超高層建筑雷電防護的有關研究

文丨王鳳來 張利華

國際慣例高度150米以上的建筑為超高層建筑，俗稱摩天大樓。超高層建筑的雷電防護有其特殊性，第一遭受直接雷擊的概率大大增高，第二對其周邊建筑物遭受雷電侵襲的概率大大增高，第三其遭受云間閃所產(chǎn)生的雷擊電磁脈沖侵襲的概率大大增高。

超高層建筑的雷電防護應按照《建筑物防雷設計規(guī)范》作好直接雷擊防護的設計、施工，即接（接閃帶、網(wǎng)）、泄流（引下線）、接地、防側擊雷。筆者認為針對其特殊性應作好防雷擊電磁脈沖及建筑內(nèi)的人身安全！

云間閃電磁脈沖的防護

超高層建筑高聳入云，受到云地閃 、云間閃雷電襲擊的概率比一般建筑物要大大升高。針對超高建筑，我們先著重研究云間閃的雷電侵襲。雷雨云云底高度400-1000米，云間閃產(chǎn)生的強雷擊電磁脈沖就會對建筑物內(nèi)的電子設備遭成損壞、損毀。

雷暴天氣云間閃與云地閃之比為9：4，云間閃中和電荷量5-30庫倫，我們且以中和電荷量15 庫倫計算，相當于Iimp30kA（10/350μS雷電波）的沖擊電流，依據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》GB50343-2012，可按 120kA（8/20μS 雷電波）計算電磁輻射。

據(jù)美國研究報告（AD-722675）指出：當雷電活動時，電磁感應強度達到0.07Gs時，無屏蔽的計算機發(fā)生誤動作，當電磁感應強度超過2.4Gs時，計算機將會發(fā)生永久性損壞。

設云閃雷電發(fā)生在距超高建筑物100 m處，雷電流強度120KA 。依據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057-2010 第 6.3.2 條第1款計算，超高建筑物100米以上房間內(nèi)電子設備如果未作好電磁屏蔽就可造成永久性損壞。

盡管超高建筑多采用鋼管混凝土框架、鋼板剪力墻，但其玻璃窗的空洞效應必須作好電磁屏蔽。建議采用絲網(wǎng)夾芯型電磁屏蔽玻璃，以獲得較好的屏蔽效果。超高建筑內(nèi)部所有電源線、信號線均應穿鐵質金屬管或金屬線槽敷設。室內(nèi)電氣和電子設備均應設置在距外墻及結構柱不小于1-1.5米處。

超高建筑遭直接雷擊時的人身安全

超高建筑多采用鋼管混凝土框架，主結構柱作為防雷引下線，必須考慮鋼管寄生電感的影響。

鋼管寄生電感按下式進行計算：

μ0-真空磁導率；μ-導體材料磁導率。λ取值見曲線圖

通過計算表明，當其接閃的雷電流150kA時，外墻結構柱電壓非常高，因此，30米以上應在外墻結構柱設警示標示，雷雨時人員距外墻 1.5 米以外，以保障人身安全。

超高層建筑接地引下線寄生電感與電涌保護器的作用分析

自2000年10月1日實施《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057-94（2000年版），增加第6章防雷擊電磁脈沖、2011年10月1日實施 《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057-2010、2004年6月1日實施《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》GB50343-2004、2012年12月1日實施《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》GB50343-2012，上述國家防雷標準均對低壓配電系統(tǒng)防雷保護的設計、施工作了規(guī)定。依筆者多年從事防雷設計、施工、防雷檢測、雷電災害調查、電涌保護器測試之實踐，低壓配電系統(tǒng)設計安裝的電涌保護器能否起到防雷保護作用，除按規(guī)范作好能量配合外，其接地導體寄生電感的影響是必須考慮的重要因素。

低壓配電系統(tǒng)電涌保護器的技術參數(shù)Up是在其無感接地條件下測試的結果。為驗證電涌保護器接地引線寄生電感對其能否起到防雷作用的影響。2019年7月11日在北京雷電防護裝置測試中心作試驗，如以下測試結果：

依據(jù)（建筑物內(nèi)電子設備的防雷保護； 電子工業(yè)出版社2000年6月第一版 張小青編著）計算長1 米、16mm2 多股塑銅線寄生電感量：

式中：L0---寄生電感（μH）；H和r---分別為導體的長度和半徑（cm）；

通過公式計算表明，電涌保護器接地線的長短對能否起到防雷保護作用影響極大，5kA雷電流無感接地 Ures=1.12kV，2米截面積 16mm2銅導線接地 Ures=1.88kV，如果被保護設備的耐沖擊額定電壓 Uw=1.5kV，則該設備會遭雷擊而損壞。

《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》GB50343-2012第6.5.1條第1款“電源線路的各級浪涌保護器應分別安裝在線路進入建筑物的入口、防雷區(qū)的界面和靠近被保護設備處。各級浪涌保護器連接導線應短直，其長度不宜超過0.5m，并固定牢靠。浪涌保護器各接線端應在本級開關、熔斷器的下樁頭分別與配電箱內(nèi)線路的同名端相線連接，浪涌保護器的接地端應以最短距離與所處防雷區(qū)的等電位接地端子板連接。配電箱的保護接地線（PE）應與等電位接地端子板直接連接；”該規(guī)定考慮到了接地線的寄生電感影響問題（規(guī)范只是表述各級浪涌保護器連接導線應短直，其長度不宜超過0.5m。實際工程中配電箱接地排到總等電位接地端距離將大于兩米，甚至更大?。?，但是低壓配電施工規(guī)范要求配電箱按裝箱底距地面1.5米，電涌保護器安裝位置距地面可達1.8米左右，即使是2米左右的接地線也會對其防護作用產(chǎn)生影響。因此，筆者建議對于Ⅱ級、Ⅲ級分配電箱應從建筑總MEB就近引40X4mm 矩形導體（扁鋼或扁銅）接入配電箱 與 PE 排作等電位連接，并作為箱中電涌保護器接地，以盡量減小寄生電感的影響。

針對超高層建筑接地引下線過長，前述鋼管混凝土結構柱，鋼管每米寄生電感以3.485（μH）估算（鋼管內(nèi)外徑不同，寄生電感值略有不同），則必須考慮其對防雷擊電磁脈沖的影響。因此，構建MEB時（目前尚無超高層建筑防雷設計國家標準），應有別于住建部的建筑物《等電位聯(lián)結安裝》02D501-2相關規(guī)定（等電位環(huán)形導體用40X4mm 扁鋼，其1米寄生電感為0.865μH）。筆者建議總等電位環(huán)型導體選用120X4.5mm 扁鋼帶或扁銅帶（其1米寄生電感為 0.66μH），連接盡量多根結構柱（等電位環(huán)形導體與結構柱連接導體也選用120X4.5mm扁鋼帶） ，使接地引下線寄生電感減小到可忽略的量級。超高層建筑防雷接地引下線寄生電感問題應引起建設投資方、設計方的高度重視！。