一、雷電防護概述
雷電是一種極具破壞力的自然現象，其電壓可高達數百萬伏，瞬間電流更可高達數十萬安培。千百年來，雷電所造成的破壞可謂不計其數。落雷后在雷擊中心1.5-2Km半徑的范圍內都可能產生危險過電壓損害線路上的設備。雷電災害如同暴雨、颶風一樣都屬于氣象（自然）災害，它與水、旱、刑事犯罪、交通事故統稱為影響社會安全和經濟發展的六大災害。
一般而言，雷電災害具有突發性、多樣性、復雜性、破壞性和選擇性等特點。隨著現代化高新技術產業基礎——電子技術的迅速發展和廣泛運用，雷電災害跟蹤而至，還呈現出新的特點：受災面大大擴展，特別容易侵入與高新技術最密切的領域，損失和危害程度大大增加。近年來，隨著大量的數據設備和精密儀器應用的范圍日益廣泛，雷電損害造成的事故有逐年上升的趨勢。由于通訊計算機網絡精密設備內部結構的高度集中化，使設備耐受過電壓、過電流的能力下降，更易遭受雷電破壞。輕者可造成計算機終端和通信設備的接口損壞，使通信中斷，大量信息丟失或無法傳輸；嚴重者使網絡主機損壞，導致網絡癱瘓，工作無法進行。計算機網絡系統易遭受雷擊損壞的設備有：MODEM（調制解調器）、ROUTER（路由器）SWITCH（交換機）、HUB、網卡、通信卡、UPS、計算機電源及主板。
在雷電災害防御方面，縱觀人類防雷歷史，已有兩個多世紀，從建筑物防雷發展到供電防雷、電氣和電子設備防雷，現在已進入第四個階段即現代微電子設備防雷。防雷技術和產品，也隨著現代高新技術發展得到顯著發展，除傳統的避雷針引雷攔截技術外，已擁有消散削減、屏蔽隔離、抑制分流、疏導均衡等電位、優化接地泄放和雷電控測定位預警等技術，并相應研制出多種高科技的隔離裝置、電涌保護器、高效防腐降阻劑等設備、器件和產品，出現了火箭與激光等人工影響雷電的裝置和雷電探測預警系統設備，這都為有效防御治理雷電災害奠定了技術和物質基礎。
工業化和科技的進步使得各種高層建筑和特殊用途建筑如雨后春筍般的拔地而起，這也為雷電防護提出了大量新的問題。“靜電抵抗”、“電磁干擾”、“熱島效應”等等的問題都有待進一步區研究和解決。近十多年來圍繞這些問題人們進行了不懈的努力，提出了許多新的防雷理論，研制出一大批新的防雷器件、設備和材料，開發出許多全新的雷電防護技術。我國于1994年頒布了新的《建筑物防雷設計規范》GB 50057-1994，該規范參考了大量國際標準，對原有的規范做了大量的修改，無論從指導思想、技術要求還是技術措施上講都處在國際領先地位，這也標志著我們國家對雷害的重視。

二、雷電防護的基本理論
（一）、雷擊侵入設備的途徑
A. 直接雷擊：是指雷電直接擊在建筑物構架、動植物上，因電效應、熱效應和機械效應等造成建筑物等損壞以及人員的傷亡。一般防直擊雷是通過避雷裝置即接閃器（針、帶、網、線、）引下線構成完整的電氣通路后將雷電流泄入大地。然而接閃器、引下線和接地裝置的導通只能保護建筑物本身免受直擊雷的損毀，但雷電會透過多種形式及途徑破壞電子設備。
B. 感應雷擊：雷云放電時，在附近導體上產生的靜電感應和電磁感應等現象稱之為感應雷擊。雷電在雷云之間或雷云對地的放電時，并在附近的戶外傳輸信號線路、埋地電力線、設備間連接線和電磁感應并侵入設備，使串聯在線路中間或終端的電子設備遭到損害。感應雷雖然沒有直擊雷猛烈，但其發生的幾率比直擊雷高得多。直擊雷只發生在雷云對地閃擊時才會對地面造成災害，而感應雷則不論雷云對地閃擊或者雷云對雷云之間閃擊，都可能發生并造成災害。此外直擊雷一次只能襲擊一個小范圍的目標，而一次雷閃擊都可以在較大的范圍內多個小局部同時產生感應雷過電壓現象并且這種感應高壓可以通過電力線、電話線等傳輸到很遠，致使雷害范圍擴大。
裝有避雷針的建筑物，可以避免雷擊損壞建筑物，但是雷擊通過避雷針的地線從建筑物頂端瀉放入大地或者附近發生雷擊的時候，會產生很強的電場，建筑物內的所有金屬物品均會產生感應電壓，這些感應電壓的高低隨著金屬形狀、距地線的距離和雷擊大小而變（根據IEC 61312標準，當雷擊擊中建筑物時，即使裝有避雷針，直擊雷電流50%的通過引下線和接地系統入地，仍然會有大約50%的雷擊能量仍會分配到電源系統）一旦您的電源輸入線、電話線、網絡線或其它電子設備的金屬引出、引入線感應到瞬間高壓，避雷針就無能為力了。感應雷擊破壞的主要對象是電子電氣設備。
C、電磁脈沖：由于雷電電流有極大峰值和陡度，在它周圍出現瞬變電磁場，處在這瞬變電磁場中的導體會感應出較大的電動勢，而此瞬變電磁場，都會在空間一定的范圍內產生電磁作用，也可以是脈沖電磁波輻射，而這種空間雷電電磁脈沖波（LEMP）是在三維空間范圍里對一切電子設備發生作用。因瞬變時間極短或感應的電壓很高，以致產生電火花，其電磁脈沖往往超過2.4高斯（約20KA/m）。依據GB/T 2887-2000《電子計算機場地通用規范》現代銀行、郵電、證券機房或營業柜臺普通應用微機進行貨幣存取、信息傳遞與交換，其對磁脈沖承受限度應小于800A/m，故在新機房建設或舊機房改造時應對防雷與磁屏蔽措施必須充分注意。
D．地電位反擊：建筑物的外部防雷系統（如避雷針、避雷網等）遭受直接雷擊，在接地電阻的兩端就會產生危險的過電壓，由設備的接地線、建筑物或附近的其他建筑物的外部防雷系統或其他自然接閃物（各種管道、電纜屏蔽管等）引入設備，造成設備的損壞。



（二）、雷擊防護的基本原理
所謂雷擊防護：就是通過合理、有效的手段將雷電流的能量盡可能的引入到大地，是疏導，而不是堵雷或消雷。一個完整的防雷系統包括兩個方面：直接雷擊的防護和感應雷擊的防護。缺少任何一面都是不完整的、有缺陷的和有潛在危險的。一般我們將其分為外部避雷和內部避雷兩部分。由避雷針（或避雷帶、避雷網）、引下線和接地系統構成外部防雷系統，主要是為了保護建筑物免受雷擊引起火災事故及人身安全事故；而內部防雷系統則是防止雷電和其它形式的過電壓侵入設備中造成損壞，這是外部防雷系統無法保證的，為了實現內部避雷，需對建筑物進出各保護區的電纜、金屬管道等安裝過電壓保護器進行保護并良好接地。
A、多級分級（類）保護原則：即根據電氣、微電子設備的不同功能、受保護的程序和所屬保護區域確定防護要點作分類保護；根據雷電和操作瞬間過電壓危害的可能通道，對電源線和數據、通信線路都應做多級層保護。
B、外部無源保護：在0級保護區即外部作無源保護，主要依靠避雷針（網、線、帶）和接
地裝置。保護原理：當雷云放電接近地面時，它使地面電場發生畸變。在避雷針（線）頂部，形成局部電場強度畸變，以影響雷電先導放電的發展方向，引導雷電向避雷針（線）放電，再通過接地引下線，接地裝置將雷電流引入大地，從而使被保護物免受雷擊。這是人們長期實踐證明的有效的防直擊雷的方法。建筑物的所有外露金屬構件（管道），都應與防雷網（帶，）良好連接。?
C、內部防護
（1）、電源部分防護：雷電侵害主要是通過線路侵入。對高壓部分電力局有專用高壓避雷裝置，電力傳輸線把對地的電力限制到小于6000伏（IEC62.41），線對線則無法控制。所以，對380v低壓線路應進行過電壓保護，按國家規范應分三部分：建議在高壓變壓器后端到建筑總配電盤前端的電纜內芯線兩端應對地加裝電涌保護器，作一級保護；在建筑總配電盤至各樓層分配電箱間的電纜內芯線兩端應對地加裝電涌保護器，作二級保護；在所有重要的、精密的設備以及UPS的前端應對地加裝電涌保護器，作為三級保護。目的是用分流（限幅）技術即采用高吸收能量的分流設備（電涌保護器）將雷電過電壓（脈沖）的能量分流泄
入大地，達到保護目的，所以，分流、等電位技術中采用防護器的品質、性能的好壞是直接關系網絡防護的關鍵，因此，選擇合格優良的電涌保護器至關重要。
（2）、信號部分保護：
對于信息系統，應分為粗保護和精細保護。粗保護量級根據所屬保護區的級別確定，精細保護要根據電子設備的敏感度來進行確定。其主要考慮的如：衛星接收系統、電話系統、網絡專線系統、監控系統等。建議在所有信息系統進入樓宇的電纜內芯線端，應對地加裝電涌保護器，電纜中的空線對應接地，并做好屏蔽接地，其中應注意系統設備的在線電壓、傳輸速率、按口類型等，以確保系統正常的工作。

（3）、接地處理
在計算機機房的建設中，一定要求有一個良好的接地系統，因所有防雷系統都需要通過接地系統把雷電流泄入大地，從而保護設備和人身安全。如果機房接地系統做得不好，不但會引起設備故障，燒壞元器件，嚴重的還將危害工作人員的生命安全。另外還有防干擾的屏蔽問題，防靜電的問題都需要通過建立良好的接地系統來解決。一般整個建筑物的接地系統有：建筑物地網（與法拉第網相接）、電源地（要求地阻小于10歐）、邏輯地（也稱信號地）、防雷地等，有的（如IBM）公司要求另設專用獨立地，要求地阻小于4歐（根據實際情況可能也會要求小于1歐）。然而，各地必須獨立時，如果相互之間距離達不到規范要求的話，則容易出現地電位反擊事故，因此，各接地系統之間的距離達不到規范的要求時，應盡可能連接在一起，如實際情況不允許直接連接的，可通過地電位均衡器實現等到電位連接。為確保系統正常工作，應每年定期用精密地阻儀，檢測地阻值。接地裝置由接地極及一些附件、輔助材料組成。接地裝置的選材和施工主要決定于土質結構，即土壤的地阻率ρ。不同層土質結構不同，因而地阻率ρ不同，為增加接地裝置使用效率，可使用長效降阻劑。
D、有外部防雷措施同時更需要完善內部防雷措施
我們知道外部防雷措施中避雷設施的引下線在接閃以后，會有很大的瞬變電流通過，也就是說在周圍會產生很大的瞬變電磁場（LEMP）。因此，安裝了外部避雷措施不能代替內部防雷措施。再者，我們都知道，避雷針的工作原是引雷，所以在概率上來說，安裝了避雷針以后，建筑物的避雷系統遭受雷擊的可能性會增大，也就是說LEMP發生的幾率會變大，過電壓產生點的距離會縮短（引下線處），所以安裝了外部避雷措施的含有電腦網絡等系統的大廈更加需要內部防雷措施。


三、廠區直擊雷防護方案設計：

（一）、概況：
本廠區共有廠房十三座，其中126m×80m×15m(長×寬×高)的廠房一座（暫定名為1號樓）；80m×30m×15m的廠房三座（暫定名為2、3、4號樓）；40m×30m×15m的廠房九座（暫定名為5--13號樓）；均要求采取措施防止直擊雷的危害，且廠區的聯合接地電阻要求達到1歐姆以下。

（二）、設計方案
直擊雷的防護擬采取針、帶相結合的形式，即在廠房屋頂安裝避雷針，在廠房屋頂四周易遭雷擊部位敷設避雷帶的方式進行直擊雷的防護。
傳統避雷針由于保護范圍小，引雷不準確，存在繞擊和側擊等問題而逐漸被非傳統避雷針所取代。ESE避雷針（提前放電避雷針）是近十幾年來被廣泛應用的一種非傳統避雷裝置，
與傳統避雷針比較，該裝置具有保護范圍大，接閃準確，不易發生繞擊和側擊現象等優點（詳見附錄“satelit+”ESE避雷針簡介）。本方案在廠房屋頂設計安裝ESE避雷針，在廠房屋頂四周敷設避雷帶，按規范要求做好引下線和接地，并且聯合接地電阻達到1歐姆以下。

1、雷電風險評估

雷電防護工程設計的依據之一是雷電防護分級，其關鍵問題是防雷工程按照什么等級進行設計，而雷電防護分級的依據，就是對工程所處地區的雷電環境進行風險評估。
本案中，首先要對廠區年預計雷擊次數進行計算，以便確定廠房屬何種級別的防雷建筑物，然后進行避雷針保護范圍的設計。
建筑物年預計雷擊次數按下式計算： N = kNgAe ；Ng = 0.024Td 1.3
式中　N 建筑物預計雷擊次數（次/a）；
k 雷擊次數校正系數；一般情況下取1；
Ng 建筑物所處地區雷擊大地的年平均密度[次/（km2·a）]；
Ae 與建筑物截收相同雷擊次數的等效面積（km2）；
Td 該地區的年平均雷電日數； 蘇州市年平均雷電日數為36次/年

在下列情況下k取相應數值：a、位于曠野孤立的建筑物取2；b、金屬屋面的磚木結構建筑物取1.7；c、位于河邊、湖邊、山坡下或山地中土壤電阻率較小處、地下水露頭處、土山頂部、山谷風口等處的建筑物，以及特別潮濕的建筑物取1.5；d、一般情況取1。
Ae=（LW+2（L+W）·+πH（200-H））·10-6
L、W、H——分別為建筑物的長、寬、高。本案中，可取所有廠房的面積的總和來計算建筑物截收相同雷擊次數的等效面積。
根據以上年預計雷擊次數參數，整個廠區的預計年雷擊次數 N為2.17次/年。依據以上計算，按照GB 50057-94《建筑物防雷設計規范》第2.0.3條第九款的規定，其屬于標準規定的“預計年雷擊次數大于0.3次/年的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物”。因此應定為二類防雷建筑物，按二類防雷建筑物的防護標準進行直擊雷和感應雷裝置的設計。

2、“satelit+”ESE避雷針保護半徑的計算

①公式法

ESE避雷針的保護半徑按下式計算：



式中：
Rp為所考慮的水平面上的保護半徑
h為針尖相對于被保護物頂部的水平高度差
D為滾球半徑（閃擊距離）
第一類建筑物為20m(GB50057-94規定D=30m)
第二類建筑物為45m
第三類建筑物為60m
△L為“satelit+”的上行搶先距離
△L=V（米/微秒）·△T（微秒）
V為先導傳播速度，實驗數據表明：V=1米/微秒
上式表明：“satelit+”的保護半徑與高度(h)有關，與它的啟動搶先時間（型號）有關，以及與所選的保護級別有關。
②表格法