浅谈高层建筑防雷技术

摘 要：为了提高高层建筑防雷的可靠性，从高层建筑的防雷原理、内部防雷和外部防雷等方面详细介绍了高层建筑的防雷要点，并以高层建筑雷电灾害为例，阐述了建筑物的防雷注意事项。高层建筑防雷应采用整体与局部、上部与下部、外部与内部相结合的理念，综合考虑，做到经济、合理，争取将高层建筑遭受雷击概率降到最低。

关键词：高层建筑；防雷技术；外部防雷；内部防雷

中图分类号：TU895 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.05.013

随着建筑行业的迅猛发展，高层建筑、超高层和智能建筑化已成为建筑领域发展的一种趋势。由于高层建筑具有的特殊性，即高度较高、信息设备较多，导致其遭受雷电袭击的概率较大。雷电的破坏形式主要分为直击雷、感应雷和雷电电磁脉冲。对于高层建筑，尤其是其顶部设施易受直接雷的破坏；感应雷的破坏不易察觉，后果较直击雷更为严重；雷电产生的电磁脉冲会严重干扰电子设备的运行，甚至造成永久性失效。因此，我们必须树立防雷意识，对高层建筑，尤其是高层—智能建筑进行合理的防雷设计，采取安全、有效的措施，尽可能地避免雷击灾害。

1 高层建筑的防雷原理

法拉第笼原理，即在接地导体静电平衡的条件下，当高压电源放电时，靠近电源的等电势导体内部的电势为零，无电场存在，电荷均分布于笼表面，处于笼内的导体不受外部电场的影响，受到静电屏蔽保护，从而避免遭受雷击。

高层建筑防雷就是利用上述原理，将建筑物女儿墙、屋顶、突出结构物、各层的金属门窗和柱梁板等的钢筋、钢板和基础等自然接地相互连接形成法拉第笼。当建筑受到雷击时，法拉第笼为等电势体，雷电产生的电荷分布于笼表面，建筑物可免受雷电的伤害。高层建筑的防雷可从2方面考虑，即外部防雷和内部防雷。外部防雷是指防止高层建筑本身不受雷击，主要包括防直击雷和防侧击雷；内部防雷是指防止雷电产生的雷电波对建筑物内部的信息设备等造成干扰。

2 高层建筑的外部防雷技术

高层的建筑外部防雷主要针对其顶部和侧面，完整的防雷装置包括接闪器、引下线和接地装置。

2.1 接闪器

接闪器的工作原理为：高出建筑物的接闪器引导雷电流向下传递，可达到保护矮于接闪器的物体不受雷击的目的。它是目前唯一有效的外部防雷措施。

接闪器的数量和位置对高层建筑直击雷的防护效果有一定的影响。作为接闪器中的设备，避雷针、避雷网和避雷带均有一定的保护范围。如果接闪器的数量较少，则无法起到整体的防雷效果；如果数量较多，则会造成防雷成本较高，资源浪费。因此，本文对高层建筑防直接雷提出了以下3方面的建议：①高层建筑顶部的防雷设备可能采用避雷针、避雷网与避雷带相结合的方式。雷电具有绕侧击性，可先采用避雷带对保护范围进行设计，对于避雷带无法覆盖的部位，可采用避雷针补救。避雷网的覆盖范围较广，适用于大面积的防雷工程。②尽量采用建筑物的自身结构作为防雷设备。目前，为了增加高层建筑顶部的美观效果，布置了较多的金属结构，将这些金属结构作为接闪器进行防雷，既可以节约工程成本，又不影响建筑外观。③应计算好接闪器的保护范围，防止出现死角。比如，在2005-06-19T14：10，太原市某医院12层的住院部大楼遭雷击，造成其东北角炸爆，炸裂为底边长约20 cm的正三角棱锥形，如图l中的（a）所示；2007-07-25T16：00，太原市某新建住宅楼女儿墙西南角被雷击掉边长约0.3 cm的不规则多边形的混凝土块，如图1中的（b）所示。

2.2 引下线

引下线是接闪器与接地装置的可靠连接导体，可使接闪装置与接地装置成为等势体，避免在二者之间存在电势差，从而保护建筑物免遭雷击。

一般情况下，高层建筑自身能够满足引下线的防雷要求，其柱、梁和板钢筋的可靠连接即可作为引下线和均压环。但当高层建筑的高度超过30 m时，则要每三层沿建筑物四周设置均压环，以降低建筑遭受雷击的概率。

2.3 接地装置

接地装置的有效性与接地电阻和接地方法有关。当雷电流通过引下线时，全部电压势差为：

UE=i×RCk+L0×L×di/dt. （1）

式（1）中：UE为电压势差；i为雷电产生的电流；RCk为接地装置的电阻；L0为单位长度电感，约为1.5 μs/m；L为引下线长度。

由式（1）可知，接地电阻越小，建筑物受冲击的接地电动势越小，防雷效果也越好。因此，针对高层建筑防雷设计和施工，应尽量降低接地电阻，以起到较好的防雷作用。

在进行接地装置设计时，尽量采用自身结构或设备作接地装置。比如，高层建筑采用箱型基础或桩基础作为接地装置，具体做法为：将基础中的钢筋与其他结构的钢筋相互连接，组成闭合钢筋网。笔者建议在进行高层建筑接地装置设计时，可适当与结构设计者沟通，通过合理设计基础等结构的钢筋布置形式或数量，在满足结构承载性能的基础上，达到防雷接地的效果。

3 高层建筑的内部防雷技术

高层建筑内部防雷主要是防感应雷和电涌。感应雷在卫星天线、有线电视和网络等线路中会产生高压感应电流，这种现象会对建筑物内的电子设备造成损害。电涌对计算机和敏感电气等设备的危害较大。总而言之，除了对高层建筑外部进行防雷外，建筑内部的防雷也不容忽视。高层建筑内部防雷主要可采用屏蔽、等电位连接和过电压保护等措施。

3.1 屏蔽

高层住宅中的电子设备相对较少，遭受感应雷等雷击的概率较低，而高层智能建筑的弱电设备数量相当多，对其采用防雷设计是必不可少的。一般情况下，建筑内部弱电设备防雷措施大多采用屏蔽的方式，通常的做法为：对设备外部添加屏蔽网架结构或金属外壳，同时，考虑设备的电源线、信号线等接口的接地。为了使屏蔽作用更加有效，建议布线时采用金属管或屏蔽电缆（电源动力线与控制线要分开敷设），且与各层接地装置相互连接，这样可降低雷电反冲击的概率。对于设备要求更高的屏蔽，应进一步加强屏蔽措施。

3.2 等电位连接

等电位连接可将建筑物内结构、设备和金属管等之间电势差变为零，以避免建筑物内产生雷电反击、接触放电和跨步电压等现象。为了满足上述防雷要求，一般做法分为总等电位连接和局部等电位连接两种措施。

采用总等电位连接时，需保证基础、上层结构与内部设备均相互连接，并与接地体连接，形成整体的连接网。该方法可防止产生地位差、放电火花等危害。

对于高层住宅建筑和智能建筑，屋面上所有金属设施，比如风机、落雨水管、热水器、放空管、节日彩灯金属外壳和屏蔽穿线管等，其电缆屏蔽层外皮应与防雷装置等电位连接；对于玻璃幕墙，其骨架是良好的金属导体，玻璃幕墙必须形成接闪网，连接点水平距离不应大于与应下线的距离，垂直距离不应大于与均压环检距离，接闪网每≤100 m2与主体防雷装置等电位连接。

幕墙连接处不同金属间应具备防电化腐蚀措施，连接处应紧密可靠，并形成到点通路。对于建筑物外墙侧立面热水器部位，应预留等电位接地端子板；对于室内的等电位连接，配电室应采取总等电位连接；对于入户处线缆屏蔽层，应就近等电位处理，在机房内根据不同的电子系统、机房的工作方式和频率接地的要求选择S型、M型或其他组合方式接地网络；对于电井、管井的上、下两端，应与防雷装置等电位连接；在卫生间的局部等电位连接中，应将给水管、金属浴盆、金属采暖管和地面钢筋网通过等电位连接线在局部等电位连接端子板处连接。此外，卫生间的电源PE线应与等电位端子连接。

3.3 过电压保护

过电压的来源主要有2种：①高层建筑遭受雷击且引下线散流时，分到配电系统、信号系统和其他金属管道中的雷电流会引起设备中产生过电压，进而造成设备损坏或人身触电事故。②建筑物被击中或附近发生雷击时，其空间内会分布暂态电磁场，电磁场将会对内部电子系统产生作用，引起设备的误动作或损坏。

因此，对于过电压问题，我们主要采取入户线缆屏蔽和两端接地、设备外壳接地或安装SPD的方法。其中，SPD的原理是在瞬态过电压发生时，将回路接入等电位系统中，从而使每个金属设施电位差相等，以免产生电压反击。另外，系统接地还可使各类雷电波顺畅地泄入大地。

对于SPD的安装，应考虑安装位置、参数的选择、级间的相互配合和级间距离等因素，采取经济、合理的措施，而不是单纯地使SPD相互叠加。总体要求为：SPD上耗散的能量小于或等于其最大能量的耐受值，且前级SPD尽可能地通过较多的雷电流，最终使侵入浪涌的过电压钳制进入允许范围，从而达到保护设备的目的，根据GB 50343—2012中提出的安装设计要求，对于阻、容、感性各种性质的负载和负载处的SPD与负载之间的距离增加，会增大负载的电压。因此，保护距离不能太长，且不同负载对保护距离的要求也不同。随着负载耐压水平的提高，设备SPD的级别与设备之间可有更长的距离。如果保护距离不足，则需要配置中间级SPD。

3.4 合理布线

为了避免在敷设过程中产生较大的环路，进而因环路感应而产生较高的过电压（过电流）损毁设备，应采用合理的布线方式，尽量能地不出现较大的感应环路。此外，还应注意由室外引入的电源线、电话线、共用电视天线、屋顶彩灯和航空指示灯等线路的引入设计，以防雷电波引入。

图2为太原市朝阳街某小区2011-07-09T24：00，因弱电线路捆绑在接闪带上，进而使小区内的12层宿舍楼遭受雷击，造成4部电梯损坏，直接经济损失3万元。具体如图2所示。

4 结束语

高层建筑雷电灾害的影响因素较多，因此，高层建筑在选择防雷时要慎重考虑。对于不同的雷电灾害，应采取相应的防雷办法，采用整体与局部、上部与下部、外部与内部相结合的理念，争取将建筑遭受雷击概率降至最低，减小雷电带来的危害。同时，还应不断改善和提高高层建筑的防雷技术。

参考文献

[1]赵东，张朝临，姚东升.从一次雷击现象谈高层建筑直击雷防护[J].陕西气象，2009（2）：43-45.

[2]林卓宏，田军利.高层智能大厦雷击机理及防雷设计[J].气象研究与应用，2008，29（1）：69-71.

[3]冯雷，周佩白.高层建筑受雷击的数值模型[J].高压电器，2000（6）：3-7.

[4]于霞.谈构建高层建筑防雷接地设施的方法[J].山西建筑，2008，34（23）：183-184.

作者简介：胡俊青（1986—），男，山西五台人，主要从事防护方面的研究。

〔编辑：张思楠〕

Abstract： In order to improve the reliability of the lightning of high-rise buildings， introduces in detail the lightning protection lightning protection principle from the points of high-rise buildings， high-rise building internal protection and external protection and other aspects， and with the lightning disaster of high-rise building as an example， expounds the matters needing attention in building lightning protection. Lightning protection of high-rise buildings should be the whole and the part， the upper part and the lower part， internal and external combination of ideas， comprehensive consideration， and do economic， reasonable， for tall buildings subjected to minimize the probability of lightning.

Key words： high-rise building； lightning protection technology； internal external lightning protection； lightning protection