“法拉第笼”在建筑防雷中的理论与实践

李文西 张立阳

【摘 要】雷电是宇宙中的自然现象。人类还不能控制其发生。“可防不消。”只能积极采取一些措施，避免其对人类社会造成危害。本文采用“法拉第笼”的原理，可利用建筑物钢筋网形成分格的“法拉第笼”，使笼内各区间电位差趋于零，从而人员在等电位网格内不受电位差值的侵害。建筑物钢筋网通过引雷、导雷、泄雷装置，形成雷电的有效通路，使整体建筑物钢筋网构成为雷电流传导装置，将雷电流引入大地这个“电荷吸收体”。确保雷击发生时建筑物内人员安全。

【关键词】法拉第笼；零电位；接闪器；引下线；接地装置

【Abstract】Lightning is a natural phenomenon in the universe. Humans cannot control their occurrence. "It can be prevented." Only some measures can be taken to avoid harm to human society. In this paper， the principle of "Faraday cage" is adopted， and the "Faraday cage" of the building reinforcement mesh can be used to make the potential difference of each section in the cage tend to zero， so that the personnel are not affected by the potential difference in the equipotential grid. . The steel mesh of the building forms an effective passage for lightning by means of lightning， lightning， and lightning discharge devices， so that the overall building steel mesh is formed as a lightning current conducting device， and the lightning current is introduced into the "charge absorber" of the earth. Ensure the safety of personnel in the building when a lightning strike occurs.

【Key words】Faraday cage；Zero potential；Lightning receptor；Down conductor；Grounding device

從人类形成到现代文明社会为止，宇宙中雷电的发生，就一直在“可防不消”中没有消停过。雷电是大气中集正负电荷云块之间，或带电荷云层与地面之间所发生的一种强烈的自然放电现象。雷电虽然是一种人类还不能控制其发生的宇宙中自然现象，但为避免它对人类社会造成的侵害，人们通过长期的观测研究，对雷电现象及其特性、发生和发展的规律已经取得了一定的认知，并在此基础上形成了雷电防护的理论和实践。利用钢筋混凝土建筑物防雷装置就是其中主要方法。建筑物防雷装置从上到下由接闪器、引下线、接地装置三大单元组成。

1. 接闪器：

接闪器实际上是把大地零电位抬高至建筑物顶层空间。专门用来接受雷电击的金属物体。有避雷针、避雷线、避雷网、避雷带等几种形式，避雷针宜采用圆钢或焊接钢管，避雷网和避雷带宜用圆钢或扁钢，避雷线一般采用镀锌钢绞线，由于电流传导中的“集肤效应”，故一般情况下，优先采用圆钢，或钢管，接闪器实际上是引雷金属物体，把原来可能向被保护物体方向发展的雷电，吸引到接闪器本身，然后经与接闪器相连的引下线和接地装置，将雷电流传导到大地。大地这个“电荷吸收体”的零电位，使雷电消失平衡，从而使被保护物体，免受空中雷电的雷击所造成侵害。

2. 引下线：

将雷电流传导到大地中去的各垂直部分，即引下线，宜采用热镀锌圆钢或扁钢，优先采用圆钢。防雷引下线应优先利用钢筋混凝土建筑物的柱或剪力墙中的主钢筋，还宜利用建筑物的钢柱、金属烟囱等作为引下线。专设引下线应沿建筑物外墙外表面明敷，选择最短路径与接地装置连接接地。引下线的水平间距国家有规范，一般情况下，相当于建筑物的柱间隔。间隔太大，或不均等，要影响钢筋笼内各网格空间的电位平衡，有一定的风险。

3. 接地装置：

（1）接地线与接地极合称接地装置，由若干接地极在大地中相互用接地线连接起来的接地极，它是埋入大地中与大地接触的金属导体，直接将雷电流传导进入大地。接地装置，应优先利用建筑物基础内钢筋混凝土内的主钢筋作为自然接地体，当不具备条件时，应做人工接地极，埋于地表800毫米下土壤中。接地极互相间距，因受传导电流电场“屏蔽效应”影响，极长比间距一般应大于一比二，如极长2500毫米，极间距则为5000毫米。人工垂直接地极宜采用热镀锌角钢、钢管；埋于土壤中的人工水平接地线采用热镀锌扁钢或圆钢，其截面应与垂直接地线截面相同。因雷电压传导至建筑物底层时，正负零行人地面可能存在“集聚电位”。故在建筑物各处人流线处，设计者应设置距离建筑物600至800毫米间的防“跨步电压”的均压环，均压环延长线为人流线顶端延伸1500毫米，埋于地表600至800毫米下土壤中，上面铺设150至200毫米厚沥青砂。建筑物高度超过100米者，此均压环不少于二道。最好沿着建筑物平面四周环设。建筑物高度女儿墙至地表超过24米的接地装置，其接地电阻实测，冬季为零始为合格。

（2）可以看出，人们在装设防雷装置保护建筑物时，雷电流是经接闪器 ，引下线传递到接地装置这个通路，将雷电流传导入大地这个“电荷吸收体”。这套防雷装置，是人为地将建筑物整体，提高至建筑物的顶层空间，因此布置建筑物防雷装置时，特别强调各传导体间的零电位，这就意味着防雷装置设置“法拉第笼”的整体特性，如不充分、不合理，就没有起到防雷的作用，反而会引雷，造成比较危险的结局。设计要承担法律责任的。

（3）仔细阅读《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010，就会发现规范对接闪网格大小及引下线间距均有要求，接闪器是直接引雷的金属物体，规范对其的规定如下表1所示，第一、二、三类防雷建筑物详见《建筑物防雷设计规范》GB50057中的建筑物的防雷分类。再如，引下线是传导雷电的垂直部分的金属物体，规范对其的规定如下表2所示。还有，接地装置是泄雷的埋在地下的金属物体，规范对其垂直接地体直径、水平接地体截面积等都有明确的规定（接闪器布置见表1，防雷引下线的数量及间距见表2）。

（4）以上规范中的数值都是经过实践的考验，，因此，要以规范为基础，将防雷与接地设计做到合理、缜密、安全。

（5）现如今的钢筋混凝土建筑物，其骨架钢筋，均应为钢筋混凝土建筑物的主体构件，这就为防雷与接地设计提供了便利，为防雷与接地施工提供了很好的作业平台，完全可以利用钢筋混凝土结构内的钢筋作自然防雷装置。笔者认为在符合规范的基础上，为确保“法拉第笼”可以将接闪器的网格尺寸再做小一点，并将屋面的金属物体与接闪器可靠焊接。引下线利用钢筋混凝土柱子內的钢筋，尽量多利用钢筋混凝土柱子内钢筋，那怕将建筑物的所有柱子都作为引下线也不为过，因为见过钢筋混凝土建筑物施工现场的会发现，整个钢筋混凝土建筑物剔除混凝土外，就是一个巨型钢筋网，所有钢筋都是间接或直接相连接。在设计的时候，笔者建议，多做引下线不会增加钢筋量，只是多一些焊接工艺而已，对建设单位来说，增加不了多少投资，对施工单位来说，增加不了多少成本，这样带来的好处是，雷电流导电的通路有了更多的选择性，雷电流会第一时间选择最短路径，以最短时间泄雷进入大地，最终目的还是安全。接地装置也一样，多利用建筑物基础内水平面的纵向、横向钢筋网，增大了钢筋混凝土建筑物整个基础的雷电传导通路。

（6）其实，多利用建筑物自身结构内的钢筋，如前所说，一个建筑，剔除混凝土部分，余下部分就是一个巨型钢筋网，在此基础上，在屋面多设几道接闪网格，多利用几处钢筋混凝土柱子作引下线，多利用结构基础阀板内的钢筋，整个钢筋网的网格划分的越小越好，从而形成一个完整的“法拉第笼”。实验表明，人站立在这种由金属或者良导体形成的笼体内，笼内各钢筋网格均为零电位，将手贴在笼内的钢筋网格上，笼内人员无触电感觉，同时，因为人体触电的身体的不同部位有时存在电位差，笼内人员还可以体验电子风的清凉感觉。“法拉第笼”是一个等电位体，内部电势差为零，电场为零，人的身体并不存在电位差，没有电流通过，所以没有触电的感觉，所以“法拉第笼”是安全的。正是基于这样的理论，整个防雷装置宜利用建筑物自然钢筋混凝土结构内的钢筋，形成一个巨大的“法拉第笼”，来防护雷击产生的事故，不使其对建筑物产生危害，以达到保护建筑物内人类与财产的安全目的。笔者认为，这是一项利用自然节省投资，值得推广的技术措施。

[文章编号]1619-2737（2018）05-25-851