高層建筑防雷接地問(wèn)題討論

高層建筑防雷接地問(wèn)題討論引言：近年來(lái)，高層建筑物大量拔地而起，高層建筑物受雷電的危害較大，比一般建筑物遭雷擊的概率要大得多，高層建筑物一旦遭受雷災(zāi)，損失往往非常嚴(yán)重，建筑物遭破壞、設(shè)備損壞、人員傷亡等大幾率存在，因此必須增強(qiáng)防雷意識(shí)，加強(qiáng)防雷設(shè)計(jì)，科學(xué)防御，確保建筑物、設(shè)備和生命財(cái)產(chǎn)的安全。只有通過(guò)對(duì)其進(jìn)行綜合防雷設(shè)計(jì)，才可能將雷電災(zāi)害降低到最低程度。一般10層以上的居住建筑物和高度超過(guò)24

m的其他用途建筑物均為高層建筑；無(wú)論是住宅或公共建筑，其總高度大于100

m

者，均為超高層建筑。高層建筑物結(jié)構(gòu)類型主要包括磚石結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等。高層建筑物的內(nèi)部設(shè)施包括高層建筑物中給排水設(shè)備、電力、弱電線路、電子信息設(shè)備以及垂直交通（如電梯）等1雷電的破壞作用雷電會(huì)引起建筑物的損壞，人員傷亡，對(duì)電力，電訊等設(shè)備造成危害。雷電的破壞作用歸納起來(lái)有兩種：一是直擊雷在建筑物上產(chǎn)生熱效應(yīng)作用和電動(dòng)力作用；二是雷電流產(chǎn)生的靜電感應(yīng)作用和電磁感應(yīng)作用以及雷電波入侵作用。1.

1直擊雷直擊雷是雷電直接擊在建筑物上。由于雷擊時(shí)放電電壓很高、電流強(qiáng)大,在強(qiáng)大的雷電流通道上,將物體水分受熱汽化膨脹,而產(chǎn)生強(qiáng)大的熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng),從而使建筑物遭受到破壞,并可能會(huì)引起火災(zāi)。1.2感應(yīng)雷感應(yīng)雷有三種情況,第一種情況是指當(dāng)雷云來(lái)臨時(shí)。地面上的一切物體,尤其是導(dǎo)體,由于靜電感應(yīng),都聚集起大量與雷電極性相反的束縛電荷,在雷云對(duì)地或另一雷云閃擊放電時(shí),云中的電荷就會(huì)變成自由電荷,從而產(chǎn)生出很高的靜電電壓其電壓幅值可達(dá)幾萬(wàn)至上百萬(wàn)伏,這種過(guò)電壓往往會(huì)造成建筑物內(nèi)的導(dǎo)線,接地不良的金屬導(dǎo)體和大型的金屬設(shè)備放電而引起電火花,從而引起火災(zāi),爆炸,危及人身安全或?qū)╇娊y(tǒng)造成危害。第二種情況是,在雷電閃擊時(shí),由于雷電流的變化率大而在雷電流的通道附近就形成一個(gè)很強(qiáng)的感應(yīng)磁場(chǎng),而對(duì)建筑物內(nèi)的電子設(shè)備造成干擾,破壞,又或者使周圍的金屬構(gòu)件產(chǎn)生感應(yīng)電流,以致產(chǎn)生大量的熱而引起災(zāi)。這些危害并不是雷電直接對(duì)建筑物放電造成的,因而稱為二次雷或感應(yīng)雷。另外,當(dāng)架空線遭受直擊雷或產(chǎn)生感應(yīng)雷,其高電位便會(huì)沿導(dǎo)線侵入變配電所或屋內(nèi),這種雷電波也會(huì)對(duì)電氣設(shè)備造成危害或使屋內(nèi)金屬設(shè)備放電,而危及其他設(shè)備。實(shí)際上,這種破壞也多數(shù)是由于雷電感應(yīng)而造成的。根據(jù)有關(guān)雷電測(cè)試的資料數(shù)據(jù)確定,雷云的最低高度一般在距地面20米以上這樣,就50-100米高層建筑而言,不但其頂部高聳入云,而且其中部也伸入雷云中。由于雷電流的最大峰值能達(dá)到幾十千安,以至上百千安,雷電通道的溫度可達(dá)到6000-10000度,甚至更高,雷電閃擊時(shí)只有幾微秒到幾十微秒。但其強(qiáng)大的雷電電流將給建筑物造成破壞,同時(shí)有可能引起火災(zāi)。因此要使高層建筑免遭雷擊,完善的防雷接地設(shè)計(jì)和保質(zhì)的防雷施工是必不可少的。2外部防雷措施

建筑物防雷工程是一個(gè)系統(tǒng)工程,必須綜合考慮將外部防雷措施和內(nèi)部防雷措施作為整體來(lái)統(tǒng)一考慮。外部防雷主要指防直擊雷和側(cè)擊雷,其作用是保護(hù)建筑物本身不受雷擊.主要是裝置由接閃器，引下線和接地裝置構(gòu)成以及防側(cè)擊雷。2.1接閃器：

接閃器是防直擊雷接受雷電流的金屬導(dǎo)體,其形式有避雷網(wǎng)(帶)、避雷針、金屬屋面等。避雷網(wǎng)(帶)應(yīng)沿屋脊、屋角、屋檐、檐角、女兒墻等易受雷擊部位敷設(shè),并按建筑物的防雷等級(jí)在整個(gè)屋面組成不同尺寸要求的網(wǎng)格,見(jiàn)表1。

根據(jù)雷擊建筑物部位的規(guī)律，在建筑物上裝設(shè)避雷針（網(wǎng)、帶），就能可靠吸引強(qiáng)雷和弱雷。屋面避雷網(wǎng)(帶)一般采用熱鍍鋅的圓鋼或扁鋼及熱鍍鋅件,敷設(shè)應(yīng)平正順直、固定可靠,搭焊長(zhǎng)度應(yīng)滿足規(guī)定要求。避雷網(wǎng)(帶)在經(jīng)過(guò)沉降縫或伸縮縫時(shí)應(yīng)做煨彎補(bǔ)償處理,避雷帶在女兒墻敷設(shè)時(shí),一般敷設(shè)在女兒墻的中間,當(dāng)女墻寬度較大時(shí),應(yīng)將避雷帶移向女兒墻的外側(cè)處為宜,因?yàn)榕畠簤Φ耐庋匾资芾讚衄F(xiàn)代高層建筑中也有在屋面上利用金屬欄桿做避雷網(wǎng)(帶),其材質(zhì)主要采用鋼管或不銹鋼管,鋼管的壁厚應(yīng)≮2.5mm,鋼管直線段對(duì)接,轉(zhuǎn)角等部位應(yīng)采用圓鋼或角鋼搭接焊,搭焊長(zhǎng)度應(yīng)滿足規(guī)范要求,欄桿必須與引下線可靠連通。

突出屋面的金屬物體可不裝接閃器,但應(yīng)和屋面防雷網(wǎng)(帶)相連;在屋面接閃器保護(hù)范圍之外的非金屬物體應(yīng)裝接閃器,并與屋面防雷裝置相連。由于高層建筑露天設(shè)備較多,如冷卻塔、衛(wèi)星接收器、航空障礙燈、排煙口、廣告牌及與這些設(shè)備相關(guān)的金屬管道等,因此屋面所有金屬構(gòu)件管道都應(yīng)與避雷裝置連接。這些設(shè)備與構(gòu)筑物若不在接閃器保護(hù)范圍的,應(yīng)局部加設(shè)避雷針或避雷帶。例如,建筑屋頂上有一冷卻塔,需要防雷保護(hù),首先采用避雷網(wǎng)(帶)保護(hù)屋面,然后將屋面作為地面,用滾球法確定避雷針的高度。表一接閃器布置建筑物防雷類別滾球半徑h/m接閃網(wǎng)網(wǎng)格尺寸/m一類30≤5x5或≤6x4二類45≤10x10或≤12x18三類60≤20x20或≤24x162.2引下線裝置引下線的作用是傳導(dǎo)雷電流經(jīng)接地極入地，當(dāng)建筑遭雷擊時(shí)，強(qiáng)大的雷電流將經(jīng)過(guò)引下線入地，引下線數(shù)量的多少直接影響分流效果，引下線多，每根引下線通過(guò)的雷電流就小，其感應(yīng)范圍就小，對(duì)微電子設(shè)備影響就小，同時(shí)增加引下線的數(shù)量。也有利于屏蔽效果。因此，引下線的設(shè)置間距在滿足規(guī)范的要求情況下，最好適當(dāng)增加引下線的數(shù)量，以有利于微電設(shè)備的保護(hù)。2.3接地裝置接地裝置包括接地體和接地線。接地裝置的優(yōu)劣與接地電阻和接地方式有關(guān)。為便于與各種入戶金屬管道相連,降低跨步電壓,建筑物防雷接地一般采用周圈式接地。防雷接地應(yīng)盡量利用自然接地體作為接地裝置,只要基礎(chǔ)采用硅酸鹽水泥和周圍土壤的含水量不低4%,基礎(chǔ)外表面無(wú)防腐層或有瀝青質(zhì)的防腐層時(shí),可利用基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋作接地裝置,否則應(yīng)加設(shè)人工接地裝置。高層建筑通常利用樁基礎(chǔ)、箱形基礎(chǔ)作接地裝置,這些基礎(chǔ)連成的接地網(wǎng)有較大的電容,其沖擊阻抗很小。施工中通常將樁基的拋頭鋼筋與承臺(tái)板主筋焊接,并與承臺(tái)上作為引下線的柱鋼筋焊通,再與整個(gè)底板內(nèi)鋼筋或地梁中的鋼筋互相連通,將樁基主筋與地梁主筋焊接成一個(gè)閉合的水平接地網(wǎng),以形成均壓。由于防雷裝置直接裝在建、構(gòu)筑物上,建筑物防雷接地與電氣設(shè)備接地等無(wú)法隔離。通常建筑物的防雷接地與電氣設(shè)備的接地、微電子設(shè)備接地均應(yīng)連接成統(tǒng)一的接地系統(tǒng),其共用接地電阻按其中最小值選定。一般要求,接地電阻值≤1Ψ。2.4防側(cè)擊雷現(xiàn)代高層建筑的防雷接地、電氣設(shè)備的保護(hù)接地和工作接地合在一起組成綜合接地系統(tǒng),接地電阻通常要求4Ω(鑒于目前高層建筑智能化設(shè)施日益增加,設(shè)計(jì)時(shí)接地電阻不宜大于1Ω)因?yàn)楦邔咏ㄖ匿摻罨A(chǔ)埋地深,與大地的接觸面積大,其接地電阻比一般人工接地所得到的電阻低得多,容易滿足以上要求,考慮到大部分高層建筑的基礎(chǔ)做了防水處理,致使接地電阻增大,所以應(yīng)盡量在建筑物周邊做周圈式接地,周圈式接地可避開(kāi)防水處理層。同時(shí),由于接地體埋在基礎(chǔ)的外邊,也具有均衡電位的效果,因而提高了安全性。為防止跨步電壓,當(dāng)防直擊雷的人工接地裝置距建筑物的入口處以及人行道小于3m時(shí),應(yīng)采取局部加大深埋、包絕緣物、敷設(shè)瀝清層，以及做均壓帶等措施。3內(nèi)部防雷措施內(nèi)部防雷包括防雷電感應(yīng)、防反擊以及防雷電波侵入內(nèi)部。防雷裝置包括等電位、屏蔽、接地、合理布線以及加裝避雷器等措施。3.1等電位聯(lián)接等電位是用連接導(dǎo)線或過(guò)電壓保護(hù)器將處在需要防雷空間內(nèi)的防雷裝置、建筑物的金屬構(gòu)架、金屬裝置、外來(lái)的導(dǎo)體物、電氣和電訊裝置等連接起來(lái)。為保證建筑物內(nèi)部不產(chǎn)生反擊和危險(xiǎn)的接觸電壓、跨步電壓,應(yīng)當(dāng)使建筑物地面、墻板和金屬管、線路等都處于同一電位,為此鋼筋混凝土建筑物應(yīng)在各層的適當(dāng)位置預(yù)埋與房屋結(jié)構(gòu)內(nèi)防雷導(dǎo)體相連的等電位連接板,以便與接地主干線相連。由于電力、電信線路不能直接接到地線上,電涌保護(hù)器(SPD)實(shí)現(xiàn)了電氣設(shè)備、電子設(shè)備的等電位聯(lián)結(jié)。

建筑物等電位聯(lián)結(jié)干線應(yīng)從與接地裝置有不少于兩處直線連接的接地干線或總等電位箱引出,等電位聯(lián)結(jié)干線或局部等電位箱間的連接線形成環(huán)形網(wǎng)絡(luò),環(huán)形網(wǎng)絡(luò)應(yīng)就近與等電位聯(lián)結(jié)干線或局部等電位箱連接,支線間不應(yīng)串聯(lián)連接?？偟入娢宦?lián)結(jié)一般設(shè)在地下室或靠近地平面處,將進(jìn)出建筑物的金屬管道、建筑物鋼筋接地網(wǎng)、所有強(qiáng)弱電電源線、信號(hào)線的接地線進(jìn)行聯(lián)結(jié)。

高層建筑物內(nèi)各種金屬導(dǎo)體和管道如金屬門(mén)窗、設(shè)備的金屬外殼等作等電位連接;電源線、信號(hào)線通過(guò)電涌保護(hù)器實(shí)現(xiàn)等電位連接;建筑物各處的均壓環(huán)、起到一定電磁屏蔽作用的鋼筋網(wǎng)、各處的電氣以及防雷等電位連接導(dǎo)體形成總等電位連接,最后與聯(lián)合接地系統(tǒng)相連,形成一個(gè)理想的“法拉第籠”。3.2合理的屏蔽屏蔽的目的主要是對(duì)微電子設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，確保房間內(nèi)的設(shè)備處于無(wú)干擾的環(huán)境中。電氣線路的主干線要布置在高層建筑物的中心位置，因?yàn)槠淅纂姰a(chǎn)生的電磁場(chǎng)強(qiáng)度是最弱的，可以有效的減小干擾的范圍。電氣線路在布線時(shí)最好采用金屬管布線，不僅可以防止雷電的反擊能力，而且對(duì)各種電磁脈沖也有較好的屏蔽能力。提高屏蔽的有效性需要采用多種手段，例如在房間加裝屏蔽網(wǎng)、處理好微電子設(shè)備的電源線和信號(hào)線的接口等.3.3選擇可靠的電涌保護(hù)器（SPD）

由于電力、電信線路不能直接接到地線上，電涌保護(hù)器很好的實(shí)現(xiàn)了電氣設(shè)備的等電位連接。依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》宜在建筑物以下位置設(shè)計(jì)安裝電涌保護(hù)器：總電源進(jìn)線處、由建筑物外面引進(jìn)來(lái)的、寬帶、有線電視配線設(shè)備處、緊固在高層建筑物外面上的用電設(shè)備，例如節(jié)日時(shí)閃爍的彩燈、航空障礙燈、用電的廣告燈牌等對(duì)應(yīng)的室內(nèi)配電箱處，以及計(jì)算機(jī)機(jī)房、保安監(jiān)控中心、消防控制中心等弱電系統(tǒng)的配電箱內(nèi)。4個(gè)人觀點(diǎn)隨著人類的發(fā)展與進(jìn)步,人們已步人數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化時(shí)代,在講求建筑物的實(shí)用性、藝術(shù)性之外,人們也更看重生活和工作空間的功能性與服務(wù)性。因此,信息網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算機(jī)控制的微電子技術(shù)設(shè)備必然進(jìn)人智能建筑,為人們做好各種服務(wù)。任何建筑的安全始終是第一的。近幾年來(lái),高層建筑內(nèi)的微電子技術(shù)設(shè)備及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱電子系統(tǒng))遭雷擊,毀壞建筑物和設(shè)備、造成火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生。因此,智能建筑防雷保護(hù)與優(yōu)化已迫在眉睫。所以現(xiàn)在，在對(duì)高層建筑防雷接地保護(hù)時(shí)，也要考慮高層智能建筑的防雷接地保護(hù)，升級(jí)高層建筑防雷接地系統(tǒng)。4.1普通建筑物防雷接地的缺點(diǎn):普通建筑物的防雷的主要目的是為了防護(hù)建筑物及建筑物內(nèi)部的人、畜、物免受雷擊。為此運(yùn)用避雷針、避雷帶、引下線、接地極引雷人地,只解決了普通建筑物的防雷問(wèn)題。因此,對(duì)智能建筑的防雷保護(hù)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)考慮不足和有缺陷。它的缺陷主要有以下幾個(gè)方面:(1)防雷技術(shù)設(shè)計(jì)及選材差,就普通建筑物的防雷而言,早期的防雷技術(shù)是引進(jìn)前蘇聯(lián)的技術(shù),采用拋物線或折線計(jì)算法來(lái)計(jì)算反擊電壓和安全距離,防雷效果較差。(2)傳統(tǒng)避雷器應(yīng)用的缺點(diǎn)：①間隙避雷器的缺點(diǎn):對(duì)雷擊信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)約數(shù)百納秒至微秒;一旦擊穿必須借助外電路使之?dāng)嗔?，重?fù)使用的特性變異很大。②氧化鋅壓敏電阻避雷器的缺點(diǎn):結(jié)電容大,不宜用于高頻電路;標(biāo)稱通流量作用下的殘壓較高,約等于1mV是壓敏電壓的3-4倍半導(dǎo)體。③避雷器的缺點(diǎn):通流量太小,不宜用作電源避雷器。(3)防雷電路設(shè)計(jì)上的缺陷:主要有接地電阻大或前級(jí)避雷器損壞易遭雷擊;多級(jí)關(guān)聯(lián)避雷器響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)很難防護(hù)。4.2什么是智能化建筑防雷接地保護(hù)

智能建筑是指通過(guò)將建筑物的結(jié)構(gòu)、設(shè)備、服務(wù)和管理根據(jù)用戶的需求進(jìn)行最優(yōu)化組合,從而為用戶提供一個(gè)高效、舒適、便利的人性化建筑環(huán)境。它的產(chǎn)生和發(fā)展,離不開(kāi)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、智能卡技術(shù)、可視化技術(shù)、無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信技術(shù)等高科技技術(shù)的迅猛發(fā)展,離不開(kāi)大量的計(jì)算機(jī)和微電子設(shè)備。而這些設(shè)備功率小、工作電壓低、絕緣程度不高,過(guò)電壓承受能力差,抗干擾、抗電涌的能力弱,極易遭受雷電干擾,從而破壞整個(gè)智能系統(tǒng),造成極大損失。因此,科學(xué)合理地進(jìn)行智能建筑防雷保護(hù)設(shè)計(jì),顯得非常必要。智能建筑的防雷總體設(shè)計(jì)是指：針對(duì)智能建筑內(nèi)的電子系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì),現(xiàn)代新的防雷思維觀,就是綜合治理、整體防御、多重保護(hù)、層層設(shè)防。它主要包括以下幾個(gè)方面：（1）現(xiàn)代優(yōu)化避雷針：這就是在分析了傳統(tǒng)避雷針某些局限性之后,采取一些改進(jìn)措施,即氣隙放電、阻抗限流等,也就是展寬雷電波形、降低雷電波頭幅度,把大部分雷電能量消耗在優(yōu)化避雷針體上。有效地抑制和削弱了地電位和二次雷擊效應(yīng),克服了傳統(tǒng)避雷針的弊病。（2）優(yōu)化設(shè)備屏蔽避免電位差：①設(shè)備與設(shè)備之間做好屏蔽，由于設(shè)備的性質(zhì)不同,因此,有的要求僅對(duì)設(shè)備本身做屏蔽,有的要求在設(shè)備與設(shè)備之間做屏蔽,還有的要求在機(jī)房做屏蔽。②樓頂設(shè)計(jì)接閃裝置：“法拉第籠”的制作即在樓頂設(shè)計(jì)接閃器，避免接地線之間存在電位差等。（3）接地系統(tǒng)的要求與優(yōu)化:智能大廈一般均為一類建筑,應(yīng)建立綜合接地系統(tǒng),接地電阻不大于1歐姆。針對(duì)智能建筑較為適用的綜合接地系統(tǒng)應(yīng)采用“法拉第籠”方式,實(shí)踐證明接地效果極佳,但在接地體材質(zhì)選擇上,要根據(jù)地質(zhì)條件靈活掌握。5總結(jié)

高層建筑作為雷電風(fēng)險(xiǎn)的高發(fā)區(qū)域，一旦遭受雷擊，后果將不堪設(shè)想，我們必須高度重視其防雷設(shè)計(jì)。從外部、內(nèi)部防雷等多個(gè)方面進(jìn)行考慮，注重等電位連接、接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝可靠的電涌保護(hù)器等。根據(jù)建筑的實(shí)際情況及需要防護(hù)的對(duì)象來(lái)靈活應(yīng)用多種措施，綜合考慮防雷設(shè)施中的接地體、引下線、避雷網(wǎng)格、避雷帶、避雷針、均壓環(huán)、等電位、避雷器等主要的技術(shù)環(huán)節(jié)。此外還應(yīng)積極采用可靠的新技術(shù)來(lái)消除雷擊的危害.由于現(xiàn)代高科技的迅猛發(fā)展，高層智能建筑也