高层建筑防雷设计与施工方案

摘 要：雷电灾害是世界公认的最严重十大自然灾害之一。我国每年因雷击破坏建筑物内电气设备的事件时有发生，所造成的损失非常巨大，因此建筑物的防雷设计就显得尤为重要。本文介绍了高层建筑的基本防雷装置，结合不同的防雷建筑物类别综述了不同雷电种类的防雷措施。

关键词：防雷装置 防雷类别 防雷措施

1.雷电防护的基本原理

雷电及其它强干扰对通信系统的致损及由此引起的后果是严重的，雷电防护将成为必需。雷电由高能的低频成份与极具渗透性的高频成份组成。其主要通过两种形式，一种是通过金属管线或地线直接传导雷电致损设备；一种是闪电通道及泄流通道的雷电电磁脉冲以各种耦合方式感应到金属管线或地线产生浪涌致损设备。绝大部分雷损由这种感应而引起。对于电子信息设备而言，危害主要来自于由雷电引起的雷电电磁脉冲的耦合能量，通过以下三个通道所产生的瞬态浪涌。金属管线通道，如自来水管、电源线、天馈线、信号线、航空障碍灯引线等产生的浪涌；地线通道，地电们反击；空间通道，电磁小组的辐射能量。其中金属管线通道的浪涌和地线通道的地电位反击是电子信息系统致损的主要原因，它的最见的致损形式是在电力线上引起的雷损，所以需作为防扩的重点。由于雷电无孔不入地侵袭电子信息系统，雷电防护将是个系统工程。雷电防护的中心内容是泄放和均衡.

2.高层建筑物外部防雷设计与施工

一套完整的防雷装置包括接闪器、引下线和接地装置。

（1）接闪器

接閃器有避雷针、避雷带（网）、消雷器等几种，采用何种方式应根据建筑物的造型及避雷效果而定。目前工般高层建筑较多采用避雷针、明装避雷带和暗装避雷网相结合的方式，接闪器的布置应符合下面要求。建筑物30m以上部分，每两层在外围用扁钢做暗敷水平避雷带（可兼做均压环及金属预埋件）；楼顶可利用梁、板内钢筋相互焊接成尺寸不大于10水1l，m暗装避雷网。此外，高层建筑的屋顶的金属旗杆、广告牌、钢爬梯、风冒、透气管、水管、设备等必须与就近的避雷带、避雷网焊接。利用不锈钢栏杆楼梯的上人屋面女儿墙，可在其下暗敷扁钢与支架和引下线焊接牢靠，栏杆间和支架也应焊接。塔楼顶采用避雷针时，为了降低避霄针的高度，增强防雷效果，可采用半导体少长针消雷装置（一般用于ssm以上的建筑）及 避雷针。

（2）引下线

高层建筑柱主筋和梁板钢筋可直接利用作为引下线和均压环，但应注意意引下线、接地装置、均压环和接闪器间必须牢固可靠地连接。当建筑物高度超过30m时，每三层沿建筑物四周设置均压环，30m以上外墙栏杆、金属门窗等较大金属物通过预埋件与均压环或引下线相连；建筑物内的各种竖向金属管道每三层要与均压环连接一次，平行或交叉的管道间也应跨接。高层建筑室外玻璃幕墙、大型复合金属板及不锈钢金属面材的应用增强了建筑的艺术效果，但同时也对防雷提出了要求。由于幕墙的面板是装在金属龙骨架由支座固定在主体结构预埋件上，支座是与预埋件焊接的，所以只需将该处的圈梁或柱与支座

（3）接地装置

接地装置是接地体和接地线的总和。接地装置向大地泄放雷电流，限制防雷装置对地电压不致过高，是防雷装置的重要组成部分。除独立避雷针外，在接地电阻满足要求的前提下，防雷接地装置可以和其他接地装置共用。

防雷接地电阻通常是指冲击接地电阻。冲击接地电阻一般不等于工频接地电阻，这是因为极大的雷电流自接地体流入土壤时，接地体附近形成很强的电场，击穿土壤并产生火花，相当于增大了接地体的泄放电流面积，减小了接地电阻。冲击接地电阻一般都小于工频接地电阻。土壤电阻率越高，雷电流越大，以及接地体和接地线越短，则冲击接地电阻减小越多。就接地电阻值而言，独立避雷针的冲击接地电阻不宜大于10Ω；附设接闪器每根引下线的冲击接地电阻不应大于10Ω。为了防止跨步电压伤人，防直击雷的人工接地体距建筑物出入口和人行道不应小于3m。

避雷器是用来防护雷电产生的过电压沿线路侵入变配电所或建筑物内，以免危及被保护设备的绝缘。避雷器是并联在被保护设备或设施上，正常时处在不导通的状态。当出现雷击过电压时，避雷器的火花间隙就被击穿，或由高阻变为低阻状态，使过电压对地放电，切断过电压，从而实现设备的保护。过电压终止后，避雷器迅速恢复不导通状态，使线路恢复正常工作。避雷器的形式主要有阀型避雷器和管型避雷器，应用最多的是阀型避雷器，其中包括金属氧化物避雷器。

（4）接地电阻测试

检测接地电阻，不仅要检测建筑物的接地电阻值，还要注意均压措施、露出地面部分的施工工艺、隐蔽工程施工是否符合规范要求；测量铝门窗接地电阻值时，应注意按测量仪器使用说明书有关事项进行，即阴雨天不测；土建基础周围水泥砂浆地面较多时深测；测试导线与铝门窗夹层处应轻轻打磨掉氧化层或喷涂层，选在与防雷引线连接一侧边框的较隐蔽处。接地电阻测试仪型号采用zC”B9，仪表必须经专业计量。在测试前，先将检流计的指针调零，再将倍率标准杆置于最大倍数，慢摇，同时调整测量标度盘，使检流计为零，加速摇到1zC0r/min左右，再调到平衡后，读标度盘的刻度，乘倍率就得所测的电阻值。注意电流探针的接线长度为4‰，电位探测的接线长度为20m。

（5）电气部分

由于高层建筑在结构上已形成等位体，雷击对电气设备的损害主要是感应雷造成的。感应雷通过以下途径人侵：（1）雷电的地电位反击电压通过接地体人侵；（2）由通信信号线路入侵；（3）由交流供电电源线路人侵。

3.高层建筑内部防雷设计

（1）等电位联接

在做等电位连接时，每层外墙的金属栏杆、门窗等与均压环连通（每一构件不少于两处）；玻璃幕墙的支架、钢龙骨等（每层、多点）与均压环连通成等电位，以防侧击雷；架空或埋地进

出建筑物的所有金属管道、金属构件、电缆金属外皮及其保护钢管等，在迸出建筑物处（通过与由基础接地主钢筋网焊接引出的2∞×20.0×6预埋钢板相连通）与防雷接地装置作等电位联结；各管道井及各电梯井所在处，均由基础接地主钢筋网焊接引出-zIO×4镀锌扁钢与金属管道及电梯导轨作等电位联结；把接闪装置与梁、板、柱和基础可靠地焊接、绑扎或搭接在一起，同时再把各种金属设备和金属管线与之焊接或卡接在一起，使整个建筑物成为良好的等电位体。

（2）屏蔽设施

屏蔽的主要目的是使建筑物内的通信设备、电子计算机、精密仪器以及自动控制系统免遭雷电电磁脉冲的危害。可利用钢篾混凝土结构内的钢筋，即建筑物内地板、顶板、墙面、及梁、柱内的钢筋，使其构成一个六面体的网笼，即笼式避雷网；当钢筋密度不够时，可按各种设备的不同需要增加网格的密度，从而实现屏蔽。良好的屏蔽不仅使等电位和分流这两个问题迎刃而解，而且对防御雷电电磁脉冲也是最有效的措施。此外，建筑物的整体屏蔽还能防球雷、侧击和绕击雷的袭击。

（3）合理布线

为了防止防雷装置接闪时电子设备等管线不受影响，应将这些电线穿于金属管内，以实现可靠的屏蔽；线路的主干线的垂直部分设置在高层建筑物的中心部位，避免靠近用作引下线的柱筋；在管线较长或桥架等设施较长的路线上，需两端接地；应注意电源线、天线和屋顶高处的彩灯及航空障碍灯等线路的引人做法；还应在需要的线路上加装避雷器、压敏电阻等浪涌保护器。

（4）因静电感应、电磁感应等高电压引入的综合防护

对高压雷电的第一级设防，降低雷电高压脉冲幅值，应输电网金具接地法，通过光缆高电压击穿空气，并通过金具对地放电；将相线与地线并联电容，架空电线引入的地方设保护电容器；也可采用变压器隔离法，让输人端的电压达到一定值，变压器达到磁饱和，失去变压器的功能。而对电源系统的保护，应使低通滤波器与两级压敏电阻相互配合；或是使用电源避雷器时，将电源系统的有效值换算成峰值，考虑到电源系统的波动，一般为10%；为了考虑避雷器的安全，其本身应留出15%的余地。

4. 防雷措施

雷电种类、建筑物的防雷类别等直接决定了所应采取的防雷措施及防雷性能参数要求。

（1）建筑物的防雷类别

第一类防雷建筑物是指制造、使用或储存炸药、火药、起爆药、火工品等大量危险物质，遇电火花会引起爆炸，从而造成巨大破坏或人身伤亡的建筑物。高层建筑不属于第1类防雷建筑物。

第二类防雷建筑包括：国家级重点文物保护的建筑物；国家级的会堂、办公楼、档案馆、大型展览馆、国际机场，国际性通信枢纽、特大，大型火车站、国际港口客运站、国宾馆、大型旅游建筑和大型体育场等；国家级计算中心、通信枢纽，以及对国民经济有重要意义的装有大量电子设备的建筑物；制造、使用和储存爆炸危险物质，但电火花不易引起爆炸，或不致造成巨大破坏和人身伤亡的建筑物；有爆炸危险的露天气罐和油罐；年预计雷击次数大于0.06次的部、省级办公楼及其他重要的或人员密集的公共建筑物；年预计雷击次数大于0.3次的住宅、办公楼等一般性民用建筑物；高度超过100M的建筑物。

第三类防雷建筑物包括：省级重点文物保护的建筑物和省级档案馆；省级大型计算中心和装有重要电子设备的建筑物；19层及以上的住宅建筑和高度超过50m的其他民用建筑物；年预计雷击次数大于等于0.012次，等于小于0.06次的部、省级办公楼及其他重要的或人员密集的公共建筑物；年预计雷击次数大于等于0.06次，小于等于0.3次的住宅、办公楼等一般性民用建筑物；年预计雷击次数大于等于0.06次的一般性工业建筑物；考虑到雷击后果和周围条件等因素，确定需要防雷的21区、22区、23区火灾危险环境的建筑物；年平均雷暴日大于15d/a的地区，高度为大于或等于15m的烟囱、水塔等孤立高耸的建筑物；在平均雷暴日小于或等于15d/a的地区，高度大于或等于20M的烟囱、水塔等孤立高耸的建筑物。

上述年预计雷击次数是表示建筑物遭受雷击的可能性的参数，用N表示。建筑物年预计雷击次数N按下式计算：

N=0.024KTD1.3AE×10-6

式中，K——校正系数，一般情况下取K=1；

TD——年平均雷暴日（d/a）；

AE——建筑物截收相同雷击次数的等效面积（m2）.

4.各种雷电的防护措施

4.1 直接雷的防护

对于高层建筑而言，多属于第二类或第三类防雷建筑物，均应采取防直击雷的防护措施。直击雷防护的主要措施有装设避雷针、架空避雷线、避雷网，第二类和第三类防雷建筑物的直击雷防护措施，宜采用装设在建筑物上的避雷网或避雷针或由其混合组成的接闪器。

4.2 感应雷防护

对于高层建筑属于第二类防雷建筑物均应采取防感应雷的防护措施，主要有两方面：

①静电感应防护。为了防止静电感应产生的过电压，应将建筑物内的设备、管道、构架、钢屋架、钢窗、电缆金属外皮等较大金属物和突出屋面的放散管、风管等金属物，均应与防雷电感应的接地装置相连。对第二类防雷建筑物可就近接至防直击雷或电气设备的保护接地装置上，可不另设接地装置。

②电磁感应防护。为了防止电磁感应，平行敷设的管道、构架和电缆金属外皮等长金属物，其净距小于100mm时，须用金属线跨接，跨接点之间的距离不应超过30m；交叉相距小于100mm时，交叉处也应用金属线跨接。此外，长金属物的弯头、阀门、法兰盘等连接处的过渡电阻大于0.03Ω时，连接处也应用金属线跨接。在非腐蚀环境，对于不少于5根螺栓连接的法兰盘可不跨接。防电磁感应的接地装置也可与其他接地装置共用。

4.3 雷电侵入波防护

属于第二类和第三类防雷建筑物的高层建筑物均应采取防雷电侵入波的防护措施。属于雷电侵入波造成的雷害事故很多，在低压系统，这种事故占总雷害事故的70%以上。

就雷电侵入波的防护而言，随防雷建筑物类别和线路的形式不同，措施要求也不一样。主要措施如低压线路全线采用电缆直接埋地敷设，在入户端应将电缆的金属外皮、钢管接到防雷电感应的接地装置上；金属管道，在进出建筑物处，与防雷电感应的接地装置相连；第三类防雷建筑物当采用架空线供电时，在进户处装设一组低压阀型避雷器并与绝缘子铁脚、金具连在一起接到电气设备的接地装置上。

5. 结语

综上所述，对高层建筑物的防雷设计和施工而言，每一个建筑物都有不同的设计和施工方案。在实际的设计和施工中，应从所针对的某一建筑物的實际情况进行探讨，在设计中将外部防雷设计和内部防雷设计结合起来；在施工中，应做好接地体、引下线、均压环、接闪器等安装装置。但切忌干篇一律，应实事求是，结合建筑物的情况，确保整个防雷工程能合理有效，防止或者减少雷电事故的发生。

参考文献：

[1]李兴，张红艳.高层建筑的综合防雷设计方案.建筑电气资讯，2009（6）.

[2]陈少锋，韩业滨，冯锡煊.高层建筑防雷设计方案.广东建材，2005（10）.

[3]民用建筑电气设计规范 JGJ 16-2008

[4]建筑物防雷设计规范 GB 50057-94〈2000版〉

[5]刘英健.浅谈建筑物防雷接地设计[J].轻工设计，2011.6.