超高層建筑防雷檢測方法探究

摘要：近來，超高層建筑物受到的雷擊次數越來越多，危害也越來越大，由于其內部有大量的電子設備，因此造成的經濟損失相當驚人。鑒于此，對超高層建筑物的防雷檢測也提出了更高要求。由于超高層建筑物的基坑很大，設計接地電阻值很小，因此，用普通接地電阻測量方法很難測量精準，需要采用大電流接地電阻測試儀檢測。結果表明：大地網接地阻抗值與互感系數、電流極和土壤的接觸面積、電流線和電位線的夾角有關。在測試中，應盡量增大電流極與土壤的接觸面積、增大電流線與電位線之間的距離。另外，對超高層建筑物的防側擊、防雷等電位連接和電涌保護器的檢測也異常重要。

關鍵詞：超高層建筑"雷電"檢測項目"防雷檢測方法

Exploration"of"Lightning"Protection"Inspection"Methods"for"Super"High-Rise"Buildings

ZHANG"Tao"WANG"Hao"WANG"Zhaoxin"YAN"Liyuan"WANG"Yue

Beijing"Lightning"Protection"Device"Safety"Testing"Center，"Beijing，"100089"China

Abstract："Recently，"the"number"of"lightning"strikes"on"super"high-rise"buildings"is"increasing，"and"the"harm"is"also"increasing."Due"to"the"large"number"of"electronic"equipment"inside，"the"economic"losses"caused"by"lightning"strikes"are"quite"alarming."In"view"of"this，"higher"requirements"are"also"put"forward"for"lightning"protection"detection"of"super"high-rise"buildings."Due"to"the"large"foundation"pit"of"super"high-rise"buildings，"the"designed"grounding"resistance"value"is"very"small."Therefore，"it"is"difficult"to"measure"accurately"using"ordinary"grounding"resistance"measurement"methods."It"is"necessary"to"use"a"large"current"grounding"resistance"tester"to"detect."The"results"show"that"the"grounding"impedance"value"of"the"earth"network"is"related"to"the"mutual"inductance"coefficient，"the"contact"area"between"the"current"electrode"and"the"soil，"and"the"angle"between"the"current"line"and"the"potential"line."In"the"test，"the"contact"area"between"the"current"electrode"and"the"soil"should"be"increased"as"much"as"possible，"and"the"distance"between"the"current"line"and"the"potential"line"should"be"increased."In"addition，"it"is"very"important"for"super"high-rise"buildings"to"detect"potential"connections"such"as"preventing"side"attacks，"lightning"protection"as"well"as"surge"protectors.

Key"Words："Super"high-rise"buildings;"Lightning;"Detection"projects;"Lightning"protection

detection"methods

隨著全國城市化建設的日益加快，超高層建筑物的數量也在增加。依據《民用建筑設計統一標準》（GB"50352—2019）：建筑高度大于100.0"m即為超高層，如北京的中國尊高528"m、中央廣播電視塔高405"m、中國國際貿易中心三期高330"m，上海的上海中心大廈高632"m、上海環球金融中心高492"m、上海金茂大廈高420.5"m、深圳的深圳平安金融中心高592.5"m、京基100大廈高441.8"m、華潤總部大廈高392.5"m、成都的成都綠地中心高468"m、錦繡天府塔高339"m、成都龍之夢新城高300"m等的高度都超過了300"m，有的建筑物高達600多米。雷電對超高層建筑物的安全帶來了巨大的挑戰，嚴重威脅著建筑物的安全，因此，對超高層建筑物的防雷檢測就變得越來越重要。本文旨在根據超高層建筑的結構特點和用途探究超高層建筑物的防雷檢測方法。

1"超高層建筑物遭受的雷擊危害

1.1直接雷擊

（1）由于超高層建筑物的絕對高度高，與雷云之間有更短的接閃距離，因此更容易遭到直接雷擊。雷電造成建筑物破壞是在極短的時間內發生的且過程復雜，與電學、熱學和機械學都相關[1]。由于夏季，汽車尾氣、揚塵、工業污染等因素引起的大氣污染嚴重，電場強度不穩定，雷電活動就更加地頻繁[2]。

以北京的中國尊為例進行模擬，計算其年預計雷擊次數。中國尊的高度為528"m、長度為136"m、寬度為84"m。根據《建筑物防雷設計規范》（GB"50057—2010）附錄A，有

式（1）中：為建筑物年預計雷擊次數，單位為次/a；k為校正系數，在一般情況下取1；為年平均密度，單位為次/km2/a；為等效面積，單位為"km2。

式（2）中：為年平均雷暴日，單位為d，北京地區為35.2"d。

式（3）中：、、分別為建筑物的長、寬、高，單位為m。把已知條件全部帶入公式（1）、（2）、（3），=k=10.135.23.94次/a。

同理，再計算北京的中國國際貿易中心三期的年預計雷擊次數。其中，建筑物的長、寬、高為64.8"m×63.8"m×330"m，把已知條件全部帶入公式（1）、（2）、（3），=k=10.135.20.43=1.51次/a。

可見，超高層建筑物每年的直接雷擊均超過了1次，有的甚至高達34次。這就考驗著超高層建筑物的雷電防護措施是否安全有效。

（2）側擊是超高層建筑物直接雷擊的另一種表現形式。實踐證明，低于60"m的建筑物立面遭受閃電側擊的影響被認為可以忽略不計；高于60"m的建筑物可能會發生側擊，特別是建筑物突出的部分，如建筑物的角及邊緣。

盡管側擊的雷電參數值比頂部的小許多，但是，雷電峰值較低的雷電閃絡可能擊壞安裝在建筑物外墻上的電氣和電子設備。

由于超高層建筑物被強大的雷電流擊中時，建筑物幕墻玻璃可能因為沖擊應力、熱效應等造成邊框變形或玻璃破裂、跌落[3]，因此，超高層建筑物的立面金屬物包括金屬幕墻、金屬欄桿、金屬門窗與顯著的突出物（如陽臺、觀景平臺等）容易遭到雷電的側擊。

1.2閃電電涌侵入

閃電電涌可能會沿著超高層建筑物的金屬裝置（包括水管、天燃氣管道、供暖管道、通風管道，以及外部導電部件、電源線路、金屬線槽、通信線路和信號線路）侵入室內，危及人身安全或損壞設備、設施。

1.3雷電電磁脈沖

雷電電磁脈沖（Lightning"Electromagnetic"Impulse，LEMP）涵蓋閃電電涌和輻射電磁場，是雷電流經電阻、電感、電容耦合產生的電磁效應。

LEMP可以引起電氣和電子系統的永久性失效，如通過連接導線傳輸給設備的傳導電涌和感應電涌。建筑物外部電涌由雷擊入戶線路或其附近地面產生，并經線路傳輸到電氣和電子系統；建筑物內部電涌由雷擊建筑物或其附近地面產生。

輻射電磁場是直接作用于設備上的效應，可以由以下方式產生。

（1）雷電通道內流過雷電流。

（2）在導體中流過的部分雷電流[4]。

2"超高層建筑物的防雷分類和防雷檢測項目

2.1"超高層建筑物的防雷分類

超高層建筑物的防雷分類應劃為第二類防雷建筑物，可以調閱設計圖紙或檔案資料確定。

超高層建筑物進行防雷區的劃分，主要因為是存在防雷電電磁脈沖的電氣和電子系統。

2.2"超高層建筑物防雷檢測項目

超高層建筑物的接閃器、引下線、接地裝置、磁屏蔽、防雷等電位連接、電涌保護器（Surge"protection"device，SPD）是其重要檢測項目。

3"超高層建筑物的防雷檢測方法

針對超高層建筑物可能遭到的雷電危害，需要有針對性地采取科學、有效的防雷檢測方法和檢測措施，以確保超高層建筑物的防雷安全。

3.1"接閃器

類型和方式、敷設和位置、材料和規格、安裝工藝和現狀、銹蝕情況、接閃帶固定支架的垂直拉力、間距和高度、接閃網格尺寸、等電位連接性能、附著、防側擊措施和保護范圍等是接閃器應重點檢查項目。

3.1.1"類型和方式

專設和自然是類型的劃分，接閃帶（桿、網）、金屬屋面、金屬物等是方式的劃分。檢測方法為觀察檢查和查閱資料。

3.1.2"敷設和位置

接閃器的敷設為明敷，可以敷設位置為屋頂周邊、屋角、屋檐、女兒墻、外墻外表面或屋檐邊垂直面上（外）、設備設施上等。檢測方法為觀察檢查和查閱資料。敷設和位置的檢測非常重要，其是判定接閃器保護范圍的關鍵因素之一。

3.1.3"材料和規格

材料為熱鍍鋅鋼或銅等，規格滿足如下條件。（1）接閃帶：直徑φ≥8"mm。（2）接閃桿：桿長1"m以下：φ≥12"mm；桿長1"m?2"m："φ≥16"mm。（3）金屬屋面：厚度≥0.5"mm。檢測方法為觀察檢查、測量和查閱資料。

3.1.4"安裝工藝和現狀

接閃器現狀要求位置應正確、平正順直、無直角彎和銳角彎。焊縫應飽滿無遺漏，焊接部分的防腐應完整。鋼材焊接要求如表1所示。螺栓螺母固定的應有防松零件。接閃器的支撐架與可燃材料之間應采用隔熱層隔離。檢測方法為觀察檢查、測量和查閱資料。

緊貼角鋼外側兩面或緊貼3/4鋼管表面，上、下兩側施焊，并應焊以由扁鋼彎成的弧形"（或直角形）卡子或直接由扁鋼本身彎成弧形或直角形與鋼管或角鋼焊接

3.1.5"銹蝕情況

接閃器的截面銹蝕不應超過初始截面的1/3，并且滿足最小截面積不小于50"mm2的要求。檢測方法為觀察檢查、測量和查閱資料。

接閃器出現銹蝕情況且無法通過觀察檢查準確判斷銹蝕面積時，應對銹蝕處進行預處理，

選取銹蝕最嚴重處進行物理打磨（如銼刀、砂紙等）除銹。必要時，采取化學處理（如草酸浸泡），直至露出未受銹蝕的金屬表面。

使用游標卡尺、千分尺或測厚儀等測量工具測量處理后的接閃器尺寸，計算截面積，并與原始截面進行比對。

3.1.6"接閃帶固定支架的垂直拉力、間距和高度

固定支架應能承受大于49""N的垂直拉力（垂直于安裝平面），支架間距0.5"m"～1.0"m，支架高度（安裝平面至接閃帶頂部）≥150"mm。檢測方法為觀察檢查、測量和查閱資料。

固定支架的垂直拉力應使用拉力計測量[5]。拉力計測量可拆卸固定支架的垂直拉力示意圖如圖1所示。拉力計測量無法拆卸固定支架的垂直拉力示意圖如圖2所示。

3.1.7"接閃網格尺寸

接閃網格尺寸應≤10"m×10"m或≤12"m×8"m。對于當年預計雷擊次數大于0.42次且高度超過250m的第二類防雷建筑物，當采用接閃網格法保護時，接閃網格尺寸不應大于5"m×5"m或6"m×4"m；當采用滾球法保護時，滾球半徑不應大于30"m[6]（目的是增加防雷裝置的防護等級，本條件特指2022年10月1日后依據《建筑電氣與智能化通用規范》（GB"55024—2022）設計的建筑物，應根據設計委托合同生效時間為準）。檢測方法為觀察檢查、測量和查閱資料。

3.1.8"等電位連接性能

建筑物上處于直擊雷非防護區的外露金屬導電物與建筑物頂部或外墻上的接閃器連接的過渡電阻值應≤0.2"Ω。檢測方法為觀察檢查和測量。

3.1.9"附著

接閃器上不應附著電氣、通信、信號或其他線路。檢測方法為觀察檢查。

3.1.10"防側擊措施

在水平接閃器與引下線連接處和金屬物與防雷裝置連接處的過渡電阻值應≤0.2"Ω。檢測方法為觀察檢查、測量和查閱資料。

超高層建筑物防側擊措施和均壓環設計還應滿足以下要求。

（1）對于年預計雷擊次數大于0.42次或高度超過250"m的第二類防雷建筑物，應將高度30"m及以上外墻上的欄桿、門窗等較大金屬物直接或通過預埋件與防雷裝置相連，高度30"m及以上水平突出的墻體應設置接閃器并與防雷裝置相連[6]（2022年10月1日后依據《建筑電氣與智能化通用規范》（GB"55024—2022）設計的建筑物，應根據設計委托合同生效時間為準）。

（2）建筑幕墻的立柱和主體建筑的均壓環宜電氣貫通形成防側擊的防雷網格，過渡電阻值≤0.2"Ω[7]。

（3）外墻幕墻上下4個角應接地，水平方向接地間距不應大于引下線的接地間距，垂直方向接地間距不應大于均壓環的間距，每三層接地一次。

（4）建筑幕墻的金屬框架、金屬欄桿、金屬門窗與建筑物的防雷裝置連接，過渡電阻值≤0.2"Ω。

（5）窗口為塑鋼窗時，有金屬骨架且有金屬條外露的塑鋼窗應直接與均壓環相連，無金屬骨架的可以不連接[8]。

3.1.11"保護范圍

接閃器的高度、間距、與被保護物距離等按照《建筑物防雷設計規范》（GB"50057—2010）附錄D的規定計算。檢測方法為觀察檢查、測量、查閱資料和計算。

3.2引下線

引下線應重點檢查類型和敷設、材料和規格、安裝工藝和現狀、銹蝕情況、電氣連接性能、數量和間距等項目。

3.2.1"類型和敷設

類型為自然引下線。敷設為結構鋼筋、鋼結構柱。檢測方法為觀察檢查和查閱資料。

3.2.2"材料和規格

材料為型鋼或鋼筋，規格為單根鋼筋或圓鋼：φ≥10"mm。檢測方法為觀察檢查和查閱資料。

3.2.3"安裝工藝和現狀（外露處）

安裝工藝應用焊接，焊接要求見表1。現狀應滿足焊接固定的焊縫應飽滿無遺漏，焊接部分的防腐應完整。檢測方法為觀察檢查、測量和查閱資料。

3.2.4"銹蝕情況

與接閃器連接的外露引下線截面銹蝕不應超過初始截面的1/3，且滿足最小截面積不小于50"mm2的要求。檢測方法為觀察檢查、測量和查閱資料。

3.2.5"電氣連接性能

測量接閃器和接地裝置之間的整體電阻，過渡電阻值均≤0.2"Ω。檢測方法為測量。整體電阻測量示意圖見圖3。

3.2.6"數量和間距

檢測方法為觀察檢查、測量和查閱資料。

（1）當豎向圓鋼與接閃器采取焊接時，無法判斷是否為引下線，可參閱搭接長度要求。一般情況下，引下線與接閃器焊接長度大于支架與接閃器的焊接長度，可初步判定引下線數量。

（2）當建筑物采用多根引下線時，可利用環路電阻測試儀對引下線與接地裝置的導通情況進行判定。當結果顯示為開路時，為非引下線。

同時滿足上述兩條時，可判斷為引下線。引下線貫通檢查示意圖見圖4。

（3）自然引下線的間距應≤18"m。但對于當年預計雷擊次數大于0.42次或高度超過

250"m的第二類防雷建筑物，自然引下線的間距不應大于12"m[6]（目的是增加防雷裝置的防護等級，2022年10月1日后依據《建筑電氣與智能化通用規范》（GB"55024—2022）設計的建筑物，應根據設計委托合同生效時間為準）。

3.3"接地裝置

接地裝置應重點檢查類型和布置、填土、共用接地、電氣貫通性能和接地電阻等項目。

3.3.1"類型和布置

類型為自然接地體。布置為基礎接地。檢測方法為觀察檢查和查閱資料。

3.3.2"填土

人工接地體埋設深度不小于0.5"m，且在凍土層以下，填土不應出現沉陷。檢測方法為觀察檢查。

3.3.3"共用接地

不同類型的接地直接與同一地網相連接。檢測方法為觀察檢查和查閱資料。

3.3.4"電氣貫通性能

滿足通過線路連通的鄰近建筑物的接地裝置間的過渡電阻值≤1"Ω。檢測方法為觀察檢查和測量。兩相鄰接地裝置間電器貫通性能過渡電阻測量示意圖見圖5。

3.3.5接地電阻

采用共用接地裝置時，接地電阻必須按接入設備中要求的最小值確定。檢測方法為測量。

由于部分超高層建筑物接地裝置的地網等效面積≥5"000"m2，甚至部分地網等效面積超過10"000"m2，因此，選用常規的工頻接地電阻測試儀已經不能滿足測量要求，需要選用測試電流大于等于3A的接地電阻測試儀。測試方法可選用直線法或30°夾角法。

（1）直線法。直線法測量示意圖見圖6。

被測接地裝置G、測量用的電壓極P和電流極C布置在一條直線上且垂直于地網。測量用的電流極C和電壓極P離被測接地裝置G邊緣的距離為"dGC=（4～5）d和"dGP=（0.5～0.6）dGC，點P可以認為是處在實際的零電位區內。為了較準確地找到實際零電位區時，可把電壓極沿測量用電流極與被測接地裝置之間連接線方向移動3次，每次移動的距離約為dGC的5%，3次測試的結果誤差在5%以內即可。

（2）30°夾角法。30°夾角法測量示意圖見圖7。

即按照"dCG和"dPG相等的等腰三角形布線，此時使二者之間的夾角θ約為30°，dCG=dPG≥2D。使用該方法的前提是需論證土壤為均勻土壤[9]。

3.4"磁屏蔽

當建筑物存在需要防雷電電磁脈沖的電氣和電子系統時，才考慮采取磁屏蔽措施。

磁屏蔽應重點檢查位置和線纜外加屏蔽體的材料、規格、等電位和電氣連接性能、電氣貫通性能和屏蔽效果等項目。

3.4.1"位置和線纜外加屏蔽體的材料、規格

位置為屏蔽電纜、導電金屬物、專用屏蔽室等。外加屏蔽體的材料、規格為鋼或銅并測量其厚度。檢測方法為觀察檢查、測量和查閱資料。

3.4.2"等電位和電氣連接性能

要求滿足金屬構件或金屬物連接處之間的過渡電阻值≤0.2"Ω。檢測方法為測量。

3.4.3"電氣貫通性能

分開的建筑物之間的金屬格柵、金屬管、連接線路或鋼筋成格柵形的混凝土管道兩端的過渡電阻值≤1"Ω。檢測方法為測量。

3.4.4"屏蔽效果

屏蔽效果應符合廠商的規定。如果無法獲取廠商的規定時，則應測量格柵屏蔽網格寬度、網格導體半徑、被保護設備與屏蔽空間的最短距離，計算屏蔽系數"SF，"計算磁場強度，也可以利用儀器測量磁場強度。檢測方法為測量、計算和查閱資料。

3.5防雷等電位連接

防雷等電位連接應重點檢查位置和結構、材料和規格、等電位連接性能、接地基準點（Earthing"Reference"Points，ERP）接地性能等項目。

3.5.1"位置和結構

位置為屋面、變配電室、機房、豎井、建筑物外立面等。結構為S型、M型、Ss型、Mm型（電子系統）。檢測方法為觀察檢查、測量和查閱資料。

位置還應滿足下列要求。

（1）建筑物外墻豎直敷設的金屬物。頂端和底端應與防雷裝置等電位連接；在建筑物高度0～100"m區域內，在100"m附近樓層與防雷裝置連接；在高度100～250"m區域內，每間隔不超過50"m與防雷裝置連接在一處；在高度250"m以上區域，每間隔不超過20"m與防雷裝置連接一起（2022年10月1日后依據《建筑電氣與智能化通用規范》（GB"55024—2022）設計的建筑物，應根據設計委托合同生效時間為準）。

以垂直敷設于"280"m高的建筑物外墻內側的金屬管道為例，金屬管道至少需要在建筑物的底層、頂層（280"m）和100"m、150"m、200"m、250"m、270"m左右處樓層，共7處與防雷裝置連接。

（2）結構圈梁鋼筋。建筑物地下一層或地面層、頂層的結構圈梁鋼筋應連成閉合環路，中間層應在每間隔不超過20"m的樓層連成閉合環路。超過250"m及以上區域應每層連成閉合環路。閉合環路應與本樓層結構鋼筋和所有自然引下線連接（2022年10月1日后依據《建筑電氣與智能化通用規范》（GB"55024—2022）設計的建筑物，應根據設計委托合同生效時間為準）。

3.5.2"材料和規格

應符合《建筑物防雷設計規范》（GB"50057—2010）中5.1.1和5.1.2的規定，其中處于LPZ0A區應符合表5.2.1的規定。檢測方法為觀察檢查、測量和查閱資料。

3.5.3"等電位連接性能

依據國家相關標準要求等電位連接性能的過渡電阻不應大于0.2"Ω，北京地區依據地方標準《建筑物電子系統防雷裝置檢測技術規范》（DB11/T"634—2018）規定，采用S型等電位連接網絡的，應≤0.05"Ω；采用M型等電位連接網絡的，應≤0.02"Ω。檢測方法為測量。

3.5.4"接地基準點接地性能

對于用作接地基準點的等電位連接端子或金屬導體的接地電阻，當以過渡電阻方式檢測時，應把第一基準點與建筑物接地裝置的接地電阻做測試，確認該基準點符合接地要求，能作為第一基準點使用；在同一幢樓內移動檢測時，選取第二、第三、第n個基準點，依次與第一、第二、第n-1個基準點作過渡電阻測試，以保證它們符合接地要求[10]。檢測方法為測量。

3.6"電涌保護器

首先應確定電源接地型式（TN-S、TN-C-S、TN-C、TT）和電源引入方式。

電涌保護器應檢查位置、產品型號和數量、主要性能參數包括沖擊放電電流Iimp、標稱放電電流In、電壓保護水平Up和最大運行電壓Uc）、連接工藝、外觀、防護級數和級間配合外，還應重點檢查連接導體的材料和規格、外部脫離器（過電流保護）、電氣連接性能、壓敏電壓Vv、泄漏電流Ile和絕緣電阻Ri。

3.6.1"連接導體的材料和規格

應檢查材料、規格、總連線長度和色標。檢測方法為觀察檢查（比對法）、測量。

檢測中，發現總連線長度不能≤0.5"m時，應按下列方法連接和選型。

（1）V型連接示意圖見圖8。

（2）選取較小電壓保護水平（Up）的SPD。

（3）被保護設備選取更大的額定沖擊耐受電壓（Uw）。

（4）設置局部接地排

設置局部接地排示意圖見圖9。

3.6.2"外部脫離器（過電流保護）

外部脫離器有可能為斷路器、熔斷器或低壓電涌保護器專用保護裝置，應滿足設置在支路的SPD前端、電涌耐受能力與SPD的參數相匹配、短路電流分斷參數不小于其前端進線開關的分斷能力、分斷SPD內部脫離器不能斷開的電流[11]。檢測方法為觀察檢查、查閱資料和測量。

3.6.3"電氣連接性能

依據國家相關標準要求，SPD接地端與等電位連接導體之間的過渡電阻值不應大于0.2"Ω。北京地區依據地方標準《建筑物電子系統防雷裝置檢測技術規范》（DB11/T"634—2018）規定，SPD接地端與等電位連接導體之間的過渡電阻值≤0.02"Ω。

3.6.4"壓敏電壓Vv

首次測量時，實測值不應小于《建筑物雷電防護裝置檢測技術規范》（GB/T"21431—2023）表13中的Uc對應的Vv限值；當表中無對應Uc值時，交流SPD的Vv限值與Uc的比值不應小于1.4，直流SPD的Vv限值與Uc的比值不小于1.06。后續測量時，實測值還不應小于首次測量值的90%。檢測方法為測量。

3.6.5"泄漏電流Ile

首次測量時，不應大于生產廠聲稱的最大值；如果未聲稱，則不應大于20"μA。后續測量時，實測值還不應小于首次測量值的90%。檢測方法為測量。

3.6.6"絕緣電阻Ri

滿足SPD帶電接線端和殼體之間的Ri不應小于50"MΩ。檢測方法為測量。

4"結語

由于超高層建筑物的絕對高度和結構特點，其雷電防護措施異常重要。定期進行的防雷檢測需要檢測人員根據檢測數據進行分析、判斷，找出病因，提出解決辦法，確保超高層建筑物和人員的安全，為超高層建筑物的防雷安全保駕護航。

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