高层建筑防雷接地系统

高层建筑的综合防雷规范摘要：针对高层建筑物的特点、安全性要求及极易受雷击的危害方式，考虑如何从直击雷、侧击雷、感应雷、雷电波侵入方面来满足防雷技术要求，探讨高层建筑物防雷工程设计中应采取的各种防护措施，必须进行多层防护与多类防护措施相结合的综合防护方法，以达到高层建筑物综合防雷目的。关键词：高层建筑综合防雷等电位连接近年来，高层建筑物大量拔地而起，高层建筑物受雷电的危害较大，比一般建筑物遭雷击的概率要大得多，高层建筑物一旦遭受雷灾，损失往往非常严重，建筑物遭破坏、设备损坏、人员伤亡等大几率存在，因此必须增强防雷意识，加强防雷设计，科学防御，确保建筑物、设备和生命财产的安全。只有通过对其进行综合防雷设计，才可能将雷电灾害降低到最低程度。一般10层以上的居住建筑物和高度超过24m的其他用途建筑物均为高层建筑；无论是住宅或公共建筑，其总高度大于100m者，均为超高层建筑。高层建筑物结构类型主要包括砖石结构、钢筋混凝土结构、剪力墙结构、筒体结构等。高层建筑物的内部设施包括高层建筑物中给排水设备、电力、弱电线路、电子信息设备以及垂直交通（如电梯）等。1高层建筑物防雷设计体系现代建筑物防雷是一个综合性的系统工程，雷电对建筑物的破坏形式有直击雷、感应雷，雷电波侵入等。综合防雷主要由直击雷防护、侧击雷防护、等电位连接、屏蔽、综合布线、浪涌保护、有效接地等防护措施组成，高层建筑物防雷设计须在安全可靠、技术先进、经济合理的前提下，做到高效防护、层层防护，有效降低建筑物及电气设备遭受雷击的破坏。2直击雷防护2.1接闪器接闪器有避雷针、避雷带（网）、避雷线等几种，采用何种方式应根据建筑物的造型及避雷效果而定。目前一般高层建筑较多采用避雷针、明装避雷带和暗装避雷网相结合的方式。大多数情况下，外部防雷装置附着于被保护建筑物上，其布置取决于被保护建筑物的形状、所需的保护要求及所采用的几何设计方法，在设计时，应根据被保护对象的用途、高度、长宽比进行选择。接闪器的布置应符合下面要求。防雷装置的设计通常采用滚球法（适合于形状复杂的建筑群）和网格法（适用于平面的保护）。采用避雷带时，屋面上所有金属构件，如金属旗杆、广告牌、钢爬梯、风冒、透气管、灯具金属外壳、金属护栏、水管、设备等必须与就近的避雷带、避雷网焊接；装在建筑屋顶上的服务型设备，如通风机、电梯机房、擦窗机导轨、天线杆或飞机警告灯，通常为它们装置单独的接闪器，并把这些接闪装置连接到柱子或墙壁的钢筋上去；屋面所有现浇板内的纵横钢筋也应相互连接，以形成屋顶屏蔽层，作为后备接闪器，防止有比所规定的雷电流小的电流穿越接闪器而绕击至屋顶；不在保护范围内的金属物应与建筑物屋面的接闪器作电气连接。2.2引下线利用结构柱内对角钢筋作为引下线，每根柱子的纵向主筋自下而上焊接，每层又与梁板钢筋焊接，向上伸出与避雷带焊接，向下与接地体（基础、承台及桩基）钢筋焊接。引下线的设计要注意引下线尽可能短，并尽可能地利用建筑物内四个角的主筋作为引下线和垂直接地体相连。2.3接地装置高层建筑的防雷接地装置的接地体，一般利用高层建筑的钢筋混凝土基础作接地体，同时把建筑物内的工作接地、保护接地、防雷接地与基础钢筋连接在一起，形成共用接地体。考虑到大部分高层建筑的基础均做了防水处理，致使接地电阻增大，应尽量在建筑物周边做圈式接地。周圈式接地可避开防水处理层，同时由于接地体埋在基础的外边，也具有均衡电位的效果，提高了安全性。在大地土壤电阻率高的地区,当一般做法的联合接地体的接地电阻值难以满足要求时,可以采用向外延伸接地体、改良土壤（换土、采用降阻剂）、深埋电极以及外引等方式。接地线一般安装在易于检查的地方，有防止机械损伤及防止化学腐蚀的保护措施，从接地干线敷设到用电设备的接地支线的距离要越短越好，接地线与电缆或其它电线交叉时接地线在加保护钢管；在穿过建筑伸缩缝时,接地线要略加弯曲，有一定的伸缩余地，避免断裂。3侧击雷防护高层建筑由于高度高，一定要注意防备雷电侧击的危害，应从以下方面设计考虑：在30m以上部位，每隔2层（或1层），沿建筑物四周敷设一道避雷带与各根引下线相焊接。避雷带可安装在外墙抹灰层内，或者直接利用结构钢筋时每隔适当的距离（不大于6米）与楼板钢筋焊接，这个避雷带实际上是均压环。30m起的外墙上的金属栏杆、铝合金门窗等设置接地预埋铁，并将均压环处的上下两层铝合金门窗、金属栏杆的接地预埋铁的引出端与均压环通过扁钢或圆钢焊接连通。扁钢间的搭接长度为宽度的2倍，扁钢与圆钢搭接长度为圆钢直径的6倍，三面施焊。高层建筑柱主筋和梁板钢筋可直接利用作为引下线和均压环，但应注意引下线、接地装置、均压环和接闪器间必须牢固可靠地连接；建筑物外墙上的金属支撑件、金属装饰构件等较大金属物通过预埋件与均压环或引下线相连；建筑物内的各种竖向金属管道每三层要与均压环连接一次，底端和顶端与防雷装置相连，平行或交叉的管道间也应跨接。高层建筑幕墙的金属立柱、金属横梁、铝合金门窗框应按规范要求与建筑物的防雷装置和均压环接通连成一个防雷整体，使遭受的巨大雷电能量，通过建筑物接地系统迅速传送到地下，保护它们和建筑物免遭雷电破坏。对于高层建筑外墙的空调防雷，空调主机及其支架，应在窗洞口下方30cm--50cm处予先埋设IP等级较大、密封性能良好的金属分线盒，盒内敷设已作防腐处理的镀锌扁铁。扁铁的一端与主体内均压环或钢筋引下线焊连，一端与带铜接线端子的多股导线相连接(导线最好选用BV-10mm²以上的PE线)，该导线的另一端用螺栓来连接空调室外机及其支架。图1建筑物综合防雷示意图4等电位连接和综合布线高层建筑内有信息系统，此时在那些要求雷击电磁脉冲影响最小之处，等电位连接带宜采用金属板，并与钢筋或其他屏蔽构件作多点连接。高层建筑大多为民用住房，信息系统结构简单，常选取S型（星形）结构。建筑物内自顶至底垂直敷设的金属管道、楼梯扶手等金属物体应在底部与防雷装置就近进行等电位连接，如敷设到屋面，还应在屋面与避雷带进行等电位连接；将建筑物进线配电箱的PE排、公用设施金属管道（给排水管道、电缆金属护套、金属保护导管等）、建筑的金属结构以及防雷装置等汇接到进线配电箱旁的总接地端子板上，并互相间连接，实现总等电位连接；在后续的雷电防护区交界处按总等电位连接的方法进行局部等电位连接，卫生间及金属门、窗或玻璃幕墙等应设置局部等电位接地端子板，接地端子板从各层作为防雷装置的建筑物钢筋体焊接引出，浴室内的太阳能热水器等设施管道及PE线必须做局部等电位连接。机房门窗、设备外壳、等电位连接端子盒以及所有穿越防雷区界面的金属物和系统均应就近与等电位连接带（网）相连，确保机房内各接地线间的电位均衡。电气竖井内的接地干线为预留楼层等电位连接端子和强弱电接线箱预留接地提供接地母线。电气电子系统线缆主干线的金属线槽一般敷设在电气竖井内，在布置电气电子系统信号线缆的路径走向时，应尽量减小由线缆自身形成的感应回路面积；垂直敷设的金属管线和金属槽敷线的干线集中于建筑物的中心部位，如电梯井的侧旁等部位。穿线管和线槽都应与各楼层的等电位连接板和接地母线相连接，以达到良好的屏蔽效果；电梯轨道首尾端与防雷接地连接且每间隔20m等电位连接一次,设计时应预留。图2总等电位连接示意图5屏蔽屏蔽包括线缆屏蔽和设备屏蔽，应从以下方面进行考虑。结构中所有垂直钢筋均采用焊接，垂直钢筋与各层水平钢筋采用多点焊接或绑扎，将主体中的柱子、梁、剪力墙、楼板、基础内的钢筋连成电气通路，形成很多小笼子组合而成大笼子，这样封闭的金属笼，构成了具有极小接地电阻、极小引下线阻抗、均压等电位的法拉第笼。它具有良好的均压和引流作用，既能防直击雷、侧击雷，又能减少雷电感应效应。进入建筑物的各种线路及金属管道应全线埋地引入，在入户端将电缆的金属外皮、金属铠装层及金属管道与接地装置连接；进出建筑物的各种金属管道及电气设备的接地装置，应在进出处与防雷接地装置连接。为了阻挡、衰减雷击感应产生的电磁辐射干扰对弱电设备、元器件及线路造成的信号偏移、误动作、采样错误、设备损坏等影响，对弱电设备和线路必须采取屏蔽措施进行保护。弱电系统屏蔽保护配线采用屏蔽线缆或穿金属管保护，设备或机柜进行屏蔽接地；屏蔽线缆应对屏蔽层两端进行接地，穿金属管保护的线缆金属管必须接地可靠；机柜、设备的屏蔽接地应按一点接地方式进行可靠接地，对特别重要的机房应按照屏蔽机房要求进行设计与施工，使弱电设备免受辐射干扰。6电涌保护为防止高层建筑各信息系统设备免遭雷电波的侵害，在低压配电系统与通信、信号网络的线路端应安装电涌保护器。SPD按用途可分为低压配电系统SPD和通信、信号网络SPD两大类。6.1电源系统浪涌保护低压配电系统的电涌保护采用分级保护的原则，在建筑物电源系统的总配电处安装通流量大的电源电涌保护器，作为电源系统的一级保护，在设备集中的楼层分电源处或房间的进户用电处安装用户分电源电涌保护器，作为第二级保护，在各个设备的电源处安装串联式的电源电涌保护器，作为电源系统的第三级保护。一般情况下，如在电源进线端安装一级SPD，就满足被保护设备过电压保护水平要求，就不需安装第二级，只有当在电源进线端安装的SPD与被保护设备之间距离较远（30m）或被保护设备较敏感时，则应在被保护设备处装设第二级SPD。SPD可按下列几个步骤选择：（1）根据建筑物防雷类别、当地年平均雷暴日、防雷保护区（LPZ）的划分、电源的进线方式和系统重要性的高低确定电涌保护器的最大放电电流Imax。（2）根据被保护设备的耐冲击电压值Uw确定SPD的电压保护水平Up。一般电压保护水平Up应比设备的耐冲击电压值Uw小20%左右。（3）根据被保护回路类型（1P、1P+N3P、3P+N）及其接地系统类型（TT、TN-S、TN-C、IT）确定配电网络的最高运行电压Um和SPD的最大持续运行电压Uc。（4）根据式Um≤Up≤0.8Uw，对照SPD的参数选定SPD。6.2通信和信号网络的电涌保护由于通信和信号网络线路中传送的信号有不同的种类，信号的不同，信号传输的介质和接口也不相同，因此SPD按照传输介质不同可分为：电话线SPD、同轴线SPD、双绞线SPD和有线电视线SPD等种类。通信和信号网络SPD除了具有电涌保护性能的一般参数以外，还包括插入损耗Ae、数据传输速率Vs等特定的参数。电信和信号网络SPD的选择，应根据系统过电压/过电流威胁水平和SPD的特性来进行，考虑信号SPD的插入损耗量（dB），信号系统通常最多做两级防雷保护即可，对于一个网络系统，一般情况下安装一级SPD就满足要求了，即便需要对多个防雷区进行保护，也可以通过在单个SPD中组合防护电路来实现。如果系统传输线路较长，需要安装第二级时应考虑各种因素的影响及两级SPD的配合。7结语高层建筑防雷设计是一项系统工程，必须综合考虑，将外部防雷措施和内部防雷措施（接闪功能、分流影响、等电位、屏蔽作用、合理布线加装过电压保护器等多项重要因素）作为整体来统一考虑防护措施，使建筑物从直击雷、雷电感应、雷击电磁脉冲方面得到综合保护。从而有效保护人员、建筑物、内部设备遭受雷击伤害与破坏。针对高层建筑物的综合防雷，要不断提高雷电领域的科技创新能力和业务技术开发、服务能力，积极采用可靠的新技术以更有效地消除雷害，促进气象综合防灾减灾事业持续、健康发展。