建筑物雷電防護技術分析

王明磊

（赤峰市氣象局，內蒙古 赤峰 024000）

0 前言

隨著建筑物規模和高度的不斷提升，多樣化現代電氣設備的廣泛應用，建筑物受到雷電傷害的概率不斷提高，很容易導致建筑物及使用者受到嚴重傷害。為提升建筑物防雷性能，雷電防護技術的科學選用極為關鍵，由此可見，本文研究具備較高的現實意義。

1 建筑物雷電防護技術應用要點

建筑物雷電防護技術的應用會受到多方面因素影響，結合相關理論研究和實踐探索，本節將圍繞科學選用雷電防護技術、明確避雷針使用要點、保證接地與等電位連接合理性三方面探討建筑物雷電防護技術應用要點。

1.1 科學選用雷電防護技術

不同建筑物存在不同的構造，同時所處環境、具體功能也存在一定差異，因此，雷電防護技術的應用必須結合這種差異，不得盲目采用統一的雷電防護技術，只有針對性選用技術，方可最大化提升建筑物防雷性能。在具體實踐中，需關注建筑物防雷保護區的科學劃分，具體需要強化對電子設備及儀器的重視，并對這類設備儀器的性能特點進行研究。同時，還需要考慮雷擊干擾后建筑物出現的連鎖反應，相關物品因電流而損壞屬于其中重點，由此充分考慮不同建筑物受到的雷電威脅，充分結合安全和經濟實現雷電保護區的科學劃分。此外，考慮到建筑物內部存在對雷擊抵抗力較低的電子系統，雷擊往往會對這類系統造成嚴重傷害，基于這種傷害預防的雷電防護技術應用也需要得到重視[1]。

1.2 明確避雷針使用要點

避雷針廣泛用于建筑物防雷工程，屬于常用的建筑物雷電防護技術，主要由接地體、引下線、接閃器組成，通過引雷的方式向地下導入強大的電流，即可保護建筑物安全。在避雷針的應用中，必須認識到該雷電防護技術并不適用于所有建筑物，且不同建筑物的避雷針應用也存在一定差異，避雷針較為適合設置于建筑物的頂部突出設施處。值得注意的是，在一些特殊物質干擾下，如建筑物內部的引線和金屬管道相互隔離，避雷針的設置必須得到重視，此時避雷針能夠在建筑物雷電防護中發揮關鍵性作用。為實現避雷針的科學應用，必須明確其適用范圍，相關設計的優化開展、雷電擊中范圍的準確計算也需要得到重視[2]。

1.3 保證接地與等電位連接合理性

接地屬于建筑物防雷的重要組成部分，大量接地環節存在于建筑物裝修過程中，雖然這類接地存在較小的電流數值，但故障出現后引發的短路很容易引發安全問題，為規避安全事故，人身安全防護必須在雷電防護技術應用中得到重視。對于電氣設備外殼，接地措施的合理選用極為關鍵，外殼損害對人身安全造成的威脅需設法規避，避雷針安裝涉及的接地配置也需要科學開展，以此更好保證建筑物使用安全；等電位連接采用金屬材質，由于具備一定導電性質，等電位連接對于獨立防直擊雷裝置需選擇地平面位置，室內等電位連接需同時針對性基于外來導體設置[3]。

2 建筑物雷電防護技術的具體應用

2.1 案例概況

以某地商住兩用的高層建筑工程作為研究對象，工程由12座30層的高層建筑組成，每棟建筑高120m，建筑面積為14.4萬m2，地下共1層，為1.2萬m2的地下車庫。工程的雷電防護技術應用需結合地勢環境明確落雷概率，并結合工程實際明確雷電防護要求，通過計算可確定該工程的防雷等級為2級，由于工程屬于典型的智能建筑，內部存在大量電子信息系統，因此，其防雷級別為C級。最終，工程通過雷電防護技術的科學應用得以擁有全面、系統的防雷能力，該工程具備較高借鑒價值。為直觀展示案例工程的雷電防護技術應用，本節將主要圍繞防雷整體設計、外部防雷方案、內部防雷方案開展深入探討。

2.2 防雷整體設計

為滿足智能建筑防雷需要，將整個工程的建筑群視作系統性工程，以此預防雷擊災難，重點防范雷電對電子信息系統、弱電系統的危害，最終確定了如圖1所示的防雷整體設計。

2.3 外部防雷方案

為實現對外部雷擊的防范，工程針對性設置了接地網、接閃器、引下線。由于工程屬于典型的高層建筑群，按照《建筑物防雷設計規范》規定，樓體高度在30m以上的建筑，每三層需要連接均壓環，需要將門窗等金屬結構與防雷設施連接。因此，工程樓體引下線通過焊接四根主鋼筋組成，同時保證存在25m內的各個引下線距離，下接地表的扁鋼同時設置于鋼筋接近地面1m處，這一設計保證了分流充分且磁場能夠相互抵消；接閃器安裝于高層建筑頂端四周，負責承受雷擊和保護建筑，工程接閃器選擇提前放射式避雷針與避雷帶；接地極的設置充分考慮了工程存在的大量電子信息系統，為應對錯綜復雜的線路，工程建立了共用接地體，其能夠完整連接樓體的法拉第籠，可發揮消除電位差和互通效果。考慮到接地極埋設情況和大小直接影響接地電阻，工程對地下基礎鋼筋進行了充分應用，并設置鍍鋅扁鋼于樓體的基礎四周，規格為40m×4m，在樓體外地坪1m下埋設，通過涂刷瀝青保證其防腐性能[4]。

圖1 防雷整體設計

2.4 內部防雷方案

圖2 避雷器安裝位置示意圖

作為典型的智能建筑，內部防雷屬于本文研究工程雷電防護技術的應用關鍵，這是由于工程內部設置有大量電子線路和電子設備，雷擊形成的強大瞬時磁場很容易導致線路和設備受到干擾，嚴重時還會引發損壞問題，因此，工程重點開展了配電變壓器防雷設計。對于防雷需求較高的配電變壓器，為避免其受到雷電傷害，保證供電穩定性，工程在裝設避雷器的過程中嚴格控制了殘壓，通過縮小殘壓至一定范圍，限制雷電波陡度。為實現對變壓器所有設施的保護，需靠近變壓器設施設置避雷器，具體采用串聯間隙氧化鋅避雷器，這類避雷器具備可連接脫離器、存在平時不用承壓的閥片，這使得其具備較長的使用壽命且問題出現后的保護性能更為出色，避雷器安裝位置示意圖如圖2所示。

對于擁有較為復雜電子系統的智能建筑來說，雷電對這類建筑的傷害一般不通過電流實現，而是依靠通過瞬時的磁場，由此造成的傷害會導致電子信息系統無法正常工作，嚴重時甚至會導致其損壞或引發安全事故。因此，雷電防護技術的應用需設法提供多層次的電子系統保護。以智能建筑的“一卡通”系統為例，需要設置三級保護，位置分別為終端設備的末端、終端設備與主控機設備間的傳輸線路、變壓器靠近建筑側，由此即可充分釋放室外感應的過電壓、釋放內感應過電壓與殘壓、釋放兩級殘壓。

為更好實現內部防雷，工程還科學開展了雷電防護區的劃分，高層建筑防雷區由五部分組成，具體如圖3所示。圖中的A區指的是直擊雷非防護區，屬于無法防護的建筑物外部區域，對于這一區域的物體來說，雷擊無法完全避免；圖中的B區為直擊雷防護區，對于這一區域的物體來說，直接雷擊的幾率較低，同時幾乎不存在的電磁場承壓；圖中的C區為第一防護區，該區域存在相對較小的導體雷電流，同時存在較小的電磁場，被雷直擊的可能性極低；圖中的D區為第二防護區，該區域基于一定措施可實現電磁場和雷電流的進一步衰減；圖中的E區為后續防護區，該區域需要設法進一步實現雷電流與電磁場的衰減。

圖3 防雷區劃分示意圖

為進一步強化工程的內部防雷，案例工程在雷電防護技術應用中還采用了如下三種措施：1）均壓。在雷擊出現于建筑物周邊時，基于相應的路徑暫態雷電流會進入樓體內部，暫態電位上升的各個部位因此出現，這類部位與附近金屬將形成暫態電位差，過高的暫態電位差可能引發擊穿現象，反復進行的這種現象還會導致具有高電位的金屬出現，電子設備正常運行將受到嚴重影響。為規避相關問題，工程采用了連接樓體內關鍵金屬電氣的方式，以此保證等位電位存在，電位差的形成得以規避，具體對象涉及電源、天然氣管、水管等金屬，由此可保證雷擊帶來的感應電壓不會引發電壓擊穿問題。2）等電位 連接與接地。均壓效果的實現離不開等電位連接和接地的支持，具體需實施于樓體內外交界處，跨越樓內外的金屬設備和物體需要進行連接，以此消除弱電受到的感應過電壓干擾。工程在機房中沿著墻體進行總等電位鋪設，即30mm×3mm銅線，支撐物采用F8絕緣子，同時安裝等電位的匯流排于機房四周角落，為構成等電位體，還需要將墻體內鋼筋與等電位的匯流排連接。對于流體中存在金屬外殼的物體，匯流排需通過銅線與這類物體進行就近連接，等電位端子板與等電位最終連接，并隨之連接防雷裝置。3）屏蔽。對于存在大量多半導體構件的建筑弱電系統來說，這類半導體構件的抗干擾能力較弱，弱電性質的線纜也存在同類問題，雷電波帶來的感應電磁場很容易危害弱電系統，因此，工程針對性選用了屏蔽措施。在雷擊發生前，較大的暫態電磁脈沖變化率會因暫態過電流引發，這會直接影響相關設備和線路，計算機等弱電設備受此影響很容易出現硬件損害，由此帶來的經濟損失和安全威脅必須設法規避。在具體的屏蔽措施選用中，工程采用弱電設備外殼接地的方式，同時采用壓敏電阻可靠連接電纜線纜，并選擇二極管期間連接屏蔽電纜出入口的屏蔽體，暫態過電壓可由此在儀器出入口截住。此外，工程中的鋼筋、門窗、護欄等金屬構造也得到了充分利用，通過這種建筑物的自然屏蔽，電氣化連接建筑金屬構造，屏蔽籠得以形成，以此實現電磁波的衰減，內部電阻性設備屏蔽需求得以有效緩和，相關損害和事故的發生幾率也得到了有效抑制。

3 結論

綜上所述，建筑物雷電防護技術的應用存在較高必要性。在此基礎上，本文涉及的科學選用雷電防護技術、明確避雷針使用要點、防雷整體設計、外部防雷方案、內部防雷方案等內容，則直觀展示了雷電防護技術應用路徑。為更好提升建筑物防雷性能，物聯網、智能家居等新技術和新設備對建筑物雷電防護提出的更高挑戰必須得到重視。