高层建筑电气设计中的防雷研究

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摘要：随着城市化进程的不断加快，高层建筑已经成为城市建筑的主体。高层建筑在发挥其优势的同时也存在不可忽视的问题，即容易遭受雷击，因此，科学合理地设计防雷方案具有重要意义。文章首先探讨了雷击对高层建筑的破坏作用，重点探讨了高层建筑中电气设计的防雷方案，旨在为设计人员提供参考。

关键词：电气设计；防雷技术；高层建筑；城市建筑；防雷方案 文献标识码：A

中图分类号：TU208 文章编号：1009-2374（2015）15-0009-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.15.005

随着我国城市人口的不断增多，日益紧张的城市土地资源要求设计更多的高层建筑，高层建筑也因此成为城市建筑的主体。在高层建筑的设计中，一项重要的内容是防雷设计，由于其楼层多、高度高，容易遭受雷击，给人们的生命财产安全构成威胁，进行科学合理并且深入的高层建筑电气防雷设计十分必要，本文即是对此展开的论述。

1 雷击的危害

作为一种自然放电现象，雷击的威力巨大，为了避免雷击对地面上的建筑物造成伤害，高层建筑物需要进行防雷设计。雷击的破坏主要通过以下四种方式表现出来：首先是直击雷，直击雷发生在带电云层与高层建筑物之间，是一种直接的放电现象，会在极为短暂的时间内产生强大的电流；此时，如果建筑物进行了有效的防雷设计，直击雷造成的破坏会大大减小，否则将会引起整座建筑物的摧毁或毁灭性的火灾。其次是雷电波的入侵，通过电缆线、天线等，雷电可以传导出来从而发生放电现象，它也会在较短的时间内产生强大的电流，从而对流过的地方造成破坏。再次是感应过电压，雷电发生以后，有些显露在外的线缆、金属管道等会感应到该雷电压，形成一定强度的感应磁场，对电子设备的正常工作造成影响，如电子资料和数据的破坏、电子系统的损坏等。最后是地电位反击，当雷电作用在避雷装置上后，接地网在较短的时间内需要承受较高的电压，该过程会对电气设备造成危害。

2 高层建筑对防雷的要求

高层建筑作为一种特殊且重要的建筑物，具有以下四个特点：首先是功能多，大部分高层建筑集居住、娱乐、商业及办公于一体；其次是配套设施较多，由于高层建筑的功能多，相应的配套设置也多，为了保证高标准和舒适的生活空间，常常要配备空调机房、制冷机房、生活及消防水泵房等设施；再次是人员密度高，高层建筑中居住着大量人员，在文化娱乐场所更甚；最后是保安要求高，由于高层建筑居住着大量的人员，拥有较多的贵重设备，因此要保证高度安全。以上这些特点决定了高层建筑防雷需要满足两方面的要求：首先是建筑物自身的安全可靠。在进行高层建筑防雷设计时，要做到安全可靠，保证防雷设备能够充分发挥作用；其次是防雷装置要尽可能的简单，以利于施工。通常情况下，高层建筑采用的是钢筋混凝土或钢结构，可以对这些结构进行充分利用，将其作为防雷装置的一部分，做到既安全又经济。

3 直击雷防护设计

3.1 直击雷防护

表1

防雷等级 避雷带尺寸 引下线间距 滚球计算半径

一 ≤10×10m ≤18m 30m

二 ≤15×15m ≤20m 45m

三 ≤20×20m ≤25m 60m

表2

防雷类别 避雷带尺寸 引下线间距 滚球计算半径

一 ≤5×5m ≤12m 30m

二 ≤10×10m ≤18m 45m

三 ≤20×20m ≤25m 60m

一般情况下，针对高层建筑的直击雷防护，采用的是避雷带（网）作为接闪器，也即是：依据防护等级，将尺寸合适的避雷带（网）安装在建筑物顶部四周容易遭受到雷击的地方。在实际操作中，由于建筑物上存在一些非金属设备，如用电器、冷却塔和空调散热器等，这些设备不在保护范围之内，需要另外安装避雷针进行相应的保护。在进行避雷针高度设计时，受限于屋面范围，不能单一地将屋面看成是滚球支撑面，此时可以采用作图法进行计算。表1给出了高层建筑直击雷防护装置和滚球计算半径；表2给出了直击雷防护设置及滚球计算半径。可以看出，相同类别和级别的避雷带尺寸、引下线间距、滚球计算半径是不同的，不能将两者混为一谈。

3.2 侧击雷防护

一级高层建筑和二级高层建筑的高度已经不适宜采用滚球计算半径，其侧面容易受到雷击，所以对于这两类建筑物的防雷设计要重点关注侧击雷的防护。上文已经指出，高层建筑一般采用的是钢筋混凝土结构，利用这些钢筋作为引下线是合理的选择。根据规范的规定，需要每间隔三层楼，将相对应的金属管道和钢筋柱子作为引下线进行等电位连接。对于30m以上的部位，钢构架、金属门窗和栏杆等要与引下线作等电位连接。

4 防雷接地合理设计

4.1 接闪带及接闪网

在敷设接闪带和接闪网时，要沿着屋顶的屋角、屋脊等容易遭受到雷击的部位进行敷设。通常情况下，进行高层建筑物的屋顶直击雷防护设计时，可以沿着屋顶周边外墙的外表面或者是屋檐边垂直面上敷设接闪带，将接闪网设置在屋顶的中间，另外，在经过伸缩时，应该安装相应的补偿连接装置。在屋面接闪器网格尺寸的设计上，要严格按照建筑物的防雷等级设置。如果采用暗敷，要控制好埋设的深度；依据设计经验，通常设定为天面水平层下30～50mm；要做在防水层上保温层下。如果埋设的过深，将无法取到良好的接闪效果。如果高层住宅的屋顶采用的是斜屋面瓦盖，布置接闪器时要注意屋檐、屋角等地方的接闪器不能采用暗敷。通常情况下，在高层建筑中，接闪器不能利用屋顶周边混凝土内的钢筋。

4.2 接闪杆

在新设计规范中，在高层建筑屋顶上安装接闪杆时，应该采用热镀锌圆钢或钢管，将接闪端制作成半球状，其弯曲半径在4.8～12.7mm之间。高层建筑时刻遭受自然界的空气、雨雪、太阳辐射等危害，因此，在设计接闪杆时要充分考虑这些因素对其荷载的影响，采用防腐蚀、抗氧化、高物理强度和耐高能量的材料，保证构件的牢固连接，减少损耗。此外，还要定期对接闪杆的安全可靠性进行检查，保证其有效性。高层建筑物上的接闪杆在引雷防护的同时还会产生一些负面效应；如：产生感应雷、增加遭受雷击的概率、出现地电位反击等，将会导致附近的电子设备受到破坏。因此，高层建筑物上要尽可能的少安装接闪杆。

4.3 金属屋面

在现代高层建筑中，为了实现美观的效果，很多外墙采用了玻璃幕墙或是金属。幕墙上的封口位于墙外侧，是屋顶周边的范畴，容易遭受到雷击。此外，幕墙与墙外侧之间的封顶金属板都是导体，具有较大的面积，可以将其作为接闪器加以利用。高层建筑要充分利用屋顶的金属板作为接闪器，此时应该满足：板之间连接要保证长久的电气贯通，金属板无绝缘被覆层。参考相关标准，高层建筑顶作为接闪器的铝板厚度应以2.5～3mm比较适宜。

5 结语

当下，随着城市化进程的不断加快，我国的高层建筑数量在急剧增加，这显然会增加建筑物遭受雷击的概率，防雷设计已经成为高层建筑设计的重要内容。此外，高层建筑中的电气设备越来越多，在防雷设计中也要充分考虑到这一点。本文探讨了雷击对高层建筑的破坏作用，重点探讨了高层建筑中电气设计的防雷方案。总之，加强高层建筑电气设备中的防雷设计十分有必要，电气设备人员应该积极学习国内外的设计经验，不断提高设计的安全可靠性和科学合理性。

参考文献

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作者简介：范玉山（1983-），男，河南南阳人，供职于重庆市设计院，研究方向：电气。