高層建筑防雷設(shè)計初探

于 秉 仟

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

0 引言

高層建筑高度較高，電氣設(shè)備種類、數(shù)目繁多，其在雷電天氣下發(fā)生雷電事故的風(fēng)險也相對普通建筑高。因此在對高層建筑進(jìn)行電氣設(shè)計時，必須綜合實際情況，選取有效的防雷技術(shù)，做好防雷措施。本文通過分類介紹高層建筑中的雷電作用,分析和總結(jié)了常見的用于高層建筑的防雷技術(shù),以期為高層建筑的雷電災(zāi)害防護(hù)提供一定參考。

1 高層建筑中雷電的影響

1.1 直擊雷

直擊雷是指因雷雨云與地面高層建筑之間直接放電而產(chǎn)生的雷擊現(xiàn)象，其發(fā)生時會在短時間內(nèi)形成極為強大的電流。因此，直擊雷破壞性極大[1]。

1.2 側(cè)擊雷

由于高層建筑高度較高，所以其側(cè)面也容易遭受雷擊，這就是所謂的側(cè)擊雷。側(cè)擊雷也能在短時間內(nèi)于建筑物中產(chǎn)生強大的電流，給建筑帶來消防、用電等各方面的安全隱患，因此在防雷設(shè)計時也是不可忽視的。

1.3 雷電感應(yīng)

雷電感應(yīng)是指雷電的二次作用，包括雷電流產(chǎn)生的各類電磁效應(yīng)、靜電效應(yīng)。如雷電流沿著引下線、鋼筋下泄時，在電氣設(shè)備線路中產(chǎn)生電磁感應(yīng)，使其產(chǎn)生過電壓或浪涌從而發(fā)生故障；又如雷電流入地后，又沿接地線傳到設(shè)備的外殼，使其帶上高壓電，即所謂地電壓反擊。

1.4 雷電波侵入

雷電擊中架空鋪設(shè)的高壓輸電線路或金屬管道附近時，因此產(chǎn)生的過電壓和靜電感應(yīng)，會通過供電線路“侵入”設(shè)備，使其損壞。

2 高層建筑中的防雷技術(shù)

基于上述種種雷電破壞形式，在實際高層建筑的電氣設(shè)計中，應(yīng)該對癥下藥，選用特定的技術(shù)來預(yù)防這些破壞的發(fā)生。這些技術(shù)可分為外部防雷技術(shù)、內(nèi)部防雷技術(shù)兩大類[2]。以下結(jié)合實例進(jìn)行說明。

2.1 高層建筑電氣設(shè)計中的外部防雷技術(shù)

高層建筑電氣設(shè)計的外部防雷，主要防范的是直擊雷(1.1)和側(cè)擊雷(1.2)的危害。常用的做法如下：

1)對直擊雷，常采用一套由接閃器、引下線、接地裝置組成的直擊雷防雷裝置。其原理是引導(dǎo)雷云與防雷裝置放電，雷電流通過接閃器→引下線→接地裝置的途徑流散到大地中，從而達(dá)到保護(hù)建筑物的目的。其構(gòu)造簡圖如圖1a)所示。

2)對于側(cè)擊雷，一般無需設(shè)置專門的接閃器，主要防范措施是根據(jù)建筑防雷等級，從30 m，45 m,60 m起,每隔一定高度將圈梁內(nèi)的周邊主筋焊通，形成均壓環(huán)并與防雷引下線相連，之后將建筑內(nèi)較大的金屬物連接均壓環(huán),實現(xiàn)防側(cè)擊雷的最終目標(biāo)[3]。其示意圖如圖1b)所示。

對于直擊雷防雷裝置，其接閃器、引下線、接地裝置的形式都不是唯一的。在設(shè)計中，應(yīng)結(jié)合建筑物實際情況，科學(xué)地選取最合適的形式。

新疆石河子清新佳苑K2住宅樓，其設(shè)計頗值得參考:在接閃器選取方面，考慮到該建筑物屬于建筑面積比較大的二類防雷建筑物，所以避雷帶的做法采用均勻明敷，沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等部位敷設(shè)。此外，應(yīng)對位于建筑中央最高處的航空障礙燈采取專門保護(hù)措施。具體做法是在其旁邊加裝了3根小型避雷針，與障礙燈的金屬部件保證良好的連接并接至附近接閃器處，同時障礙燈的供電線纜必須以金屬管屏蔽，且金屬管與建筑物的接閃裝置做良好的焊接。最終其屋頂接閃器和5條引下線布置示意圖見圖2[4]。

接地裝置方面，該建筑物采用了共用接地系統(tǒng)?？紤]到GB 50057—2010建筑物防雷設(shè)計規(guī)范中對第二類防雷建筑物的共用接地系統(tǒng)接地電阻的有關(guān)規(guī)定，設(shè)計者利用建筑物基礎(chǔ)鋼筋作為自然接地體，同時為提高泄流效率，又增設(shè)了人工接地極形成與建筑物尺寸相同的水平接地網(wǎng)，使之剛好能覆蓋建筑物平面。

對側(cè)擊雷的防護(hù)，設(shè)計者也有周詳?shù)牟贾?。依?guī)范要求，將45 m以上的每層樓內(nèi)部的水平混凝土構(gòu)件內(nèi)的鋼筋連接，形成均壓環(huán)，并通過豎向鋼筋、鋼柱等連接到基礎(chǔ)處的接地裝置。該建筑的輪廓燈電線亦采用金屬管屏蔽，并且接在一起保證等電位。同時金屬和外墻部位的鋁合金門窗等框架較大的金屬物均應(yīng)與防雷預(yù)埋件連接，且要求每一個部件與均壓環(huán)連通點不得少于兩個，以保證內(nèi)部等電位連接[6]。

2.2 高層建筑電氣設(shè)計中的內(nèi)部防雷技術(shù)

雷電感應(yīng)(1.3)、雷電波侵入(1.4)是高層建筑電氣設(shè)計中的內(nèi)部防雷技術(shù)的主要防范對象。

對于雷電感應(yīng)，常用的防范技術(shù)措施有等電位連接、合理屏蔽兩種。等電位連接指的是將建筑物內(nèi)的金屬材質(zhì)的構(gòu)架、裝置、電氣設(shè)備不帶電的金屬外殼和電氣系統(tǒng)的保護(hù)導(dǎo)體等與接地裝置做可靠電氣聯(lián)結(jié)，常用的方法有總等電位連接(MEB)和局部等電位連接(LEB)兩種。所謂合理屏蔽，即當(dāng)高層建筑存在較多微電子設(shè)備儀器的空間時，合理選用屏蔽材料(如金屬管材)、電子設(shè)備儀器的電源線、接地設(shè)施等，對其進(jìn)行電磁屏蔽，以免其內(nèi)設(shè)備受到干擾。

對于雷電波侵入，防范技術(shù)措施主要是應(yīng)用埋地電纜引入的方式對高層建筑物中的低壓、弱電線進(jìn)行處理，保障埋地長度不小于2 m。如必須應(yīng)用架空線路，則在架空金屬線槽中須用電纜敷設(shè)，從而保障其性能。同時信號線要采用有屏蔽層的電纜，做好屏蔽層接地處理。在信號線以及電氣設(shè)備的連接位置要安裝對應(yīng)的電涌保護(hù)器(Surge Protective Device，SPD)，對于變電所的3 kV～10 kV高壓配電裝置(包括電力變壓器)，應(yīng)在每組母線和架空進(jìn)線上設(shè)置閥式避雷器。

在石河子清新佳苑K2住宅樓中，為防止雷電感應(yīng)，設(shè)計者采用了等電位連接，將建筑物內(nèi)及附近所有金屬物以直接或間接連接的方式連接起來，由一點引入地下以減小雷擊時建筑物內(nèi)部金屬物之間的電位差，并在引下線近地面處也做了等電位連接，避免產(chǎn)生地電位反擊。

此外，該建筑的地下室弱電機房、一樓架空層的消防監(jiān)控室屬于含較多微電子設(shè)備的空間，因而需要進(jìn)行合理屏蔽并鋪設(shè)符合規(guī)范的防靜電地板。所有進(jìn)入該機房和監(jiān)控室的線纜都必須穿金屬管屏蔽引入，做等電位連接，最后連接到建筑物的LEB端子板上。在機房內(nèi)部，將設(shè)備保護(hù)地、屏蔽地、防雷地、工作地等連接至室內(nèi)地排，并保證所有設(shè)備的接地[6]。

在防雷電波侵入方面，廣州市一幢商用住宅樓的設(shè)計亦值得參考。其做法主要包括以下4個方面：

1)保證入戶端處的低壓線路電纜金屬外皮、金屬線槽與防雷接地裝置連接；

2)埋地引入的金屬管道(如煤氣管、消防管、水管等)在引入建筑時就近與防雷接地裝置相連；

3)在首層配電房內(nèi)總電源配電箱處設(shè)一組通流量不小于60 kA的SPD；

4)在電梯機房電源配電箱、中控室電源配電箱等處各設(shè)一組通流量不小于40 kA的SPD[6]。

3 SPD與智能防雷技術(shù)

3.1 SPD簡介

SPD由壓敏元件、氣放管等電子元件組成，是建筑防雷設(shè)計中的重要一環(huán)。然而，長時間的使用或多次的雷電流通過后將使其性能受損，失去對設(shè)備的保護(hù)作用。這就要求用戶頻繁檢查SPD的運行情況，及時更換受損失效的SPD，運行維護(hù)流程見圖3a)。而實際上，由于雷電發(fā)生的隨機性和頻繁性，受損的SPD很難被及時發(fā)現(xiàn)。由于智能建筑本身對電氣電子設(shè)備可靠性要求更高，因此對SPD也有更高的要求，不僅要求要有足夠的浪涌保護(hù)能力，也需要其將自身運行狀態(tài)、參數(shù)實時同步至監(jiān)控終端，使該SPD出現(xiàn)的故障能被及時發(fā)現(xiàn)和排除，從而保障系統(tǒng)運行的安全性。同時，對采集到的雷電浪涌數(shù)據(jù)，可以采用數(shù)據(jù)挖掘(data mining)、機器學(xué)習(xí)(machine learning)等技術(shù)手段進(jìn)行分析與處理，從而對系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化、提高雷電防護(hù)的有效性。這方面?zhèn)鹘y(tǒng)SPD是做不到的，智能SPD運行維護(hù)流程見圖3b)。

3.2 智能化SPD系統(tǒng)

用于智能建筑的智能SPD系統(tǒng)具有高度自動化、支持遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點。其構(gòu)造如圖4所示，可分為服務(wù)器監(jiān)控中心、通信管理子站、通信中繼器、SPD及智能監(jiān)控終端四部分。圖4中的箭頭代表了各部分之間的數(shù)據(jù)交換。反映SPD運行狀態(tài)的有關(guān)參數(shù)被與其集成在一起的監(jiān)控終端采集后，經(jīng)通信中繼器轉(zhuǎn)發(fā)至通信管理子站儲存，再被通信管理子站傳輸至服務(wù)器監(jiān)控中心，以便后續(xù)處理、分析與利用。

4 結(jié)語

隨著高層建筑數(shù)量不斷增加，其雷電災(zāi)害防護(hù)必將引起人們的進(jìn)一步重視。國家正在加大防雷設(shè)計研究力度，推進(jìn)審核、檢測和驗收等環(huán)節(jié)管理規(guī)范化，從而確保高層建筑防雷安全。在防雷技術(shù)上，外部防雷技術(shù)主要是設(shè)置接閃器+引下線+接地裝置的外部防雷裝置、均壓環(huán)等，內(nèi)部防雷措施主要是等電位連接、合理進(jìn)行屏蔽、在線路中關(guān)鍵節(jié)點上設(shè)SPD等。相關(guān)技術(shù)人員要用好這些技術(shù)手段，并注意結(jié)合智能化技術(shù)，研究開發(fā)更新、更有效的防雷技術(shù)，從而提升高層建筑電氣設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性，推動建筑防雷設(shè)計行業(yè)的蓬勃發(fā)展。