高层建筑防雷接地系统的构建

摘 要：防雷接地系统是建筑的重要组成部分,特别是对高层建筑而言,防雷接地系统的可靠性直接关系到建筑物的防雷安全和人们的生命财产安全.下面结合高层建筑实例,阐述了雷击的成因及危害,重点就高层建筑防雷接地系统的构建进行研究,给出了具体的防雷接地措施,可供大家参考交流.

关 键 词：高层建筑；雷击危害；防雷；接地

0引言

目前,城市民用建筑大多以高层为主导,防雷与接地是关系建筑物及人身生命财产安全的头等大事,高层建筑比一般建筑遭雷击的概率要大得多,而一旦遭受雷灾,损失将非常严重.防雷接地作为一个电位传送系统,在建筑物遭遇雷击时,能够使雷电电流转移到大地,以确保建筑内部设备及人员的安全.因此,防雷接地系统在高层建筑中的应用十分广泛.为了确保防雷接地的有效性,我们必须清晰认识到高层建筑物防雷接地系统的重要性,努力提高防雷接地系统的可靠性.

1工程概况

某高层建筑工程由一座地下一层、地上二十八层的主楼及裙楼组成,总建筑高度99m.主楼屋面设计为钢结构塔楼,顶端设有针式接闪器,主体建筑外墙由石材外挂幕墙和玻璃幕墙构成.低压系统的接地型式采用TN-S系统,变压器的中性线在变压器室直接接地,进出线电缆的金属外皮、钢管、金属管道等应就近与避雷装置用Φ12镀锌圆钢可靠接地.建筑外廓灯、节日彩灯、航空障碍信号灯用电设备线路在配电系统电源侧装设过电压保护器,有效防止雷电波的入侵.不间断电源输出的中性线、金属电缆桥架及其支架、金属线槽及安装高度距地面小于2.4m的灯具金属外壳均做可靠接地.

本工程设总等电位,即进出建筑的所有金属构件均作可靠接地,厨房、卫生间等设局部等电位,所有金属构件均与等电位端子作可靠连接.另外为防侧击雷,主楼从七层及以上各层的建筑外墙的玻璃幕墙、金属门、窗、较大金属构件均与主体建筑防雷引下线焊通,防雷引下线利用结构柱内大于Φ16两根对角主筋.

2雷击成因、入侵途径及其危害

首先简单介绍一下雷电.所谓雷电现象,就是雷云与雷云之间以及雷云和大地之间的一种放电现象.直击雷和感应雷是雷电波入侵建筑物内电气设备的两种形式.直击雷是雷电直接击中线路并经过电气设备入地的雷击过电流；感应雷是由雷闪电流产生的强大电磁场变化与导体感应出的过电压,过电流形成的雷击.建筑物直击雷的保护由接闪网（带）,接闪杆或混合组成的接闪器,立柱基础的钢筋网与钢屋架,屋面板钢筋等构成一个整体,避雷网通过全部立柱基础的钢筋作为接地体,将强大的雷电流引入大地.感应雷是由遭受雷击电磁脉冲感应或静电感应而产生的,形成感应雷电压的机率很高,对建筑物内的电气设备,尤其低压电子设备威胁巨大,所以说对建筑物内部设备的防雷保护的重点是防止感应雷入侵.

3防雷系统的要素及其原则

由上所述可见,防雷系统的六大要素：①建筑物外部、内部防雷装置的接闪功能；②引下线的分流效果；③建筑物内各部位的均衡电位；④内部各种设备的屏蔽保护作用；⑤接地效果；⑥内部各种线路的合理分布.

总的防雷原则是采用保护：①将绝大部分雷电流直接引入地下基础接地装置泄散；②阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压；③限制被保护设备上浪涌过电压幅值（过电压保护）.这三道防线,缺一不可,相互配合,各行其责.

4防雷接地装置结构设置

4.1有关概念

把电气设备与接地装置连接起来,称为接地.电气设备的接地是保证人身安全及电气设备正常工作的重要部分,也是防雷技术最重要的环节.接地按其作用可分为三类：

（1）保护接地,指正常情况下将电气设备外壳及不带电金属部分的接地.如发电机、变压器等电气设备外壳的接地.

（2）工作接地,指电力、通讯等系统中利用大地做导线或为保证其正常运行所进行的接地.如供电系统中的三相四线制中的地线,某些变压器中性点接地等.

（3）防雷接地,指过电压保护装置或设备的金属结构的接地.如接闪避雷器的接地、接闪杆构架的接地等,也称过电压保护接地.

4.2防雷接地装置的结构

无论是防直击雷或感应雷,最终都是通过接地装置将雷电流送入大地.所以,没有完善的接地装置是无法完成避雷任务的.在防雷工程设计、施工、验收中,人们往往习惯单方面追求接地电阻的数值,将接地电阻的大小,作为衡量防雷工程质量的最重要指标,认为接地电阻越小,防雷效果越好,被保护的对象就越安全.对避雷系统接地装置的接地电阻值有一定的要求是无可非议的,因为接地电阻越小,散流越快,落雷物体高电位保持时间就越短,危险越小,以至于跨步电压、接触电压也越小.然而接地网的结构合理性,对于现代高层建筑接地系统来说较接地电阻更应受到重视.

5建立健全层层防护的建筑防雷接地体系

5.1建立联合共用接地系统,形成等电位防雷体系

本工程将建筑物各部分的接地（包括交流工作地,安全保护地,直流工作地,防雷接地）与建筑物法拉第笼形成良好连接,从而避免各接地线之间存在电位差,以消除感应过电压产生.这里有一点要强调,混凝土浇灌前,各钢筋之间必须构成电气连接,构件内有箍筋连接的钢筋或成网状的钢筋,其箍筋与钢筋、钢筋与钢筋应采用土建施工的绑扎法、螺丝、对焊或搭焊连接.主要是作为接地体的桩筋与承台的连接,利用建筑物柱内钢筋作为引下线及基础钢筋作为接地装置连接成一个整体,构成了一个笼形避雷网,这样做较好地取得了均压和屏蔽防雷效果,在混凝土基础内钢筋纵横交错,彼此经焊接和绑扎后组成了一个完整的接地系统,具有很高的热稳定性和疏散电流的能力,因此接地电阻低.将地基圈梁内的主筋和基础主筋联结起来并把各段地梁的钢筋连成一个环路,使整个建筑物地下如同敷设了均压网,地面电位分布均匀,均压效果好.

5.2现代金属突出屋面防雷接地处理屋面的防雷则是外部防雷系统的一部分,即接闪器――接闪杆、接闪带或接闪网.某地区属高雷暴区且又周边空旷.本工程屋面设计突出钢结构塔式造型,顶端设针式接闪器并带有衰减雷电流陡度和幅值功能的电涌保护器,屋面女儿墙辅以Φ12镀锌圆钢接闪带,主楼建筑高度为99m,防雷按二类防雷保护措施设计接闪网格要求不大于10m×10m,裙楼主要是附属建筑,建筑高度为24m,防雷按三类防雷保护措施设计接闪网格要求不大于20m×20m.由于屋面突出金属构件极易引起雷击,为此在建筑物上应防止滥用接闪杆保护,尽量采用接闪带、接闪网保护.然该工程为了追求建筑外观美感,设计突出钢结构塔式造型,则顶端必须安装带有衰减雷电流陡度和幅值功能的电涌保护器针式接闪器.

5.3电源供配电系统的防雷与接地

为了避免雷电由交流供电电源线路入侵,根据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）第4.3.8条第4、5、6款的相关要求,本工程按二类防雷设置保护措施,配电的保护接地系统采用保护.变配电室的高压侧装设避雷器作为第一级保护,在低压侧的母线上装设Ⅰ级试验的电涌保护器作为第二级保护,以防止雷电侵入大厦的配电系统,由低压电源线路引入的总配电箱、配电柜处装设I级实验的电涌保护器作为第保护,并将配电箱的金属外壳与建筑的防雷接地系统可靠连接.

5.4玻璃幕墙、铝合金窗的防雷接地系统

玻璃幕墙、铝合金门窗在高层建筑中大量的应用,突出体现在建筑整体立面效果的表现上,但是他们较大的框架金属物,如果距离地面等于滚球半径及以上时,应将其与防雷装置连接,这是首先应采取的防侧击的预防性措施.高层建筑必然是钢筋混凝土结构、钢结构的建筑物,应充分使用其金属物做防雷装置的一部分,将其金属物尽可能连成整体.钢筋混凝土构件和钢构架中的钢筋应互相连接,构件之间必须连结成电气通路,使整个建筑物处于均压中.

5.5建筑等电位连接和接地

等电位连接是接地故障保护的一项基本措施.它可以在发生接地故障时,显著地降低电气装置外露导电部分的预期接触电压,减少保护电器动作不可靠的危险性,消除或降低从建筑物外部窜入电气装置外露导电部分上的危险电压.种种电气灾害,均不是因为电位的高、低而引起的,而是由于存在电位差的原因引起放电.采用等电位连接才能有效地消除或减少电位差,使设备和人身得到安全防护作用.接地是指电气系统、电气装置可导电部分及装置外可导电部分等,用导体与大地相连接,使其被连接部分与地电位实质上相等,故等电位连接应该接地.

5.6智能建筑的防雷接地处理

本工程内设通讯网络系统、信息与数据处理系统、设备监控系统、火灾报警系统、综合布线系统、安全防范系统以及建筑智能系统等,如何对这些“中枢神经系统”进行可靠的防护对整座建筑内部系统安全运行则是至关重要的.这些电子设备与计算机系统通常属于耐电压等级低、防干扰要求高的弱电设备,最怕受到雷击.当普通建筑物防雷装置引入了极强的雷电流通过引线入地,将在附近空间产生强大的电磁场变化,会在相邻的导线（包括电源线和信号馈线）上感应出雷电过电压,因此普通建筑物的防雷系统不但不能保护这些电子设备与计算机系统,有可能会引入雷电.因此,防雷保护的完善成为智能建筑的一个重要内容.智能建筑的防雷保护是一个复杂的系统工程.应采取“系统设计,分级保护”的原则.从直击雷保护,等电位连接设计、雷电感应过电压的分级保护等环节,要作全方位的保护,不应留有盲区.（所谓盲区就是在持续时间长且幅值较低的暂态过电压作用下,前级保护元件尚未动作,而后级保护元件已在过电压作用下损坏的工作区）本工程采用等电位连接接地、旁路接地和隔离相结合的方式抑制雷电过电压.

6结束语

综上所述,高层建筑的防雷接地是一项系统工程,覆盖面广,与各专业系统交叉点多,在设计和施工中应认真、细致、全面地加以综合考虑；而且还要结合具体情况,做到灵活、协调、应变.以确保建筑物和人身安全外,同时做到建筑物更自然、和谐、美观；保证工程质量,节省投资,赢得了技术、经济的双丰收.