王锐 张宪柱 朱峰
(中建八局第一建设有限公司济南250100)
摘要：本文结合高层智能建筑防雷系统工程应用实例，将内部防雷技术与外部防雷技术相结合，有效地提高了高层建筑系统防雷工程质量，保障雷击天气下建筑物内人的生命安全与电气设备的使用安全。
关键词：高层智能建筑雷击原理防雷系统工程
中图分类号：TU856 文章编号：1002-3607 (2016) 04-0048-04
由于雷电具有强大的高压效应、高热效应、机械效应、静电感应以及电磁感应，对建筑电网安全有着较大的威胁。高层智能建筑包含了很多电子电气设备，如电气自动化系统、建
筑设备与办公自动化等。这些电子电气设备通常对抗干扰能力与绝缘能力要求较高，同时具有较高的灵敏度、较低的过电压能力。因此，由于雷电灾害而引发的高层智能楼层事故也呈逐渐上升的趋势。特别是高层（超高层）建筑的迅速发展，建筑物防雷研究显得尤为重要。
1高层建筑线路雷击机理分析
由雷击导线附近大地在导线上产生的感应雷过电压的计算，国内外学者进行了大量的研究。根据文献，雷击导线附近大地在导线上产生的感应雷击过电压计算公式如下：
根据理论分析、实验数据及实践经验。在我国，超过雷电流幅值I的概
率可用如下公式表示
将式③代入式④中，得到年平均雷暴日大于20d地区雷电流/min的分布概率
N i为建筑线路每年由于雷击引起线路闪络次数。根据国标规定，取地面落雷密度y =0.07，输电线路两侧由于雷击导线附近大地而发生绝缘闪络次数的表达式为（假设落雷密度平均分布）
从式①及式⑦中可以看出，建筑高度对感应过电压和闪络次数有一定的影响。因此，当雷击线路附近的大地时，对于建筑线路的不同高度所承受的感应过电压及闪络次数进行了分析。其中我们假设/=100kA，S=65m，U50%为350kV时，不同高度建筑的感应过电压幅值及雷击跳闸率，如表1所示。从表1可以看出，随着建筑高度的增加，感应过电压幅值与雷击跳闸率都不同程度的增加。随着建筑高度的增加，建筑内人们的生命安全与电气设备的使用安全受到严重的威胁与破坏。
2高层智能建筑系统防雷保护
随着科学建筑技术的不断进步，雷电的防护不仅是对建筑本体而言，更加注重对建筑内的人和相关电气设备的保护。因此防雷工作正由传统的防直击雷向防雷电感应过电压对智能
建筑系统设备造成损害的方向转变。
目前，高层智能建筑系统主要包括环境管理控制系统、火灾与安保系统、办公自动化系统和通信自动化系统四大系统。
环境管理控制系统主要包括电气电子系统、运输系统、暖通空调系统三大系统。同时，根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010的要求，在高层建筑设计过程中，施工技术人员应根据就近原则，将高层智能建筑内的电气与构架结构等金属部件接至防直击雷接地装置上。
火灾与安保系统主要包括火灾报警系统、安保系统及消防系统。这些建筑系统存在大量的弱电控制线路。因此，在施工过程中，只需在主机的数据采集端，安装数据信号浪涌保护器进行保护。
通信自动化系统主要由图形图像通信、语音通信与数据通信三大系统组成。根据《低压系统的电涌保护器》IEC61643-3与《通信局站雷电过电压保护工程设计规范》YD5098-2005，在施工过程中，通常采用屏蔽线路和电涌保护器，并且将其安装在适合位置，这样可以有效解决通讯自动化系统的防雷问题。
办公自动化系统主要由图形处理、图像处理、文字处理、模式识别等日常办公工具组成。通常采用插座式电涌保护器技术，对高层建筑内计算机网络系统的防护防雷，进而实现对办公自动化系统的防雷措施。
为防止和减少雷电对人民生命、建筑内信息系统的危害，在进行防雷设计时，应将外部防雷措施和内部防雷措施协调统一（见图1）。
3工程实例及应用
3.1工程概况
山东济南汉峪金融商务中心A4地块综合楼及附属设施项目建设．地点位于济南市高新区经十东路以南，舜华路以东，龙奥北路北侧。项目总建筑面积为326393m2，地下建筑面积139484m2,地上建筑面积186909m2。根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010，考虑到汉峪金融商务中心以及该综合楼属公共建筑的重要性与特殊性，可以设计直击雷防护类别为二类且雷电防护等级为B级。
如图2所示，建筑物防雷区系统结构。理论根据电磁环境的特殊性要求，通常我们按照高层建筑物需要保护的空间来划分为防雷区(LPZ)。防雷区主要包括LPZOA 、 LPZOB、LPZ1、LPZ2等。LPZOA区内的部分，电磁场没有衰减，可以直接传导各种雷电流，是完全暴露的不设防区。同时，由于LPZOB区内的物体遭遇大于所选滚球半径，对应的雷电流直接雷击的可能性不大，但是依然相当危险。因此，LPZ1区内感应的雷电流比LPZOB小得多，采用屏蔽措施，电磁进一步衰减。LPZ2较LPZ1能够进一步衰减雷电流和电磁强度，具有高屏蔽空间特性。当需要减少雷电流的危害，则应根据建筑特性要求，可增设LPZn级防护区，其中n≥3，并取整。
3.2接闪器设计
接闪器的工程应用设计主要体现在消雷器、提前放电避雷针与IF3预放电避雷针三大方面。消雷器应用设计具有性价比高、简单等特点，当建筑采用分叉、多针避雷针等技术时，雷电场会变得均匀，起晕电压增大，降低了引雷效果。而提前放电避雷针采用比普通避雷针更快的上行先导电路技术，在高层智能建筑工程实际应用中，难以实现引雷而且效果并不显著。IF3预放电避雷针技术与其他邻近点相比，它能够准确提前产生上行先导状态而达到最先放电的效果。该技术具有保护半径大、优先引雷入地、落雷准确和维护简单等优点。因此，结合上述技术的优缺点，本工程设计采用IF3预放电避雷针作为接闪器，同时采用避雷针、避雷带、混合装置组成的接闪器进行施工与设计。
3.3引下线
高层智能建筑物柱子内的钢筋通常作为防雷系统的引下线使用，与建筑内的钢筋等金属部件连接在一起，能够组成具有良好闭合特性的法拉第笼。
在施工过程中，通常采用多根引下线方法来加速雷电流的分流，从而以达到均压和减弱磁场的目的。各个雷电流在引下线中大小相等并且方向相同。因此，由于电流产生的干扰电磁场方向相反，从而会抵消很大一部分电磁场，大大降低了智能建筑电磁干扰，如图3所示。
3.4接地网
在智能建筑的接地技术上，目前主要存在电气设备系统共用接地极和各自系统独立接地极接地技术。前一种技术有利于等电位接地，而各自系统独立接地极接地技术在减少由感应雷引起的负荷冲击方面效果较前者显著，直接可以避免因接地电位升高而导致地建筑物内设备损害。因此，各自系统独立接地极接地技术在高层智能建筑领域具有良好的应用前景。
高层智能建筑内电气设备线路多而复杂的特殊性，决定了在防雷系统设计时，应该将各种接地极，例如交流接地、直流接地、安全地等与法拉第钢筋笼连接在一起，组成同等电压接地体，来达到消除感应过电压的目的。在实际施工中，将各接地极之间的距离控制在20m以上，来消除各个接地系统间的互相影响。
在本工程设计中，采用角钢作为垂直接地体，同时采用扁钢作为水平接地体。应保持接地线与水平接地体的截面相同，将垂直接地体间距及水平接地体间距设计为5m，将垂直接地体的长度设计为2.5m，并且埋设深度为0.8m。
3.5电源线路防雷设计
高层建筑的接地系统通常采用TN-S系统。如图4所示，防雷线路设计。在LPZOA. LPZOR区与LPZO1区交界处，应采用限压型浪涌保护器来与I级分类试验的浪涌保护器进行保护。同时，在LPZO1区起的各分区地交界处安装限压型浪涌保护器进行保护。在建筑线路施工中，应保持平直、简短。
如图4所示，汉峪金融商务中心的防雷系统为TN-S防雷系统，相电线L1，L2，L3与零线N，每一路线路上都设置熔断器与浪涌保护器。当主回路上受到雷击电流时，熔断器与浪涌保护器将电流缩减至最小，甚至断开主回路，以保证回路上的电气设备安全。每一级配电柜都单独设置保护PE线，这些保护线与等电位端子排相连，能够及时将电流引至地下，以保护建筑内人和电气设备的安全。
3.6等电位联接
高层智能建筑在雷电泻放趋肤效应影响下，导致外层钢筋泻放的雷电流是内部钢筋的数倍。而一般机房通常包括外部、内部两个区域。因此，趋肤效应对机房影响较大。而在实际施工时，弱电机房内沿墙敷设等电位30mm×3mm紫铜带一周，并在机房内靠近柱子的角位处，采用直径为8mm的绝缘子进行支撑，同时分别安装一块规格为300mm x100mm x10mm的紫铜板等电位汇流排。另外，采用多股6mm2的铜芯线，将高层建筑物内的电气设备外壳、机架、电源保护线等金属物体相连，同时根据就近原则，将其与汇流排或紫铜带相连接。
共用接地装置与总等电位接地端子通过接地干线连接到智能建筑等电位接地铜排，同时将其引至到电器设备局部等电位接地端子上。采用截面积大于16mm2的多股铜芯导线或铜带作为接地干线线材，以电气竖井内明敷接地干线的形式，将其与建筑物钢筋等电位铜排连接。按照设计要求规定，在不同雷电防护区的配线交接处与楼层综合布线系统设备间设置局部等电位接地排。采用截面积大干16mm2的绝缘铜导线作为楼层配线柜的接地线，通过防雷系统与配线保护接地系统组成共用接地系统，并预埋等电位连接铜排。
4工程施工注意事项
文中主要对现代高层智能楼宇进行雷电防护工程设计与分析，分析了防雷保护技术与施工措施。在进行施工技术方案设计时，应根据高层智能建筑的雷电防护特点，采用内部防雷和外部防雷措施相结合。
根据智能建筑防雷工程的要求，应进行合理、经济、安全可靠的全方面规划。并且，在工程施工时，总结了以下几点：
(1)在工程设计初期，应根据建筑物所处的环境及地理位置和相关的防雷规范要求，来提出相应合理的防雷技术措施。
(2)施工前，技术员应对电焊工人进行技术、质量和安全交底，明确焊接部位、焊接材料以及焊接的质量要求。
(3)为了消除雷电击干扰，最有效的方法是将引下线与各层楼板钢筋相连。
(4)施工人员应根据基础接地图和接地点，对伸缩缝处基础钢筋是否跨接连通进行逐一检查。
(5)当柱内钢筋直径<16mm时，采用柱内四根钢筋作为引下线；当柱内钢筋直径≥16mm时，采用两根钢筋做为接地系统的引下线。
（6)设计过程中，在综合考虑如何降低室内感应磁场和引下线电位两个因素的前提下，对接地电阻值进行选型。
(7)为防止电气线路及设备产生过高的电流与电压，即电涌电压电流。高层建筑内部防雷设计通常采取线路屏蔽与接地等措施。实际施工中，通常可采用的导线有控制电缆、同轴屏蔽电缆、屏蔽双绞线等。
(8)在施工工程中，控制电缆应与流过雷电流的接地线保持一定的距离，避免线路产生过高的电压。同轴电缆的外套屏蔽管在可靠接地情况下，它能够降低由雷击线路过电压与感应过电压的危害。
(9)在同轴电缆线端接避雷器产生的避雷效果更为显著。双绞线线路的特殊结构决定了其拥有极好的电磁场感应平衡的优点，双绞线应与流过雷电流的接地线保持一定的距离，并且将其安装在比较好的屏蔽管中。
