某大樓防雷問題分析及改造措施

王世榮

（漯河供電公司，河南 漯河 462000）

對于建筑物防雷而言，最具破壞作用的不是雷直擊建筑而是由雷電放電電磁脈沖對建筑物用電設備的影響。由于建筑物防雷措施不完善，我國這些年也雷害擊建筑物造成的事故頻繁、聚增。據一些省市統計，由雷害引起建筑物內電子設備的損失約占由雷電災害引起的總損失的80%，造成了巨大的經濟損失和無法估量的間接損失與杜會影響。某大樓在2008年完工，由于建筑物較高，防雷措施不完善，在2009—2011年間雷雨季節出現過多次打壞家電設備的情況，其中比較嚴重的是發生過兩次打壞樓頂風機，一次打壞大樓電梯控制柜，造成人員在電梯內被困長達一個小時。因而，有必要對該建筑進行防雷問題分析并找出防雷薄弱點以改進，減少因雷擊造成的損壞。

1 現有防雷措施

1.1 大樓防直擊雷措施

在直擊雷的防護上，某大樓采用在女兒墻頂部用不銹鋼進行包裝以形成整棟大樓的避雷帶。在避雷帶的接地上，采用樓體鋼筋骨架作為接地引下線，采用大樓基礎自然接地作為大樓防雷接地。現場測量大樓接地電阻為8Ω，符合建筑物防雷設計[1]要求中對接地的要求。

1.2 大樓其他防雷措施

大樓供電系統是從 10kV變電站出線后采用先采用架空線再經電纜引至大樓供電室，在電纜的接頭處安裝有避雷器對電纜頭進行保護，大樓供電采用4臺160kVA的變壓器對整棟大樓進行供電，在大樓供電室變壓器的防雷上，4臺變壓器都是僅在高壓側裝有避雷器，低壓側在電容補償器側裝有一組低壓避雷器，用來限制電容補償器在投切時產生的過電壓，如果低壓無功補償裝置退出運行，整個大樓的低壓設備將失去過電壓保護。

在大樓機房的接地上，沒有采用獨立的地網，也是直接采用大樓基礎接地，在接地上沒有采用強制等電位連接。在機房電源的防雷配置上，也沒有安裝低壓避雷器對機房電源進行保護。

2 雷電入侵途徑

2.1 大樓避雷帶引入雷電

由于樓體較高，在附近屬于較高的建筑物，而且大樓四用較為開闊，當附近有雷電活動時，容易造成雷電直接擊中大樓避雷帶[2]，強大的雷電流就會經由接地引下線泄入大地，由于大樓較高，接地引下線較長造成感抗較大。由于感抗較大的作用和接地引下線較多的問題，而使得雷電流作用下的地電位分布極不均勻[3]，就容易引起大樓接地局部地區的地電位升高而在大樓內部不同的樓層形成電位差。同時由于接地網和引線附近有大量的低壓電纜、通信等弱電設備，這個電位差在信號線纜屏蔽層產生表皮電流，然后通過芯線與屏蔽層之間的耦合對信號線纜芯線產生干擾電壓[4]，造成電子設備的干擾甚至損壞。

2.2 架空線路或配電線纜引入雷害

由于大樓供電是通過外界架空線路進行供電，而戶外的架空線路和的電纜極易遭雷擊或雷電感應[5]，在供電線路上有雷電過電壓后，雷電暫態過電壓通過低壓變壓器之后，經由電磁感應或各種耦合方式入侵到大樓低壓供電系統，由于供電室和大樓機房直接相連，雷電暫態過電壓就會危及到通信設備，通常會造成通信設備因雷電過電壓而打壞。

2.3 大樓附近的空間電磁感應

雷擊建筑物附近時，由于大樓并不是一個完整的法拉第籠，雷電電磁脈沖會通過空間輻射的方式部分地穿透建筑物的屏蔽體而在室內電子系統中產生過電壓干擾。

3 雷電防雷不足之處

3.1 大樓樓頂線路防感應雷措施不完善

大樓樓頂風機和裝飾供電線路都是裝在 PVC管內的，裝飾電源選用的為防雨電源，防雨電源最大的特點是產品采用密閉灌封方式，防水防潮。但并不具有防雷的功能。

當雷電在大樓附近活動時，流過避雷帶的雷電流在避雷帶附近的平行金屬導線導體上產生的感應過電壓可用下式表示[6]：

式中，a為平行金屬導體相對避雷帶的距離，單位m；為雷電流的幅度與前沿之比，通常稱之為雷電流的陡度，di單位 kA，dt單位μs；Vj為和避雷針平行的金屬導線導體上因避雷針的二次雷擊效應而產生的感應過電壓，kV/m。

從上式可以看出，雷電流陡度越大，產生的感應過電壓越大，前沿越窄的雷電波的破壞性也越大。隨著距離a的增加，感應過電壓逐步減小。

從現場情況可知，由于大樓樓頂線路裝在PVC管而不是金屬管中，當雷電直擊大樓防雷帶或大樓附近有雷電活動時，而且由于大樓避雷帶上就裝有導線，相當于a為 0，由于電磁耦合會在大樓樓頂線路上產生較高的感應過電壓，相當于雷電直擊于線路，將會直接打環裝飾用的直流電源。而且風機電源沒有過電壓防護措施，風機供電線路中的過電壓將直接傳輸到配電間，將對整個大樓的供電安全造成威脅。

3.2 低壓線路防雷措施不完善

由前面的分析可知，由于大樓樓頂供電線路未采取限制雷電過電壓和防雷電感應過電壓措施，這樣當沒有進行屏蔽處理供電線路受到感應雷的襲擾后，由于沒有安裝避雷器，在供電線路上產生的感應過電壓會沿著 400V低壓線路傳遞到大樓配電間時，也會在沿大樓樓頂24V裝飾供電線路進入到大樓樓頂裝飾用供電電源盒內。雷電入侵到 400V線路后會沿 400V線路傳播，可能會打壞樓頂風機或者大樓內辦公設備，同時由于變壓器低壓側沒有安裝避雷器，沿 400V供電線路傳播的過電壓會通過電容耦合和電磁感應的方式傳遞至變壓器的高壓側，可能會對配電變壓器高壓側絕緣構成威脅。由于大樓裝飾供電電源沒有采取任何防雷措施且其耐沖擊電壓水平很低，只有2000V左右，由前面對樓頂感應過電壓的分析可知，這樣很容易造成裝飾供電電源打壞。

3.3 配電室和機房接地不完善

由于機房接地沒有合理的等電位聯接，如果發生雷擊大樓避雷帶，由于多根接地引下線泄流不平均，在機房內不同的接地點之間必定會出現電位差，由于機房設備耐沖擊水平不是很高，這個電位差很容易造成機房內二次設備損壞。

4 防雷改造措施

4.1 對樓頂線路進行穿鋼管防護

屏蔽是采用導電或導磁材料做成屏蔽體，將要保護的設備放在屏蔽體內，并將屏蔽體良好接地。這樣在屏蔽體外側存在電磁干擾時，由于屏蔽體的屏蔽和接地的作用，電磁干擾在傳輸到屏蔽體時，會由于屏蔽體的接地作用泄放掉部分干擾能量，使外界干擾能量不容易從屏蔽體的外側傳輸到屏蔽體內側，進而可以對屏蔽體內的物體進行保護以免受外界電磁干擾的影響。由于大樓樓頂導線沒有采取防雷措施，而且導線直接位于大樓的避雷帶上，由前面的分析可知，在雷擊大樓時，樓頂導線會極容易感應出過高的過電壓而對整個大樓的供電系統造成危害。采用穿鋼管技術，可以將導線在空間上與電磁脈沖輻射環境相隔離，進而極大減小電磁脈沖場對導線的耦合，降低外界電磁干擾在供電線路上產生的過電壓，進而保護配電設備不受損壞。對樓頂暴露在外面的導線進行穿鋼管是實施樓頂線路電磁脈沖防護的重要手段之一，也是屏蔽的主要目的。

4.2 增強低壓供電線路的防護力度

為了降低入侵到配電室和機房的雷電過電壓，按照國際電工標準IEC1312-1技術要求和SPD安裝原理，機房和配電室應當采用三級防雷保護方式[7]。即變壓器兩側作為第一級防雷，直流電源兩側為第二級防雷，電源輸入終端作為第三級防雷。三級防雷可以把能量逐級泄放掉，也可以減小由于低壓侵入的雷電波對電源系統的影響，三級防雷保護SPD安裝如圖1所示。在SPD的選擇上，可以根據要安裝地方不同和被保護設備耐沖擊電壓不同選擇相對型號的SPD，具體選擇何種型號的SPD在這里不在敘述。

圖1 低壓電源系統防雷保護的配置圖

在 SPD的接線方式選擇上，由于要安裝 SPD的地方較多，如果 SPD的接線 L1+L2的長度小于1m，可能采用圖2中上方接線方式，否則應當采取圖2正文的“V”形接線方式。

圖2 兩種SPD接線方式

4.3 完善變壓器防雷措施

由前面的分析可知，由于大樓的配電變壓器僅采用了在高壓側安裝避雷器的措施，由低壓側傳來的過電壓將對變壓器的正常運行造成威脅。在此建議在變壓器的低壓側也安裝一組避雷器，以防止低壓側過電壓傳遞到高壓側而對變壓器的高壓側絕緣構成危脅。

同時由于大樓現有供電采用的變壓器為普通變壓器，耐雷電沖擊水平較低。在這里建議對于重要設備供電的電源，如大樓風機、電梯及其他重要用電設備等，可以選用耐雷電沖擊水平相對普通變壓器較高的高耐雷變壓器，以保證重要設備的供電可靠性。在高耐雷變壓器的選擇上，可以選用雙曲折防雷變壓器，其相對普通變壓器的耐雷電沖擊水平可提高30%左右。

同時，由于變壓器的高低壓側都裝有避雷器，其接地方式相對于原來僅在高壓側安裝避雷器的接地方式有所改變。此變壓器的接地應當采用“四點共地”的接線方式。如圖3所示，采取這種接地保護方式時，變壓器絕緣在避雷器動作時僅承受避雷器的殘壓，免受了避雷器殘壓加接地引下線上電壓對變壓器主絕緣的沖擊，間接提高了變壓器的耐雷電沖擊水平。在雙曲折變壓器的接地上，也應當采用此種方式。在接地引下線方面，接地引下線應盡可能短，且采用鍍鋅材料以起到防腐蝕作用。

圖3 采用雙曲折聯接及外部保護采用“四點共地”法保護

4.4 等電位連接的完善措施

1）為了使配電室內設備在有故障電流或雷電流流入地網時由于地電位不等而不造成損壞，因此，要在配電室進行接地母線設計，以確保室內所有設備一直處于相同的電位上。在室內等電位環形接地母線的設計上，可在采用截面積不應小于 的扁銅在配電間內距地面 15～30cm高鋪設。在接地母線的接地上，采用截面積為40mm×4mm扁鋼與接地網可靠連接，在與地網的連接上，母線每隔2～4m就應有一個與地網的連接點，在連接點應采取一定的防腐措施。將接地母線做好后，將配電間內所有用電設備及自來水管道、暖氣管道、金屬門窗等均與接地母線相連。在設備與接地母線的連接上，為了防止由于接地引下線過長造成接地感抗過大而造成設備上電壓過高，應使接地引下線做的盡可能短。同時，為防止雷電流入地時在配電間形成的跨步電壓的威脅，在配電間巡視過道上應鋪一定厚度的橡膠絕緣墊。

2）由于大樓機房面積相對較小，只有二十幾平方米，而且都是采用的機柜，要接地的設備較少。因此，在機房內的等電位接地設計上，宜采用S型等電位連接。如圖4所示。由圖中可以看出，S型等電位連接只有一個點連接到大樓共用接地系統中，各設備都直接按星形結構與基準點相連，避免了感應環路的產生。且由于所選用材料為銅，電阻較小，所以各設備基本上位于同一電位點，因此不會有與雷電關聯的低頻干擾進行到機房的信息系統。同時此基準點也是機房內安裝浪涌保護器的基準點。

圖4 S形等電位連接方式

5 結論

本文對某大樓雷害事故較多的原因進行了分析，并采取適當的防雷措施對該大樓進行了防雷改造，取得了較好的防雷效果。同時對大樓防雷有以下建議。

1）對整個大樓供電系統采用三級防雷措施，確保入侵的雷電過電壓在設備的承受范圍以內。

2）為了保證大樓內重要用電設備供電可靠，建議用雙曲折防雷變壓器對大樓內重要設備供電。

3）完善配電室、機房用各樓層的等電位連接，防止因電位不等造成對設備的危害。

[1] GB 50057—1994.建筑物防雷設計規范[S].

[2] 王科耀.高層建筑防雷接地系統及施工中應注意的問題[J].陜西建筑,2009(10): 95-97.

[3] 楊德倫,李景祿,張萌,鄧文斌,等.白沙微波站接地改造分析[J].高壓電器,2011,47(3) :59-63.

[4] 張小青.建筑物內電子設備的防雷保護[M].北京:電子工業出版社,2000.

[5] 張東,曾小榮,廖志華.重慶某10kV線路綜合防雷措施研究[J].2012(5),37-40.

[6] 石光其.智能建筑信息系統雷擊電磁脈沖LEMP研究與防護設計[D],湖南大學,2004.

[7] 曹斌.特殊場所電源系統防雷保護的研究[D],長沙理工大學,2011.