建筑防雷探讨

2018-12-06龚利毅

中国建材科技 2018年4期

关键词：屏蔽雷电电位

龚利毅

（上海闵衡建筑检测研究所有限公司，上海 201199）

雷电是一种常见的自然放电现象。雷电具有非常大的破坏性和危害，对人员和建筑物威胁极大，是高科技的天敌。从飞行器、输电线路、电子系统到家用电器，都极易受到雷电破坏。

所以探讨有效的防雷技术，对建筑做周全的防雷措施，是极其必要的。设计建筑物防雷措施时，应该充分考虑到当地天气情况、建筑物的构造、室内电器的安装、综合布线等因素，将潜在的雷电破坏可能性降到最低。

1 雷电的产生以及防护措施

雷电常发生于对流层，积雨云上下部的电势差达到限值时，就会发生放电。这就是我们见到的雷电现象。雷电流周围会产生强大的电磁场，使得附近的导体或者电器设备产生上万伏或更高的感应电压，破坏建筑物，中断电力通讯，甚至危害人员生命安全。

雷电破坏主要有三种：直接雷击、雷电感应、电磁脉冲。

1.1 直接雷击

直接雷击是指雷电直接作用在表面或设备上。

防护措施：通过在外部设置接闪器，连接引下线，将接收的雷电流导入大地。接闪器主要有以下几种：避雷针、避雷带和避雷网，作用是截获雷电，电流经引下线散入大地。

1.2 雷电感应

雷电感应也被称为感应雷。雷电附近的电磁作用产生雷电感应，分为静电感应和电磁感应。它可能使金属部件之间产生火花从而损害设备。

防护措施：屏蔽、等电位连接、安装SPD等。

1.3 电磁脉冲

电磁脉冲是一种干扰源，表现为：空间电磁脉冲、浪涌电压和地电反击。

防护措施：屏蔽隔离、接地、均压、安装电涌保护器等。

2 建筑物的防雷措施

综合防雷系统包括外部防雷系统和内部防雷系统。外部防雷系统拦截直接雷击；内部防雷系统防护雷电感应和电磁脉冲。

图1 综合防雷系统

2.1 外部防雷系统

外部防雷系统是最直接经济的方法，主要是拦截直接雷击。外部防雷用接闪器、引下线和接地形成一个完整的电气通路，截获闪电并引入大地。设计时，根据规范通过滚球法计算接闪器和引下线的设置，覆盖保护建筑。

2.2 内部防雷系统

内部防雷系统防护雷电感应、电磁脉冲、雷电波侵入等。做法是屏蔽、等电位连接、在用电前端装设SPD、共用接地等。

2.2.1 屏蔽

屏蔽主要是防护建筑物内的精密仪器。随着社会进步，电气设备灵敏度高且耐过压、耐过流低，易受到雷电的影响甚至破坏。因此，我们应根据建筑物自身特点，合理设计，尽量利用建筑物结构中的钢筋，构成一个六面体的法拉第网笼避雷网，防护空间电磁波辐射。除此外，法拉第网笼还可以整体防护球雷、侧击雷等，在引流过程中，法拉第网笼泄流分压效果也很好。

2.2.2 等电位连接

等电位连接是消除雷电入侵威胁的必要措施，可有效降低接触电压和故障电压的危险。根据IEC的定义，等电位连接是指对外露导体做电位相等的电气连接，它不构建电气回路，所以不传输电流，只传送电位。设计总等电位连接时，应在进线处，将各种金属构件互相做电气连接并接地，使得导体之间、导体和接地之间都不存在电位差，形成安全的用电系统。合理的等电位连接系统，可显著减小引下线电流，降低其周围的电磁感应，保护设备的安全。

2.2.3 在用电前端装浪涌保护器SPD

SPD的作用是限制瞬时过电压并泄流，保护设备不受冲击。由于雷电瞬时电压很高，是最有破坏性的浪涌电压，所以应根据设备的耐压水平，合理设计多级SPD防护，使限制电压低于耐受电压为止。SPD又称为避雷器，按照工作原理分为三种：短路开关型、钳压型和组合型。

2.2.4 共用接地

电气专家倡导共用接地，这是电气技术发展和实践经验的认知。建筑内设备繁多，独立接地分散于各地，从电气理论来说，采用独立接地是不科学的，效果差且容易造成耐压度低的设备损害。整个系统应形成一个公用接地系统，将分散的电气设备尽量连接在一起。如无法做到这一点，应设计其他保护，防止地电位反击。

3 建筑物的防雷设计要点

建筑物防雷是整体工程，应该对内外部防雷系统作全局考虑，还要根据建筑物所处环境，综合考虑附近的规划。

3.1 接闪器设计

根据GB50057-2010，将建筑物分为3类，采用球形法计算接闪器防护范围。屋面设置接闪器，通过引下线接地。接闪器一般分为避雷针、避雷带和避雷网。在屋角、女儿墙、以及屋顶水箱等凸出部分应设置避雷带，屋面金属导体应与避雷带连接。各种被保护设备与接闪器之间保持安全距离。

3.2 引下线设计

引下线设计主要考虑泄流效果。引下线截面积和数量直接影响泄流效果。当通过引下线的雷电流较小时，感应范围和电磁效应也相应较小。设计中，引下线间的距离不低于规范要求。当建筑物高度大于30米时，每3层设置均压环，30米以上凸出金属导体必须与引下线做电气联接，防止侧击雷危害。引下线通常采用结构混凝土内的钢筋钢柱，并与地基基础的钢筋连通接地。

3.3 屏蔽设计

将建筑物混凝土内的钢筋进行有效焊接，并与基础钢筋网电气联接，构成法拉第笼，形成最外面屏蔽。进出建筑物的所有线缆应尽量埋地敷设，架空敷设线路，转换接线处宜设置SPD。为增强屏蔽，用金属管过电线电缆，金属屏蔽连接处跨接，两端电气联接。

3.4 等电位连接设计

在信息机房、控制中心、监控中心等处设置局部等电位端子，局部等电位端子与总等电位箱连接并接地。各种设备通过SPD就近连接等电位端子。弱电竖井安装镀锌钢板，作为引下线与配线架、电缆架、穿线钢管和设备柜相连。对于实际建筑物的等电位设计，有意识地将建筑钢筋网和接地可靠连接，并将金属管线及导体与钢筋网焊接，使建筑物各设备之间以及设备与接地之间不存在明显电位差，整体成为一个等电位体。

3.5 浪涌保护器设计

当电气回路或者通信线路发生瞬时高电压时，SPD可瞬间导通泄流，保护设备不受损坏。一般来说，因为雷电能量巨大，可采用四级防护。第三级SPD应设在建筑物主配电箱前端，第四级SPD应设在被保护设备的前端，接线时注意与电源相线一一对应，接地端与电源的PE端子排连接，两者间的接线平直且不大于0.5米。

3.6 共用接地

工作接地、保护接地和防雷接地共用一组接地系统，施工方便且维护简单，具有很强的实用性。而且各个接地电阻并联后的共用接地电阻小于独立接地总电阻，接地效果明显。实践证明，很多情况下各种接地系统很难互不影响。共用一组接地，不会引入电位差导致事故。因此，一般以基础钢筋网为接地端，采用联合接地。如接地电阻达不到要求或者设计接地电阻较小，可另加设人工接地装置。