超高层建筑雷电防护的有关研究

文丨王凤来 张利华

国际惯例高度150米以上的建筑为超高层建筑，俗称摩天大楼。超高层建筑的雷电防护有其特殊性，第一遭受直接雷击的概率大大增高，第二对其周边建筑物遭受雷电侵袭的概率大大增高，第三其遭受云间闪所产生的雷击电磁脉冲侵袭的概率大大增高。

超高层建筑的雷电防护应按照《建筑物防雷设计规范》作好直接雷击防护的设计、施工，即接（接闪带、网）、泄流（引下线）、接地、防侧击雷。笔者认为针对其特殊性应作好防雷击电磁脉冲及建筑内的人身安全！

云间闪电磁脉冲的防护

超高层建筑高耸入云，受到云地闪 、云间闪雷电袭击的概率比一般建筑物要大大升高。针对超高建筑，我们先着重研究云间闪的雷电侵袭。雷雨云云底高度400-1000米，云间闪产生的强雷击电磁脉冲就会对建筑物内的电子设备遭成损坏、损毁。

雷暴天气云间闪与云地闪之比为9：4，云间闪中和电荷量5-30库伦，我们且以中和电荷量15 库伦计算，相当于Iimp30kA（10/350μS雷电波）的冲击电流，依据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2012，可按 120kA（8/20μS 雷电波）计算电磁辐射。

据美国研究报告（AD-722675）指出：当雷电活动时，电磁感应强度达到0.07Gs时，无屏蔽的计算机发生误动作，当电磁感应强度超过2.4Gs时，计算机将会发生永久性损坏。

设云闪雷电发生在距超高建筑物100 m处，雷电流强度120KA 。依据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010 第 6.3.2 条第1款计算，超高建筑物100米以上房间内电子设备如果未作好电磁屏蔽就可造成永久性损坏。

尽管超高建筑多采用钢管混凝土框架、钢板剪力墙，但其玻璃窗的空洞效应必须作好电磁屏蔽。建议采用丝网夹芯型电磁屏蔽玻璃，以获得较好的屏蔽效果。超高建筑内部所有电源线、信号线均应穿铁质金属管或金属线槽敷设。室内电气和电子设备均应设置在距外墙及结构柱不小于1-1.5米处。

超高建筑遭直接雷击时的人身安全

超高建筑多采用钢管混凝土框架，主结构柱作为防雷引下线，必须考虑钢管寄生电感的影响。

钢管寄生电感按下式进行计算：

μ0-真空磁导率；μ-导体材料磁导率。λ取值见曲线图

通过计算表明，当其接闪的雷电流150kA时，外墙结构柱电压非常高，因此，30米以上应在外墙结构柱设警示标示，雷雨时人员距外墙 1.5 米以外，以保障人身安全。

超高层建筑接地引下线寄生电感与电涌保护器的作用分析

自2000年10月1日实施《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版），增加第6章防雷击电磁脉冲、2011年10月1日实施 《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010、2004年6月1日实施《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004、2012年12月1日实施《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2012，上述国家防雷标准均对低压配电系统防雷保护的设计、施工作了规定。依笔者多年从事防雷设计、施工、防雷检测、雷电灾害调查、电涌保护器测试之实践，低压配电系统设计安装的电涌保护器能否起到防雷保护作用，除按规范作好能量配合外，其接地导体寄生电感的影响是必须考虑的重要因素。

低压配电系统电涌保护器的技术参数Up是在其无感接地条件下测试的结果。为验证电涌保护器接地引线寄生电感对其能否起到防雷作用的影响。2019年7月11日在北京雷电防护装置测试中心作试验，如以下测试结果：

依据（建筑物内电子设备的防雷保护； 电子工业出版社2000年6月第一版 张小青编著）计算长1 米、16mm2 多股塑铜线寄生电感量：

式中：L0---寄生电感（μH）；H和r---分别为导体的长度和半径（cm）；

通过公式计算表明，电涌保护器接地线的长短对能否起到防雷保护作用影响极大，5kA雷电流无感接地 Ures=1.12kV，2米截面积 16mm2铜导线接地 Ures=1.88kV，如果被保护设备的耐冲击额定电压 Uw=1.5kV，则该设备会遭雷击而损坏。

《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2012第6.5.1条第1款“电源线路的各级浪涌保护器应分别安装在线路进入建筑物的入口、防雷区的界面和靠近被保护设备处。各级浪涌保护器连接导线应短直，其长度不宜超过0.5m，并固定牢靠。浪涌保护器各接线端应在本级开关、熔断器的下桩头分别与配电箱内线路的同名端相线连接，浪涌保护器的接地端应以最短距离与所处防雷区的等电位接地端子板连接。配电箱的保护接地线（PE）应与等电位接地端子板直接连接；”该规定考虑到了接地线的寄生电感影响问题（规范只是表述各级浪涌保护器连接导线应短直，其长度不宜超过0.5m。实际工程中配电箱接地排到总等电位接地端距离将大于两米，甚至更大！），但是低压配电施工规范要求配电箱按装箱底距地面1.5米，电涌保护器安装位置距地面可达1.8米左右，即使是2米左右的接地线也会对其防护作用产生影响。因此，笔者建议对于Ⅱ级、Ⅲ级分配电箱应从建筑总MEB就近引40X4mm 矩形导体（扁钢或扁铜）接入配电箱 与 PE 排作等电位连接，并作为箱中电涌保护器接地，以尽量减小寄生电感的影响。

针对超高层建筑接地引下线过长，前述钢管混凝土结构柱，钢管每米寄生电感以3.485（μH）估算（钢管内外径不同，寄生电感值略有不同），则必须考虑其对防雷击电磁脉冲的影响。因此，构建MEB时（目前尚无超高层建筑防雷设计国家标准），应有别于住建部的建筑物《等电位联结安装》02D501-2相关规定（等电位环形导体用40X4mm 扁钢，其1米寄生电感为0.865μH）。笔者建议总等电位环型导体选用120X4.5mm 扁钢带或扁铜带（其1米寄生电感为 0.66μH），连接尽量多根结构柱（等电位环形导体与结构柱连接导体也选用120X4.5mm扁钢带） ，使接地引下线寄生电感减小到可忽略的量级。超高层建筑防雷接地引下线寄生电感问题应引起建设投资方、设计方的高度重视！。