高层建筑综合防雷工程设计分析

陆凯琦

摘 要：伴随现代社会的飞速发展，城市建筑物的规模逐渐扩大，高层建筑建设发展也日新月异。考虑到高层建筑的高度特殊性，其比一般建筑面临雷击的风险更大，而一旦遭受雷击，就会造成巨大损失。因此，对高层建筑施行有效地防雷保护措施显得尤为重要，相应提出了更高的防雷工程设计要求。本文对由雷电引起的过电压以及雷电的电磁兼容性问题进行分析，从而有助于提高高层建筑设计和施工的质量。

前 言

随着社会的发展进步，建筑物规模不断扩大，对建筑物的安全、可靠性也提出了更高要求。传统防雷保护存在避雷器的选用不当等问题，随着电子通信、计算机技术的发展，高层建筑逐渐实现楼宇自动化，其内的电子设备工作电压不断降低，面临雷击的风险增大[1]。而电子设备的广泛应用也导致感应雷电事故增多，导致设备受到干扰甚至损坏，因此对高层建筑的防雷保护设计进行研究，以期解决上述问题。

1 高层建筑直击雷防护措施

高层建筑属于一、二类建筑物，对于一类建筑物需要设置独立避雷针和架空避雷线，接地装置也应该独立。二类建筑物除了设置与一类建筑物相同的常规措施外，其防雷接地装置优选选择和防雷电感应、电气设备等接地公用同一接地装置并与埋地金属管道相连。为了增强高层建筑的防雷防护效果，需要针对直击雷防护措施进行改进。

为了减少雷电流陡度和电磁辐射场，可优选阻抗型的避雷针和接闪器，或者选用提前放电式避雷针，通过使雷电泄放前提前放电形成上行先导达到加大避雷针保护角，扩大保护范围，提高保护可靠性的效果。要改进直击雷防护措施，可充分利用建筑物的钢筋混凝土结构组成经济可靠的笼式避雷网增加引下线数量，从而加速分流雷电流，减少磁场集中程度。同时加强高层建筑所有外露金属门窗和建筑结构的连接，可增强建筑物的自然屏蔽能力。

建筑物可以利用钢柱或立柱内筋作为防雷引下线，通过和基础钢筋、梁柱钢筋以及金属框架连接而形成闭合良好的法拉第笼[2]，建筑内的竖向金属管道应每三层和圈梁的均压环相连，而均压环又与防雷设备专设的引下线连接。浇筑混凝土前，各钢筋之间需要形成电气连接。高层建筑超过30m时，对于墙上栏杆、金属门窗等较大金属物直接或者使用金属门窗埋铁和防雷装置连接。

2 雷电波侵入的防护措施

由于雷电波主要通过电源线路和金属管道侵入，要防范雷电波入侵，除了满足《建筑物防雷设计规范》的要求外，还应采取以下防护措施。

2.1 应用串联间隙氧化锌避雷器

要使高层建筑的防雷效果得以改善，需要使用先进的防雷设备。对于避雷器来说，一般要求其对雷电陡波和雷电幅值同样具备限压保护作用，而且使用中不会引起配电系统接地故障或者相间短路故障，其动作特性满足长期运行稳定性，具有连续雷电冲击保护能力。为便于使用，避雷器外形尺寸应较小，且最好附带脱离器监察运行工况，设备失效时能够自动退出运行。

现在应用的碳化硅避雷器发生保护时既泄放雷电流也泄放工频续流，切断续流时耗最大达10000μs，一次保护的循环时间远大于10000μs才能恢复进行下次动作的能力，因此不具备连续雷电冲击保护能力，而且其保护动作具有工频续流对地放电，会造成能源浪费。氧化锌避雷器保护动作只泄放雷电流，时耗小于100μs即可完成，并立即恢复到可进行下次保护的动作能力，因此氧化锌避雷器具有连续雷电冲击保护能力，这对于多雷区或者雷电活动强雷地区的防雷保护尤为重要。串联间隙氧化锌避雷器的间隙结构可改善阀片长期工作条件，免受暂态过电压危害和温度热损伤，避免了无间隙氧化锌避雷器因拐点电压偏低带来的一切缺点，其寿命达20年以上。

2.2 高层建筑内电源系统防雷保护设计

（1）建筑内的电源系统防雷保护包括建筑物电源进线的防雷保护和接到屋内电子设备的电源部分防雷保护。由于配电变压器是交流供电系统的重要设备，为防止变压器自身受到雷电过电压损坏，提高其向建筑物内电子设备供电的可靠性，需对配电变压器进行防雷保护，同时也可以防止电压波通过变压器传播到建筑物内的电源系统，从而使电子设备得到保护。

变压器的高、低压侧均设置避雷器，且均装设三个串联间隙氧化锌避雷器。高压侧三个避雷器应尽量靠近变压器，其接地端直接与变压器金属外壳连接，从而减小雷电暂态电流在引线寄生电感上产生的压降。雷电过电压波沿高压线路传递到变压器时引起高压侧避雷器产生动作，由于其接地端和变压器金属外壳以及低压侧中性点连接在一起接地，因此作用于变压器高压侧主绝缘上的电压为避雷器残压，没有接地电阻和接地引下线寄生电感上的压降。

（2）建筑物内电子装置使用的交流电源通常由户外交流电网引入，雷电击中电网时使得线路上产生过压电波会传入室内损伤电子装置。同时雷电过压电波也可能从交流电源侧或通信线路传播到直流电源系统，对直流电源及其负载电路产生危害。为保护建筑物内电子设备，首先在供电线路入建筑物处安装保护装置，从而可以将过压电波防护于建筑物外。为了防止雷电从交流供电电源线路入侵，需要在高层建筑的变配电所高压柜里各相安装用于一级保护的避雷器，而低压柜内设置用于二级保护的氧化锌防雷装置，避免雷电侵入供电系统。为了稳妥，建筑物各层的供电配电箱可以设置电源避雷器为第三级保护，同时将配电箱金属外壳和建筑物接地系统牢固连接。

3 电子信息系统的防雷综合设计

传统防雷技术虽能保护建筑物本身，但这些措施不能完全消除电网中由雷电而引起的暂态过电压，感应雷电脉冲一般都在千伏以上，而高层建筑内智能微电子设备工作电压仅几伏，工作电流在微安至毫安数量级，因此对微电子设备安全保护问题显得尤为重要。而任何单一的防雷设备都无法保证现代建筑物内所有设备的安全，因此必须采取综合防雷的方式。

雷击发生时，雷电暂态电流经过路径上暂态电位升高，使得此路径与周围金属物体形成暂态电位差，如果电位差超过两者的绝缘耐受强度，就会导致金属物体被放电击穿，或者产生电磁脉冲干扰电子设备正常运行。为了避免被放电击穿，需对各金属构件进行等电位连接使得形成电气上连续的整体，从而避免出现暂态电位差，即采取均压措施。也可利用设备的金属外壳、屏蔽室的外部金属网等屏蔽体来阻挡或者衰减电磁脉冲的能量传播，从而保护电子设备正常及安全运行。

防雷最终要实现泄放，因此必须重视接地设置。为了使整个电子电路有一个公共的零电位基准面，且该高频干扰信号提供低阻抗的通道，使屏蔽措施能很好地发挥效果，可设置电子设备工作接地。通常在使用电子装置的地方，电子装置和强电设备均需接地，想要二者分开接地比较困难，但共地雷击时暂态大电流会通过电路耦合对电子设备形成干扰或引起过电压[3]。为克服这些副作用，有些地方将电子装置和强电设备分开接地，在电子设备单独接地的地线入戶处用低压避雷器或放电间隙与建筑物总接地网相连，发生雷击时其地电位抬高使得避雷器放电，使电子装置接地和建筑接地网水平大致相当，有利于抗干扰以及避免击穿放电损坏设备。

4 结束语

随着经济发展，高层建筑成为城市建筑的发展趋势，由于高层建筑遭受雷击的概率比一般建筑大很多，一旦遭受雷击损失会非常巨大。因此对高层建筑进行防雷研究显得很重要。本文对高层建筑内电子设备电磁兼容以及综合防雷进行了分析，为防雷技术应用提供参考。

参考文献

[1]陈之运.高层住宅建筑防雷设计应注意的几个问题[J].气象，2011.

[2]周毅.高层建筑的防雷设计与施工[J].中国高新技术企业，2010（10）：122～123.

[3]鄢庆桂.构建高层建筑防雷接地设施的方法[J].建材与装饰：中旬，2013（3）：23～24.