论高层建筑的电气防雷与接地——以某工程为例

朱毅斌

厦门市建设工程质量安全监督站（361000）

论高层建筑的电气防雷与接地
——以某工程为例

朱毅斌

厦门市建设工程质量安全监督站（361000）

为了使建筑物本身、建筑等电位、电气和电子设备、玻璃幕墙和铝合金门窗、智能建筑等系统能安全有效地运行，往往需要多种类别的防雷和接地装置，如何进行科学、有效、合理地设置以及可靠的连接对于建筑物特别是高层建筑至关重要。是电气工程师首要考虑的问题，以下本文以某工程为例，对高层建筑的防雷与接地的施工进行探讨。希望能供同行以后施工时参考借鉴。

建筑；防雷；接地

0 前言

高层建筑结构复杂、专业齐全，包括电气、综合布线、建筑幕墙、电梯、消防报警等系统，这些系统的接地都有其严格的要求。由于建设单位往往把这些系统分包给不同的专业队伍，造成各专业在接地系统施工中脱节甚至遗漏，给建筑物使用留下安全隐患，因此必须重视各专业在接地施工中的协调配合与沟通，并应加强接地系统的测试、验收工作，确保接地安全可靠。笔者认为如何进行科学、有效、合理地设置及安全可靠的连接对于建筑物特别是高层建筑至关重要。是电气工程师首要考虑的问题。

1 工程概况

某商业大楼由地下1层、地上27层的主楼及裙楼组成，总建筑高度约90 m。主楼屋面设计为钢结构塔楼，顶端设有针式接闪器。低压系统的接地形式采用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2.4 m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。该工程的计算机房、重要数据处理中心、程控电话机房、闭路监控中心以及消防控制中心等均采取有效的抗静电措施。该工程防雷接地、保护接地、变压器中性点接地及弱电接地共用同一接地体，共用接地体接地装置的工频接地电阻要求不大于1 Ω。

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 防雷接地装置结构设置

3.1 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。

3.2 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。

3.3 独立接地已基本被取代

独立接地是指需要接地的系统分别独立地建立接地网，且各接地网之间要求有足够的距离。这种接地方式在20世纪50和60年代采用较多，原因是各接地系统之间不会造成相互干扰，这一特点在通讯系统中显得尤其重要。但近年来这种独立的接地方式除非在特别危险的环境下必须采用外，在绝大多数情况下，均采用共同接地方式。由于在一座建筑或一个建筑群范围内，分别做几个互相没有电气联系的地网是相当困难的，尤其在现代的大城市更是如此。因采用独立接地方式时要求各地网之间至少要有近20 m的距离,同时又要与各种地下金属管道、电缆金属屏蔽层和各大金属构件有足够的距离。这些要求在实际设计和施工中是难以做到的。即便在新建系统时做到了，在日后的系统维护和改造中也极易受到破坏。以上是独立接地逐渐被取代的根本原因。

4 建立健全层层防护的建筑防雷接地体系

4.1 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。事实证明，这种措施是非常必要的。

4.2 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。马尾地区属高雷暴区南面闽江周边空旷。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99 m，防雷按二类防雷保护措施设计接闪网格要求不大于10 m× 10 m，裙楼主要是附属建筑，建筑高度为24 m，防雷按三类防雷保护措施设计接闪网格要求不大于20 m×20 m。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。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。建筑物在防雷方面不论采用什么形式的防雷系统，首先必须考虑防雷效果，对建筑物内部设备的保护,同时还应考虑施工实现的问题。

4.3 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》(GB 50057－2010)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三级保护。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三级保护，并将配电箱的金属外壳与建筑的防雷接地系统可靠连接。

4.4 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。

4.5 智能建筑的防雷接地处理

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。特别指出:对于二类防雷建筑物应采取防直击雷，防雷电波侵入以及防雷电感应过电压的接地措施。本工程交流电源系统采用分级保护办法，即根据建筑物雷击电磁脉冲防护等级,在配电线路和建筑物的防雷区的交界处，安装多极电涌保护器，并采用相应等电位连接。此外在隔离措施上智能建筑弱电设备对雷电产生电磁脉冲十分敏感，要特别注意它们的屏蔽问题。本工程将各专业机房沿墙四周做一圈环形接地体，并作局部等电位连接，设有单点连接的接地基准点。环形接地体与机房屏蔽笼上的结构钢筋每隔一定距离做多次电气连接，宜每隔5 m左右连接一次。电子设备间的接口，电缆采用隔离变压器进行直流隔离。同时信息电缆还可采用光纤电缆和光耦合器进行隔离。另外还应注意的一点，就是信息系统的防直击雷保护应采取抑制性的方法，以减少和避免直接雷击，采用共用接地系统时，接地电阻值不应大于1 Ω。

5 结语

总之,现代高层建筑的防雷与接地是统一的，二者缺一不可。只有防雷而无接地，无法迅速泄流放电，反之，建筑或设备将直接遭受强大电流的冲击。无论是哪种情况,系统都将受到严重破坏甚至瘫痪。因此，只有对防雷和接地装置进行科学、有效、合理地配置，使之融为一体，才能最大限度地发挥其防护效果,从而有效地确保建筑及其各系统的稳定、安全、运行。