建筑電氣防雷接地系統(tǒng)設計要點及分析

司思

（徐州大屯工程咨詢有限公司，江蘇徐州 221611）

0.引言

近年來，高層建筑在我國大量涌現(xiàn)，這類建筑存在通信設備多、人員密集、設備精密程度高等特點，在遭受雷擊時帶來的經(jīng)濟損失更大。為保證雷擊對建筑帶來的威脅降到最低，正是本文圍繞建筑電氣防雷接地系統(tǒng)設計開展具體研究的原因所在。

1.設計要點

1.1 直擊雷防范要點

隨著城市化進程的加快，建筑樓層越來越高，與天空接觸面更大，極易遭受雷電攻擊，所以必須采取有效措施防范直擊雷，減少雷電對建筑物的損害，具體可從以下幾方面入手：第一，接閃器的選擇。接閃器可以是接閃帶、接閃線及接閃桿，目前比較常見的接閃裝置包括避雷針、避雷線、避雷網(wǎng)等。在易受雷擊的屋脊、屋角安裝避雷帶，將建筑物屋面接閃裝置與建筑物屋面板、梁、柱連接，會使接閃裝置第一時間接觸雷云，并將其引入大地。但是在接閃空間附近電場強度會比較大，接閃器自身并不能避免雷擊，而是吸引雷擊，以減少周圍雷擊。第二，接地系統(tǒng)原則。防雷裝置的接地系統(tǒng)應與建筑物內(nèi)的強弱電系統(tǒng)共用接地裝置，并與建筑物內(nèi)的金屬結構、采暖給水金屬管等可靠連接，做總等電位聯(lián)結。這樣可有效降低接地電阻阻值。由于接閃器需要面對雷擊電壓，所以電阻越小越好，但是如果想要保證電阻非常小，造價就會較高。很多企業(yè)為減少工程成本，往往將電阻控制在安全范圍內(nèi)，這不僅起不到避雷的作用，會增加雷擊風險，所以必須注重避雷裝置合理選擇，減少雷擊可能性[1]。

1.2 側(cè)雷擊防范要點

直擊雷包括直面雷擊和側(cè)擊，側(cè)擊是指雷電擊中建筑物側(cè)墻。當?shù)谝活惙览捉ㄖ叨瘸^30m，第二類、第三類防雷建筑高度60m部分需做防側(cè)擊雷措施。具體防范需聚焦以下幾個方面：第一，防范側(cè)擊可利用高層建筑物的鋼筋混凝體，將側(cè)雷引入鋼筋結構中，以減少雷擊對建筑物的侵蝕和損害，從而延長建筑物使用壽命。第二，防范側(cè)擊雷布置接閃器應重點布置在墻角、邊沿以及顯著突出的部位。第三，建筑側(cè)面的外部金屬，如金屬幕墻、鐵欄桿、金屬管道等，當其尺寸滿足接閃器最低要求時，可利用其作為接閃器。也可利用明敷引下線作為接閃器與屋面防雷系統(tǒng)相連。以玻璃幕墻為例，可利用玻璃幕墻的金屬構架，將其與大樓主體防雷預埋件連接，并在預埋時將預埋鋼板與均壓環(huán)焊接，且與全部防雷引下線焊接，這樣以幕墻金屬構架作為接閃器，建筑物柱內(nèi)主筋作為引下線，起到防側(cè)雷擊的作用[2]。第四，使用阻燃保溫材料，并在保溫材料中添加阻燃劑，以減少雷電擊中發(fā)生起火的可能。

1.3 雷電波防范要點

雷電波侵入是指雷電波沿著架空線或者金屬管道侵入室內(nèi)，對人身安全或者電氣設備進行損害。防雷電波入侵的最佳方式是在建筑物進線處設SPD浪涌保護器。具體為在低壓電源電纜引入的總配電箱處安裝I級實驗的SPD浪涌保護器，二級配電箱進線處設II級實驗的SPD浪涌保護器，弱電進線也許在終端信息箱處裝設SPD浪涌保護器。浪涌保護器具體工作原理為，在正常情況呈現(xiàn)高阻抗，當雷電流通過時，隨著電涌電流與電壓的增加，其阻抗不斷減小，將雷電流導入地下，從而起到防范雷電波的作用，以減少建筑物雷電入侵[3]。

1.4 其他要點

建筑電氣防雷接地系統(tǒng)設計還應關注以下幾方面要點：第一，等電位聯(lián)結。為實現(xiàn)對電位差的控制，等電位聯(lián)結設計極為關鍵，由此可得到平整的電位，實現(xiàn)對接觸電壓的控制。在具體設計過程中，科學的等電位聯(lián)結設計能夠降低相關故障概率，設計人員需要優(yōu)選聯(lián)結方式，包括局部等電位聯(lián)結和總等電位聯(lián)結。以建筑衛(wèi)生間為例，設計過程需要聚焦防潮設備安裝，進而將相關金屬構件、管道與局部等電位連接端子進行連接。第二，浪涌保護器選擇?；诶纂姺雷o分區(qū)需要，為實現(xiàn)對電涌電流的快速泄放，電涌保護器的科學選用極為關鍵，電涌電壓限制及相關危害控制也能夠獲得支持。在具體設計過程中，可基于安裝位置選擇不同等級的浪涌保護器，如滿足I級分類試驗的浪涌保護器需要安裝在LPZ0（A）區(qū)與LPZ1區(qū)交界面處穿過的配電線路和供電線路上。第三，屏蔽措施設計。近年來，高層建筑在我國大量涌現(xiàn)，這類建筑的電氣防雷接地系統(tǒng)設計需要聚焦屏蔽措施選擇，保證電子設備及電氣線路不會受到雷電電磁干擾。對基于電氣豎井敷設的電氣主干線來說，需遠離引下線主筋位置進行敷設，各樓層接地母線及等電位聯(lián)結板需要與穿線的金屬線槽和鋼管連接。此外，防雷電波侵入設計需要圍繞用電設備、配電設備、配電線路針對性進行，在配電盤內(nèi)電壓保護器需要設置于外殼與開關電源側(cè)間[4]。

2.實例分析

2.1 工程概況

為提升研究的實踐價值，以某典型高層住宅建筑作為研究對象，該建筑屬于二類高層建筑，總建筑面積及高度分別為15608.8m2、46.75m，地上16層、地下兩層，其中地上一、二層為商鋪裙房。建筑采用框架剪力墻結構和平屋面屋頂。主要由地下室區(qū)、住宅區(qū)及一二層商鋪區(qū)組成。為保證建筑安全運行，需要針對性開展電氣防雷接地系統(tǒng)設計。基于式（1）對建筑物年預計雷擊次數(shù)，式中的Ae、Ng、Td、k分別為與建筑物接受相同雷擊次數(shù)的等效面積、當?shù)乩讚舸蟮啬昶骄芏取⒛昶骄妆┤諗?shù)、校正系數(shù)。通過計算可以確定案例建筑存在0.105次的年預計雷擊次數(shù)，屬于第三類防雷建筑。

2.2 防雷環(huán)境分析

為分析案例建筑的防雷環(huán)境，需要從3個方面入手：第一，確定雷電區(qū)域。案例建筑所在地為江蘇徐州，屬于中雷區(qū)，年平均雷暴日為29.4d；第二，系統(tǒng)復雜。作為二類高層住宅，案例建筑內(nèi)部存在大量電氣系統(tǒng)，包括供配電系統(tǒng)、網(wǎng)絡通信系統(tǒng)、公共安防系統(tǒng)、消防報警系統(tǒng)等，這類消防、安防等弱電系統(tǒng)對防雷接地設計的要求較高；第三，結構不規(guī)則。案例建筑存在不規(guī)則的外形，各樓層結構差異顯著，大量存在露天平臺，突出部位數(shù)量也較多，因此，單純將接閃帶設置于頂層無法滿足該建筑防雷需要。綜上所述，需結合防雷環(huán)境、建筑物內(nèi)強弱電系統(tǒng)繁多、建筑物外形不規(guī)則等因素綜合考慮，才能設計出安全、可靠性高的防雷接地系統(tǒng)[5]。

2.3 基本設計方法

在案例建筑的防雷接地系統(tǒng)設計中，基本設計主要包括引下線、接閃器、接地裝置、屏蔽等外部防雷措施防范直擊雷，同時以裝設SPD浪涌保護器、強弱電共用接地系統(tǒng)、總等電位連接等內(nèi)部防雷措施防范雷電波入侵。

2.3.1 引下線設計

作為接地裝置與接閃器連接用金屬導體，引下線負責向接地裝置引入雷電流，其本身需要具備較強的耐腐蝕性能、機械強度及熱穩(wěn)定性。案例建筑引下線為結構柱內(nèi)鋼筋，具體以2根（直徑大于16mm）或4根（直徑10mm～16mm）為1組，用于連接避雷帶及基礎接地裝置，所有剪力墻及框架柱內(nèi)的構件鋼筋同樣屬于電氣防雷接地系統(tǒng)中的引下線，需保證存在25m以內(nèi)的引下線間距。

2.3.2 接閃器設計

接閃器主要由避雷網(wǎng)、避雷帶、避雷針等組成，作為第三類防雷建筑物，案例建筑的直擊雷預防可采用可直接裝設避雷帶方式。具體需要在裙房屋頂、高層屋頂沿檐角、屋檐、屋脊、屋角、女兒墻等部位敷設避雷帶，具體使用熱鍍鋅圓鋼，直徑為10mm，也可以利用建筑物金屬構件，保證屋面上可導電體、金屬屋架、金屬通風管、金屬構件均可靠連接接閃器。非金屬物體如處于屋面接閃器保護范圍外，同時需要針對性設置接閃器，該接閃器需要連接屋面防雷裝置。需按照最大20m×20m或24m×16m控制避雷帶連接網(wǎng)格，連接的可靠性也需要嚴格控制。

2.3.3 接地裝置設計

接地裝置負責向大地導入雷電流，為避免雷電流反擊出現(xiàn)，必須做好接地裝置設計。以往行業(yè)要求單獨進行電子設備接地，但現(xiàn)階段已不提倡這類設計，應通過同一接地裝置接入防雷接地系統(tǒng)與電子設備，這一過程需要嚴格控制接地電阻。如使用專用接地系統(tǒng)作為電子設備接地裝置，需保證建筑防雷接地系統(tǒng)與該專用系統(tǒng)間存在20m以上距離。具體設計需要優(yōu)先考慮利用鋼筋混凝土基礎內(nèi)的鋼筋，案例建筑的基礎接地網(wǎng)通過焊接基礎底梁上下兩層鋼筋中的兩根主筋形成，接地電阻控制為1Ω。

2.3.4 內(nèi)部防雷裝置設計

案例建筑弱電系統(tǒng)較多，其對內(nèi)部防雷的要求較高，這類內(nèi)部防雷裝置設計應主要考慮防范雷電波入侵，及其可能帶來的危害。第一，防雷系統(tǒng)需接入總等電位聯(lián)結?？偟入娢宦?lián)結由建筑物的防雷裝置、各類金屬管線（進出建筑物）、金屬結構、內(nèi)部系統(tǒng)接地線纜、金屬裝置、金屬體等構成；第二，浪涌保護器需要設置于低壓電源線纜引入的總配電箱處，同時做好總等電位聯(lián)結，信號線路浪涌保護器需要設置在弱電進線箱處，金屬管道需在進出建筑物處用接地線與總等電位聯(lián)結箱相連；第三，建筑內(nèi)主要設備間和弱電機房處應設置局部等電位聯(lián)結箱，并接入總等電位系統(tǒng)。

2.4 優(yōu)化設計

在開展基本設計的同時，考慮到案例建筑存在不規(guī)則的形狀，處于中雷暴地區(qū)，且同時存在大量露天平臺、屋面設備等情況，因此結合上述基本設計，案例建筑需針對以下幾個方面開展優(yōu)化設計。

2.4.1 加強內(nèi)外部防雷保護設計

考慮到案例建筑存在大量露臺，同時存在眾多的突出部位，因此需要在突出部位及連接露臺部分設置防雷電感應及防平臺處雷擊的措施?？紤]到頂層平臺處存在送風風井、空調(diào)管井、太陽能板及電梯機房和設備，外部防雷設計時不僅需要在凸出屋面的部分布置避雷帶，還需要與這些設備的金屬基礎可靠連接。同時，內(nèi)部防雷措施也極為關鍵：第一，除了基于三類防雷建筑物基本的防雷接地設計要求外，所有建筑物進出的構架、金屬管道、線纜等金屬物需做總等電位，保證接地裝置與室內(nèi)接地干線盡量多的連接；第二，混凝土、柱、板、梁內(nèi)的鋼筋需要與建筑物鋼構架相互連接，達到電氣通路的要求，作為引下線的柱內(nèi)鋼筋需要針對性設計，同時，在雷擊頻繁部位適當增設引下線；第三，作為接閃器的外部金屬物需嚴格要求，保證其下部不存在易燃物體，同時厚度滿足要求，如金屬物為鋁板、鋅板、銅板、鉛板，其厚度需要分別在0.65mm、0.7mm、0.5mm、2mm及以上，此外，接閃器還可以選擇在垂直于建筑物邊緣處布置的外部引下線，將避雷網(wǎng)和外部金屬物設置于露臺處，該部位的雷擊危險能夠大幅下降；第四，對金屬物的底端和頂端，以及外豎直敷設及外墻內(nèi)的金屬管道，需做等電位并與防雷裝置可靠連接，這不僅能夠有效預防側(cè)擊雷，同時能減少直擊雷帶來的傷害。

2.4.2 智能設備保護設計

案例建筑內(nèi)部存在大量智能設備，這類設備的保護同樣屬于防雷接地設計重點，因此，具體設計需要聚焦電磁脈沖等內(nèi)容展開：第一，避雷裝置需要設置于變壓器低壓及高壓側(cè)，具體在建筑物內(nèi)、外均需要設置；第二，進出建筑的各種金屬管道需要連接防雷接地體，不區(qū)分直接埋地和加工管道，同時需保證接地電阻阻值滿足要求；第三，主要通過埋地接入設計處理建筑物內(nèi)的線纜管道，鋼管道及電纜金屬外皮需要在入戶端連接接地體；第四，對于建筑內(nèi)部存在的重要電子系統(tǒng)，需要設置通信保護裝置，同時科學設置浪涌保護器數(shù)量，避免雷電過電壓在雷電流入侵時破壞電子設備；第五，屏蔽網(wǎng)站需要設置在建筑內(nèi)部重點電子設備間，雷電電磁場的有效隔絕能夠順利實現(xiàn)，更好規(guī)避相關破壞問題；第六，選用的弱電設備需要具備防雷保護功能，進而滿足用電末端防護需要。

2.4.3 接地保護設計

在利用建筑物主體結構作為接地體的同時，案例建筑在配電間、風機房消防控制室、弱電機房等重要設備用房的局部等電位設計上充分優(yōu)化了接地和整體接地阻值，具體設計如下：第一，充分利用建筑物內(nèi)的基礎鋼筋最作為接地體，與建筑物屋面板、屋架、鋼柱、鋼筋混凝土柱子等構件的防雷裝置及鋼筋連為整體，且達到電氣通路的要求；第二，基礎接地網(wǎng)與不同接地引下線需要可靠焊接，同時強弱電系統(tǒng)、內(nèi)部防雷裝置及外部防雷裝置共用接地裝置，其中的等電位連接使用金屬管線；第三，考慮到案例建筑內(nèi)部存在大量重要設備，需保證接地電阻不大于1Ω，必要時可增設人工接地體，以達到接地電阻的要求。

3.結論

建筑電氣防雷接地系統(tǒng)設計需要關注多方面因素影響，在此基礎上，本文涉及的內(nèi)部防雷裝置設計、總等電位系統(tǒng)設計、接地系統(tǒng)設計等內(nèi)容，提供了可行性較高的設計思路，在優(yōu)化建筑電氣防雷接地系統(tǒng)設計方面提供了借鑒經(jīng)驗。