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摘要: 本文针对高层建筑防雷接地工作进行探讨, 主要阐述防雷基本原则、原理结合实际工程案例对高层建筑防雷接地及相应的解决措施做了一些分析，消除雷电波对建筑物及设备的危害。
关键词：高超建筑；防雷；接地设计
1 引言
雷电是一种宏伟的自然现象。雷电活动的强弱通常是由平均雷暴日来表示，它的活动强度是因地区而异的。我国年平均雷暴日大致可分为四个区域：西部地区年平均雷暴日一般在15 天以下；长江以北地区年平均雷暴日一般在15～40 天之间；长江以南地区年平均雷暴日可超过80 天；海南省时我国雷电活动最强烈的地区，年平均雷暴日高达120～130天。所谓雷暴，定义为积雨云、云中、云间或云地之间产生的放电现象，表现为闪电兼有雷电，有时亦可只闻雷声而不见闪电。就地区活动规律来看，雷电活动是自北向南逐渐加强的。随着人们生活水平的提高, 住宅内智能化程度也逐步提高, 进入住宅的线缆及各种电子设备也增多。这些线缆、电子设备给人们带来方便的同时也带来了隐患, 因为雷电是一种难以控制的自然现象,它能够通过线缆进入建筑物, 对建筑物和建筑物内的设施构成严重危害, 甚至危及人们的生命。高层住宅防雷接地设计的好与坏直接影响着人们的生活质量。
2 防雷设计基本原则
1)建筑物均应按GB5007-94( 2000版)“建筑物防雷设计规范”的规定, 安装外部防雷装置。
2)建筑物的防雷宜考虑环境、地域因素、雷电活动规律、建筑物内设备的重要性, 发生雷灾后果的严重程度, 确定防雷分类, 采用相应的防护措施。
3)建筑物的防雷应坚持全面规划、综合治理、优化设计、技术先进、经济合理、进行综合设计。
4)建筑物的防雷必须按综合防雷系统的要求进行设计, 坚持“预防为主, 安全第一”的指导方针, 为确保防雷设计的科学性, 在设计前应对现场雷电环境进行评估。
5)建筑物内的微电子设备的防雷应采用直击雷防护、等电位连接、屏蔽、合理布线、共用接地系统和安装电涌保护装置等措施进行综合防护。
6)建筑物内的微电子设备应根据所在地区雷暴等级, 设备放置在不同的雷电防护区, 以及系统对雷电电磁脉冲的抗扰度, 采用不同的防护措施。
3 雷电防护基本原理
雷电及其它强干扰对通信系统的致损及由此引起的后果是严重的, 雷电防护将成为必需。雷电由高能的低频成份与极具渗透性的高频成份组成。其主要通过两种形式, 一种是通过金属管线或地线直接传导雷电致损设备;一种是闪电通道及泄流通道的雷电电磁脉冲以各种耦合方式感应到金属管线或地线产生浪涌致损设备。绝大部分雷损由这种感应而引起。对于电子信息设备而言, 危害主要来自于由雷电引起的雷电电磁脉冲的耦合能量, 通过以下三个通道所产生的瞬态浪涌。金属管线通道, 如自来水管、电源线、天馈线、信号线、航空障碍灯引线等产生的浪涌; 地线通道, 地电们反击; 空间通道, 电磁小组的辐射能量。其中金属管线通道的浪涌和地线通道的地电位反击是电子信息系统致损的主要原因, 它的最见的致损形式是在电力线上引起的雷损, 所以需作为防扩的重点。由于雷电无孔不入地侵袭电子信息系统, 雷电防护将是个系统工程。雷电防护的中心内容是泄放和均衡。
4 某住宅小区防雷接地工程
本工程为某住宅小区1 号高层住宅楼, 总层数为27层。地上部分: 1 层~ 27层均为二厅一卫独立式住宅, 层高3. 2 m, 每单元四户, 三单元共有住宅336 套。地下部分: 1 层为设备用房及停车库通往住宅的出入口通道, 层高5. 80 m。本工程总建筑面积:37 332. 57 m2 , 建筑总高度: 84. 70 m。
4.1建筑物防雷设计
4.1.1防雷等级划分
根据建筑物防雷设计规范 建筑物年预计雷击次数计算方法如下:
计算建筑物等效面积Ae。
本工程建筑高度H = 84. 70 m< 100 m, 其等效面积应按下列公式计算确定:
（1）
其中, L , W , H 分别为建筑物的长、宽、高, m。本工程建筑物长、宽、高分别为:
L = 79. 00 m, W= 19. 20 m, H = 84. 70 m。带入式( 1) 计算得建筑物等效面积:
2) 计算雷击大地的年平均密度。
（2）
其中, Td 为年平均雷暴日, d/ 年。
某市年平均雷暴日Td= 34. 5 d/ 年, 代入式( 2) 计算得:
3) 计算建筑物年预计雷击次数。建筑物年预计雷击次数计算公式:
（3）
其中, N 为建筑物预计雷击次数, 次/ 年; k为校正系数, 在一般情况下取1, 在下列情况下取相应数值: 位于旷野孤立的建筑物取2, 金属屋面的砖木结构建筑物取1. 7, 位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物, 以及特别潮湿的建筑物取1. 5; Ng 为建筑物所处地区雷击大地的年平均密度, 次/ ( km2.年) ; A e 为与建筑物截收相同雷击次数的等效面积, km2。
本工程中取k= 1, Ng= 2. 395 次/ ( km2.年) 。
代入式( 3) 计算得本建筑物年预计雷击次数:
根据建筑物防雷设计规范 第二章第2. 0. 4 条( 三) 内容:
本工程建筑物应划为第三类防雷建筑物。
4.1.2防雷设计
为使建筑物及其内部设施免受雷电的直接、间接危害, 就需要采用防雷设备和防雷措施。常用的防直击雷的设备有避雷针、避雷线、避雷带和避雷网等, 防雷电侵入波的设备主要有避雷器。信息系统中防雷电暂态冲击的器件主要有压敏电阻、气体放电管和雪崩二极管等。对于建筑物而言, 要想很好地保护建筑物的内部和外部, 就要合理地组合、设置防雷设备与器件, 构成建筑物内、外部的雷电防护系统。本工程建筑物按第三类防雷建筑物设防。屋顶挑沿上设Φ10镀锌圆钢避雷网, 网高100 mm, 网支承点间距1 m, 避雷带纵横连接, 形成不大于20 m*20 m 的网格。利用构造柱中外侧两根Φ16主筋上下焊接连通做避雷引下线, 利用基础地梁下侧两根主筋焊接连通为闭合导电通路做接地极, 要求接地电阻R < 1Ω。当实测电阻大于1Ω时, 应补打接地极。
所有外墙引下线在室外地面下1 m 处引出1 根40 mm *4mm 热镀锌扁钢, 扁钢伸出散水外0. 3 m。凡凸出屋面的所有金属构件, 如: 金属通风管、屋顶风机、金属屋面、金属屋架等均应与避雷带可靠焊接。由±0. 00 起, 每三层做均压环, 均压环均与该层外墙上的所有金属窗、构件、引下线连接。玻璃幕墙或外挂石材的预埋件及龙骨的上下端均应与防雷引下线焊接。均压环利用圈梁内两根Φ16 以上主筋通长焊接、绑扎形成。由60 m 起, 每层做防侧击雷避雷带。防侧击雷避雷带均与该层外墙上的所有金属窗、构件、引下线连接。垂直敷设的金属管道及金属物的底端及顶端应与防雷装置连接。
4.1.3 建筑物的系统接地保护
建筑物的接地按作用可分为功能性接地和保护性接地两大类。功能性接地包括系统接地、工作接地、逻辑接地、屏蔽接地。保护性接地包括保护接地、防雷接地、静电接地、重复接地等。建筑物的接地按连接方式又可分为独立接地和联合接地。根据规范、本工程特点及甲方要求本工程系统接地保护设计本工程防雷接地、变压器中性点接地、电气设备的保护接地、电梯机房、消防控制室、通信机房、计算机房等的接地共用统一接地极, 要求接地电阻不大于1Ω, 实测不满足要求时, 增设人工接地极。从变配电室至强电竖井内的桥架上敷设1 条40 mm*4mm 热镀锌扁钢, 将变配电室接地与强电竖井内接地相连。电缆桥架及其支架全长应不少于两处与接地干线连接。强电竖井内垂直敷设1 条40 mm *4 mm 热镀锌扁钢, 其下端应与接地网可靠连接。不间断电源输出端的中性线必须与由接地装置直接引来的接地干线相连接, 做重复接地。凡正常不带电, 而当绝缘破坏有可能呈现电压的一切电气设备金属外壳均应可靠接地。
本工程做等电位联结。将40 mm *4 mm 镀锌扁钢沿外墙内侧暗敷成环形作为接地母干线, 接地母干线与柱子钢筋和基础接地极每隔5 连接一次。将建筑物内保护干线、设备进线总管、建筑物金属构件进行连接。卫生间、淋浴间采用局部等电位联结,从适当的地方引出两根大于Φ16 结构钢筋至局部等电位箱( LEB) , 局部等电位箱暗装, 箱底距地0. 3 m, 将卫生间内所有金属管道、构件与LEB 连接。具体做法参考国家建筑标准设计02D501-2《等電位联结安装》。
低压配电系统保护采用TN-GS 制式。具体做法如下: 低压配电室中性线做重复接地保护, 要求接地电阻R < 1Ω。楼内所有穿线钢管、配电柜、配电箱、电缆桥架、金属用电设备外壳及吊顶轻钢龙骨等各种金属管道均应跨焊为一体, 并通过PE 线连接为良好导电通路, 单相三极插座接地极与PE 线可靠连接。照明支路采用自动空气开关保护, 插座支路采用漏电断路器保护, 其漏电脱扣电流整定值I n≤30 mA, 其动作时间tn ≤ 0. 1 s。过电压保护: 在变配电室低压母线上装一级电涌保护器( SPD) ; 二级配电箱内装二级电涌保护器; 末端配电箱及弱电机房配电箱内装三级电涌保护器; 屋顶室外风机, 室外照明配电箱内装二级电涌保护器。
5 结束语
目前防雷基础理论和应用理论的研究工作刚刚起步，不能很好的遏制雷电灾害的发生。雷电的出现是人类目前为止不可控制的, 雷击所产生的危害是严重的, 只有借助科学技术, 合理地使用防雷设备, 采用科学的防雷措施, 并结合接地技术, 把雷击产生的危害降到最低程度,。建立一支训练有素、业务精通的高素质的防雷减灾队伍以保证防雷减灾工作的质量、成效，是一件刻不容缓的事情。
关键词：高超建筑；防雷；接地设计
1 引言
雷电是一种宏伟的自然现象。雷电活动的强弱通常是由平均雷暴日来表示，它的活动强度是因地区而异的。我国年平均雷暴日大致可分为四个区域：西部地区年平均雷暴日一般在15 天以下；长江以北地区年平均雷暴日一般在15～40 天之间；长江以南地区年平均雷暴日可超过80 天；海南省时我国雷电活动最强烈的地区，年平均雷暴日高达120～130天。所谓雷暴，定义为积雨云、云中、云间或云地之间产生的放电现象，表现为闪电兼有雷电，有时亦可只闻雷声而不见闪电。就地区活动规律来看，雷电活动是自北向南逐渐加强的。随着人们生活水平的提高, 住宅内智能化程度也逐步提高, 进入住宅的线缆及各种电子设备也增多。这些线缆、电子设备给人们带来方便的同时也带来了隐患, 因为雷电是一种难以控制的自然现象,它能够通过线缆进入建筑物, 对建筑物和建筑物内的设施构成严重危害, 甚至危及人们的生命。高层住宅防雷接地设计的好与坏直接影响着人们的生活质量。
2 防雷设计基本原则
1)建筑物均应按GB5007-94( 2000版)“建筑物防雷设计规范”的规定, 安装外部防雷装置。
2)建筑物的防雷宜考虑环境、地域因素、雷电活动规律、建筑物内设备的重要性, 发生雷灾后果的严重程度, 确定防雷分类, 采用相应的防护措施。
3)建筑物的防雷应坚持全面规划、综合治理、优化设计、技术先进、经济合理、进行综合设计。
4)建筑物的防雷必须按综合防雷系统的要求进行设计, 坚持“预防为主, 安全第一”的指导方针, 为确保防雷设计的科学性, 在设计前应对现场雷电环境进行评估。
5)建筑物内的微电子设备的防雷应采用直击雷防护、等电位连接、屏蔽、合理布线、共用接地系统和安装电涌保护装置等措施进行综合防护。
6)建筑物内的微电子设备应根据所在地区雷暴等级, 设备放置在不同的雷电防护区, 以及系统对雷电电磁脉冲的抗扰度, 采用不同的防护措施。
3 雷电防护基本原理
雷电及其它强干扰对通信系统的致损及由此引起的后果是严重的, 雷电防护将成为必需。雷电由高能的低频成份与极具渗透性的高频成份组成。其主要通过两种形式, 一种是通过金属管线或地线直接传导雷电致损设备;一种是闪电通道及泄流通道的雷电电磁脉冲以各种耦合方式感应到金属管线或地线产生浪涌致损设备。绝大部分雷损由这种感应而引起。对于电子信息设备而言, 危害主要来自于由雷电引起的雷电电磁脉冲的耦合能量, 通过以下三个通道所产生的瞬态浪涌。金属管线通道, 如自来水管、电源线、天馈线、信号线、航空障碍灯引线等产生的浪涌; 地线通道, 地电们反击; 空间通道, 电磁小组的辐射能量。其中金属管线通道的浪涌和地线通道的地电位反击是电子信息系统致损的主要原因, 它的最见的致损形式是在电力线上引起的雷损, 所以需作为防扩的重点。由于雷电无孔不入地侵袭电子信息系统, 雷电防护将是个系统工程。雷电防护的中心内容是泄放和均衡。
4 某住宅小区防雷接地工程
本工程为某住宅小区1 号高层住宅楼, 总层数为27层。地上部分: 1 层~ 27层均为二厅一卫独立式住宅, 层高3. 2 m, 每单元四户, 三单元共有住宅336 套。地下部分: 1 层为设备用房及停车库通往住宅的出入口通道, 层高5. 80 m。本工程总建筑面积:37 332. 57 m2 , 建筑总高度: 84. 70 m。
4.1建筑物防雷设计
4.1.1防雷等级划分
根据建筑物防雷设计规范 建筑物年预计雷击次数计算方法如下:
计算建筑物等效面积Ae。
本工程建筑高度H = 84. 70 m< 100 m, 其等效面积应按下列公式计算确定:
（1）
其中, L , W , H 分别为建筑物的长、宽、高, m。本工程建筑物长、宽、高分别为:
L = 79. 00 m, W= 19. 20 m, H = 84. 70 m。带入式( 1) 计算得建筑物等效面积:
2) 计算雷击大地的年平均密度。
（2）
其中, Td 为年平均雷暴日, d/ 年。
某市年平均雷暴日Td= 34. 5 d/ 年, 代入式( 2) 计算得:
3) 计算建筑物年预计雷击次数。建筑物年预计雷击次数计算公式:
（3）
其中, N 为建筑物预计雷击次数, 次/ 年; k为校正系数, 在一般情况下取1, 在下列情况下取相应数值: 位于旷野孤立的建筑物取2, 金属屋面的砖木结构建筑物取1. 7, 位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物, 以及特别潮湿的建筑物取1. 5; Ng 为建筑物所处地区雷击大地的年平均密度, 次/ ( km2.年) ; A e 为与建筑物截收相同雷击次数的等效面积, km2。
本工程中取k= 1, Ng= 2. 395 次/ ( km2.年) 。
代入式( 3) 计算得本建筑物年预计雷击次数:
根据建筑物防雷设计规范 第二章第2. 0. 4 条( 三) 内容:
本工程建筑物应划为第三类防雷建筑物。
4.1.2防雷设计
为使建筑物及其内部设施免受雷电的直接、间接危害, 就需要采用防雷设备和防雷措施。常用的防直击雷的设备有避雷针、避雷线、避雷带和避雷网等, 防雷电侵入波的设备主要有避雷器。信息系统中防雷电暂态冲击的器件主要有压敏电阻、气体放电管和雪崩二极管等。对于建筑物而言, 要想很好地保护建筑物的内部和外部, 就要合理地组合、设置防雷设备与器件, 构成建筑物内、外部的雷电防护系统。本工程建筑物按第三类防雷建筑物设防。屋顶挑沿上设Φ10镀锌圆钢避雷网, 网高100 mm, 网支承点间距1 m, 避雷带纵横连接, 形成不大于20 m*20 m 的网格。利用构造柱中外侧两根Φ16主筋上下焊接连通做避雷引下线, 利用基础地梁下侧两根主筋焊接连通为闭合导电通路做接地极, 要求接地电阻R < 1Ω。当实测电阻大于1Ω时, 应补打接地极。
所有外墙引下线在室外地面下1 m 处引出1 根40 mm *4mm 热镀锌扁钢, 扁钢伸出散水外0. 3 m。凡凸出屋面的所有金属构件, 如: 金属通风管、屋顶风机、金属屋面、金属屋架等均应与避雷带可靠焊接。由±0. 00 起, 每三层做均压环, 均压环均与该层外墙上的所有金属窗、构件、引下线连接。玻璃幕墙或外挂石材的预埋件及龙骨的上下端均应与防雷引下线焊接。均压环利用圈梁内两根Φ16 以上主筋通长焊接、绑扎形成。由60 m 起, 每层做防侧击雷避雷带。防侧击雷避雷带均与该层外墙上的所有金属窗、构件、引下线连接。垂直敷设的金属管道及金属物的底端及顶端应与防雷装置连接。
4.1.3 建筑物的系统接地保护
建筑物的接地按作用可分为功能性接地和保护性接地两大类。功能性接地包括系统接地、工作接地、逻辑接地、屏蔽接地。保护性接地包括保护接地、防雷接地、静电接地、重复接地等。建筑物的接地按连接方式又可分为独立接地和联合接地。根据规范、本工程特点及甲方要求本工程系统接地保护设计本工程防雷接地、变压器中性点接地、电气设备的保护接地、电梯机房、消防控制室、通信机房、计算机房等的接地共用统一接地极, 要求接地电阻不大于1Ω, 实测不满足要求时, 增设人工接地极。从变配电室至强电竖井内的桥架上敷设1 条40 mm*4mm 热镀锌扁钢, 将变配电室接地与强电竖井内接地相连。电缆桥架及其支架全长应不少于两处与接地干线连接。强电竖井内垂直敷设1 条40 mm *4 mm 热镀锌扁钢, 其下端应与接地网可靠连接。不间断电源输出端的中性线必须与由接地装置直接引来的接地干线相连接, 做重复接地。凡正常不带电, 而当绝缘破坏有可能呈现电压的一切电气设备金属外壳均应可靠接地。
本工程做等电位联结。将40 mm *4 mm 镀锌扁钢沿外墙内侧暗敷成环形作为接地母干线, 接地母干线与柱子钢筋和基础接地极每隔5 连接一次。将建筑物内保护干线、设备进线总管、建筑物金属构件进行连接。卫生间、淋浴间采用局部等电位联结,从适当的地方引出两根大于Φ16 结构钢筋至局部等电位箱( LEB) , 局部等电位箱暗装, 箱底距地0. 3 m, 将卫生间内所有金属管道、构件与LEB 连接。具体做法参考国家建筑标准设计02D501-2《等電位联结安装》。
低压配电系统保护采用TN-GS 制式。具体做法如下: 低压配电室中性线做重复接地保护, 要求接地电阻R < 1Ω。楼内所有穿线钢管、配电柜、配电箱、电缆桥架、金属用电设备外壳及吊顶轻钢龙骨等各种金属管道均应跨焊为一体, 并通过PE 线连接为良好导电通路, 单相三极插座接地极与PE 线可靠连接。照明支路采用自动空气开关保护, 插座支路采用漏电断路器保护, 其漏电脱扣电流整定值I n≤30 mA, 其动作时间tn ≤ 0. 1 s。过电压保护: 在变配电室低压母线上装一级电涌保护器( SPD) ; 二级配电箱内装二级电涌保护器; 末端配电箱及弱电机房配电箱内装三级电涌保护器; 屋顶室外风机, 室外照明配电箱内装二级电涌保护器。
5 结束语
目前防雷基础理论和应用理论的研究工作刚刚起步，不能很好的遏制雷电灾害的发生。雷电的出现是人类目前为止不可控制的, 雷击所产生的危害是严重的, 只有借助科学技术, 合理地使用防雷设备, 采用科学的防雷措施, 并结合接地技术, 把雷击产生的危害降到最低程度,。建立一支训练有素、业务精通的高素质的防雷减灾队伍以保证防雷减灾工作的质量、成效，是一件刻不容缓的事情。