淺談高層建筑防雷技術(shù)

摘 要：為了提高高層建筑防雷的可靠性，從高層建筑的防雷原理、內(nèi)部防雷和外部防雷等方面詳細(xì)介紹了高層建筑的防雷要點(diǎn)，并以高層建筑雷電災(zāi)害為例，闡述了建筑物的防雷注意事項(xiàng)。高層建筑防雷應(yīng)采用整體與局部、上部與下部、外部與內(nèi)部相結(jié)合的理念，綜合考慮，做到經(jīng)濟(jì)、合理，爭(zhēng)取將高層建筑遭受雷擊概率降到最低。

關(guān)鍵詞：高層建筑；防雷技術(shù)；外部防雷；內(nèi)部防雷

中圖分類號(hào)：TU895 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.05.013

隨著建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，高層建筑、超高層和智能建筑化已成為建筑領(lǐng)域發(fā)展的一種趨勢(shì)。由于高層建筑具有的特殊性，即高度較高、信息設(shè)備較多，導(dǎo)致其遭受雷電襲擊的概率較大。雷電的破壞形式主要分為直擊雷、感應(yīng)雷和雷電電磁脈沖。對(duì)于高層建筑，尤其是其頂部設(shè)施易受直接雷的破壞；感應(yīng)雷的破壞不易察覺(jué)，后果較直擊雷更為嚴(yán)重；雷電產(chǎn)生的電磁脈沖會(huì)嚴(yán)重干擾電子設(shè)備的運(yùn)行，甚至造成永久性失效。因此，我們必須樹(shù)立防雷意識(shí)，對(duì)高層建筑，尤其是高層—智能建筑進(jìn)行合理的防雷設(shè)計(jì)，采取安全、有效的措施，盡可能地避免雷擊災(zāi)害。

1 高層建筑的防雷原理

法拉第籠原理，即在接地導(dǎo)體靜電平衡的條件下，當(dāng)高壓電源放電時(shí)，靠近電源的等電勢(shì)導(dǎo)體內(nèi)部的電勢(shì)為零，無(wú)電場(chǎng)存在，電荷均分布于籠表面，處于籠內(nèi)的導(dǎo)體不受外部電場(chǎng)的影響，受到靜電屏蔽保護(hù)，從而避免遭受雷擊。

高層建筑防雷就是利用上述原理，將建筑物女兒墻、屋頂、突出結(jié)構(gòu)物、各層的金屬門窗和柱梁板等的鋼筋、鋼板和基礎(chǔ)等自然接地相互連接形成法拉第籠。當(dāng)建筑受到雷擊時(shí)，法拉第籠為等電勢(shì)體，雷電產(chǎn)生的電荷分布于籠表面，建筑物可免受雷電的傷害。高層建筑的防雷可從2方面考慮，即外部防雷和內(nèi)部防雷。外部防雷是指防止高層建筑本身不受雷擊，主要包括防直擊雷和防側(cè)擊雷；內(nèi)部防雷是指防止雷電產(chǎn)生的雷電波對(duì)建筑物內(nèi)部的信息設(shè)備等造成干擾。

2 高層建筑的外部防雷技術(shù)

高層的建筑外部防雷主要針對(duì)其頂部和側(cè)面，完整的防雷裝置包括接閃器、引下線和接地裝置。

2.1 接閃器

接閃器的工作原理為：高出建筑物的接閃器引導(dǎo)雷電流向下傳遞，可達(dá)到保護(hù)矮于接閃器的物體不受雷擊的目的。它是目前唯一有效的外部防雷措施。

接閃器的數(shù)量和位置對(duì)高層建筑直擊雷的防護(hù)效果有一定的影響。作為接閃器中的設(shè)備，避雷針、避雷網(wǎng)和避雷帶均有一定的保護(hù)范圍。如果接閃器的數(shù)量較少，則無(wú)法起到整體的防雷效果；如果數(shù)量較多，則會(huì)造成防雷成本較高，資源浪費(fèi)。因此，本文對(duì)高層建筑防直接雷提出了以下3方面的建議：①高層建筑頂部的防雷設(shè)備可能采用避雷針、避雷網(wǎng)與避雷帶相結(jié)合的方式。雷電具有繞側(cè)擊性，可先采用避雷帶對(duì)保護(hù)范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于避雷帶無(wú)法覆蓋的部位，可采用避雷針補(bǔ)救。避雷網(wǎng)的覆蓋范圍較廣，適用于大面積的防雷工程。②盡量采用建筑物的自身結(jié)構(gòu)作為防雷設(shè)備。目前，為了增加高層建筑頂部的美觀效果，布置了較多的金屬結(jié)構(gòu)，將這些金屬結(jié)構(gòu)作為接閃器進(jìn)行防雷，既可以節(jié)約工程成本，又不影響建筑外觀。③應(yīng)計(jì)算好接閃器的保護(hù)范圍，防止出現(xiàn)死角。比如，在2005-06-19T14：10，太原市某醫(yī)院12層的住院部大樓遭雷擊，造成其東北角炸爆，炸裂為底邊長(zhǎng)約20 cm的正三角棱錐形，如圖l中的（a）所示；2007-07-25T16：00，太原市某新建住宅樓女兒墻西南角被雷擊掉邊長(zhǎng)約0.3 cm的不規(guī)則多邊形的混凝土塊，如圖1中的（b）所示。

2.2 引下線

引下線是接閃器與接地裝置的可靠連接導(dǎo)體，可使接閃裝置與接地裝置成為等勢(shì)體，避免在二者之間存在電勢(shì)差，從而保護(hù)建筑物免遭雷擊。

一般情況下，高層建筑自身能夠滿足引下線的防雷要求，其柱、梁和板鋼筋的可靠連接即可作為引下線和均壓環(huán)。但當(dāng)高層建筑的高度超過(guò)30 m時(shí)，則要每三層沿建筑物四周設(shè)置均壓環(huán)，以降低建筑遭受雷擊的概率。

2.3 接地裝置

接地裝置的有效性與接地電阻和接地方法有關(guān)。當(dāng)雷電流通過(guò)引下線時(shí)，全部電壓勢(shì)差為：

UE=i×RCk+L0×L×di/dt. （1）

式（1）中：UE為電壓勢(shì)差；i為雷電產(chǎn)生的電流；RCk為接地裝置的電阻；L0為單位長(zhǎng)度電感，約為1.5 μs/m；L為引下線長(zhǎng)度。

由式（1）可知，接地電阻越小，建筑物受沖擊的接地電動(dòng)勢(shì)越小，防雷效果也越好。因此，針對(duì)高層建筑防雷設(shè)計(jì)和施工，應(yīng)盡量降低接地電阻，以起到較好的防雷作用。

在進(jìn)行接地裝置設(shè)計(jì)時(shí)，盡量采用自身結(jié)構(gòu)或設(shè)備作接地裝置。比如，高層建筑采用箱型基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)作為接地裝置，具體做法為：將基礎(chǔ)中的鋼筋與其他結(jié)構(gòu)的鋼筋相互連接，組成閉合鋼筋網(wǎng)。筆者建議在進(jìn)行高層建筑接地裝置設(shè)計(jì)時(shí)，可適當(dāng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者溝通，通過(guò)合理設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)的鋼筋布置形式或數(shù)量，在滿足結(jié)構(gòu)承載性能的基礎(chǔ)上，達(dá)到防雷接地的效果。

3 高層建筑的內(nèi)部防雷技術(shù)

高層建筑內(nèi)部防雷主要是防感應(yīng)雷和電涌。感應(yīng)雷在衛(wèi)星天線、有線電視和網(wǎng)絡(luò)等線路中會(huì)產(chǎn)生高壓感應(yīng)電流，這種現(xiàn)象會(huì)對(duì)建筑物內(nèi)的電子設(shè)備造成損害。電涌對(duì)計(jì)算機(jī)和敏感電氣等設(shè)備的危害較大?？偠灾藢?duì)高層建筑外部進(jìn)行防雷外，建筑內(nèi)部的防雷也不容忽視。高層建筑內(nèi)部防雷主要可采用屏蔽、等電位連接和過(guò)電壓保護(hù)等措施。

3.1 屏蔽

高層住宅中的電子設(shè)備相對(duì)較少，遭受感應(yīng)雷等雷擊的概率較低，而高層智能建筑的弱電設(shè)備數(shù)量相當(dāng)多，對(duì)其采用防雷設(shè)計(jì)是必不可少的。一般情況下，建筑內(nèi)部弱電設(shè)備防雷措施大多采用屏蔽的方式，通常的做法為：對(duì)設(shè)備外部添加屏蔽網(wǎng)架結(jié)構(gòu)或金屬外殼，同時(shí)，考慮設(shè)備的電源線、信號(hào)線等接口的接地。為了使屏蔽作用更加有效，建議布線時(shí)采用金屬管或屏蔽電纜（電源動(dòng)力線與控制線要分開(kāi)敷設(shè)），且與各層接地裝置相互連接，這樣可降低雷電反沖擊的概率。對(duì)于設(shè)備要求更高的屏蔽，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)屏蔽措施。

3.2 等電位連接

等電位連接可將建筑物內(nèi)結(jié)構(gòu)、設(shè)備和金屬管等之間電勢(shì)差變?yōu)榱悖员苊饨ㄖ飪?nèi)產(chǎn)生雷電反擊、接觸放電和跨步電壓等現(xiàn)象。為了滿足上述防雷要求，一般做法分為總等電位連接和局部等電位連接兩種措施。

采用總等電位連接時(shí)，需保證基礎(chǔ)、上層結(jié)構(gòu)與內(nèi)部設(shè)備均相互連接，并與接地體連接，形成整體的連接網(wǎng)。該方法可防止產(chǎn)生地位差、放電火花等危害。

對(duì)于高層住宅建筑和智能建筑，屋面上所有金屬設(shè)施，比如風(fēng)機(jī)、落雨水管、熱水器、放空管、節(jié)日彩燈金屬外殼和屏蔽穿線管等，其電纜屏蔽層外皮應(yīng)與防雷裝置等電位連接；對(duì)于玻璃幕墻，其骨架是良好的金屬導(dǎo)體，玻璃幕墻必須形成接閃網(wǎng)，連接點(diǎn)水平距離不應(yīng)大于與應(yīng)下線的距離，垂直距離不應(yīng)大于與均壓環(huán)檢距離，接閃網(wǎng)每≤100 m2與主體防雷裝置等電位連接。

幕墻連接處不同金屬間應(yīng)具備防電化腐蝕措施，連接處應(yīng)緊密可靠，并形成到點(diǎn)通路。對(duì)于建筑物外墻側(cè)立面熱水器部位，應(yīng)預(yù)留等電位接地端子板；對(duì)于室內(nèi)的等電位連接，配電室應(yīng)采取總等電位連接；對(duì)于入戶處線纜屏蔽層，應(yīng)就近等電位處理，在機(jī)房?jī)?nèi)根據(jù)不同的電子系統(tǒng)、機(jī)房的工作方式和頻率接地的要求選擇S型、M型或其他組合方式接地網(wǎng)絡(luò)；對(duì)于電井、管井的上、下兩端，應(yīng)與防雷裝置等電位連接；在衛(wèi)生間的局部等電位連接中，應(yīng)將給水管、金屬浴盆、金屬采暖管和地面鋼筋網(wǎng)通過(guò)等電位連接線在局部等電位連接端子板處連接。此外，衛(wèi)生間的電源PE線應(yīng)與等電位端子連接。

3.3 過(guò)電壓保護(hù)

過(guò)電壓的來(lái)源主要有2種：①高層建筑遭受雷擊且引下線散流時(shí)，分到配電系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)和其他金屬管道中的雷電流會(huì)引起設(shè)備中產(chǎn)生過(guò)電壓，進(jìn)而造成設(shè)備損壞或人身觸電事故。②建筑物被擊中或附近發(fā)生雷擊時(shí)，其空間內(nèi)會(huì)分布暫態(tài)電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)將會(huì)對(duì)內(nèi)部電子系統(tǒng)產(chǎn)生作用，引起設(shè)備的誤動(dòng)作或損壞。

因此，對(duì)于過(guò)電壓?jiǎn)栴}，我們主要采取入戶線纜屏蔽和兩端接地、設(shè)備外殼接地或安裝SPD的方法。其中，SPD的原理是在瞬態(tài)過(guò)電壓發(fā)生時(shí)，將回路接入等電位系統(tǒng)中，從而使每個(gè)金屬設(shè)施電位差相等，以免產(chǎn)生電壓反擊。另外，系統(tǒng)接地還可使各類雷電波順暢地泄入大地。

對(duì)于SPD的安裝，應(yīng)考慮安裝位置、參數(shù)的選擇、級(jí)間的相互配合和級(jí)間距離等因素，采取經(jīng)濟(jì)、合理的措施，而不是單純地使SPD相互疊加?？傮w要求為：SPD上耗散的能量小于或等于其最大能量的耐受值，且前級(jí)SPD盡可能地通過(guò)較多的雷電流，最終使侵入浪涌的過(guò)電壓鉗制進(jìn)入允許范圍，從而達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的，根據(jù)GB 50343—2012中提出的安裝設(shè)計(jì)要求，對(duì)于阻、容、感性各種性質(zhì)的負(fù)載和負(fù)載處的SPD與負(fù)載之間的距離增加，會(huì)增大負(fù)載的電壓。因此，保護(hù)距離不能太長(zhǎng)，且不同負(fù)載對(duì)保護(hù)距離的要求也不同。隨著負(fù)載耐壓水平的提高，設(shè)備SPD的級(jí)別與設(shè)備之間可有更長(zhǎng)的距離。如果保護(hù)距離不足，則需要配置中間級(jí)SPD。

3.4 合理布線

為了避免在敷設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生較大的環(huán)路，進(jìn)而因環(huán)路感應(yīng)而產(chǎn)生較高的過(guò)電壓（過(guò)電流）損毀設(shè)備，應(yīng)采用合理的布線方式，盡量能地不出現(xiàn)較大的感應(yīng)環(huán)路。此外，還應(yīng)注意由室外引入的電源線、電話線、共用電視天線、屋頂彩燈和航空指示燈等線路的引入設(shè)計(jì)，以防雷電波引入。

圖2為太原市朝陽(yáng)街某小區(qū)2011-07-09T24：00，因弱電線路捆綁在接閃帶上，進(jìn)而使小區(qū)內(nèi)的12層宿舍樓遭受雷擊，造成4部電梯損壞，直接經(jīng)濟(jì)損失3萬(wàn)元。具體如圖2所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

高層建筑雷電災(zāi)害的影響因素較多，因此，高層建筑在選擇防雷時(shí)要慎重考慮。對(duì)于不同的雷電災(zāi)害，應(yīng)采取相應(yīng)的防雷辦法，采用整體與局部、上部與下部、外部與內(nèi)部相結(jié)合的理念，爭(zhēng)取將建筑遭受雷擊概率降至最低，減小雷電帶來(lái)的危害。同時(shí)，還應(yīng)不斷改善和提高高層建筑的防雷技術(shù)。

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作者簡(jiǎn)介：胡俊青（1986—），男，山西五臺(tái)人，主要從事防護(hù)方面的研究。

〔編輯：張思楠〕

Abstract： In order to improve the reliability of the lightning of high-rise buildings， introduces in detail the lightning protection lightning protection principle from the points of high-rise buildings， high-rise building internal protection and external protection and other aspects， and with the lightning disaster of high-rise building as an example， expounds the matters needing attention in building lightning protection. Lightning protection of high-rise buildings should be the whole and the part， the upper part and the lower part， internal and external combination of ideas， comprehensive consideration， and do economic， reasonable， for tall buildings subjected to minimize the probability of lightning.

Key words： high-rise building； lightning protection technology； internal external lightning protection； lightning protection