南宁超高层建筑雷电绕击率分析研究

何 宽，郭 媛，徐源徽，韦卓运

（广西区防雷中心，广西 南宁 530022）

0 前言

现代社会里，雷电灾害越来越频繁。虽然超高层建筑的直击雷防护装置设计得比较完备，但在保护空间内的物体还是会被雷电直接击中，特别是超高层建筑的中间层遭受雷击的事故屡见不鲜，即存在绕击现象。绕击现象是指雷电击中在接闪器保护范围内的被保护物上的雷击现象。雷电先导的发展起初是不确定的[1]，直到先导头部电压足以击穿它与地面目标间的间隙时，也即先导与地面目标的距离等于击距时，才受到地面影响而开始定向。绕击为超高层建筑物的雷电防护带来新的挑战。所以研究不同高度的绕击率特征有重要的现实意义，通过研究得出的结论，能给超高层建筑物的防雷设计施工提供有效的建议，提高超高层防雷装置的防护效果，保护建筑物。

1 电气几何模型计算绕击率

目前，计算雷电绕击率的方法有规程法和电气几何模型（EGM：Elecfrical Geometric Model）法两种，规程法是建立在经验累积的基础上制定的，由于用规程法计算绕击率时并未考虑雷电流的过程，存在一定缺陷。电气几何模型法[2-3]，利用最大击距的方法来判断被保护物是否会遭受雷电绕击，引入雷电流幅值来计算绕击率，结果更加客观。

《建筑物防雷设计规范》[4]提供了击距R与雷电流幅值I电气几何模型：

式中：R 为击距（m）；I为雷电流幅值（kA）。

根据电气几何模型知，最大绕击距Rm对应一个雷电流Im值，称之为临界雷电流Im，只有小于临界雷电流Im的雷电才有可能发生绕击。

先导在临界击穿距离范围内，当与地面目标的距离等于击距时，才受到地面影响而开始定向，此时的击距即滚球半径。依据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010），第一类防雷建筑物的滚球半径R为30 m，二类为45 m，三类为60 m。当发生的雷闪的击距小于等于R时，也就是小于雷电流强度对应的滚球半径临界值时，防雷装置保护范围就变小，产生绕击，建筑物顶端的防雷装置就会失效。当雷电的距离等于或大于该雷电流强度对应的滚球半径临界值时，雷电流将被屋顶的防雷装置接闪。根据EGM算法的公式（1）滚球半径对应的临界值为：第一类防雷建筑物，滚球半径R=30 m，I=5.43 kA；第二类防雷建筑物，滚球半径R=45 m，I=10.14 kA；第三类防雷建筑物，滚球半径R=60 m，I=15.79 kA[5]。每一次雷击有相应的I值，当I值小于各类的的临界值时，就会发生绕击现象。

超高层建筑物绕击概率分析：

按照GB50057-2010的规定，超高层建筑物为第二类防雷建筑物。

（1）利用IEEE（std 1243-1997）推荐的雷电流幅值I的概率P公式：

其中：P为雷电流幅值大于I时，P的累积概率。

（2）还可以依据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T620-1997）推荐采用的雷电流幅值累积概率分布模式：

PI为大于雷电流临界值的累积概率，所以建筑物的绕击率P为（1-PI）。

根据公式（2）和（3）两种方法，和南宁市2018年雷电定位监测数据的雷电流幅值统计得到南宁市电气几何模型法防雷装置绕击率，如表1所示。

表1 南宁市电气几何模型法防雷建筑物绕击率

从表1可以发现，对于第一类防雷建筑物建筑物，IEEE（std 1243号）更贴近实际雷电数据统计的绕击率，对于第二类和第三类防雷建筑物，DL/T620的算法更加与实际雷电数据统计的绕击率一致。对于超高层建筑物（第二类防雷建筑物）而言，采取电气几何模型加上DL/T620的算法更能体现本地特点。对于超高层建筑的超高部分，绕击率实际值比计算值大，应以实际值为准。

图1 防雷建筑侧击雷累积概率随高度变化曲线

2 超高层绕击率的变化分析

以东盟商务区某超高层建筑XX世纪为例，建筑高度381 m，随着高度的增加，每个高度的绕击率会发生变化。

按照GB50057-2010的规定，超高层建筑物的防雷分类为二类。屋面已有完备的直击雷防护装置。击距即滚球半径，建筑物高度上升，击距增大，滚球半径增大。以高度30 m对应的雷电流幅值5.43 kA为最小临界值开始计算分析。根据公式（1）。当I＜5.43 kA时，该建筑物30 m以下的侧面可能遭受雷电流的绕击；当I＜15.7 kA时，60 m以下可能遭受雷电流的绕击；当5.43 kA＜I＜15.7 kA时，30 m～60 m部分可能遭受雷电流的绕击[6]。

为了进一步展示建筑高度与绕击雷电电流幅值之间的关系，采取不同建筑高度进行计算，通过公式（1）得出超高层建筑不同高度对应的雷电流幅值临界值，小于该值的雷电流累积比例就是该高度以下建筑部分可能受到的绕击率[7-8]。通过2018年南宁市雷电定位系统的云地闪数据进行统计，得出小于某雷电流幅值的雷电次数比例。例如：滚球半径30 m对应的5.43 kA＜I的雷电流的云地闪的次数为38 238次，占全年云地闪次数1 385 001次的2.76%，滚球半径60 m对应的15.7 k＜I的雷电流的云地闪的次数为619 286次，占全年云地闪次数138 5001次的44.71%。将统计结果绘制如图1，防雷建筑绕击率累积概率随高度变化曲线图。

从图1可以看出，随着建筑物高度的增加，第二类防雷建筑物遭受侧击雷的概率在增大，并且这种概率迅速增大，近乎成指数增长。在到达120 m之后，比例无限接近100%，绕击的必然产生成为计算的结果。

3 超高层防雷装置施工建议及防雷检测方法

3.1 施工建议

（1）在建筑物上部占高度20%的部位，各表面上的尖物、墙角、边缘、设备以及显著突出的物体，应按屋顶上的保护措施处理；接闪器应重点布置在墙角、边缘和显著突出的物体上。

（2）外部金属物，当其最小尺寸符合GB50057的规定时，可利用其作为接闪器，还可利用布置在建筑物垂直边缘处的外部引下线作为接闪器。

（3）外墙内、外竖直敷设的金属管道及金属物的顶端和底端，应与防雷装置等电位连接。外墙幕墙上下四个角应接地，水平方向接地间距不应大于防雷引下线的间距，垂直方向接地间距不应大于均压环的间距，如无均压环，宜每三层接地一次。窗口为塑钢窗时，有金属骨架且有金属条外露的塑钢窗应与均压环相连。无金属骨架的可以不连接。

3.2 检测方法

按设计要求有防侧击措施的楼层开始进行检测。检测外墙金属门、窗、栏杆与防雷装置的连接情况，宜采取抽样检测的方法。

（1）抽样方法。建筑物外墙金属门、窗、栏杆检测抽样方法抽样数量要求。抽测数量为应检测总数量的10%。楼层抽样方法为抽测的楼层数不少于10%，至少抽测三层，采取防侧击雷措施的首个楼层以及顶层必测，首个楼层与顶层之间的楼层均匀抽测。选定抽测的楼层外墙上所有金属门、窗、栏杆全部检测。当某些原因所选抽测的楼层金属门、窗、栏杆不能全部检测时，应增加楼层进行检测，以满足抽测数达到应检测总数的10%。

（2）有均压环的楼层数少于3层时应全数检查，多于3层时抽查不得少于3层，对有女儿墙盖顶的必须检查，每层至少应查3处。无均压环的楼层抽查不得少于2层，每层至少应查3处。

（3）检测均压环材型规格、环间垂直距离、与引下线连接方式应在施工过程中进行。外墙非金属突出物安装的接闪器是否与防雷装置连接。外墙金属突出物是否与防雷装置连接。检测幕墙与防雷装置的等电位连接是否符合JGJ/T 139-2001中4.2的要求。

（4）在选定抽测的楼层，测量该楼层电气竖井接地扁钢或预留接地端子（当没有电气竖井接地扁钢或预留接地端子时，任意选择该楼层某个外墙金属门、窗、栏杆）的接地电阻，当其值符合要求时，将这个点作为基准点，使用等电位连接测试仪或微欧计测量其他金属门、窗、栏杆与基准点的过渡电阻，过渡电阻应不大于0.2 Ω。

4 结束语

超高层建筑物防雷是有其特别之处，绕击率是比一般建筑都高。本文在电气几何模型的计算框架之下，探讨了依据IEEE（std 1243号）、DL/T620和南宁市雷电定位监测数据三种方法绕击率的对比，证明在45 m以上用DL/T620的方法与实际监测的雷电数据更加贴近，绕击率实际值比计算值大，应以实际值为准。而且随着建筑物高度的增加，绕击率迅速增大，近乎成指数增长。在到达120 m之后，比例无限接近100%，绕击的必然产生成为计算的结果。并根据超高层建筑物的防雷特点，对侧击雷的防护提以上建议为更好保护人民群众的人身及财产安全。