于 秉 仟

(同濟大學土木工程學院，上海 200092)

0 引言

高層建筑高度較高，電氣設(shè)備種類、數(shù)目繁多，其在雷電天氣下發(fā)生雷電事故的風險也相對普通建筑高。因此在對高層建筑進行電氣設(shè)計時，必須綜合實際情況，選取有效的防雷技術(shù)，做好防雷措施。本文通過分類介紹高層建筑中的雷電作用,分析和總結(jié)了常見的用于高層建筑的防雷技術(shù),以期為高層建筑的雷電災害防護提供一定參考。

1 高層建筑中雷電的影響

1.1 直擊雷

直擊雷是指因雷雨云與地面高層建筑之間直接放電而產(chǎn)生的雷擊現(xiàn)象，其發(fā)生時會在短時間內(nèi)形成極為強大的電流。因此，直擊雷破壞性極大[1]。

1.2 側(cè)擊雷

由于高層建筑高度較高，所以其側(cè)面也容易遭受雷擊，這就是所謂的側(cè)擊雷。側(cè)擊雷也能在短時間內(nèi)于建筑物中產(chǎn)生強大的電流，給建筑帶來消防、用電等各方面的安全隱患，因此在防雷設(shè)計時也是不可忽視的。

1.3 雷電感應

雷電感應是指雷電的二次作用，包括雷電流產(chǎn)生的各類電磁效應、靜電效應。如雷電流沿著引下線、鋼筋下泄時，在電氣設(shè)備線路中產(chǎn)生電磁感應，使其產(chǎn)生過電壓或浪涌從而發(fā)生故障；又如雷電流入地后，又沿接地線傳到設(shè)備的外殼，使其帶上高壓電，即所謂地電壓反擊。

1.4 雷電波侵入

雷電擊中架空鋪設(shè)的高壓輸電線路或金屬管道附近時，因此產(chǎn)生的過電壓和靜電感應，會通過供電線路“侵入”設(shè)備，使其損壞。

2 高層建筑中的防雷技術(shù)

基于上述種種雷電破壞形式，在實際高層建筑的電氣設(shè)計中，應該對癥下藥，選用特定的技術(shù)來預防這些破壞的發(fā)生。這些技術(shù)可分為外部防雷技術(shù)、內(nèi)部防雷技術(shù)兩大類[2]。以下結(jié)合實例進行說明。

2.1 高層建筑電氣設(shè)計中的外部防雷技術(shù)

高層建筑電氣設(shè)計的外部防雷，主要防范的是直擊雷(1.1)和側(cè)擊雷(1.2)的危害。常用的做法如下：

1)對直擊雷，常采用一套由接閃器、引下線、接地裝置組成的直擊雷防雷裝置。其原理是引導雷云與防雷裝置放電，雷電流通過接閃器→引下線→接地裝置的途徑流散到大地中，從而達到保護建筑物的目的。其構(gòu)造簡圖如圖1a)所示。

2)對于側(cè)擊雷，一般無需設(shè)置專門的接閃器，主要防范措施是根據(jù)建筑防雷等級，從30 m，45 m,60 m起,每隔一定高度將圈梁內(nèi)的周邊主筋焊通，形成均壓環(huán)并與防雷引下線相連，之后將建筑內(nèi)較大的金屬物連接均壓環(huán),實現(xiàn)防側(cè)擊雷的最終目標[3]。其示意圖如圖1b)所示。

對于直擊雷防雷裝置，其接閃器、引下線、接地裝置的形式都不是唯一的。在設(shè)計中，應結(jié)合建筑物實際情況，科學地選取最合適的形式。

新疆石河子清新佳苑K2住宅樓，其設(shè)計頗值得參考:在接閃器選取方面，考慮到該建筑物屬于建筑面積比較大的二類防雷建筑物，所以避雷帶的做法采用均勻明敷，沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等部位敷設(shè)。此外，應對位于建筑中央最高處的航空障礙燈采取專門保護措施。具體做法是在其旁邊加裝了3根小型避雷針，與障礙燈的金屬部件保證良好的連接并接至附近接閃器處，同時障礙燈的供電線纜必須以金屬管屏蔽，且金屬管與建筑物的接閃裝置做良好的焊接。最終其屋頂接閃器和5條引下線布置示意圖見圖2[4]。

接地裝置方面，該建筑物采用了共用接地系統(tǒng)?？紤]到GB 50057—2010建筑物防雷設(shè)計規(guī)范中對第二類防雷建筑物的共用接地系統(tǒng)接地電阻的有關(guān)規(guī)定，設(shè)計者利用建筑物基礎(chǔ)鋼筋作為自然接地體，同時為提高泄流效率，又增設(shè)了人工接地極形成與建筑物尺寸相同的水平接地網(wǎng)，使之剛好能覆蓋建筑物平面。

對側(cè)擊雷的防護，設(shè)計者也有周詳?shù)牟贾谩Ｒ酪?guī)范要求，將45 m以上的每層樓內(nèi)部的水平混凝土構(gòu)件內(nèi)的鋼筋連接，形成均壓環(huán)，并通過豎向鋼筋、鋼柱等連接到基礎(chǔ)處的接地裝置。該建筑的輪廓燈電線亦采用金屬管屏蔽，并且接在一起保證等電位。同時金屬和外墻部位的鋁合金門窗等框架較大的金屬物均應與防雷預埋件連接，且要求每一個部件與均壓環(huán)連通點不得少于兩個，以保證內(nèi)部等電位連接[6]。

2.2 高層建筑電氣設(shè)計中的內(nèi)部防雷技術(shù)

雷電感應(1.3)、雷電波侵入(1.4)是高層建筑電氣設(shè)計中的內(nèi)部防雷技術(shù)的主要防范對象。

對于雷電感應，常用的防范技術(shù)措施有等電位連接、合理屏蔽兩種。等電位連接指的是將建筑物內(nèi)的金屬材質(zhì)的構(gòu)架、裝置、電氣設(shè)備不帶電的金屬外殼和電氣系統(tǒng)的保護導體等與接地裝置做可靠電氣聯(lián)結(jié)，常用的方法有總等電位連接(MEB)和局部等電位連接(LEB)兩種。所謂合理屏蔽，即當高層建筑存在較多微電子設(shè)備儀器的空間時，合理選用屏蔽材料(如金屬管材)、電子設(shè)備儀器的電源線、接地設(shè)施等，對其進行電磁屏蔽，以免其內(nèi)設(shè)備受到干擾。

對于雷電波侵入，防范技術(shù)措施主要是應用埋地電纜引入的方式對高層建筑物中的低壓、弱電線進行處理，保障埋地長度不小于2 m。如必須應用架空線路，則在架空金屬線槽中須用電纜敷設(shè)，從而保障其性能。同時信號線要采用有屏蔽層的電纜，做好屏蔽層接地處理。在信號線以及電氣設(shè)備的連接位置要安裝對應的電涌保護器(Surge Protective Device，SPD)，對于變電所的3 kV～10 kV高壓配電裝置(包括電力變壓器)，應在每組母線和架空進線上設(shè)置閥式避雷器。

在石河子清新佳苑K2住宅樓中，為防止雷電感應，設(shè)計者采用了等電位連接，將建筑物內(nèi)及附近所有金屬物以直接或間接連接的方式連接起來，由一點引入地下以減小雷擊時建筑物內(nèi)部金屬物之間的電位差，并在引下線近地面處也做了等電位連接，避免產(chǎn)生地電位反擊。

此外，該建筑的地下室弱電機房、一樓架空層的消防監(jiān)控室屬于含較多微電子設(shè)備的空間，因而需要進行合理屏蔽并鋪設(shè)符合規(guī)范的防靜電地板。所有進入該機房和監(jiān)控室的線纜都必須穿金屬管屏蔽引入，做等電位連接，最后連接到建筑物的LEB端子板上。在機房內(nèi)部，將設(shè)備保護地、屏蔽地、防雷地、工作地等連接至室內(nèi)地排，并保證所有設(shè)備的接地[6]。

在防雷電波侵入方面，廣州市一幢商用住宅樓的設(shè)計亦值得參考。其做法主要包括以下4個方面：

1)保證入戶端處的低壓線路電纜金屬外皮、金屬線槽與防雷接地裝置連接；

2)埋地引入的金屬管道(如煤氣管、消防管、水管等)在引入建筑時就近與防雷接地裝置相連；

3)在首層配電房內(nèi)總電源配電箱處設(shè)一組通流量不小于60 kA的SPD；

4)在電梯機房電源配電箱、中控室電源配電箱等處各設(shè)一組通流量不小于40 kA的SPD[6]。

3 SPD與智能防雷技術(shù)

3.1 SPD簡介

SPD由壓敏元件、氣放管等電子元件組成，是建筑防雷設(shè)計中的重要一環(huán)。然而，長時間的使用或多次的雷電流通過后將使其性能受損，失去對設(shè)備的保護作用。這就要求用戶頻繁檢查SPD的運行情況，及時更換受損失效的SPD，運行維護流程見圖3a)。而實際上，由于雷電發(fā)生的隨機性和頻繁性，受損的SPD很難被及時發(fā)現(xiàn)。由于智能建筑本身對電氣電子設(shè)備可靠性要求更高，因此對SPD也有更高的要求，不僅要求要有足夠的浪涌保護能力，也需要其將自身運行狀態(tài)、參數(shù)實時同步至監(jiān)控終端，使該SPD出現(xiàn)的故障能被及時發(fā)現(xiàn)和排除，從而保障系統(tǒng)運行的安全性。同時，對采集到的雷電浪涌數(shù)據(jù)，可以采用數(shù)據(jù)挖掘(data mining)、機器學習(machine learning)等技術(shù)手段進行分析與處理，從而對系統(tǒng)設(shè)計進行優(yōu)化、提高雷電防護的有效性。這方面?zhèn)鹘y(tǒng)SPD是做不到的，智能SPD運行維護流程見圖3b)。

3.2 智能化SPD系統(tǒng)

用于智能建筑的智能SPD系統(tǒng)具有高度自動化、支持遠程監(jiān)控等優(yōu)點。其構(gòu)造如圖4所示，可分為服務(wù)器監(jiān)控中心、通信管理子站、通信中繼器、SPD及智能監(jiān)控終端四部分。圖4中的箭頭代表了各部分之間的數(shù)據(jù)交換。反映SPD運行狀態(tài)的有關(guān)參數(shù)被與其集成在一起的監(jiān)控終端采集后，經(jīng)通信中繼器轉(zhuǎn)發(fā)至通信管理子站儲存，再被通信管理子站傳輸至服務(wù)器監(jiān)控中心，以便后續(xù)處理、分析與利用。

4 結(jié)語

隨著高層建筑數(shù)量不斷增加，其雷電災害防護必將引起人們的進一步重視。國家正在加大防雷設(shè)計研究力度，推進審核、檢測和驗收等環(huán)節(jié)管理規(guī)范化，從而確保高層建筑防雷安全。在防雷技術(shù)上，外部防雷技術(shù)主要是設(shè)置接閃器+引下線+接地裝置的外部防雷裝置、均壓環(huán)等，內(nèi)部防雷措施主要是等電位連接、合理進行屏蔽、在線路中關(guān)鍵節(jié)點上設(shè)SPD等。相關(guān)技術(shù)人員要用好這些技術(shù)手段，并注意結(jié)合智能化技術(shù)，研究開發(fā)更新、更有效的防雷技術(shù)，從而提升高層建筑電氣設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性，推動建筑防雷設(shè)計行業(yè)的蓬勃發(fā)展。