高層建筑綜合防雷工程設計分析

陸凱琦

摘 要：伴隨現代社會的飛速發展，城市建筑物的規模逐漸擴大，高層建筑建設發展也日新月異。考慮到高層建筑的高度特殊性，其比一般建筑面臨雷擊的風險更大，而一旦遭受雷擊，就會造成巨大損失。因此，對高層建筑施行有效地防雷保護措施顯得尤為重要，相應提出了更高的防雷工程設計要求。本文對由雷電引起的過電壓以及雷電的電磁兼容性問題進行分析，從而有助于提高高層建筑設計和施工的質量。

前 言

隨著社會的發展進步，建筑物規模不斷擴大，對建筑物的安全、可靠性也提出了更高要求。傳統防雷保護存在避雷器的選用不當等問題，隨著電子通信、計算機技術的發展，高層建筑逐漸實現樓宇自動化，其內的電子設備工作電壓不斷降低，面臨雷擊的風險增大[1]。而電子設備的廣泛應用也導致感應雷電事故增多，導致設備受到干擾甚至損壞，因此對高層建筑的防雷保護設計進行研究，以期解決上述問題。

1 高層建筑直擊雷防護措施

高層建筑屬于一、二類建筑物，對于一類建筑物需要設置獨立避雷針和架空避雷線，接地裝置也應該獨立。二類建筑物除了設置與一類建筑物相同的常規措施外，其防雷接地裝置優選選擇和防雷電感應、電氣設備等接地公用同一接地裝置并與埋地金屬管道相連。為了增強高層建筑的防雷防護效果，需要針對直擊雷防護措施進行改進。

為了減少雷電流陡度和電磁輻射場，可優選阻抗型的避雷針和接閃器，或者選用提前放電式避雷針，通過使雷電泄放前提前放電形成上行先導達到加大避雷針保護角，擴大保護范圍，提高保護可靠性的效果。要改進直擊雷防護措施，可充分利用建筑物的鋼筋混凝土結構組成經濟可靠的籠式避雷網增加引下線數量，從而加速分流雷電流，減少磁場集中程度。同時加強高層建筑所有外露金屬門窗和建筑結構的連接，可增強建筑物的自然屏蔽能力。

建筑物可以利用鋼柱或立柱內筋作為防雷引下線，通過和基礎鋼筋、梁柱鋼筋以及金屬框架連接而形成閉合良好的法拉第籠[2]，建筑內的豎向金屬管道應每三層和圈梁的均壓環相連，而均壓環又與防雷設備專設的引下線連接。澆筑混凝土前，各鋼筋之間需要形成電氣連接。高層建筑超過30m時，對于墻上欄桿、金屬門窗等較大金屬物直接或者使用金屬門窗埋鐵和防雷裝置連接。

2 雷電波侵入的防護措施

由于雷電波主要通過電源線路和金屬管道侵入，要防范雷電波入侵，除了滿足《建筑物防雷設計規范》的要求外，還應采取以下防護措施。

2.1 應用串聯間隙氧化鋅避雷器

要使高層建筑的防雷效果得以改善，需要使用先進的防雷設備。對于避雷器來說，一般要求其對雷電陡波和雷電幅值同樣具備限壓保護作用，而且使用中不會引起配電系統接地故障或者相間短路故障，其動作特性滿足長期運行穩定性，具有連續雷電沖擊保護能力。為便于使用，避雷器外形尺寸應較小，且最好附帶脫離器監察運行工況，設備失效時能夠自動退出運行。

現在應用的碳化硅避雷器發生保護時既泄放雷電流也泄放工頻續流，切斷續流時耗最大達10000μs，一次保護的循環時間遠大于10000μs才能恢復進行下次動作的能力，因此不具備連續雷電沖擊保護能力，而且其保護動作具有工頻續流對地放電，會造成能源浪費。氧化鋅避雷器保護動作只泄放雷電流，時耗小于100μs即可完成，并立即恢復到可進行下次保護的動作能力，因此氧化鋅避雷器具有連續雷電沖擊保護能力，這對于多雷區或者雷電活動強雷地區的防雷保護尤為重要。串聯間隙氧化鋅避雷器的間隙結構可改善閥片長期工作條件，免受暫態過電壓危害和溫度熱損傷，避免了無間隙氧化鋅避雷器因拐點電壓偏低帶來的一切缺點，其壽命達20年以上。

2.2 高層建筑內電源系統防雷保護設計

（1）建筑內的電源系統防雷保護包括建筑物電源進線的防雷保護和接到屋內電子設備的電源部分防雷保護。由于配電變壓器是交流供電系統的重要設備，為防止變壓器自身受到雷電過電壓損壞，提高其向建筑物內電子設備供電的可靠性，需對配電變壓器進行防雷保護，同時也可以防止電壓波通過變壓器傳播到建筑物內的電源系統，從而使電子設備得到保護。

變壓器的高、低壓側均設置避雷器，且均裝設三個串聯間隙氧化鋅避雷器。高壓側三個避雷器應盡量靠近變壓器，其接地端直接與變壓器金屬外殼連接，從而減小雷電暫態電流在引線寄生電感上產生的壓降。雷電過電壓波沿高壓線路傳遞到變壓器時引起高壓側避雷器產生動作，由于其接地端和變壓器金屬外殼以及低壓側中性點連接在一起接地，因此作用于變壓器高壓側主絕緣上的電壓為避雷器殘壓，沒有接地電阻和接地引下線寄生電感上的壓降。

（2）建筑物內電子裝置使用的交流電源通常由戶外交流電網引入，雷電擊中電網時使得線路上產生過壓電波會傳入室內損傷電子裝置。同時雷電過壓電波也可能從交流電源側或通信線路傳播到直流電源系統，對直流電源及其負載電路產生危害。為保護建筑物內電子設備，首先在供電線路入建筑物處安裝保護裝置，從而可以將過壓電波防護于建筑物外。為了防止雷電從交流供電電源線路入侵，需要在高層建筑的變配電所高壓柜里各相安裝用于一級保護的避雷器，而低壓柜內設置用于二級保護的氧化鋅防雷裝置，避免雷電侵入供電系統。為了穩妥，建筑物各層的供電配電箱可以設置電源避雷器為第三級保護，同時將配電箱金屬外殼和建筑物接地系統牢固連接。

3 電子信息系統的防雷綜合設計

傳統防雷技術雖能保護建筑物本身，但這些措施不能完全消除電網中由雷電而引起的暫態過電壓，感應雷電脈沖一般都在千伏以上，而高層建筑內智能微電子設備工作電壓僅幾伏，工作電流在微安至毫安數量級，因此對微電子設備安全保護問題顯得尤為重要。而任何單一的防雷設備都無法保證現代建筑物內所有設備的安全，因此必須采取綜合防雷的方式。

雷擊發生時，雷電暫態電流經過路徑上暫態電位升高，使得此路徑與周圍金屬物體形成暫態電位差，如果電位差超過兩者的絕緣耐受強度，就會導致金屬物體被放電擊穿，或者產生電磁脈沖干擾電子設備正常運行。為了避免被放電擊穿，需對各金屬構件進行等電位連接使得形成電氣上連續的整體，從而避免出現暫態電位差，即采取均壓措施。也可利用設備的金屬外殼、屏蔽室的外部金屬網等屏蔽體來阻擋或者衰減電磁脈沖的能量傳播，從而保護電子設備正常及安全運行。

防雷最終要實現泄放，因此必須重視接地設置。為了使整個電子電路有一個公共的零電位基準面，且該高頻干擾信號提供低阻抗的通道，使屏蔽措施能很好地發揮效果，可設置電子設備工作接地。通常在使用電子裝置的地方，電子裝置和強電設備均需接地，想要二者分開接地比較困難，但共地雷擊時暫態大電流會通過電路耦合對電子設備形成干擾或引起過電壓[3]。為克服這些副作用，有些地方將電子裝置和強電設備分開接地，在電子設備單獨接地的地線入戶處用低壓避雷器或放電間隙與建筑物總接地網相連，發生雷擊時其地電位抬高使得避雷器放電，使電子裝置接地和建筑接地網水平大致相當，有利于抗干擾以及避免擊穿放電損壞設備。

4 結束語

隨著經濟發展，高層建筑成為城市建筑的發展趨勢，由于高層建筑遭受雷擊的概率比一般建筑大很多，一旦遭受雷擊損失會非常巨大。因此對高層建筑進行防雷研究顯得很重要。本文對高層建筑內電子設備電磁兼容以及綜合防雷進行了分析，為防雷技術應用提供參考。

參考文獻

[1]陳之運.高層住宅建筑防雷設計應注意的幾個問題[J].氣象，2011.

[2]周毅.高層建筑的防雷設計與施工[J].中國高新技術企業，2010（10）：122～123.

[3]鄢慶桂.構建高層建筑防雷接地設施的方法[J].建材與裝飾：中旬，2013（3）：23～24.