浅谈民用建筑的防雷与接地分析

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摘 要：本文主要阐述了雷电的形成及种类分析，最后针对民用建筑的防雷及接地技术进行讨论，仅供参考。

关键词：民用建筑 防雷 接地

1 雷电的形成与种类分析

1.1雷电的形成

由于空中运动的云层受到高能射线或高空电离层带电粒子的作用逐渐积累了大量电荷，当带电云层接近地面时通过潮湿的空气都会发生巨大的电脉冲放电。

雷云放电，有时是在云层与云层之间；有时是在雷云与大地之间发生。雷电的形成，常与当地地形、大气气流、温湿度和地球纬度有关。一般山区比平原多；沿海比腹地多；温湿度高比温湿度低地区多；低纬度比高纬度地区多。

1.2雷电的种类

雷云放电时，具有放电时间短（μS级）、放电电流极大（几十至几百kA）、感应电压极高（可达几十kV）等特点。

雷电的种类主要有以下几种：直击雷、感应雷和雷电波。

a.直击雷：强大的雷电流经过建筑物或地面设备这些物体入地，在瞬间产生很大的机械振动力和高温高热使物体遭到破坏。当雷电流通过物体时，必然有电阻或电感存在，所以就产生很大的电压降和感应电压，使绝缘破坏、产生火花、引起燃烧、爆炸等。

b.感应雷：是在雷击发生附近电磁感应的结果。

c.雷电波：雷云放电时会产生一股冲击波，这种冲击波常沿着架空线缆或管道传播，对设备造成冲击破坏作用。

2 高层建筑的防雷与接地

高层建筑物相对多层建筑的吸引半径较大，其接闪装置宜用垂直避雷针；钢筋框架阻抗、辐射电阻不可忽视。接地系统由不同用途的接地形式构成。

2.1吸引半径

在一般高度（10～20m）的建筑物上安装避雷针的吸引作用并不比地面上同样高度安装避雷带的吸引作用大多少。因此，在一般高度的建筑物上，可以用避雷带来代替避雷针。

但是，几十米以上的高层建筑物，闪击距离除了和雷电流的幅值有关外，还和建筑物的高度有关，闪击距离增大，高层建筑物产生的正电荷能增大了闪击的定位性；不仅是受雷击的高层建筑物，而且与其邻近的高层建筑物，都有可能产生向上的流光，引发雷击。因此，高层建筑物遭受上行雷击的次数大大增加。

从下面的计算示例中，可以看出高层建筑物与一般高度建筑物的吸引半径r相差极大。

当不考虑建筑物面积的影响时，每年的雷击次数N估计为：

N＝exp（0.0088h）-1.

可见高层建筑物特别是超高层建筑物，遭受雷击的次数大大增加。

为了可靠地拦截闪电和控制雷击点，高层建筑物宜用易于吸引上行雷的垂直避雷针来代替水平避雷带。

2.2框架阻抗

利用高层建筑物的钢筋框架作为引流线、分流线和电位均衡线已为工程所证实。

但钢筋框架的纵向电压降或框架阻抗却不容忽视。按下式估算：

由上式可知，在高层建筑物内沿高度敷设的金属管线，其纵向电位是相当高的，需要详细设计金属管线的敷设方式。

2.3接地系统

高层建筑物内敷设的金属管线，由于受到空间的限制，在施工过程中无法控制的随机连接，不同用途的接地大都采用共用接地，按照分类连接，相互兼容的原则，构成一个电位均衡的接地系统。

3 多层建筑的防雷与接地

3.1多层建筑的防雷

沿屋脊、屋檐及屋面两侧的斜边上装避雷带；若屋面为平顶，则沿屋面四周或女儿墙上架设避雷带，避雷带距外墙边的距离宜小于或等于避雷带支起的高度。

为了避免接闪部分的振动力，故将避雷带支起10～20cm，支点间距不应大于1.5m。若屋顶有水箱，因水箱高出屋顶，因此在水箱顶部四周安装避雷带。采用避雷带防雷时，屋面上任何一点距避雷带的距离不应大于10m。如果屋面宽度超过20m时，可增加避雷带，用避雷带组成20m×20m的网格。

等电位连接是把建筑物内及附近的所有金属物，如混凝土内的钢筋，自来水管、煤气管及其它金属管道、电力系统的零线等用电气连接的方法连接起来，使整座建筑物成为一个良好的等电位体。当雷电来袭时，由于建筑物内部及其附近基本上做到等电位，因而不会发生建筑物内部的设备被高电位反击和人被雷击的事故。

在地网设计时应遵循以下原则：

a尽量采用建筑物地基的钢筋和自然金属接地物统一连接地来作为接地网；

b尽量以自然接地物为基础，辅以人工接地体补充，外形尽可能采用闭合环形；

c应采用统一接地网，用一点接地的方式接地。

3.2土壤电阻率和接地电阻

地网的效果取决于地网与大地之间的电阻。当土壤含水量增加到20～25%时，土壤电阻率将保持稳定。土壤电阻率与土壤的结构、土质的紧密度、湿度、温度等，以及土壤中含有可溶性的电解质有关。影响土壤电阻率的最重要因素是湿度。

计算防雷接地装置时，应取雷雨季节中无雨水时最大的土壤电阻率，一般按下式计算：

ρ＝ρ0ф

R＝R0ф

式中：

ρ――土壤电阻率

ρ0――雨季中无雨时所测的的土壤电阻率

ф――考虑土壤干燥所取得季节系数

R――接地装置的接地电阻

工程上垂直接地体多选用1.5～3米，并常采用下式作为接地电阻的简易计算公式：

垂直式：R＝0.3ρ

单根水平式：R＝0.03ρ

式中ρ为土壤电阻率

3.3多层建筑的接地

a埋设接地体的要求

埋设接地体的地点应选择在潮湿、土壤电阻率较低的地方，而且尽量放在人们走不到的地方，避免跨步电压的危害。同时还应注意使接地体与金属物或电缆之间保持一定距离，以免发生击穿事故。

b接地电阻的测试

接地装置的电阻由下面四部分组成：

（1）接地体与接闪器间的连线电阻；

（2）接地体与土壤的接触电阻；

（3）接地体本身的电阻；

（4）当电流流入土壤后，土壤的电阻。

其中第四项为主要部分。当电流从接地体流向土壤并向各方面扩散时，离接地体越近，则电流密度越大，电流梯度越大。

测量接地电阻的方法不一，但大致可分为：

（1）电流表电力表法；

（2）接地电阻测量仪测量法；

（3）电流表－电压表法；

（4）电桥法。

测量时应当注意：

（1）被测接地体、电压辅助地极、电流辅助地极之间的距离应符合相关要求；

（2）所用的连接线的截面积一般不小于1.5mm2，在应用各种专用仪器时，与被测接地体相联的导线电阻不应大于接地体接地电阻的3%。各种引线应与地绝缘；

（3）仪器的电压辅助地极引线与电流辅助地极引线之间的距离不应少于1m，以免自身发生干扰；

（4）应反复在不同的方向测量3～4次，取其平均值。

4 玻璃幕墙的防雷与接地

我国现行的电气施工及验收规范、标准施工图集对玻璃幕墙的防雷与接地的阐述尚未十分明确，设计单位对玻璃幕墙防雷技术作法说明常见的也不十分具体，从而给从事具体施工和监理的技术人员准确把握质量安全技术要求带来一定的难度。

4.1高层建筑玻璃幕墙防雷措施

在玻璃幕墙的防雷设计中，应充分利用建筑物的防雷装置（接闪器、引下线和接地装置），将幕墙竖向龙骨、横向龙骨和建筑物防雷网接通，连成一个防雷整体，把玻璃幕墙获得的巨大雷电能量，通过建筑物的接地系统，迅速地输送到地下，保护玻璃幕墙和建筑物免遭雷电破坏的作用。

4.2高层建筑玻璃幕墙的防雷接地要求

a.在玻璃幕墙结构中，竖向龙骨作为引下线，其跨接用扁钢时截面必须达到100mm2。

b.采用压接方式其金属材料的厚度必须达到4mm2以满足机械强度要求，不同金属压接，要做防电化腐蚀处理。

c.采用焊接方式的，其圆钢搭接长度为其直径的6倍，且必须双面焊接；扁钢搭接长度为其宽度的2倍，且必须三面焊接；焊接处必须作防腐处理。

d.工程完工后，必须测量接地电阻值是否达到设计和规范要求。

5 设计缺陷

5.1一般性问题

a不说明防雷等级，使施工审图时无依据。

b说明中虽标有“如达不到电阻要求，则补加接地极”，但未留出相对外引点。

c利用柱筋作防雷引下线，但基础接地焊接部位不详或未加说明。

关于焊接问题一般设计规范和施工规范都无明确规定，一般标准图集要求避雷带――柱（引下线）――基础的整体跨接点焊接，设计也有说明，有的还要求在底板钢筋中沿建筑物外圈加40mm×4mm扁钢与交叉的引线柱、底板大梁进行跨接。但在设计中经常出现的“利用柱内二根钢筋作为引下线”，一般理解为上下两处跨接点为焊接。同时指出既然结构施工中已采用焊接，电气施工就不必按跨接要求施焊了，从而减少了很多工作量。上述处理，成功地减小了雷电流的引下电阻，这一点极为重要。因为极小的接地电阻是有利的。但引下电阻处于一般性或较差时，当强雷击电流通过时相对较大的一段会形成较大电压。

d屋面避雷带女儿墙上避雷带安装形式未加说明。

关于女儿墙上避雷带的安装形式，说法并不统一。所以设计要给出一个原则，例如H≥a/2（a为女儿墙顶宽），但施工中如墙宽超过500mm（包括外沿），设计都未对a加以说明。于是执行《民用建筑安装工程质量监督核验要点》指定的“避雷带高度宜为150mm，一般应设在女儿墙中心。当女儿墙宽度大于300mm时，避雷带距女儿墙外侧宜为150mm。”

e消防接地未采取规定的措施。

关于消防接地，一些设计并未采取特殊措施，从而忽略了消防的特殊性，由于消防系统经常处于备用状态，当出现问题时，往往不易及时发现。另外，消防用电设备的电源未设漏电保护器，以致漏电断电后影响消防用电，同时未采用单相接地报警装置，也会带来后患。

5.2特殊性问题

a管道井与伸至屋面的管道处理不当。

高层管道井中若干管道垂直贯穿屋顶，有的与其他管道平行10米以上。这部分管道在保温层上部往往安装在不能接地的垫墩上，管道高于所处位置的避雷带，已经成为接闪器。但是既然作为接闪器引下，又与其它管道并行较长距离，故应当采取每三层并连接地的措施，至少二级防雷应如此。

当然，采用避雷针与避雷带结合时，被保护的伸出屋顶的管道就不能视为接闪器了。

b防雷引下的柱筋引下时，下部未说明外引散流问题，未留出相应外引点。笔者认为，即使较深、较多的灌注桩基也未必能完全取代上述措施的作用。一方面作为向四周扩散的尖端有利于散流和扩大散流面积；另一方面，镀锌金属导体直接与土壤接触，也是对雷击后散流的良好措施。

6 施工中的问题

6.1未按设计中的屋顶避雷网格施工

虽然设计一般未标有坐标或具体尺寸，但在轴线距离比例下可以看出。随意性连接与设计相差较大时，会失去防雷等级的意义。

6.2底部钢筋跨接时多采用单边焊

新规范中已明确圆钢与扁钢等双边焊的问题，但底板钢筋有时双边焊较困难，往往就进行单边焊。尤其是柱与底板、底板与柱基的连接，应确实保证双边焊。双边焊比单边延长焊好，因为灌混凝土前在钢筋网上还有大量施工，只有双边焊才能保证机械强度。

6.3多个柱筋为引下线时选择主筋无规律

有多个柱筋时的正确做法是选择同一向对角，并在已连接的主筋上部涂色标记，有规律地选择才不易出错。

6.4屋顶避雷带施工问题

a平直度较差；

b镀锌层破坏严重；

c明、暗连接时无明显跨接不便检查；

d扁钢搭接焊时虽然保证了三边焊，但未保证两个长边必焊。

6.5未将进出管道就近接地

采用留洞的同时就应预埋引出板，采用套管预埋应在预埋同时将钢管接地，施工时将正式钢管跨接。

6.6不能及时测量接地电阻

在底板施工后应进行测量，有的手册要求在避雷带连接之前进行测量，这样做有一定问题，主要是高层易受强电磁波影响。

6.7与设备接地联接不可靠

a在电箱内接地端子连接2个以上接地线。

b与非镀锌金属外壳连接铜导线，尤其是多股软线未搪锡。

6.8配电柜接地不标准

一般配电柜需接地的有：地排、基础槽钢、金属柜体、金属柜门。首先外引来的接地线与地排连接，再由地排分别与上述接地点专门引接。不要间接连接，柜体、柜门无专用接地点时，铅孔连接处应除漆，弹簧垫、平垫齐全，多股软线要搪锡，一般要求压铜鼻子。

6.9民用住宅插座接地或接零未保证

建议交工前进行100%测量，目前已有三插测试仪。

7 结束语

防雷与接地应从工程设计阶段就认真加以考虑，采取切实可行的防雷方案，选用质量可靠的电气设备和可靠性高的防雷设备，同时真正按照等电位的原则，做好符合要求的共用接地网，综合考虑防雷与接地，只有这样我们的线路和设备才能避免遭受雷击的危害。

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