建筑物雷電防護(hù)技術(shù)分析

王明磊

（赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

0 前言

隨著建筑物規(guī)模和高度的不斷提升，多樣化現(xiàn)代電氣設(shè)備的廣泛應(yīng)用，建筑物受到雷電傷害的概率不斷提高，很容易導(dǎo)致建筑物及使用者受到嚴(yán)重傷害。為提升建筑物防雷性能，雷電防護(hù)技術(shù)的科學(xué)選用極為關(guān)鍵，由此可見(jiàn)，本文研究具備較高的現(xiàn)實(shí)意義。

1 建筑物雷電防護(hù)技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

建筑物雷電防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用會(huì)受到多方面因素影響，結(jié)合相關(guān)理論研究和實(shí)踐探索，本節(jié)將圍繞科學(xué)選用雷電防護(hù)技術(shù)、明確避雷針使用要點(diǎn)、保證接地與等電位連接合理性三方面探討建筑物雷電防護(hù)技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)。

1.1 科學(xué)選用雷電防護(hù)技術(shù)

不同建筑物存在不同的構(gòu)造，同時(shí)所處環(huán)境、具體功能也存在一定差異，因此，雷電防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用必須結(jié)合這種差異，不得盲目采用統(tǒng)一的雷電防護(hù)技術(shù)，只有針對(duì)性選用技術(shù)，方可最大化提升建筑物防雷性能。在具體實(shí)踐中，需關(guān)注建筑物防雷保護(hù)區(qū)的科學(xué)劃分，具體需要強(qiáng)化對(duì)電子設(shè)備及儀器的重視，并對(duì)這類設(shè)備儀器的性能特點(diǎn)進(jìn)行研究。同時(shí)，還需要考慮雷擊干擾后建筑物出現(xiàn)的連鎖反應(yīng)，相關(guān)物品因電流而損壞屬于其中重點(diǎn)，由此充分考慮不同建筑物受到的雷電威脅，充分結(jié)合安全和經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)雷電保護(hù)區(qū)的科學(xué)劃分。此外，考慮到建筑物內(nèi)部存在對(duì)雷擊抵抗力較低的電子系統(tǒng)，雷擊往往會(huì)對(duì)這類系統(tǒng)造成嚴(yán)重傷害，基于這種傷害預(yù)防的雷電防護(hù)技術(shù)應(yīng)用也需要得到重視[1]。

1.2 明確避雷針使用要點(diǎn)

避雷針廣泛用于建筑物防雷工程，屬于常用的建筑物雷電防護(hù)技術(shù)，主要由接地體、引下線、接閃器組成，通過(guò)引雷的方式向地下導(dǎo)入強(qiáng)大的電流，即可保護(hù)建筑物安全。在避雷針的應(yīng)用中，必須認(rèn)識(shí)到該雷電防護(hù)技術(shù)并不適用于所有建筑物，且不同建筑物的避雷針應(yīng)用也存在一定差異，避雷針較為適合設(shè)置于建筑物的頂部突出設(shè)施處。值得注意的是，在一些特殊物質(zhì)干擾下，如建筑物內(nèi)部的引線和金屬管道相互隔離，避雷針的設(shè)置必須得到重視，此時(shí)避雷針能夠在建筑物雷電防護(hù)中發(fā)揮關(guān)鍵性作用。為實(shí)現(xiàn)避雷針的科學(xué)應(yīng)用，必須明確其適用范圍，相關(guān)設(shè)計(jì)的優(yōu)化開(kāi)展、雷電擊中范圍的準(zhǔn)確計(jì)算也需要得到重視[2]。

1.3 保證接地與等電位連接合理性

接地屬于建筑物防雷的重要組成部分，大量接地環(huán)節(jié)存在于建筑物裝修過(guò)程中，雖然這類接地存在較小的電流數(shù)值，但故障出現(xiàn)后引發(fā)的短路很容易引發(fā)安全問(wèn)題，為規(guī)避安全事故，人身安全防護(hù)必須在雷電防護(hù)技術(shù)應(yīng)用中得到重視。對(duì)于電氣設(shè)備外殼，接地措施的合理選用極為關(guān)鍵，外殼損害對(duì)人身安全造成的威脅需設(shè)法規(guī)避，避雷針安裝涉及的接地配置也需要科學(xué)開(kāi)展，以此更好保證建筑物使用安全；等電位連接采用金屬材質(zhì)，由于具備一定導(dǎo)電性質(zhì)，等電位連接對(duì)于獨(dú)立防直擊雷裝置需選擇地平面位置，室內(nèi)等電位連接需同時(shí)針對(duì)性基于外來(lái)導(dǎo)體設(shè)置[3]。

2 建筑物雷電防護(hù)技術(shù)的具體應(yīng)用

2.1 案例概況

以某地商住兩用的高層建筑工程作為研究對(duì)象，工程由12座30層的高層建筑組成，每棟建筑高120m，建筑面積為14.4萬(wàn)m2，地下共1層，為1.2萬(wàn)m2的地下車庫(kù)。工程的雷電防護(hù)技術(shù)應(yīng)用需結(jié)合地勢(shì)環(huán)境明確落雷概率，并結(jié)合工程實(shí)際明確雷電防護(hù)要求，通過(guò)計(jì)算可確定該工程的防雷等級(jí)為2級(jí)，由于工程屬于典型的智能建筑，內(nèi)部存在大量電子信息系統(tǒng)，因此，其防雷級(jí)別為C級(jí)。最終，工程通過(guò)雷電防護(hù)技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用得以擁有全面、系統(tǒng)的防雷能力，該工程具備較高借鑒價(jià)值。為直觀展示案例工程的雷電防護(hù)技術(shù)應(yīng)用，本節(jié)將主要圍繞防雷整體設(shè)計(jì)、外部防雷方案、內(nèi)部防雷方案開(kāi)展深入探討。

2.2 防雷整體設(shè)計(jì)

為滿足智能建筑防雷需要，將整個(gè)工程的建筑群視作系統(tǒng)性工程，以此預(yù)防雷擊災(zāi)難，重點(diǎn)防范雷電對(duì)電子信息系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)的危害，最終確定了如圖1所示的防雷整體設(shè)計(jì)。

2.3 外部防雷方案

為實(shí)現(xiàn)對(duì)外部雷擊的防范，工程針對(duì)性設(shè)置了接地網(wǎng)、接閃器、引下線。由于工程屬于典型的高層建筑群，按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，樓體高度在30m以上的建筑，每三層需要連接均壓環(huán)，需要將門窗等金屬結(jié)構(gòu)與防雷設(shè)施連接。因此，工程樓體引下線通過(guò)焊接四根主鋼筋組成，同時(shí)保證存在25m內(nèi)的各個(gè)引下線距離，下接地表的扁鋼同時(shí)設(shè)置于鋼筋接近地面1m處，這一設(shè)計(jì)保證了分流充分且磁場(chǎng)能夠相互抵消；接閃器安裝于高層建筑頂端四周，負(fù)責(zé)承受雷擊和保護(hù)建筑，工程接閃器選擇提前放射式避雷針與避雷帶；接地極的設(shè)置充分考慮了工程存在的大量電子信息系統(tǒng)，為應(yīng)對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的線路，工程建立了共用接地體，其能夠完整連接樓體的法拉第籠，可發(fā)揮消除電位差和互通效果。考慮到接地極埋設(shè)情況和大小直接影響接地電阻，工程對(duì)地下基礎(chǔ)鋼筋進(jìn)行了充分應(yīng)用，并設(shè)置鍍鋅扁鋼于樓體的基礎(chǔ)四周，規(guī)格為40m×4m，在樓體外地坪1m下埋設(shè)，通過(guò)涂刷瀝青保證其防腐性能[4]。

圖1 防雷整體設(shè)計(jì)

2.4 內(nèi)部防雷方案

圖2 避雷器安裝位置示意圖

作為典型的智能建筑，內(nèi)部防雷屬于本文研究工程雷電防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵，這是由于工程內(nèi)部設(shè)置有大量電子線路和電子設(shè)備，雷擊形成的強(qiáng)大瞬時(shí)磁場(chǎng)很容易導(dǎo)致線路和設(shè)備受到干擾，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)損壞問(wèn)題，因此，工程重點(diǎn)開(kāi)展了配電變壓器防雷設(shè)計(jì)。對(duì)于防雷需求較高的配電變壓器，為避免其受到雷電傷害，保證供電穩(wěn)定性，工程在裝設(shè)避雷器的過(guò)程中嚴(yán)格控制了殘壓，通過(guò)縮小殘壓至一定范圍，限制雷電波陡度。為實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器所有設(shè)施的保護(hù)，需靠近變壓器設(shè)施設(shè)置避雷器，具體采用串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器，這類避雷器具備可連接脫離器、存在平時(shí)不用承壓的閥片，這使得其具備較長(zhǎng)的使用壽命且問(wèn)題出現(xiàn)后的保護(hù)性能更為出色，避雷器安裝位置示意圖如圖2所示。

對(duì)于擁有較為復(fù)雜電子系統(tǒng)的智能建筑來(lái)說(shuō)，雷電對(duì)這類建筑的傷害一般不通過(guò)電流實(shí)現(xiàn)，而是依靠通過(guò)瞬時(shí)的磁場(chǎng)，由此造成的傷害會(huì)導(dǎo)致電子信息系統(tǒng)無(wú)法正常工作，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致其損壞或引發(fā)安全事故。因此，雷電防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用需設(shè)法提供多層次的電子系統(tǒng)保護(hù)。以智能建筑的“一卡通”系統(tǒng)為例，需要設(shè)置三級(jí)保護(hù)，位置分別為終端設(shè)備的末端、終端設(shè)備與主控機(jī)設(shè)備間的傳輸線路、變壓器靠近建筑側(cè)，由此即可充分釋放室外感應(yīng)的過(guò)電壓、釋放內(nèi)感應(yīng)過(guò)電壓與殘壓、釋放兩級(jí)殘壓。

為更好實(shí)現(xiàn)內(nèi)部防雷，工程還科學(xué)開(kāi)展了雷電防護(hù)區(qū)的劃分，高層建筑防雷區(qū)由五部分組成，具體如圖3所示。圖中的A區(qū)指的是直擊雷非防護(hù)區(qū)，屬于無(wú)法防護(hù)的建筑物外部區(qū)域，對(duì)于這一區(qū)域的物體來(lái)說(shuō)，雷擊無(wú)法完全避免；圖中的B區(qū)為直擊雷防護(hù)區(qū)，對(duì)于這一區(qū)域的物體來(lái)說(shuō)，直接雷擊的幾率較低，同時(shí)幾乎不存在的電磁場(chǎng)承壓；圖中的C區(qū)為第一防護(hù)區(qū)，該區(qū)域存在相對(duì)較小的導(dǎo)體雷電流，同時(shí)存在較小的電磁場(chǎng)，被雷直擊的可能性極低；圖中的D區(qū)為第二防護(hù)區(qū)，該區(qū)域基于一定措施可實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)和雷電流的進(jìn)一步衰減；圖中的E區(qū)為后續(xù)防護(hù)區(qū)，該區(qū)域需要設(shè)法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)雷電流與電磁場(chǎng)的衰減。

圖3 防雷區(qū)劃分示意圖

為進(jìn)一步強(qiáng)化工程的內(nèi)部防雷，案例工程在雷電防護(hù)技術(shù)應(yīng)用中還采用了如下三種措施：1）均壓。在雷擊出現(xiàn)于建筑物周邊時(shí)，基于相應(yīng)的路徑暫態(tài)雷電流會(huì)進(jìn)入樓體內(nèi)部，暫態(tài)電位上升的各個(gè)部位因此出現(xiàn)，這類部位與附近金屬將形成暫態(tài)電位差，過(guò)高的暫態(tài)電位差可能引發(fā)擊穿現(xiàn)象，反復(fù)進(jìn)行的這種現(xiàn)象還會(huì)導(dǎo)致具有高電位的金屬出現(xiàn)，電子設(shè)備正常運(yùn)行將受到嚴(yán)重影響。為規(guī)避相關(guān)問(wèn)題，工程采用了連接樓體內(nèi)關(guān)鍵金屬電氣的方式，以此保證等位電位存在，電位差的形成得以規(guī)避，具體對(duì)象涉及電源、天然氣管、水管等金屬，由此可保證雷擊帶來(lái)的感應(yīng)電壓不會(huì)引發(fā)電壓擊穿問(wèn)題。2）等電位 連接與接地。均壓效果的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)等電位連接和接地的支持，具體需實(shí)施于樓體內(nèi)外交界處，跨越樓內(nèi)外的金屬設(shè)備和物體需要進(jìn)行連接，以此消除弱電受到的感應(yīng)過(guò)電壓干擾。工程在機(jī)房中沿著墻體進(jìn)行總等電位鋪設(shè)，即30mm×3mm銅線，支撐物采用F8絕緣子，同時(shí)安裝等電位的匯流排于機(jī)房四周角落，為構(gòu)成等電位體，還需要將墻體內(nèi)鋼筋與等電位的匯流排連接。對(duì)于流體中存在金屬外殼的物體，匯流排需通過(guò)銅線與這類物體進(jìn)行就近連接，等電位端子板與等電位最終連接，并隨之連接防雷裝置。3）屏蔽。對(duì)于存在大量多半導(dǎo)體構(gòu)件的建筑弱電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這類半導(dǎo)體構(gòu)件的抗干擾能力較弱，弱電性質(zhì)的線纜也存在同類問(wèn)題，雷電波帶來(lái)的感應(yīng)電磁場(chǎng)很容易危害弱電系統(tǒng)，因此，工程針對(duì)性選用了屏蔽措施。在雷擊發(fā)生前，較大的暫態(tài)電磁脈沖變化率會(huì)因暫態(tài)過(guò)電流引發(fā)，這會(huì)直接影響相關(guān)設(shè)備和線路，計(jì)算機(jī)等弱電設(shè)備受此影響很容易出現(xiàn)硬件損害，由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和安全威脅必須設(shè)法規(guī)避。在具體的屏蔽措施選用中，工程采用弱電設(shè)備外殼接地的方式，同時(shí)采用壓敏電阻可靠連接電纜線纜，并選擇二極管期間連接屏蔽電纜出入口的屏蔽體，暫態(tài)過(guò)電壓可由此在儀器出入口截住。此外，工程中的鋼筋、門窗、護(hù)欄等金屬構(gòu)造也得到了充分利用，通過(guò)這種建筑物的自然屏蔽，電氣化連接建筑金屬構(gòu)造，屏蔽籠得以形成，以此實(shí)現(xiàn)電磁波的衰減，內(nèi)部電阻性設(shè)備屏蔽需求得以有效緩和，相關(guān)損害和事故的發(fā)生幾率也得到了有效抑制。

3 結(jié)論

綜上所述，建筑物雷電防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用存在較高必要性。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的科學(xué)選用雷電防護(hù)技術(shù)、明確避雷針使用要點(diǎn)、防雷整體設(shè)計(jì)、外部防雷方案、內(nèi)部防雷方案等內(nèi)容，則直觀展示了雷電防護(hù)技術(shù)應(yīng)用路徑。為更好提升建筑物防雷性能，物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等新技術(shù)和新設(shè)備對(duì)建筑物雷電防護(hù)提出的更高挑戰(zhàn)必須得到重視。