司思

（徐州大屯工程咨詢有限公司，江蘇徐州 221611）

0.引言

近年來，高層建筑在我國大量涌現(xiàn)，這類建筑存在通信設(shè)備多、人員密集、設(shè)備精密程度高等特點，在遭受雷擊時帶來的經(jīng)濟損失更大。為保證雷擊對建筑帶來的威脅降到最低，正是本文圍繞建筑電氣防雷接地系統(tǒng)設(shè)計開展具體研究的原因所在。

1.設(shè)計要點

1.1 直擊雷防范要點

隨著城市化進(jìn)程的加快，建筑樓層越來越高，與天空接觸面更大，極易遭受雷電攻擊，所以必須采取有效措施防范直擊雷，減少雷電對建筑物的損害，具體可從以下幾方面入手：第一，接閃器的選擇。接閃器可以是接閃帶、接閃線及接閃桿，目前比較常見的接閃裝置包括避雷針、避雷線、避雷網(wǎng)等。在易受雷擊的屋脊、屋角安裝避雷帶，將建筑物屋面接閃裝置與建筑物屋面板、梁、柱連接，會使接閃裝置第一時間接觸雷云，并將其引入大地。但是在接閃空間附近電場強度會比較大，接閃器自身并不能避免雷擊，而是吸引雷擊，以減少周圍雷擊。第二，接地系統(tǒng)原則。防雷裝置的接地系統(tǒng)應(yīng)與建筑物內(nèi)的強弱電系統(tǒng)共用接地裝置，并與建筑物內(nèi)的金屬結(jié)構(gòu)、采暖給水金屬管等可靠連接，做總等電位聯(lián)結(jié)。這樣可有效降低接地電阻阻值。由于接閃器需要面對雷擊電壓，所以電阻越小越好，但是如果想要保證電阻非常小，造價就會較高。很多企業(yè)為減少工程成本，往往將電阻控制在安全范圍內(nèi)，這不僅起不到避雷的作用，會增加雷擊風(fēng)險，所以必須注重避雷裝置合理選擇，減少雷擊可能性[1]。

1.2 側(cè)雷擊防范要點

直擊雷包括直面雷擊和側(cè)擊，側(cè)擊是指雷電擊中建筑物側(cè)墻。當(dāng)?shù)谝活惙览捉ㄖ叨瘸^30m，第二類、第三類防雷建筑高度60m部分需做防側(cè)擊雷措施。具體防范需聚焦以下幾個方面：第一，防范側(cè)擊可利用高層建筑物的鋼筋混凝體，將側(cè)雷引入鋼筋結(jié)構(gòu)中，以減少雷擊對建筑物的侵蝕和損害，從而延長建筑物使用壽命。第二，防范側(cè)擊雷布置接閃器應(yīng)重點布置在墻角、邊沿以及顯著突出的部位。第三，建筑側(cè)面的外部金屬，如金屬幕墻、鐵欄桿、金屬管道等，當(dāng)其尺寸滿足接閃器最低要求時，可利用其作為接閃器。也可利用明敷引下線作為接閃器與屋面防雷系統(tǒng)相連。以玻璃幕墻為例，可利用玻璃幕墻的金屬構(gòu)架，將其與大樓主體防雷預(yù)埋件連接，并在預(yù)埋時將預(yù)埋鋼板與均壓環(huán)焊接，且與全部防雷引下線焊接，這樣以幕墻金屬構(gòu)架作為接閃器，建筑物柱內(nèi)主筋作為引下線，起到防側(cè)雷擊的作用[2]。第四，使用阻燃保溫材料，并在保溫材料中添加阻燃劑，以減少雷電擊中發(fā)生起火的可能。

1.3 雷電波防范要點

雷電波侵入是指雷電波沿著架空線或者金屬管道侵入室內(nèi)，對人身安全或者電氣設(shè)備進(jìn)行損害。防雷電波入侵的最佳方式是在建筑物進(jìn)線處設(shè)SPD浪涌保護(hù)器。具體為在低壓電源電纜引入的總配電箱處安裝I級實驗的SPD浪涌保護(hù)器，二級配電箱進(jìn)線處設(shè)II級實驗的SPD浪涌保護(hù)器，弱電進(jìn)線也許在終端信息箱處裝設(shè)SPD浪涌保護(hù)器。浪涌保護(hù)器具體工作原理為，在正常情況呈現(xiàn)高阻抗，當(dāng)雷電流通過時，隨著電涌電流與電壓的增加，其阻抗不斷減小，將雷電流導(dǎo)入地下，從而起到防范雷電波的作用，以減少建筑物雷電入侵[3]。

1.4 其他要點

建筑電氣防雷接地系統(tǒng)設(shè)計還應(yīng)關(guān)注以下幾方面要點：第一，等電位聯(lián)結(jié)。為實現(xiàn)對電位差的控制，等電位聯(lián)結(jié)設(shè)計極為關(guān)鍵，由此可得到平整的電位，實現(xiàn)對接觸電壓的控制。在具體設(shè)計過程中，科學(xué)的等電位聯(lián)結(jié)設(shè)計能夠降低相關(guān)故障概率，設(shè)計人員需要優(yōu)選聯(lián)結(jié)方式，包括局部等電位聯(lián)結(jié)和總等電位聯(lián)結(jié)。以建筑衛(wèi)生間為例，設(shè)計過程需要聚焦防潮設(shè)備安裝，進(jìn)而將相關(guān)金屬構(gòu)件、管道與局部等電位連接端子進(jìn)行連接。第二，浪涌保護(hù)器選擇?；诶纂姺雷o(hù)分區(qū)需要，為實現(xiàn)對電涌電流的快速泄放，電涌保護(hù)器的科學(xué)選用極為關(guān)鍵，電涌電壓限制及相關(guān)危害控制也能夠獲得支持。在具體設(shè)計過程中，可基于安裝位置選擇不同等級的浪涌保護(hù)器，如滿足I級分類試驗的浪涌保護(hù)器需要安裝在LPZ0（A）區(qū)與LPZ1區(qū)交界面處穿過的配電線路和供電線路上。第三，屏蔽措施設(shè)計。近年來，高層建筑在我國大量涌現(xiàn)，這類建筑的電氣防雷接地系統(tǒng)設(shè)計需要聚焦屏蔽措施選擇，保證電子設(shè)備及電氣線路不會受到雷電電磁干擾。對基于電氣豎井敷設(shè)的電氣主干線來說，需遠(yuǎn)離引下線主筋位置進(jìn)行敷設(shè)，各樓層接地母線及等電位聯(lián)結(jié)板需要與穿線的金屬線槽和鋼管連接。此外，防雷電波侵入設(shè)計需要圍繞用電設(shè)備、配電設(shè)備、配電線路針對性進(jìn)行，在配電盤內(nèi)電壓保護(hù)器需要設(shè)置于外殼與開關(guān)電源側(cè)間[4]。

2.實例分析

2.1 工程概況

為提升研究的實踐價值，以某典型高層住宅建筑作為研究對象，該建筑屬于二類高層建筑，總建筑面積及高度分別為15608.8m2、46.75m，地上16層、地下兩層，其中地上一、二層為商鋪裙房。建筑采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)和平屋面屋頂。主要由地下室區(qū)、住宅區(qū)及一二層商鋪區(qū)組成。為保證建筑安全運行，需要針對性開展電氣防雷接地系統(tǒng)設(shè)計?；谑剑?）對建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)，式中的Ae、Ng、Td、k分別為與建筑物接受相同雷擊次數(shù)的等效面積、當(dāng)?shù)乩讚舸蟮啬昶骄芏?、年平均雷暴日?shù)、校正系數(shù)。通過計算可以確定案例建筑存在0.105次的年預(yù)計雷擊次數(shù)，屬于第三類防雷建筑。

2.2 防雷環(huán)境分析

為分析案例建筑的防雷環(huán)境，需要從3個方面入手：第一，確定雷電區(qū)域。案例建筑所在地為江蘇徐州，屬于中雷區(qū)，年平均雷暴日為29.4d；第二，系統(tǒng)復(fù)雜。作為二類高層住宅，案例建筑內(nèi)部存在大量電氣系統(tǒng)，包括供配電系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、公共安防系統(tǒng)、消防報警系統(tǒng)等，這類消防、安防等弱電系統(tǒng)對防雷接地設(shè)計的要求較高；第三，結(jié)構(gòu)不規(guī)則。案例建筑存在不規(guī)則的外形，各樓層結(jié)構(gòu)差異顯著，大量存在露天平臺，突出部位數(shù)量也較多，因此，單純將接閃帶設(shè)置于頂層無法滿足該建筑防雷需要。綜上所述，需結(jié)合防雷環(huán)境、建筑物內(nèi)強弱電系統(tǒng)繁多、建筑物外形不規(guī)則等因素綜合考慮，才能設(shè)計出安全、可靠性高的防雷接地系統(tǒng)[5]。

2.3 基本設(shè)計方法

在案例建筑的防雷接地系統(tǒng)設(shè)計中，基本設(shè)計主要包括引下線、接閃器、接地裝置、屏蔽等外部防雷措施防范直擊雷，同時以裝設(shè)SPD浪涌保護(hù)器、強弱電共用接地系統(tǒng)、總等電位連接等內(nèi)部防雷措施防范雷電波入侵。

2.3.1 引下線設(shè)計

作為接地裝置與接閃器連接用金屬導(dǎo)體，引下線負(fù)責(zé)向接地裝置引入雷電流，其本身需要具備較強的耐腐蝕性能、機械強度及熱穩(wěn)定性。案例建筑引下線為結(jié)構(gòu)柱內(nèi)鋼筋，具體以2根（直徑大于16mm）或4根（直徑10mm～16mm）為1組，用于連接避雷帶及基礎(chǔ)接地裝置，所有剪力墻及框架柱內(nèi)的構(gòu)件鋼筋同樣屬于電氣防雷接地系統(tǒng)中的引下線，需保證存在25m以內(nèi)的引下線間距。

2.3.2 接閃器設(shè)計

接閃器主要由避雷網(wǎng)、避雷帶、避雷針等組成，作為第三類防雷建筑物，案例建筑的直擊雷預(yù)防可采用可直接裝設(shè)避雷帶方式。具體需要在裙房屋頂、高層屋頂沿檐角、屋檐、屋脊、屋角、女兒墻等部位敷設(shè)避雷帶，具體使用熱鍍鋅圓鋼，直徑為10mm，也可以利用建筑物金屬構(gòu)件，保證屋面上可導(dǎo)電體、金屬屋架、金屬通風(fēng)管、金屬構(gòu)件均可靠連接接閃器。非金屬物體如處于屋面接閃器保護(hù)范圍外，同時需要針對性設(shè)置接閃器，該接閃器需要連接屋面防雷裝置。需按照最大20m×20m或24m×16m控制避雷帶連接網(wǎng)格，連接的可靠性也需要嚴(yán)格控制。

2.3.3 接地裝置設(shè)計

接地裝置負(fù)責(zé)向大地導(dǎo)入雷電流，為避免雷電流反擊出現(xiàn)，必須做好接地裝置設(shè)計。以往行業(yè)要求單獨進(jìn)行電子設(shè)備接地，但現(xiàn)階段已不提倡這類設(shè)計，應(yīng)通過同一接地裝置接入防雷接地系統(tǒng)與電子設(shè)備，這一過程需要嚴(yán)格控制接地電阻。如使用專用接地系統(tǒng)作為電子設(shè)備接地裝置，需保證建筑防雷接地系統(tǒng)與該專用系統(tǒng)間存在20m以上距離。具體設(shè)計需要優(yōu)先考慮利用鋼筋混凝土基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋，案例建筑的基礎(chǔ)接地網(wǎng)通過焊接基礎(chǔ)底梁上下兩層鋼筋中的兩根主筋形成，接地電阻控制為1Ω。

2.3.4 內(nèi)部防雷裝置設(shè)計

案例建筑弱電系統(tǒng)較多，其對內(nèi)部防雷的要求較高，這類內(nèi)部防雷裝置設(shè)計應(yīng)主要考慮防范雷電波入侵，及其可能帶來的危害。第一，防雷系統(tǒng)需接入總等電位聯(lián)結(jié)?？偟入娢宦?lián)結(jié)由建筑物的防雷裝置、各類金屬管線（進(jìn)出建筑物）、金屬結(jié)構(gòu)、內(nèi)部系統(tǒng)接地線纜、金屬裝置、金屬體等構(gòu)成；第二，浪涌保護(hù)器需要設(shè)置于低壓電源線纜引入的總配電箱處，同時做好總等電位聯(lián)結(jié)，信號線路浪涌保護(hù)器需要設(shè)置在弱電進(jìn)線箱處，金屬管道需在進(jìn)出建筑物處用接地線與總等電位聯(lián)結(jié)箱相連；第三，建筑內(nèi)主要設(shè)備間和弱電機房處應(yīng)設(shè)置局部等電位聯(lián)結(jié)箱，并接入總等電位系統(tǒng)。

2.4 優(yōu)化設(shè)計

在開展基本設(shè)計的同時，考慮到案例建筑存在不規(guī)則的形狀，處于中雷暴地區(qū)，且同時存在大量露天平臺、屋面設(shè)備等情況，因此結(jié)合上述基本設(shè)計，案例建筑需針對以下幾個方面開展優(yōu)化設(shè)計。

2.4.1 加強內(nèi)外部防雷保護(hù)設(shè)計

考慮到案例建筑存在大量露臺，同時存在眾多的突出部位，因此需要在突出部位及連接露臺部分設(shè)置防雷電感應(yīng)及防平臺處雷擊的措施?？紤]到頂層平臺處存在送風(fēng)風(fēng)井、空調(diào)管井、太陽能板及電梯機房和設(shè)備，外部防雷設(shè)計時不僅需要在凸出屋面的部分布置避雷帶，還需要與這些設(shè)備的金屬基礎(chǔ)可靠連接。同時，內(nèi)部防雷措施也極為關(guān)鍵：第一，除了基于三類防雷建筑物基本的防雷接地設(shè)計要求外，所有建筑物進(jìn)出的構(gòu)架、金屬管道、線纜等金屬物需做總等電位，保證接地裝置與室內(nèi)接地干線盡量多的連接；第二，混凝土、柱、板、梁內(nèi)的鋼筋需要與建筑物鋼構(gòu)架相互連接，達(dá)到電氣通路的要求，作為引下線的柱內(nèi)鋼筋需要針對性設(shè)計，同時，在雷擊頻繁部位適當(dāng)增設(shè)引下線；第三，作為接閃器的外部金屬物需嚴(yán)格要求，保證其下部不存在易燃物體，同時厚度滿足要求，如金屬物為鋁板、鋅板、銅板、鉛板，其厚度需要分別在0.65mm、0.7mm、0.5mm、2mm及以上，此外，接閃器還可以選擇在垂直于建筑物邊緣處布置的外部引下線，將避雷網(wǎng)和外部金屬物設(shè)置于露臺處，該部位的雷擊危險能夠大幅下降；第四，對金屬物的底端和頂端，以及外豎直敷設(shè)及外墻內(nèi)的金屬管道，需做等電位并與防雷裝置可靠連接，這不僅能夠有效預(yù)防側(cè)擊雷，同時能減少直擊雷帶來的傷害。

2.4.2 智能設(shè)備保護(hù)設(shè)計

案例建筑內(nèi)部存在大量智能設(shè)備，這類設(shè)備的保護(hù)同樣屬于防雷接地設(shè)計重點，因此，具體設(shè)計需要聚焦電磁脈沖等內(nèi)容展開：第一，避雷裝置需要設(shè)置于變壓器低壓及高壓側(cè)，具體在建筑物內(nèi)、外均需要設(shè)置；第二，進(jìn)出建筑的各種金屬管道需要連接防雷接地體，不區(qū)分直接埋地和加工管道，同時需保證接地電阻阻值滿足要求；第三，主要通過埋地接入設(shè)計處理建筑物內(nèi)的線纜管道，鋼管道及電纜金屬外皮需要在入戶端連接接地體；第四，對于建筑內(nèi)部存在的重要電子系統(tǒng)，需要設(shè)置通信保護(hù)裝置，同時科學(xué)設(shè)置浪涌保護(hù)器數(shù)量，避免雷電過電壓在雷電流入侵時破壞電子設(shè)備；第五，屏蔽網(wǎng)站需要設(shè)置在建筑內(nèi)部重點電子設(shè)備間，雷電電磁場的有效隔絕能夠順利實現(xiàn)，更好規(guī)避相關(guān)破壞問題；第六，選用的弱電設(shè)備需要具備防雷保護(hù)功能，進(jìn)而滿足用電末端防護(hù)需要。

2.4.3 接地保護(hù)設(shè)計

在利用建筑物主體結(jié)構(gòu)作為接地體的同時，案例建筑在配電間、風(fēng)機房消防控制室、弱電機房等重要設(shè)備用房的局部等電位設(shè)計上充分優(yōu)化了接地和整體接地阻值，具體設(shè)計如下：第一，充分利用建筑物內(nèi)的基礎(chǔ)鋼筋最作為接地體，與建筑物屋面板、屋架、鋼柱、鋼筋混凝土柱子等構(gòu)件的防雷裝置及鋼筋連為整體，且達(dá)到電氣通路的要求；第二，基礎(chǔ)接地網(wǎng)與不同接地引下線需要可靠焊接，同時強弱電系統(tǒng)、內(nèi)部防雷裝置及外部防雷裝置共用接地裝置，其中的等電位連接使用金屬管線；第三，考慮到案例建筑內(nèi)部存在大量重要設(shè)備，需保證接地電阻不大于1Ω，必要時可增設(shè)人工接地體，以達(dá)到接地電阻的要求。

3.結(jié)論

建筑電氣防雷接地系統(tǒng)設(shè)計需要關(guān)注多方面因素影響，在此基礎(chǔ)上，本文涉及的內(nèi)部防雷裝置設(shè)計、總等電位系統(tǒng)設(shè)計、接地系統(tǒng)設(shè)計等內(nèi)容，提供了可行性較高的設(shè)計思路，在優(yōu)化建筑電氣防雷接地系統(tǒng)設(shè)計方面提供了借鑒經(jīng)驗。