高层建筑雷电防护工程设计要点探析

摘 要：当前，城市建筑越来越追求“高”，由于垂直高度的不断上升，导致建筑基础也必须不断向下延伸，同时也给风雷设计提出了更高的要求。防雷是建筑工程中不可或缺的一个环节，在设计过程中对于各种因素必须进行综合的考虑。

關键词：高层建筑；雷电防护；设计

高层建筑向着智能化和多样化的方向不断发展，侧击雷的防护是雷电防护措施中的关键因素。防雷是建筑工程中不可或缺的一个环节，是一门交叉性的综合项目，因此设计过程中对于各种因素必须进行综合的考虑，以确保建筑和人身安全。

1 雷电活动的基本规律

在我国，雷电主要发生在春夏季节，尤其以夏季为多发季节，冬季则几乎不发生。从全球地理来看，雷电发生频率最高的地方是赤道附近，随着纬度的增加，依次向南北减弱，直到南北两极几乎不发生。因而，提出了平均雷暴日的概念来对特定区域内发生的雷电活动大小进行衡量，此外，该标准也成为了防雷工程、建筑工程以及设计与评估过程中不可缺少的参考因素。根据不同地区的雷电的强度不同，可以将全国分为4个雷电日区域。北回归线以南的雷电日超过80天；长江以南区的雷电日超过30天；长江以北地区的雷电日在15天至30天不等；西北地区的雷电日出现天数则在15天以下。我国最为剧烈的雷电活动地区在海南省以及雷州半岛，年均出现的雷电日为100-130天[1]。

当前，城市建筑更多的追求“高”，由于垂直高度的不断上升，则建筑基础也必须不断向下延伸，这也给风雷设计提出了更高的要求。遵循“法拉第笼”定理，防雷系统大部分由接地装置、引下线、避雷带或网三者相连而成的笼式，或是具有抗击雷电波、防侧击雷、防直击雷与防雷电感应系统的大网式，通过分流与接闪等方式，综合设计以实现兼顾建筑物室内和室外的防雷功能，保证人们的人生安全[2]。

2 高层建筑雷电防护工程设计问题与标准

2.1 常见的设计问题分析

从我国相关资料记载中能够发现，在高层建筑雷电防护工程设计过程中，由于没有统一、规范的防雷装置设计标准，或是仅仅关注到建筑物外部LS设计而忽略其内部的LEM设计，导致建筑的雷电防护工程在设计阶段就有着不少漏洞，埋下安全隐患。通常来说，防雷设施的设计过程中最常见的有以下三类问题：首先，避雷针安装不妥，导致感应雷和地电位反击过于强烈，雷击概率的不断上升。其次，引下线数量不妥当，若是在无屏蔽网或是引下线为5根的地方，无论放置什么样的电子设备，建筑物都会因为电磁感应的干扰而瘫痪，使得防雷设计无效[3]。最后，设计过程没有针对性的感应雷的防护设计，雷电电流迅速变化引起强烈的电磁感应，若没有完善的接地装置就难以泄入地下，导致火花放电，在破坏室内电器的同时，还会导致火灾、爆炸、触电等事故的发生。

2.2 设计标准化处理

针对上述的设计问题，新标准并没有对建筑的垂直高度有明确的规定，而雷电防护工程设计在应对相关防范问题的时候主要遵循以下三个原则。首先，建筑物雷电防护模式的设计中的拦截模式主要有滚球法（RSM）、保护角法（PAM）和网格法（MM），从电气——几何模型的角度来看，传统滚球法（RSM）的理论基础和实践经验都较为丰富，是现行模式应用最为广泛的一种。其次，为实现科学准确的雷电防护工程设计，选择源于传输线路和高层建筑的国际大电网组织（CIGRE）雷电流参数。最后，为了保障雷电防护系统的稳定性与有效性，就要安装设计防护装置[4]。

3 高层建筑雷电防护工程设计要点

3.1 高层建筑屏蔽设施的设计

基于理论支持和实践结果可以知道，若是建筑物的垂直高度大于100m，那么接地设备与防雷设备间就存在着超过一百万伏的电位差，最直接的后果就是造成引下线连接的金属体和它相邻的金属体之间的反击放电现象。这时的雷电波高大而陡峭，在经过引下线的时候就会导致周围导体出现电磁感应。这时候，靠近引下线的导体没有屏蔽作用而产生高电位，反击导体的放电行为还会使绝缘体击穿。如果导线外层包裹了屏蔽层，那么就能在防雷引下线与屏蔽层之间形成等电位，当雷电打击到当屏蔽层时，屏蔽层到地上也会出现互感电势。此外，主干电气线路的主要部分主要安置在高层建筑物中心，并且要和引下线保持一定的距离，尽量避免干扰。因此，高层建筑内部配置电气线路主要采取的是铁管配线式的形式。

3.2 均衡电位与电涌保护装置的设计

在高层建筑的雷电防护工作的设计上，为了使建筑物内部不出现电压反击，应该按照《建筑物防雷设计规范》相关规定，根据建筑物内部不同地方的LEM的严重程度的不同，在相关位置上预留等电位连接板，与房屋防雷装置相配合，那么结构钢筋与各种金属管线都是在同一电位上，能够很好地避免雷电电磁脉冲对于电子设备的干扰，也能够对于瞬态过电压形成一定限制和电涌电流的分流。针对高层建筑，根据防雷任务的需求和电子设备的类型，选择不同的等位连接网，从而避免防雷击电磁脉冲和电压反击。针对低于300kHz的电子设备可采用S星型结构；针对MHz级的电子设备系统，可采用M型网状结构。

3.3 屏蔽作用与间隔距离的设计

在高层建筑物中的电子系统容易遭受到雷电电磁脉冲的冲击，因此必须在建筑物、设备和各种线路（管道）中注意屏蔽设施的设计。通常情况下，在了解各项系统和设备的耐压水平的基础上，通过互相焊接高层建筑内部钢筋、金属构架与地板、门窗等，形成一个法拉第笼，再加上地网构就能变成初级屏蔽网。在设计过程中尤其要注意到初级屏蔽网的衰减，屏蔽材料的选择，雷击点与屏蔽空间之间的距离，以及屏蔽层厚度、网孔密度等等的参数，才能使得防卫雷电的工作落到实处。

3.4 接地方式与接地装置的设计

接地装置通常有自然接地体和人工接地体两种形式。在设计过程中，自然接地体通常由建筑物的基础构造钢筋来担当；人工接地体则通常采用的是环形方式；而独立的垂直接地体的接地装置则可以用周圈式，缩短接地体和基础内的钢筋的距离能够实现均衡电位；木结构和砖混结构的建筑物就要采用独立接地方式，并单独设置引下线，最好采用钻孔深埋接地的方式。在设计过程中如果要用到共用接地装置时，就要使其在各楼层设备中都要有安装，通过接地预留端子或接地地板的设置，实现总等电位联结和局部等电位联结。

遵循“法拉第笼”定理，防雷系统大部分是由接地装置、引下线、避雷带或网三者相连而成的笼式。综合设计以实现以兼顾建筑物室内和室外的防雷功能，保证人们的生命安全。在高层建筑雷电防护工程设计过程中，要注意高层建筑屏蔽设施的设计、均衡电位与电涌保护装置的设计、屏蔽作用与间隔距离的设计、接地方式与接地装置的设计。

参考文献

[1]黄彩东.河池鑫亮名都广场综合楼高层建筑雷电防护个例分析[J].气象研究与应用，2011（9）：153-156.

[2]胡如江.建筑物雷电防护技术应用措施[J].科技与生活，2011（24）：180-181.

[3]伍世民，何耀斌，魏红.高层建筑雷电防护装置检侧要点[J].大科技，2012（3）：338-339.

[4]高清兰，白桂巨，陈洪萍，等.高层建筑物防雷设计与综合防护[J].太原科技，2012（1）.

作者简介：涂纬华（1979，11-），男，江西省余干县人，江西省鹰潭市气象局，助工，本科学历，研究方向：雷电防护。