漫谈高层建筑的防雷设计

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    众所周知，高层建筑一般是指9层及以上的建筑物，除了单纯作为住宅楼外，常为各种综合楼，如商场、写字楼、轻工业工作间等等。当然也有些是专业性的建筑，如银行，邮电、气象、贸易、航运、酒店等大楼。其中不乏是各种级别的智能建筑，上述诸建筑中，基本都有计算机系统、电讯网络，各种系统集成等，既使是一般的住宅楼，也会有各类弱电系统，如CATV，门卫监控，三表收费以及各种通讯系统等，因而也就存在着各种弱电设备（含微电子设备）。它们多具有高频、高精度、高灵敏度的特性，其电压一般是几十伏，甚至几伏级，而电流则是毫安甚至微安级，它们的设置费用也是较昂贵的。此外，在如今的信息时代，它们常是较为重要的，一旦损坏引起较长时间停运，会带来巨大的经济损失，甚至政治影响，而且这些建筑，大多是人员众多，因此如何使这些人和设备通讯其它设施不受雷电的侵害，是十分重要的，而作为这些建筑的电气设计人员，也是应当着重考虑，精心设计的。

    大家知道，雷电的侵害，常分为直接雷击（含侧击雷及球雷）和间接雷击。为了防止前者的侵害，称之为建筑外部防雷；而对后者则称为内部防雷或称防雷电电磁脉冲。

    外部防雷，一般多采用普通的避雷针或避雷带，根据GB5005T，首先按建筑物的性质，每年预计雷击次数，确定该建筑物的防雷类别，然后按建筑物的外形，尺寸等滚球法，经计算，安排接闪器引下线和接地极，一般应尽量利用建筑内钢筋混凝士构件中的钢筋，作为自然接地体，当建筑物高于30米时，还须相应采取防侧击雷的措施。值得注意的是对防球雷，迄今还没有很好的方法。它常常是随空气的流动，穿窗而入的，所以多数是发生在靠外墙的房间中，如果在窗子上设置一定大小的网格，并加以接地，还是可以防护的，至于消雷器，如我国生产的少长针半导体消雷器等，由于在理论上存在着争论，实测资料也不全，尤其是价格很贵，有关规范中也未提及，所以不采用为宜。此外目前国内已出现有新一代的避雷针，如中光公司的ZGU系列优化避雷针，采用了气隙放电，阻抗限流等综合技术，能使雷电流波头平缓，幅值降低从而有效地减少了反击的地电位和二次雷击应。已在97年经邮电部组织了定型鉴定，并在中试所，西瓷所、武高所通过限4/10μs，8/20μs等大冲击电流与高冲击电压的试验，且已在千余单位设置，据称全部运行正常，安全可靠，只是价格与普通避雷针相比要高很多，而且针对面积较大的建筑，采用起来，多少有些局限性。

    在我们进行外部防雷设计中，除了上面所述外，在考虑防雷方案时尚应注意的有：

     1、要考虑被保护对象的周围环境，以及地形地貌等，以便在防雷计算中，对某些系数可以正确地选用。

     2、对建筑小区还应进行综合考虑，以求既得到较完善的防雷效果，又能节约财物。

     3、要考虑将来的发展和变化。例如所保护对象的防雷类别，目前虽属三类，将来是否可能成为二类呢？如可能则应按二类时进行设计，如目前尚难以肯定，笔者认为也宜按二类进行。因为这样费用增加不会太多，却提高了安全度，也消除了以后类别升级时的困难。又如大楼的加层或加长，四周环境可能的变化等。

     4、防雷是一个整体，外部防雷也可照顾到内部防雷，反之，内部防雷也可补外部防雷的不足，二者要相互配合。例如当大楼同有重要的或较多的弱电系统、微电子设备时，应将建筑物砼结构（柱、梁、板、基）中的钢筋，按规范中规定，做成网络较密的法拉弟笼形网，既作为直击雷的防护，又对内部防雷起屏蔽作用。或者采用中光ZGU优化避雷针以降低感应雷的雷害等。当然即使对一般的住宅楼，也宜采用本条的做法，但网络间距可以大一些。

     5、还应考虑屋项可能出现的卫星接收装置、电视天线、航空障碍灯、节日彩灯、微波通讯定向发射装置等，均应在接闪器的保护范围内。

     要进行内部防雷，首先要弄清构成LEMP的来源。其来源主要有二：其一是雷电流自接闪器经引下线、接地极泄入地下时，由于引下线有一定的电抗和电阻，而雷电流又很大，且泄放时间又极短，故会产生很大的压降（千伏级），造成高电位的反击，或在引下线附近平行通过的线路上感应出过电压，以致造成各种设备，尤其是微电子设备的损坏等。其二就是雷电流经电源线或信号线窜入楼内强弱电系统，例如当电源线路（尤其是架空线路）遭受直击雷，或附近发生雷云对地，或近地雷云对地，或近地雷云间闪击时，线路上都会出现很高的过电压或感应高电压，即使建筑物入口处设有避雷器，也会由避雷器的残压，甚至另一终端的二次反射，使该终端避雷器的残压因叠加成倍增长，这些高压随着芯线进入建筑内击穿诸如变压器高压侧窜入地线，（甚至击穿二次侧），通过PE（PEN）线（甚至相线）传送到强弱电的用户，进行破坏并危及工作人员。

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    那么怎样进行内部防雷呢？针对上述的雷害源，除前述的整个大楼形成笼形网外，还可以采用以下的防护措施：诸如正确布置强弱电线路并尽量远离引下线，否则其金属护层应多点与之联接；弱电设备的站室，也宜尽量设置在建筑物中部，因中部感应磁场比邻近外墙要弱得多；无论强弱电的引入线路，都应层层设防，且各层间的有关参数（如残压，电流能量级、响应时间Tn等）相互配合，例如电源进线处设高能量的避雷器，中线与PE线间设间隙保护器（其泄流量可高达100KA，Tn≤ns等），根据情况还可设第四保护，务使残压小于设备的安全电压，又如弱电线缆，也需于进线处，按线缆种类设信息线路保护器；配线架与设备间设网络浪涌保护器，其残压约在弱电设备额定电压2倍左右，泄流300A，Tn≤1ns；必要时，还可在终端设备的插口处再设保护，也务使其残压在设备安全电压值之下，有时还应核对其插入损耗；电视天线等，即使在接闪器保护范围之内，也应在天线与其后装置信号电缆之间设保护器。顺便提一下以上保护器多属模块型，便于安装。对重要的弱电设备应采用6面电磁习蔽措施，又可分建筑屏蔽与设备屏蔽。因为屏蔽可以抑制、降低LEMP的电磁能量，当LEMP进、出以及通过屏蔽层内部时，由于反射与涡流效应，消耗了绝大部分能量，起到了很好的保护作用。当然屏蔽层是必须接地的。所有进出强弱电线路，宜设在地下，并应有金属保护层，如钢管，双金属保护层等，以避免这些线路的芯线把LEMP引入，因为大地是导体，当雷云与地放电，或地下线路附近有避雷器进行泄雷时，其泄放的能量由入地处向四周放散，这时地的电压梯度可达10KV/M，此高压若自线芯引入，必然要危害设备与人身。但若有金属挂号信层，则对内部芯线起屏蔽作用，并且即使芯线因故窜入了雷电流，也会因金属保护层产生反磁通，而在芯线上感应反电压，阻止雷电流的流入。最后，就是要进行正确的等电位联接（EB），在前述文中的接地，实际上就是进行等电位联接。此联接有两种，一称为总等电位联接（MEB），一称为局部等电位联接（LEB），后者是当距MEB较远，不能满足保护要求或对较重要弱电设备，又如浴室等处，对人的安全要求较严格时采用，相当于第二级保护，这样即使采用了前述多级的泄能、分流的防雷措施，还不一定能完全消除雷害时，EB却能补其不足。例如当从线路窜入的残压，大大高于设备安全电压时，由于与EB联接，就可使其间电位一样，不形成电位差，而损及设备或人员。

    在采用上述措施时，尚应注意以下几点：

     1、在楼群间进出，相互联接的线路，也需穿钢管或铠装或双金属屏蔽层，并两端接地，以杜绝高压自芯线引入，国内外不乏因使用PVC管敷设而致损坏设备的例子。

     2、当信号线路是采用光缆传输时，因为芯线为光纤，不会窜入LEMP，但必须是缆中无铜芯信号线或金属加强件等金属材料的，否则进户前仍应穿钢管防护，对较长的线路，在光缆接头处，应将金属构件分断，以减少电磁感应电压的积累。

     3、关于EB有不少这方面的论述，本文不拟重复，仅提醒一点，就是除上下水管外，凡是强电线路（含中性线）或弱电线路，均应串接相应的过压保护器，再接到EB的母线上，而煤气管等危险性管道则需在进口处串接一段绝缘管，以符合危险管道不得作接地之用的要求，且在其间跨接一过压保护器（常为火花间隙器）然后与MEB母线联接。

     4、需要提出的是对于接地，当楼内有灵敏测试用设备或高精大型电子装置（如大屏幕显示装置）等时，因其频率较高，则建筑物钢筋等自然接地装置，即使电阻达到0.5欧也常难起到信号逻辑地的作用，这时需进行单独的接地，接地极可采用0.25m左右，2-3mm厚的铜板，埋设在该装置的地下，再用编织扁铜线将它与装置相应端子相联，因此最好该装置室设在底层，否则也应尽量在较低层以减少联线长度，频率愈高，影响愈大。当一定要在地面上与共用的自然接地装置相联时，则应通过尖端放电型避雷器，以防止高频对其他接地设备进行干扰。此条虽与防雷无直接关系，但设计时不可不注意。

     5、要知道有的设备要求作EB，但却不允许接地。如用隔离变压器供电的几台设备外壳间，要求相互作不接地的联接，若接了地，则在变压器前出现接地故障时，反而会引引起这些设备的外壳带有危险电压，设计时也需注意。

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