高层建筑防雷设计初探

于 秉 仟

(同济大学土木工程学院，上海 200092)

0 引言

高层建筑高度较高，电气设备种类、数目繁多，其在雷电天气下发生雷电事故的风险也相对普通建筑高。因此在对高层建筑进行电气设计时，必须综合实际情况，选取有效的防雷技术，做好防雷措施。本文通过分类介绍高层建筑中的雷电作用,分析和总结了常见的用于高层建筑的防雷技术,以期为高层建筑的雷电灾害防护提供一定参考。

1 高层建筑中雷电的影响

1.1 直击雷

直击雷是指因雷雨云与地面高层建筑之间直接放电而产生的雷击现象，其发生时会在短时间内形成极为强大的电流。因此，直击雷破坏性极大[1]。

1.2 侧击雷

由于高层建筑高度较高，所以其侧面也容易遭受雷击，这就是所谓的侧击雷。侧击雷也能在短时间内于建筑物中产生强大的电流，给建筑带来消防、用电等各方面的安全隐患，因此在防雷设计时也是不可忽视的。

1.3 雷电感应

雷电感应是指雷电的二次作用，包括雷电流产生的各类电磁效应、静电效应。如雷电流沿着引下线、钢筋下泄时，在电气设备线路中产生电磁感应，使其产生过电压或浪涌从而发生故障；又如雷电流入地后，又沿接地线传到设备的外壳，使其带上高压电，即所谓地电压反击。

1.4 雷电波侵入

雷电击中架空铺设的高压输电线路或金属管道附近时，因此产生的过电压和静电感应，会通过供电线路“侵入”设备，使其损坏。

2 高层建筑中的防雷技术

基于上述种种雷电破坏形式，在实际高层建筑的电气设计中，应该对症下药，选用特定的技术来预防这些破坏的发生。这些技术可分为外部防雷技术、内部防雷技术两大类[2]。以下结合实例进行说明。

2.1 高层建筑电气设计中的外部防雷技术

高层建筑电气设计的外部防雷，主要防范的是直击雷(1.1)和侧击雷(1.2)的危害。常用的做法如下：

1)对直击雷，常采用一套由接闪器、引下线、接地装置组成的直击雷防雷装置。其原理是引导雷云与防雷装置放电，雷电流通过接闪器→引下线→接地装置的途径流散到大地中，从而达到保护建筑物的目的。其构造简图如图1a)所示。

2)对于侧击雷，一般无需设置专门的接闪器，主要防范措施是根据建筑防雷等级，从30 m，45 m,60 m起,每隔一定高度将圈梁内的周边主筋焊通，形成均压环并与防雷引下线相连，之后将建筑内较大的金属物连接均压环,实现防侧击雷的最终目标[3]。其示意图如图1b)所示。

对于直击雷防雷装置，其接闪器、引下线、接地装置的形式都不是唯一的。在设计中，应结合建筑物实际情况，科学地选取最合适的形式。

新疆石河子清新佳苑K2住宅楼，其设计颇值得参考:在接闪器选取方面，考虑到该建筑物属于建筑面积比较大的二类防雷建筑物，所以避雷带的做法采用均匀明敷，沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等部位敷设。此外，应对位于建筑中央最高处的航空障碍灯采取专门保护措施。具体做法是在其旁边加装了3根小型避雷针，与障碍灯的金属部件保证良好的连接并接至附近接闪器处，同时障碍灯的供电线缆必须以金属管屏蔽，且金属管与建筑物的接闪装置做良好的焊接。最终其屋顶接闪器和5条引下线布置示意图见图2[4]。

接地装置方面，该建筑物采用了共用接地系统。考虑到GB 50057—2010建筑物防雷设计规范中对第二类防雷建筑物的共用接地系统接地电阻的有关规定，设计者利用建筑物基础钢筋作为自然接地体，同时为提高泄流效率，又增设了人工接地极形成与建筑物尺寸相同的水平接地网，使之刚好能覆盖建筑物平面。

对侧击雷的防护，设计者也有周详的布置。依规范要求，将45 m以上的每层楼内部的水平混凝土构件内的钢筋连接，形成均压环，并通过竖向钢筋、钢柱等连接到基础处的接地装置。该建筑的轮廓灯电线亦采用金属管屏蔽，并且接在一起保证等电位。同时金属和外墙部位的铝合金门窗等框架较大的金属物均应与防雷预埋件连接，且要求每一个部件与均压环连通点不得少于两个，以保证内部等电位连接[6]。

2.2 高层建筑电气设计中的内部防雷技术

雷电感应(1.3)、雷电波侵入(1.4)是高层建筑电气设计中的内部防雷技术的主要防范对象。

对于雷电感应，常用的防范技术措施有等电位连接、合理屏蔽两种。等电位连接指的是将建筑物内的金属材质的构架、装置、电气设备不带电的金属外壳和电气系统的保护导体等与接地装置做可靠电气联结，常用的方法有总等电位连接(MEB)和局部等电位连接(LEB)两种。所谓合理屏蔽，即当高层建筑存在较多微电子设备仪器的空间时，合理选用屏蔽材料(如金属管材)、电子设备仪器的电源线、接地设施等，对其进行电磁屏蔽，以免其内设备受到干扰。

对于雷电波侵入，防范技术措施主要是应用埋地电缆引入的方式对高层建筑物中的低压、弱电线进行处理，保障埋地长度不小于2 m。如必须应用架空线路，则在架空金属线槽中须用电缆敷设，从而保障其性能。同时信号线要采用有屏蔽层的电缆，做好屏蔽层接地处理。在信号线以及电气设备的连接位置要安装对应的电涌保护器(Surge Protective Device，SPD)，对于变电所的3 kV～10 kV高压配电装置(包括电力变压器)，应在每组母线和架空进线上设置阀式避雷器。

在石河子清新佳苑K2住宅楼中，为防止雷电感应，设计者采用了等电位连接，将建筑物内及附近所有金属物以直接或间接连接的方式连接起来，由一点引入地下以减小雷击时建筑物内部金属物之间的电位差，并在引下线近地面处也做了等电位连接，避免产生地电位反击。

此外，该建筑的地下室弱电机房、一楼架空层的消防监控室属于含较多微电子设备的空间，因而需要进行合理屏蔽并铺设符合规范的防静电地板。所有进入该机房和监控室的线缆都必须穿金属管屏蔽引入，做等电位连接，最后连接到建筑物的LEB端子板上。在机房内部，将设备保护地、屏蔽地、防雷地、工作地等连接至室内地排，并保证所有设备的接地[6]。

在防雷电波侵入方面，广州市一幢商用住宅楼的设计亦值得参考。其做法主要包括以下4个方面：

1)保证入户端处的低压线路电缆金属外皮、金属线槽与防雷接地装置连接；

2)埋地引入的金属管道(如煤气管、消防管、水管等)在引入建筑时就近与防雷接地装置相连；

3)在首层配电房内总电源配电箱处设一组通流量不小于60 kA的SPD；

4)在电梯机房电源配电箱、中控室电源配电箱等处各设一组通流量不小于40 kA的SPD[6]。

3 SPD与智能防雷技术

3.1 SPD简介

SPD由压敏元件、气放管等电子元件组成，是建筑防雷设计中的重要一环。然而，长时间的使用或多次的雷电流通过后将使其性能受损，失去对设备的保护作用。这就要求用户频繁检查SPD的运行情况，及时更换受损失效的SPD，运行维护流程见图3a)。而实际上，由于雷电发生的随机性和频繁性，受损的SPD很难被及时发现。由于智能建筑本身对电气电子设备可靠性要求更高，因此对SPD也有更高的要求，不仅要求要有足够的浪涌保护能力，也需要其将自身运行状态、参数实时同步至监控终端，使该SPD出现的故障能被及时发现和排除，从而保障系统运行的安全性。同时，对采集到的雷电浪涌数据，可以采用数据挖掘(data mining)、机器学习(machine learning)等技术手段进行分析与处理，从而对系统设计进行优化、提高雷电防护的有效性。这方面传统SPD是做不到的，智能SPD运行维护流程见图3b)。

3.2 智能化SPD系统

用于智能建筑的智能SPD系统具有高度自动化、支持远程监控等优点。其构造如图4所示，可分为服务器监控中心、通信管理子站、通信中继器、SPD及智能监控终端四部分。图4中的箭头代表了各部分之间的数据交换。反映SPD运行状态的有关参数被与其集成在一起的监控终端采集后，经通信中继器转发至通信管理子站储存，再被通信管理子站传输至服务器监控中心，以便后续处理、分析与利用。

4 结语

随着高层建筑数量不断增加，其雷电灾害防护必将引起人们的进一步重视。国家正在加大防雷设计研究力度，推进审核、检测和验收等环节管理规范化，从而确保高层建筑防雷安全。在防雷技术上，外部防雷技术主要是设置接闪器+引下线+接地装置的外部防雷装置、均压环等，内部防雷措施主要是等电位连接、合理进行屏蔽、在线路中关键节点上设SPD等。相关技术人员要用好这些技术手段，并注意结合智能化技术，研究开发更新、更有效的防雷技术，从而提升高层建筑电气设备的安全性和稳定性，推动建筑防雷设计行业的蓬勃发展。