮采用單針式或者其他形式造型的避雷針。

避雷針宜采用圓鋼或鋼管制成，其直徑不應(yīng)小于下列數(shù)值：
針長(zhǎng)1m以下： 圓鋼為12mm 鋼管為20mm
針長(zhǎng)1-2m： 圓鋼為16mm 鋼管為25mm
煙囪頂上的針： 圓鋼為20mm 鋼管為40mm (見(jiàn)GB50057-94.第四章)

主動(dòng)式避雷針
近來(lái)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)經(jīng)銷一種叫主動(dòng)式避雷針的產(chǎn)品，主要有來(lái)自法國(guó)和澳大利亞的產(chǎn)品，據(jù)廠家稱，這此產(chǎn)品能夠隨大氣電場(chǎng)變化而吸收能量，當(dāng)存儲(chǔ)的能量達(dá)到某一程度時(shí)，便會(huì)在避雷針尖放電，周圍空氣離子化，使避雷針上方形成一條人工的向上的雷電先導(dǎo)，它比自然的向上的雷電通道能更早的于雷雨云向下的雷電先導(dǎo)接觸，形成主放電通道。這樣，一方面可以使雷雨云靠該避雷針?lè)烹姷膸茁试黾?，相?dāng)于避雷針的保護(hù)范圍加大，或者相當(dāng)于將避雷針加高。

避雷線

接閃器最初的形式只是富蘭克林所設(shè)計(jì)的磨尖的鐵棒。20世紀(jì)初，在電力系統(tǒng)，為了使輸電線路少受雷擊，采用了在輸電線路上方架設(shè)平行的鋼線避雷的方法，在實(shí)用中，由于它簡(jiǎn)單有效，逐步得到了推廣。這種架設(shè)在輸電線路上方的鋼線，稱之為避雷線。后來(lái)在房屋建筑上也推廣了這種形式，開(kāi)始布設(shè)在方脊、屋角、房檐等處作雷電保護(hù)，以后這種方式又有所改進(jìn)。

避雷帶

在房屋建筑雷電保護(hù)上，用扁平的金屬帶代替鋼線接閃的方法稱之為避雷帶，它是由避雷線改進(jìn)而來(lái)。在城市高大樓房上，使用避雷帶比避雷針有較多的優(yōu)點(diǎn)，它可以與樓房頂?shù)难b飾結(jié)合起來(lái)，可以與房屋的外形較好的配合，即美觀防雷效果又好，特別是大面積的建筑，它的保護(hù)范圍大而有效，這是避雷針?biāo)鶡o(wú)法比的。避雷帶的制作，采用扁鋼，截面積不小于48mm2，其厚度不應(yīng)小于4mm。

避雷網(wǎng)

避雷網(wǎng)是指利用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋網(wǎng)作為雷電保護(hù)的方法（必要時(shí)還可以輔助避雷網(wǎng)），也叫做暗裝避雷網(wǎng)。它是根據(jù)古典電學(xué)中法拉第籠的原理達(dá)到雷電保護(hù)的金屬導(dǎo)電體網(wǎng)絡(luò)。

暗裝避雷網(wǎng)是把最上層屋頂作為接閃設(shè)備。根據(jù)一般建筑物的結(jié)構(gòu)，鋼筋距面層只有6-7cm，面層愈薄，雷擊點(diǎn)的洞愈小。但有些建筑物的防水層和隔熱層較厚，入彀鋼筋距面層厚度大于20cm，另裝輔助避雷網(wǎng)。輔助避雷網(wǎng)一般可用直徑為6mm或以上的鍍鋅圓鋼，網(wǎng)格大小可根據(jù)建筑物重要性，分別采用5m′5m或10m′10m的圓鋼制成。避雷網(wǎng)又分明網(wǎng)和暗網(wǎng)，其網(wǎng)格越密可靠性越好。
建筑物頂上往往有許多突出物，如金屬旗桿、透氣管、鋼爬梯、金屬煙囪、風(fēng)窗、金屬天溝等，都必須與避雷網(wǎng)焊成一體做接閃裝置。在非混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物上，可采用明裝避雷網(wǎng)。做法是首先在屋脊、屋檐等到頂?shù)耐怀鲞吘壊糠盅b設(shè)避雷帶主網(wǎng)，再在主網(wǎng)上加搭輔助網(wǎng)。

避雷帶和避雷網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

避雷帶和避雷網(wǎng)一般采用圓鋼或扁鋼，其尺寸不應(yīng)小于下列數(shù)值：
圓鋼直徑為8mm，扁鋼截面積為48mm2，扁鋼厚度為4mm。
避雷線一般采用截面積不小于35mm2的鍍鋅鋼絞線架設(shè)。

安裝避雷帶和避雷網(wǎng)要注意下面事項(xiàng)：

1、避雷帶及其連接線經(jīng)過(guò)沉降溝（沉降溝：一座較長(zhǎng)的多層建筑物，往往在橫向上把建筑物分成幾段，段與段之間留有一段空隙，防止各段下沉不一致，引起建筑物損壞）時(shí)，應(yīng)備有10-20cm以上的伸縮余裕的跨越線。

2、 有女兒墻的平頂房屋，其寬度小于24m時(shí)，只須沿女兒墻上部敷設(shè)避雷帶；寬度大于24m時(shí)，須在房面上兩條避雷帶之間加裝明裝連接條，連接條的間距不大于20m時(shí)，只在屋檐上裝避雷帶；寬度大于20m時(shí)，需在屋面上加裝明裝連接條，連接條間距不大于20m。

3、瓦頂房屋面坡度為27°-35°，長(zhǎng)度不超過(guò)75m時(shí)，只沿屋脊敷設(shè)避雷帶。四坡頂房屋，應(yīng)在各坡脊上裝上避雷帶。為使檐角得到保護(hù)，應(yīng)在屋角上裝短避雷針或?qū)⒈芾讕У囊戮€從檐角上繞下來(lái)。如果屋檐高度高于12m，且長(zhǎng)度大于75m時(shí)，要在屋脊和房檐上都敷設(shè)避雷帶。

4、當(dāng)屋頂面積非常大時(shí)，應(yīng)敷設(shè)金屬網(wǎng)格，即避雷網(wǎng)。避雷網(wǎng)分明網(wǎng)和暗網(wǎng)，網(wǎng)格越密，可靠性越好，網(wǎng)格的密度視建筑物重要程度而定，重要建筑物采用5′5m的密網(wǎng)格，一般建筑物用20′20m的網(wǎng)格即可。

在非混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物上，可采用明裝避雷網(wǎng)。做法是首先在屋脊、房檐等到頂?shù)耐怀鲞吘壊糠盅b設(shè)避雷帶主網(wǎng)，再在主網(wǎng)上加搭輔助網(wǎng)，避雷網(wǎng)格大小按上述要求。采用避雷帶和避雷網(wǎng)保護(hù)時(shí)，屋頂上的煙囪、混凝土女兒墻、排氣樓、天窗及建筑裝飾等突出于屋頂上部的結(jié)構(gòu)物和其他突出部分，都要裝設(shè)短避雷針或避雷帶保護(hù)，或暗裝防護(hù)線，并連接到就近避雷帶或避雷網(wǎng)上。對(duì)金屬旗桿、金屬煙囪、鋼爬梯、風(fēng)帽、透氣管等必須與就近的避雷帶、避雷網(wǎng)焊接。

采用避雷帶和避雷網(wǎng)保護(hù)時(shí)，每一座房屋至少有兩根引下線（投影面積小于50m2的建筑物可只用一根）。避雷引下線對(duì)稱布置，例如兩根引下線成"一"字或"Z"字形，四根引下線要做成"工"字形，引下線間距離不應(yīng)大于20m，當(dāng)大于20m時(shí)，應(yīng)在中間多引一根引下線。見(jiàn)《雷電與避雷工程的避雷帶和避雷網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》

接閃器的選擇和布置
合理設(shè)計(jì)的接閃器將顯著地減少雷電擊中需要防雷空間的可能性。

只有將防雷裝置的設(shè)計(jì)與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行時(shí)，才能在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上得到化的組合。特別是在設(shè)計(jì)建筑物時(shí)，就應(yīng)充分利用建筑物的金屬物作為防雷裝置的諸部分之用。

接閃器可由以下一種或多種組成選擇：
1) 獨(dú)立避雷針；
2) 架空避雷線或架空避雷網(wǎng)；
3) 直接裝設(shè)在建筑物上的避雷針、避雷帶或避雷網(wǎng)。

接閃器的布置：
GB50057-94 接閃器布置應(yīng)符合下表的規(guī)定：
建筑物防雷類別滾 球半徑hr(M) 避雷網(wǎng)網(wǎng)格尺寸（M）
類防雷建筑物 30 < 5*5或< 6* 4
第二類防雷建筑物 45 < 10*10或< 12* 8
第三類防雷建筑物 60 < 20*20或< 24*16

布置接閃器時(shí)，可單獨(dú)或任意組合采用滾球法避雷網(wǎng)。

滾球法：滾球法是以hr為半徑的一個(gè)球體，沿需要防直擊雷的部位滾動(dòng)，當(dāng)球體只觸及接閃器（包括被利用作為接閃器的金屬物）或只觸及接閃器和地面（包括與大地接觸并能承受雷擊的金屬物），而不觸及需要保護(hù)的部位時(shí)，該部分就得到接閃器的保護(hù)。
IEC1024-1：1990 當(dāng)符合下表的要求時(shí)，接閃器的布置就是合適的。按照保護(hù)級(jí)別布置接閃器

就設(shè)計(jì)接閃器系統(tǒng)而言，下列方法可單獨(dú)使用，也可結(jié)合使用，只要接閃裝置不同部分所提供的保護(hù)區(qū)能相互銜接，并確保建筑物得到*的保護(hù)就行（見(jiàn)IEC1024-1第2.1.2條）：
--保護(hù)角法：
--滾球法：
--網(wǎng)格法：
所有這三種方法都可用于獨(dú)立、半獨(dú)立和非獨(dú)立的防雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1、 保護(hù)角法：接閃導(dǎo)體、避雷針、避雷桿塔和避雷線的位置，應(yīng)使被保護(hù)建筑物的各個(gè)部分都處于由接閃裝置導(dǎo)體上的各點(diǎn)以""角朝四面八方向地面投影所形成的軌跡面之內(nèi)。保護(hù)角法有幾何局限。

2、滾球法：對(duì)具有復(fù)雜幾何形狀的建筑物，或當(dāng)IEC1024-1的表1排除采用保護(hù)角法時(shí)，應(yīng)采用滾球法來(lái)確定建筑物的面積和各部分的保護(hù)空間。"滾球"半徑應(yīng)符合所選擇的防雷系統(tǒng)保護(hù)等級(jí)。
滾球法是在建筑物上才利用半徑為"R"的球，繞建筑物滾動(dòng)，直到碰到地平面，或碰到與地平面接觸且能用作雷電導(dǎo)體的任何性建筑物或物體為止。在滾動(dòng)接觸建筑物的地方便有可能受到雷擊。在這樣的點(diǎn)和地段處，就需要由接閃導(dǎo)體來(lái)提供防雷保護(hù)。

防雷系統(tǒng)的保護(hù)空間就是"滾球"接觸該導(dǎo)體并作用于建筑物時(shí)并未穿過(guò)的那塊空間的體積。保護(hù)等級(jí)和防雷系統(tǒng)的安裝成本隨所選滾球的尺寸的縮小而增加。

3、 網(wǎng)格法：接閃導(dǎo)體或屋頂導(dǎo)體應(yīng)形成一個(gè)閉合多邊形，其周邊應(yīng)靠近屋頂?shù)倪吘壊荚O(shè)。這種多邊形接閃裝置應(yīng)通過(guò)增設(shè)相互連接的橫向接閃導(dǎo)線來(lái)完善，以形成符合IEC1024-1表1要求的網(wǎng)格。
選型程序：

(1)評(píng)估保護(hù)級(jí)數(shù)；
(2)選擇合適的保護(hù)半徑；
在地球上所處徑、緯度的不同Na也不同。
評(píng)估保護(hù)級(jí)數(shù)
1、查出當(dāng)?shù)氐睦纂娒芏萅a 我國(guó)北方地區(qū)一般為4，可查圖而來(lái)。
理論上 1）建筑物的重要程度；
2）建筑物的危險(xiǎn)程度；
現(xiàn)場(chǎng)記錄風(fēng)險(xiǎn)內(nèi)容： 3）建筑物的人員密度；
4）建筑物的構(gòu)筑位置；
5）建筑物的建筑結(jié)構(gòu)；
6）建筑物所在地的雷電密度；
2、做工地現(xiàn)場(chǎng)勘察
實(shí)際上：根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際運(yùn)用上，多采用1類。查出滾球法半徑D。
3、計(jì)算和選擇合適的保護(hù)半徑：根據(jù)上列Rp= h (2 hr – h ) 公式，設(shè)計(jì)人員需考慮所選擇避雷針的型號(hào)，其保護(hù)半徑將能覆蓋在不同垂直距離上的受保護(hù)平面。

避雷針選型確定以后，安裝時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：
a.磚木結(jié)構(gòu)的房屋，可把避雷針?lè)笤O(shè)在山墻頂部或屋脊上，用抱箍或?qū)︽i坶絲固定于梁上，固定部分的長(zhǎng)度為針高的1/3。也可以將避雷針嵌于磚墻或水泥中，為了結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固，插在磚墻中的部分為針高的1/3，插在水泥中部分約為針高的1/4-1/5。

b.對(duì)于平頂屋上的避雷針應(yīng)安上底座與屋頂層連接，并用螺絲緊固好。

引下線

連接接閃器與接地裝置的金屬導(dǎo)體稱為引下線。

雷擊時(shí)引下線上有很大的雷電流流過(guò)，會(huì)對(duì)附近接地的設(shè)備、金屬管道、電源線等產(chǎn)生反擊或旁側(cè)閃擊。為了減少和避免這種反擊，現(xiàn)代建筑利用建筑物的柱筋作避雷引下線，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明這種方法不但可行，而且比專門引下線有更多的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橹摻钆c木梁、樓板的鋼筋，都是連接在一起的和接地網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)整體的"法拉第"籠，均處于等電位狀態(tài)。雷電流會(huì)很快被分散掉，可以避免發(fā)擊和旁側(cè)閃擊的現(xiàn)象發(fā)生。

關(guān)于引下線，"規(guī)范"作如下規(guī)定：《GB50057-94》引下線一般采用圓鋼或扁鋼，其尺寸不小于下列數(shù)值：
圓鋼直徑為 8mm；扁鋼截面為 48mm2；扁鋼厚度為 4mm。

裝在煙囪上的引下線其尺寸不小于：圓鋼直徑?12mm；扁鋼厚度為4mm，截面積為100mm2。

所有引下線要鍍鋅或涂漆，在腐蝕性較強(qiáng)場(chǎng)所，還應(yīng)加大截面積或采取其他防腐措施。

引下線的固定支撐點(diǎn)間隔不得大于1.5-2m，引下線的敷設(shè)應(yīng)保持一定的松緊度，不能拉的太緊，以免熱脹冷縮而拉斷。

為了減少引下線的電感量，引下線應(yīng)沿最短接地路徑敷設(shè)。對(duì)于建筑藝術(shù)要求較高的建筑物，引下線可采用暗敷設(shè)，但截面要加大。

由于建筑物的造型不同，不能做直線引下時(shí)，應(yīng)注意彎曲開(kāi)口處兩點(diǎn)間的直線距離不得等于或小于彎曲部分線段的實(shí)際長(zhǎng)度的0.1倍，一般彎曲處不用銳角盡量避免用直角。

引下線應(yīng)裝在人員不易碰到的隱蔽地點(diǎn)，以防接觸電壓的危害。

距地面2M以內(nèi)的引下線，應(yīng)有良好的保護(hù)，用瓷管或耐陽(yáng)光的塑料管套住，避免人或動(dòng)物觸碰。

為便于檢查避雷設(shè)施連接導(dǎo)體的導(dǎo)電情況和接地體的散流電阻，要在每根引下線上做斷接卡子，斷接卡子"規(guī)范"規(guī)定距地面為1.8M。暗裝引下線也應(yīng)在相應(yīng)的地方做斷接卡子接線盒。（利用混凝土柱鋼筋做引下線時(shí)，不必做斷接卡子，但必須引出測(cè)量線端子外露墻面）斷接卡子必須鍍鋅，并保護(hù)接觸面嚴(yán)密，接觸面不得小于10mm2卡接母絲直徑必須大于8mm，卡接母絲上應(yīng)套有彈簧墊圈。