高層建筑防雷設計與施工方案

摘 要：雷電災害是世界公認的最嚴重十大自然災害之一。我國每年因雷擊破壞建筑物內電氣設備的事件時有發(fā)生，所造成的損失非常巨大，因此建筑物的防雷設計就顯得尤為重要。本文介紹了高層建筑的基本防雷裝置，結合不同的防雷建筑物類別綜述了不同雷電種類的防雷措施。

關鍵詞：防雷裝置 防雷類別 防雷措施

1.雷電防護的基本原理

雷電及其它強干擾對通信系統(tǒng)的致損及由此引起的后果是嚴重的，雷電防護將成為必需。雷電由高能的低頻成份與極具滲透性的高頻成份組成。其主要通過兩種形式，一種是通過金屬管線或地線直接傳導雷電致損設備；一種是閃電通道及泄流通道的雷電電磁脈沖以各種耦合方式感應到金屬管線或地線產生浪涌致損設備。絕大部分雷損由這種感應而引起。對于電子信息設備而言，危害主要來自于由雷電引起的雷電電磁脈沖的耦合能量，通過以下三個通道所產生的瞬態(tài)浪涌。金屬管線通道，如自來水管、電源線、天饋線、信號線、航空障礙燈引線等產生的浪涌；地線通道，地電們反擊；空間通道，電磁小組的輻射能量。其中金屬管線通道的浪涌和地線通道的地電位反擊是電子信息系統(tǒng)致損的主要原因，它的最見的致損形式是在電力線上引起的雷損，所以需作為防擴的重點。由于雷電無孔不入地侵襲電子信息系統(tǒng)，雷電防護將是個系統(tǒng)工程。雷電防護的中心內容是泄放和均衡.

2.高層建筑物外部防雷設計與施工

一套完整的防雷裝置包括接閃器、引下線和接地裝置。

（1）接閃器

接閃器有避雷針、避雷帶（網）、消雷器等幾種，采用何種方式應根據建筑物的造型及避雷效果而定。目前工般高層建筑較多采用避雷針、明裝避雷帶和暗裝避雷網相結合的方式，接閃器的布置應符合下面要求。建筑物30m以上部分，每兩層在外圍用扁鋼做暗敷水平避雷帶（可兼做均壓環(huán)及金屬預埋件）；樓頂可利用梁、板內鋼筋相互焊接成尺寸不大于10水1l，m暗裝避雷網。此外，高層建筑的屋頂的金屬旗桿、廣告牌、鋼爬梯、風冒、透氣管、水管、設備等必須與就近的避雷帶、避雷網焊接。利用不銹鋼欄桿樓梯的上人屋面女兒墻，可在其下暗敷扁鋼與支架和引下線焊接牢靠，欄桿間和支架也應焊接。塔樓頂采用避雷針時，為了降低避霄針的高度，增強防雷效果，可采用半導體少長針消雷裝置（一般用于ssm以上的建筑）及 避雷針。

（2）引下線

高層建筑柱主筋和梁板鋼筋可直接利用作為引下線和均壓環(huán)，但應注意意引下線、接地裝置、均壓環(huán)和接閃器間必須牢固可靠地連接。當建筑物高度超過30m時，每三層沿建筑物四周設置均壓環(huán)，30m以上外墻欄桿、金屬門窗等較大金屬物通過預埋件與均壓環(huán)或引下線相連；建筑物內的各種豎向金屬管道每三層要與均壓環(huán)連接一次，平行或交叉的管道間也應跨接。高層建筑室外玻璃幕墻、大型復合金屬板及不銹鋼金屬面材的應用增強了建筑的藝術效果，但同時也對防雷提出了要求。由于幕墻的面板是裝在金屬龍骨架由支座固定在主體結構預埋件上，支座是與預埋件焊接的，所以只需將該處的圈梁或柱與支座

（3）接地裝置

接地裝置是接地體和接地線的總和。接地裝置向大地泄放雷電流，限制防雷裝置對地電壓不致過高，是防雷裝置的重要組成部分。除獨立避雷針外，在接地電阻滿足要求的前提下，防雷接地裝置可以和其他接地裝置共用。

防雷接地電阻通常是指沖擊接地電阻。沖擊接地電阻一般不等于工頻接地電阻，這是因為極大的雷電流自接地體流入土壤時，接地體附近形成很強的電場，擊穿土壤并產生火花，相當于增大了接地體的泄放電流面積，減小了接地電阻。沖擊接地電阻一般都小于工頻接地電阻。土壤電阻率越高，雷電流越大，以及接地體和接地線越短，則沖擊接地電阻減小越多。就接地電阻值而言，獨立避雷針的沖擊接地電阻不宜大于10Ω；附設接閃器每根引下線的沖擊接地電阻不應大于10Ω。為了防止跨步電壓傷人，防直擊雷的人工接地體距建筑物出入口和人行道不應小于3m。

避雷器是用來防護雷電產生的過電壓沿線路侵入變配電所或建筑物內，以免危及被保護設備的絕緣。避雷器是并聯在被保護設備或設施上，正常時處在不導通的狀態(tài)。當出現雷擊過電壓時，避雷器的火花間隙就被擊穿，或由高阻變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，使過電壓對地放電，切斷過電壓，從而實現設備的保護。過電壓終止后，避雷器迅速恢復不導通狀態(tài)，使線路恢復正常工作。避雷器的形式主要有閥型避雷器和管型避雷器，應用最多的是閥型避雷器，其中包括金屬氧化物避雷器。

（4）接地電阻測試

檢測接地電阻，不僅要檢測建筑物的接地電阻值，還要注意均壓措施、露出地面部分的施工工藝、隱蔽工程施工是否符合規(guī)范要求；測量鋁門窗接地電阻值時，應注意按測量儀器使用說明書有關事項進行，即陰雨天不測；土建基礎周圍水泥砂漿地面較多時深測；測試導線與鋁門窗夾層處應輕輕打磨掉氧化層或噴涂層，選在與防雷引線連接一側邊框的較隱蔽處。接地電阻測試儀型號采用zC”B9，儀表必須經專業(yè)計量。在測試前，先將檢流計的指針調零，再將倍率標準桿置于最大倍數，慢搖，同時調整測量標度盤，使檢流計為零，加速搖到1zC0r/min左右，再調到平衡后，讀標度盤的刻度，乘倍率就得所測的電阻值。注意電流探針的接線長度為4‰，電位探測的接線長度為20m。

（5）電氣部分

由于高層建筑在結構上已形成等位體，雷擊對電氣設備的損害主要是感應雷造成的。感應雷通過以下途徑人侵：（1）雷電的地電位反擊電壓通過接地體人侵；（2）由通信信號線路入侵；（3）由交流供電電源線路人侵。

3.高層建筑內部防雷設計

（1）等電位聯接

在做等電位連接時，每層外墻的金屬欄桿、門窗等與均壓環(huán)連通（每一構件不少于兩處）；玻璃幕墻的支架、鋼龍骨等（每層、多點）與均壓環(huán)連通成等電位，以防側擊雷；架空或埋地進

出建筑物的所有金屬管道、金屬構件、電纜金屬外皮及其保護鋼管等，在迸出建筑物處（通過與由基礎接地主鋼筋網焊接引出的2∞×20.0×6預埋鋼板相連通）與防雷接地裝置作等電位聯結；各管道井及各電梯井所在處，均由基礎接地主鋼筋網焊接引出-zIO×4鍍鋅扁鋼與金屬管道及電梯導軌作等電位聯結；把接閃裝置與梁、板、柱和基礎可靠地焊接、綁扎或搭接在一起，同時再把各種金屬設備和金屬管線與之焊接或卡接在一起，使整個建筑物成為良好的等電位體。

（2）屏蔽設施

屏蔽的主要目的是使建筑物內的通信設備、電子計算機、精密儀器以及自動控制系統(tǒng)免遭雷電電磁脈沖的危害。可利用鋼篾混凝土結構內的鋼筋，即建筑物內地板、頂板、墻面、及梁、柱內的鋼筋，使其構成一個六面體的網籠，即籠式避雷網；當鋼筋密度不夠時，可按各種設備的不同需要增加網格的密度，從而實現屏蔽。良好的屏蔽不僅使等電位和分流這兩個問題迎刃而解，而且對防御雷電電磁脈沖也是最有效的措施。此外，建筑物的整體屏蔽還能防球雷、側擊和繞擊雷的襲擊。

（3）合理布線

為了防止防雷裝置接閃時電子設備等管線不受影響，應將這些電線穿于金屬管內，以實現可靠的屏蔽；線路的主干線的垂直部分設置在高層建筑物的中心部位，避免靠近用作引下線的柱筋；在管線較長或橋架等設施較長的路線上，需兩端接地；應注意電源線、天線和屋頂高處的彩燈及航空障礙燈等線路的引人做法；還應在需要的線路上加裝避雷器、壓敏電阻等浪涌保護器。

（4）因靜電感應、電磁感應等高電壓引入的綜合防護

對高壓雷電的第一級設防，降低雷電高壓脈沖幅值，應輸電網金具接地法，通過光纜高電壓擊穿空氣，并通過金具對地放電；將相線與地線并聯電容，架空電線引入的地方設保護電容器；也可采用變壓器隔離法，讓輸人端的電壓達到一定值，變壓器達到磁飽和，失去變壓器的功能。而對電源系統(tǒng)的保護，應使低通濾波器與兩級壓敏電阻相互配合；或是使用電源避雷器時，將電源系統(tǒng)的有效值換算成峰值，考慮到電源系統(tǒng)的波動，一般為10%；為了考慮避雷器的安全，其本身應留出15%的余地。

4. 防雷措施

雷電種類、建筑物的防雷類別等直接決定了所應采取的防雷措施及防雷性能參數要求。

（1）建筑物的防雷類別

第一類防雷建筑物是指制造、使用或儲存炸藥、火藥、起爆藥、火工品等大量危險物質，遇電火花會引起爆炸，從而造成巨大破壞或人身傷亡的建筑物。高層建筑不屬于第1類防雷建筑物。

第二類防雷建筑包括：國家級重點文物保護的建筑物；國家級的會堂、辦公樓、檔案館、大型展覽館、國際機場，國際性通信樞紐、特大，大型火車站、國際港口客運站、國賓館、大型旅游建筑和大型體育場等；國家級計算中心、通信樞紐，以及對國民經濟有重要意義的裝有大量電子設備的建筑物；制造、使用和儲存爆炸危險物質，但電火花不易引起爆炸，或不致造成巨大破壞和人身傷亡的建筑物；有爆炸危險的露天氣罐和油罐；年預計雷擊次數大于0.06次的部、省級辦公樓及其他重要的或人員密集的公共建筑物；年預計雷擊次數大于0.3次的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物；高度超過100M的建筑物。

第三類防雷建筑物包括：省級重點文物保護的建筑物和省級檔案館；省級大型計算中心和裝有重要電子設備的建筑物；19層及以上的住宅建筑和高度超過50m的其他民用建筑物；年預計雷擊次數大于等于0.012次，等于小于0.06次的部、省級辦公樓及其他重要的或人員密集的公共建筑物；年預計雷擊次數大于等于0.06次，小于等于0.3次的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物；年預計雷擊次數大于等于0.06次的一般性工業(yè)建筑物；考慮到雷擊后果和周圍條件等因素，確定需要防雷的21區(qū)、22區(qū)、23區(qū)火災危險環(huán)境的建筑物；年平均雷暴日大于15d/a的地區(qū)，高度為大于或等于15m的煙囪、水塔等孤立高聳的建筑物；在平均雷暴日小于或等于15d/a的地區(qū)，高度大于或等于20M的煙囪、水塔等孤立高聳的建筑物。

上述年預計雷擊次數是表示建筑物遭受雷擊的可能性的參數，用N表示。建筑物年預計雷擊次數N按下式計算：

N=0.024KTD1.3AE×10-6

式中，K——校正系數，一般情況下取K=1；

TD——年平均雷暴日（d/a）；

AE——建筑物截收相同雷擊次數的等效面積（m2）.

4.各種雷電的防護措施

4.1 直接雷的防護

對于高層建筑而言，多屬于第二類或第三類防雷建筑物，均應采取防直擊雷的防護措施。直擊雷防護的主要措施有裝設避雷針、架空避雷線、避雷網，第二類和第三類防雷建筑物的直擊雷防護措施，宜采用裝設在建筑物上的避雷網或避雷針或由其混合組成的接閃器。

4.2 感應雷防護

對于高層建筑屬于第二類防雷建筑物均應采取防感應雷的防護措施，主要有兩方面：

①靜電感應防護。為了防止靜電感應產生的過電壓，應將建筑物內的設備、管道、構架、鋼屋架、鋼窗、電纜金屬外皮等較大金屬物和突出屋面的放散管、風管等金屬物，均應與防雷電感應的接地裝置相連。對第二類防雷建筑物可就近接至防直擊雷或電氣設備的保護接地裝置上，可不另設接地裝置。

②電磁感應防護。為了防止電磁感應，平行敷設的管道、構架和電纜金屬外皮等長金屬物，其凈距小于100mm時，須用金屬線跨接，跨接點之間的距離不應超過30m；交叉相距小于100mm時，交叉處也應用金屬線跨接。此外，長金屬物的彎頭、閥門、法蘭盤等連接處的過渡電阻大于0.03Ω時，連接處也應用金屬線跨接。在非腐蝕環(huán)境，對于不少于5根螺栓連接的法蘭盤可不跨接。防電磁感應的接地裝置也可與其他接地裝置共用。

4.3 雷電侵入波防護

屬于第二類和第三類防雷建筑物的高層建筑物均應采取防雷電侵入波的防護措施。屬于雷電侵入波造成的雷害事故很多，在低壓系統(tǒng)，這種事故占總雷害事故的70%以上。

就雷電侵入波的防護而言，隨防雷建筑物類別和線路的形式不同，措施要求也不一樣。主要措施如低壓線路全線采用電纜直接埋地敷設，在入戶端應將電纜的金屬外皮、鋼管接到防雷電感應的接地裝置上；金屬管道，在進出建筑物處，與防雷電感應的接地裝置相連；第三類防雷建筑物當采用架空線供電時，在進戶處裝設一組低壓閥型避雷器并與絕緣子鐵腳、金具連在一起接到電氣設備的接地裝置上。

5. 結語

綜上所述，對高層建筑物的防雷設計和施工而言，每一個建筑物都有不同的設計和施工方案。在實際的設計和施工中，應從所針對的某一建筑物的實際情況進行探討，在設計中將外部防雷設計和內部防雷設計結合起來；在施工中，應做好接地體、引下線、均壓環(huán)、接閃器等安裝裝置。但切忌干篇一律，應實事求是，結合建筑物的情況，確保整個防雷工程能合理有效，防止或者減少雷電事故的發(fā)生。

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