高層建筑雷電防護工程設計要點探析

摘 要：當前，城市建筑越來越追求“高”，由于垂直高度的不斷上升，導致建筑基礎也必須不斷向下延伸，同時也給風雷設計提出了更高的要求。防雷是建筑工程中不可或缺的一個環節，在設計過程中對于各種因素必須進行綜合的考慮。

關鍵詞：高層建筑；雷電防護；設計

高層建筑向著智能化和多樣化的方向不斷發展，側擊雷的防護是雷電防護措施中的關鍵因素。防雷是建筑工程中不可或缺的一個環節，是一門交叉性的綜合項目，因此設計過程中對于各種因素必須進行綜合的考慮，以確保建筑和人身安全。

1 雷電活動的基本規律

在我國，雷電主要發生在春夏季節，尤其以夏季為多發季節，冬季則幾乎不發生。從全球地理來看，雷電發生頻率最高的地方是赤道附近，隨著緯度的增加，依次向南北減弱，直到南北兩極幾乎不發生。因而，提出了平均雷暴日的概念來對特定區域內發生的雷電活動大小進行衡量，此外，該標準也成為了防雷工程、建筑工程以及設計與評估過程中不可缺少的參考因素。根據不同地區的雷電的強度不同，可以將全國分為4個雷電日區域。北回歸線以南的雷電日超過80天；長江以南區的雷電日超過30天；長江以北地區的雷電日在15天至30天不等；西北地區的雷電日出現天數則在15天以下。我國最為劇烈的雷電活動地區在海南省以及雷州半島，年均出現的雷電日為100-130天[1]。

當前，城市建筑更多的追求“高”，由于垂直高度的不斷上升，則建筑基礎也必須不斷向下延伸，這也給風雷設計提出了更高的要求。遵循“法拉第籠”定理，防雷系統大部分由接地裝置、引下線、避雷帶或網三者相連而成的籠式，或是具有抗擊雷電波、防側擊雷、防直擊雷與防雷電感應系統的大網式，通過分流與接閃等方式，綜合設計以實現兼顧建筑物室內和室外的防雷功能，保證人們的人生安全[2]。

2 高層建筑雷電防護工程設計問題與標準

2.1 常見的設計問題分析

從我國相關資料記載中能夠發現，在高層建筑雷電防護工程設計過程中，由于沒有統一、規范的防雷裝置設計標準，或是僅僅關注到建筑物外部LS設計而忽略其內部的LEM設計，導致建筑的雷電防護工程在設計階段就有著不少漏洞，埋下安全隱患。通常來說，防雷設施的設計過程中最常見的有以下三類問題：首先，避雷針安裝不妥，導致感應雷和地電位反擊過于強烈，雷擊概率的不斷上升。其次，引下線數量不妥當，若是在無屏蔽網或是引下線為5根的地方，無論放置什么樣的電子設備，建筑物都會因為電磁感應的干擾而癱瘓，使得防雷設計無效[3]。最后，設計過程沒有針對性的感應雷的防護設計，雷電電流迅速變化引起強烈的電磁感應，若沒有完善的接地裝置就難以泄入地下，導致火花放電，在破壞室內電器的同時，還會導致火災、爆炸、觸電等事故的發生。

2.2 設計標準化處理

針對上述的設計問題，新標準并沒有對建筑的垂直高度有明確的規定，而雷電防護工程設計在應對相關防范問題的時候主要遵循以下三個原則。首先，建筑物雷電防護模式的設計中的攔截模式主要有滾球法（RSM）、保護角法（PAM）和網格法（MM），從電氣——幾何模型的角度來看，傳統滾球法（RSM）的理論基礎和實踐經驗都較為豐富，是現行模式應用最為廣泛的一種。其次，為實現科學準確的雷電防護工程設計，選擇源于傳輸線路和高層建筑的國際大電網組織（CIGRE）雷電流參數。最后，為了保障雷電防護系統的穩定性與有效性，就要安裝設計防護裝置[4]。

3 高層建筑雷電防護工程設計要點

3.1 高層建筑屏蔽設施的設計

基于理論支持和實踐結果可以知道，若是建筑物的垂直高度大于100m，那么接地設備與防雷設備間就存在著超過一百萬伏的電位差，最直接的后果就是造成引下線連接的金屬體和它相鄰的金屬體之間的反擊放電現象。這時的雷電波高大而陡峭，在經過引下線的時候就會導致周圍導體出現電磁感應。這時候，靠近引下線的導體沒有屏蔽作用而產生高電位，反擊導體的放電行為還會使絕緣體擊穿。如果導線外層包裹了屏蔽層，那么就能在防雷引下線與屏蔽層之間形成等電位，當雷電打擊到當屏蔽層時，屏蔽層到地上也會出現互感電勢。此外，主干電氣線路的主要部分主要安置在高層建筑物中心，并且要和引下線保持一定的距離，盡量避免干擾。因此，高層建筑內部配置電氣線路主要采取的是鐵管配線式的形式。

3.2 均衡電位與電涌保護裝置的設計

在高層建筑的雷電防護工作的設計上，為了使建筑物內部不出現電壓反擊，應該按照《建筑物防雷設計規范》相關規定，根據建筑物內部不同地方的LEM的嚴重程度的不同，在相關位置上預留等電位連接板，與房屋防雷裝置相配合，那么結構鋼筋與各種金屬管線都是在同一電位上，能夠很好地避免雷電電磁脈沖對于電子設備的干擾，也能夠對于瞬態過電壓形成一定限制和電涌電流的分流。針對高層建筑，根據防雷任務的需求和電子設備的類型，選擇不同的等位連接網，從而避免防雷擊電磁脈沖和電壓反擊。針對低于300kHz的電子設備可采用S星型結構；針對MHz級的電子設備系統，可采用M型網狀結構。

3.3 屏蔽作用與間隔距離的設計

在高層建筑物中的電子系統容易遭受到雷電電磁脈沖的沖擊，因此必須在建筑物、設備和各種線路（管道）中注意屏蔽設施的設計。通常情況下，在了解各項系統和設備的耐壓水平的基礎上，通過互相焊接高層建筑內部鋼筋、金屬構架與地板、門窗等，形成一個法拉第籠，再加上地網構就能變成初級屏蔽網。在設計過程中尤其要注意到初級屏蔽網的衰減，屏蔽材料的選擇，雷擊點與屏蔽空間之間的距離，以及屏蔽層厚度、網孔密度等等的參數，才能使得防衛雷電的工作落到實處。

3.4 接地方式與接地裝置的設計

接地裝置通常有自然接地體和人工接地體兩種形式。在設計過程中，自然接地體通常由建筑物的基礎構造鋼筋來擔當；人工接地體則通常采用的是環形方式；而獨立的垂直接地體的接地裝置則可以用周圈式，縮短接地體和基礎內的鋼筋的距離能夠實現均衡電位；木結構和磚混結構的建筑物就要采用獨立接地方式，并單獨設置引下線，最好采用鉆孔深埋接地的方式。在設計過程中如果要用到共用接地裝置時，就要使其在各樓層設備中都要有安裝，通過接地預留端子或接地地板的設置，實現總等電位聯結和局部等電位聯結。

遵循“法拉第籠”定理，防雷系統大部分是由接地裝置、引下線、避雷帶或網三者相連而成的籠式。綜合設計以實現以兼顧建筑物室內和室外的防雷功能，保證人們的生命安全。在高層建筑雷電防護工程設計過程中，要注意高層建筑屏蔽設施的設計、均衡電位與電涌保護裝置的設計、屏蔽作用與間隔距離的設計、接地方式與接地裝置的設計。

參考文獻

[1]黃彩東.河池鑫亮名都廣場綜合樓高層建筑雷電防護個例分析[J].氣象研究與應用，2011（9）：153-156.

[2]胡如江.建筑物雷電防護技術應用措施[J].科技與生活，2011（24）：180-181.

[3]伍世民，何耀斌，魏紅.高層建筑雷電防護裝置檢側要點[J].大科技，2012（3）：338-339.

[4]高清蘭，白桂巨，陳洪萍，等.高層建筑物防雷設計與綜合防護[J].太原科技，2012（1）.

作者簡介：涂緯華（1979，11-），男，江西省余干縣人，江西省鷹潭市氣象局，助工，本科學歷，研究方向：雷電防護。