超高層智能建筑雷電防護技術探討

雒新萍，劉春敏

（1.陜西省突發事件預警信息發布中心，西安 710014；2.楊凌氣象局，陜西 咸陽 712100）

超高層智能建筑覆蓋了各種電子設備和計算機網絡，因此極可能受到雷電電磁脈沖的襲擊，電磁脈沖可能導致建筑各信息系統的損壞，造成系統數據的遺失，使超高層智能系統不能正常運行，若因雷電而造成電子信息系統無法正常運行，給社會帶來的損失將是難以估量的，從而造成無法彌補的損失，這就要求在對超高層智能建筑設計時要充分考慮到建筑智能系統如何能有效防止雷電給建筑體本身造成破壞。雷電是因大氣放電而產生的自然現象，雷電一旦擊中智能電子設備，不但會造成重要數據的丟失，設備無法使用，還可能引起火災，造成更大的經濟損失。若不采取相應的防范措施，很有可能導致建筑物被雷電擊中，帶來經濟損失和嚴重的人員傷亡，因此超高層智能建筑的設計規劃中，必須建立快速有效的智能防雷體系，這是使該建筑能夠長遠發展的關鍵。

1 概況

某建筑位于廣西南寧市，臨江而立，是一座高約435 m的超高層綠色建筑，集國際品牌五星級酒店、商業、辦公、餐館和娛樂等多種功能于一體，是南寧市新焦點，豐富南寧市商業新格局，成為南寧市乃至整個中國西南部的標志性綜合體。

1.1 外部防雷的接閃器設計

接閃器的主要任務就是接收閃電，并讓建筑物的其他部分不受破壞，而是全部都由接閃器來承受。因為本建筑的主樓建筑結構較為特殊，其建筑屋頂為玻璃屋頂，故保留了2組接閃方案設計，一是在主樓房頂設有接閃桿塔和接閃器，并且船桅高度要大于外層窗戶；二是在樓頂設有接閃帶，網格的尺寸則要根據第一類防雷建筑物的設計標準來進行選擇。

方法1：所用高壓避雷器采用早期充放電原理，主動接閃。但是，如果避雷器的金屬框架是由最科學的金屬框架制成的，那么避雷器的金屬框架也可以作為最合理的避雷器材料。還可以選擇多個短棒的接閃方式，以便通過部分分流的方式將雷擊電流從引下線分散到各個方向。2種類型中最受歡迎的是避雷針，ESEGZU-5AB引腳和5A3型首選避雷針是不錯的選擇，如圖1所示。

圖1 多桿接閃方案

方法2：先設置接閃網絡組，或在屋頂設置接閃帶。接閃網一般有明敷與暗敷之分，但這里還是建議使用明敷的方法。暗敷接閃網就是將接閃網直接安裝于混凝土中，在施工中則直接使用鋼筋砼中的鋼筋架構為隱藏式的接閃網。

混凝土中的鋼梁結構都是受雷擊的隱蔽網。開放式網孔通常是長圓形鋼板或鋼底板。建筑開放式網絡方案的電網規模根據中國式防雷接地建筑的特點設置。接閃網絡一級防雷建筑物的網格長度約為：小于等于5×5 m或小于等于6×4 m。設計方法可以選擇如圖2所示。

圖2 部分接閃網示意圖（單位：m）

1.2 玻璃幕墻防側擊雷及均壓環

某國際中心為總高約435 m的超高層城市綜合樓，總高遠度大于地面滾球零點五徑高度，除樓頂之外還必須設計完善的防直擊雷措施，一旦屋頂落于距地面滾球的零點五徑標高之上就需要做好防雷接地，而玻璃幕墻必須安裝于建筑物的外部構架之上，外征在物聯網識別的翻筑負荷，內部構架必須為全金屬主骨架，還必須在相應的高度距離上設置接閃環帶，并與引下線安全連接。

根據旋轉球法的相關理論，當雷擊電流低于上述計算的雷擊電流值時，雷擊可直接作用于建筑物而無需避雷器，建筑物將受到攻擊。本項目超高層綠色智能建筑高度約435 m，閃距較大。如果h1=435 m，相應的雷電電流為（435/10）15=286.9 kA，則本訂單屋頂避雷器可以成功驗收。然而，如果閃電從較短的距離進入屋頂，避雷器可能不被接受，因此會發生側面攻擊。根據GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》的規定，建筑物內的直擊雷防護裝置有3種。玻璃隔墻僅用于二類和三類建筑，起始高度為45 m，這意味著作為玻璃隔墻的二類建筑的防雷措施從h1=45 m處開始，當前雷電高度為L=9.5 m。在+45~435 m之間，應采取防止側面雷擊的措施，防止側面雷擊。

與均壓環布局不同。均壓環用于降低每個平面上引下線雷擊電流的電壓降。本質上，其可以被視為一個等電位連接。一個環形金屬環的長度約為12 m，用于將建筑物的引下線圈焊接在一起，形成水平方向的均壓環。在實際施工中，鋼筋混凝土結構鋼筋可以沿著建筑物的水平周長，將各條電纜連接在一起。水平方向接閃帶宜直接裸露于建筑外墻。本建筑可利用玻璃幕墻的構造為基礎，在構造中于水平方向設有扁鋼制帶條作為接閃裝置。

1.3 屋面的航空障礙燈的防雷措施

（1）避雷器設備必須安裝在頂部安裝的航空障礙燈上，避雷器部分必須與避雷帶等裝置緊密連接。

（2）安裝在建筑物中間的航空障礙燈必須用金屬絲網罩保護，燈具的金屬部分也應連接。

（3）對于高層飛行障礙燈，所用的避雷設備通常為獨立避雷器，可使用航空照明的建筑物高度一般至少有45 m。這些建筑物之間將連接一座避雷針，避雷針嵌入在接閃帶中。而按照建筑物滾動球零點五徑小的原則，這些避雷針也將在建筑屋頂附近或滾動球零點五徑區域內的避雷針頂部下方加以防護，以保證航空燈及其他必要的機械構件，如風速計、煙筒等。

2 建筑內部各部分的防雷設計

超高層綠色智能建筑通常致力于支持環境保護，并內置各種智能控制系統和通信設備。這些設備通常需要良好的工作環境。在防雷工作中，尤其要重視內部環境的保護。本文提到的超高層智能建筑內部防雷措施的核心內容是防止雷電沖擊裝置。為了實現所有電氣信息系統和智能結構的安全，有必要為每個系統安排完整的內部防雷措施。因此，將對以下建筑物的所有部分進行內部防雷工程。

2.1 供電系統的防雷方案設計

此次重點建設工程的用電控制系統防雷工程設計根據GB 50343—2012《建筑物電子信息系統防雷技術規范》等有關規范予以工程設計，充分考慮到超高層綠色智能化建筑內裝置數量很多，對用電控制系統的安全性的要求也非常高，而一旦采用了單級防直擊雷將會造成較大的隱患，所以要求分多級防雷工程設計，以防范從防直擊雷到工業浪涌的各種過電的破壞。

2.1.1 第一級防雷

為了避免直擊雷，必須在電源線連接到建筑物之前進行相關處理，因為所有進線均為高壓電纜。進入房屋前，電源線必須在規定的安全距離處襯金屬套管，埋地，從地下室直接穿入超高層建筑，并安裝避雷器。電源的普通避雷器也可以放置在電源的近端，以便從外部流入房屋的雷電高壓輸入電流可以被釋放。對于B類三相電力放電器，每條進線三相線路的電流容量應超過60 kV。通過試驗可以確認，數萬級以上的大電壓可控制在千伏級之內，主變電所的避雷器可并聯處理，可防止直擊雷，限制雷電傳播。此處選擇的避雷器為三相避雷器型箱YF-X220/380，備用選項為YF-M220/380并聯裝置。最大極限電壓為60 kV，也可選擇容量更大的避雷器。

2.1.2 第二級防雷

經過一次電源和防雷設計后，即使最大雷電電壓控制在規定范圍內，也無法保證裝置的安全運行。為了更安全地減少雷擊事故的發生，必須進行二次供電和防雷設計。從總配電柜輸出線到各電源點，大部分為三相電纜。因此，總容量為40 kV的三相避雷器也可用于該級別的避雷器。

2.1.3 第三級防雷

該級防雷設備的安全性，直接關系到超高層綠色智能建筑在內的精密智能化電子產品等重要元器件的安全平穩與工作。這種裝置的工作電壓非常低，最高允許工作輸出電壓也在毫安級別以下，若不進行第三級的防雷措施就會給電子設備造成巨大的沖擊。

除此之外，還提出了在末級使用的YF-CZ/6六系列防雷插座，以進一步控制浪涌的電壓。供電裝置的方案設計如圖3所示。圖中畫出了總供電裝置、總配電箱、主要電氣設備和SPD（浪涌保護器）系統的基本布置。

2.2 多級浪涌保護器的配合

在線路上布置多個SPD時，還必須做好對多個SPD的能量協調與匹配問題的分析。根據IEC防雷分區標準，當配電線路通過不同的直擊雷（LPZ）區域時，必須在其接口處安裝SPD，通信設備中的電磁脈沖等因素可能形成的感應浪涌也會影響一些弱電設備。因此，根據GB 50343—2012《建筑物電子信息系統防雷技術規范》標準，結合實際情況，通過接口時應注意浪涌保護器的布置。

其之間的搭配必須重視與容量之間的協調，合理分配好所承受的電流大小，并按照具體的耐流抗壓水平來搭配。

設計和選用SPD裝置時必須重視一些參考技術指標，如沖擊電壓、標準放電電流及最高的保護水平、殘壓等。安裝于各分區交界的SPD，必須參照分區對SPD的標準及放電電流的規定。如圖3所示。

圖3 電源系統的防雷設計

2.3 信號線路系統的防雷設計

超高層綠色智能建筑的信息管線系統是關系到整個建筑物信息流通的重要動脈，因此信息管線系統的防雷設計也必須遵守以下一些準則。

（1）在選擇通信線路的浪涌保護裝置時，應選擇泄漏小、分布容量小和適合終端附近串擾指標的浪涌保護裝置，這需要對實際工作頻段等技術參數進行更多的選擇，不同特定線路的電壓和傳輸速度。電涌保護等級必須低于被保護裝置的最大抗沖擊UW工作電壓，最大直流工作電流可超過線路上最大工作電壓的1.2倍。

（2）當通信線路經過不同的防雷部位時，浪涌保護器宜設置在分區的邊界?？刹贾脝渭壔蚨鄬永擞糠雷o裝置。

（3）所有進出穿墻的信號線都必須設有金屬屏蔽層，或采用有金屬屏蔽包絡線的光纜，并與金屬屏蔽層之間進行等電位接地。

（4）信號線SPD應連接到被保護裝置的信號接口上。SPD的輸出端口要被保護設備端口連接。

2.4 計算機與網絡系統的防雷設計

計算機和網絡是根據風險評估水平設計的。在各種數據通信接口的輸入或輸出接口中，計算機主機、服務器、網絡交換機、路由器、中繼站、集線器、調制解調器和配電網等設備，應在LPZ0A或LPZ0B或LPZ1區內邊界處設置適配的線路浪涌保護器。在計算機網絡中，各種家用調制解調器的輸入和輸出端口分別設置有SPD數據信號。對于綜合業務數據網（ISDN）等網絡交換設備的輸入和輸出端口，其分別通過多條截面為1.5~6 mm2的絕緣銅線連接到機房的等電位網絡。

2.5 安全防范系統的防雷設計

該項目的安保系統中涉及大量視頻監控。因此在攝像機所控制的信號終端上（如RS485、RS424等）還必須設置信息線波保護裝置。而接在解碼盒上的電源線還必須設置電纜浪涌安全保護器。主控計算機與二次管理計算機之間的管理線和通信線，在進出不同的防雷裝置連接區時宜設有適當的SPD。視頻信號線在屏蔽層上應有金屬單端連接、在室外的攝像機的監視電線，在進出建筑物時也應該加設金屬套管，使鋼管內外端子分別連接。在安全防范系統的連接字母紉上最宜選用銅色導線，在連接端子上也應有金屬的連接符號標識，其連接電流不得超過4 Ω，截面積也不得小于35 mm2。

2.6 火災手動與消防聯合系統的防雷設計

本章所述超高層及綠色智能建筑的火災事故自動報警系統形式選擇及劃分，按照中國建筑現有標準，GB50116—2013《火災自動報警系統設計規范》GB 50016—2014《建筑設計防火規范》進行。滅火自動中心及與本區指揮中心相互連接的系統內的調制解調器的進線、119報警電話的進線等端口，都應當設置信號SPD。建筑內的報警控制器的金屬外殼、走電纜或溝槽就近連接等電位端子。如火災事故的自動報警系統與聯動控制器則應選擇共用的接地系統，其接地裝置的接地電阻應小于1 Ω。若選擇專用連接，接地電阻也不宜大于4 Ω。

2.7 有線廣播和有線電視系統的防雷設計

2.7.1 有線廣播系統的防雷設計

需要在交流電源線和直流電池電源柜進入傳輸系統室的入口處安裝合適的SPD裝置。擴聲系統的信號線應配備屏蔽電纜。當前聲源配備天線信號輸入時，每個前端輸入信號線應配備該系列的SPD浪涌保護。傳輸設備的金屬外殼與附近的等電位端子連接。單獨設置專用接地裝置時，接地電阻必須小于4 Ω。如果采用公共接地，接地電阻不得超過1 Ω。

2.7.2 有線電視系統的防雷設計

有線電視系統的天線接收裝置必須在避雷器保護范圍內，天線接收器必須可靠接地。進出大樓的有線電視（CATV）信號電纜必須安裝專用SPD。有線電視系統采用共用接地系統，共用接地裝置的接地電阻不大于1 Ω。

3 結束語

隨著越來越多的智能建筑的出現，對于建筑防雷防護的要求更為嚴格，防雷防護技術也隨著智能建筑的增多而快速發展，雷電對智能建筑造成的傷害是無法估量的，因此，智能建筑中現代防雷防護技術能夠有效減少雷電對建筑造成的傷害，采用等位線連接措施、運用提前放電避雷針和網絡防雷器、設計新型的接閃器和布局合理的引下線（方法），都能有效保障智能建筑的安全，高層建筑的主動式雷電預警系統除實現了雷電監測、預警和臨近主動防護等功能，還具有自動分析、學習、評判防雷效果、實時告警及維護故障等功能。（特點）智能建筑防雷防護技術的應用為智能建筑的運行提供了技術保障，在防雷防護技術廣泛應用的同時還需要定期對其進行檢測，超高層智能建筑防雷防護體系的建設和防雷防護技術的提升需要社會各界的共同努力。