建筑物雷电防护技术分析

2021-03-12王明磊

南方农机 2021年5期

关键词：暂态避雷针弱电

王明磊

（赤峰市气象局，内蒙古赤峰 024000）

0 前言

随着建筑物规模和高度的不断提升，多样化现代电气设备的广泛应用，建筑物受到雷电伤害的概率不断提高，很容易导致建筑物及使用者受到严重伤害。为提升建筑物防雷性能，雷电防护技术的科学选用极为关键，由此可见，本文研究具备较高的现实意义。

1 建筑物雷电防护技术应用要点

建筑物雷电防护技术的应用会受到多方面因素影响，结合相关理论研究和实践探索，本节将围绕科学选用雷电防护技术、明确避雷针使用要点、保证接地与等电位连接合理性三方面探讨建筑物雷电防护技术应用要点。

1.1 科学选用雷电防护技术

不同建筑物存在不同的构造，同时所处环境、具体功能也存在一定差异，因此，雷电防护技术的应用必须结合这种差异，不得盲目采用统一的雷电防护技术，只有针对性选用技术，方可最大化提升建筑物防雷性能。在具体实践中，需关注建筑物防雷保护区的科学划分，具体需要强化对电子设备及仪器的重视，并对这类设备仪器的性能特点进行研究。同时，还需要考虑雷击干扰后建筑物出现的连锁反应，相关物品因电流而损坏属于其中重点，由此充分考虑不同建筑物受到的雷电威胁，充分结合安全和经济实现雷电保护区的科学划分。此外，考虑到建筑物内部存在对雷击抵抗力较低的电子系统，雷击往往会对这类系统造成严重伤害，基于这种伤害预防的雷电防护技术应用也需要得到重视[1]。

1.2 明确避雷针使用要点

避雷针广泛用于建筑物防雷工程，属于常用的建筑物雷电防护技术，主要由接地体、引下线、接闪器组成，通过引雷的方式向地下导入强大的电流，即可保护建筑物安全。在避雷针的应用中，必须认识到该雷电防护技术并不适用于所有建筑物，且不同建筑物的避雷针应用也存在一定差异，避雷针较为适合设置于建筑物的顶部突出设施处。值得注意的是，在一些特殊物质干扰下，如建筑物内部的引线和金属管道相互隔离，避雷针的设置必须得到重视，此时避雷针能够在建筑物雷电防护中发挥关键性作用。为实现避雷针的科学应用，必须明确其适用范围，相关设计的优化开展、雷电击中范围的准确计算也需要得到重视[2]。

1.3 保证接地与等电位连接合理性

接地属于建筑物防雷的重要组成部分，大量接地环节存在于建筑物装修过程中，虽然这类接地存在较小的电流数值，但故障出现后引发的短路很容易引发安全问题，为规避安全事故，人身安全防护必须在雷电防护技术应用中得到重视。对于电气设备外壳，接地措施的合理选用极为关键，外壳损害对人身安全造成的威胁需设法规避，避雷针安装涉及的接地配置也需要科学开展，以此更好保证建筑物使用安全；等电位连接采用金属材质，由于具备一定导电性质，等电位连接对于独立防直击雷装置需选择地平面位置，室内等电位连接需同时针对性基于外来导体设置[3]。

2 建筑物雷电防护技术的具体应用

2.1 案例概况

以某地商住两用的高层建筑工程作为研究对象，工程由12座30层的高层建筑组成，每栋建筑高120m，建筑面积为14.4万m2，地下共1层，为1.2万m2的地下车库。工程的雷电防护技术应用需结合地势环境明确落雷概率，并结合工程实际明确雷电防护要求，通过计算可确定该工程的防雷等级为2级，由于工程属于典型的智能建筑，内部存在大量电子信息系统，因此，其防雷级别为C级。最终，工程通过雷电防护技术的科学应用得以拥有全面、系统的防雷能力，该工程具备较高借鉴价值。为直观展示案例工程的雷电防护技术应用，本节将主要围绕防雷整体设计、外部防雷方案、内部防雷方案开展深入探讨。

2.2 防雷整体设计

为满足智能建筑防雷需要，将整个工程的建筑群视作系统性工程，以此预防雷击灾难，重点防范雷电对电子信息系统、弱电系统的危害，最终确定了如图1所示的防雷整体设计。

2.3 外部防雷方案

为实现对外部雷击的防范，工程针对性设置了接地网、接闪器、引下线。由于工程属于典型的高层建筑群，按照《建筑物防雷设计规范》规定，楼体高度在30m以上的建筑，每三层需要连接均压环，需要将门窗等金属结构与防雷设施连接。因此，工程楼体引下线通过焊接四根主钢筋组成，同时保证存在25m内的各个引下线距离，下接地表的扁钢同时设置于钢筋接近地面1m处，这一设计保证了分流充分且磁场能够相互抵消；接闪器安装于高层建筑顶端四周，负责承受雷击和保护建筑，工程接闪器选择提前放射式避雷针与避雷带；接地极的设置充分考虑了工程存在的大量电子信息系统，为应对错综复杂的线路，工程建立了共用接地体，其能够完整连接楼体的法拉第笼，可发挥消除电位差和互通效果。考虑到接地极埋设情况和大小直接影响接地电阻，工程对地下基础钢筋进行了充分应用，并设置镀锌扁钢于楼体的基础四周，规格为40m×4m，在楼体外地坪1m下埋设，通过涂刷沥青保证其防腐性能[4]。

图1 防雷整体设计

2.4 内部防雷方案

图2 避雷器安装位置示意图

作为典型的智能建筑，内部防雷属于本文研究工程雷电防护技术的应用关键，这是由于工程内部设置有大量电子线路和电子设备，雷击形成的强大瞬时磁场很容易导致线路和设备受到干扰，严重时还会引发损坏问题，因此，工程重点开展了配电变压器防雷设计。对于防雷需求较高的配电变压器，为避免其受到雷电伤害，保证供电稳定性，工程在装设避雷器的过程中严格控制了残压，通过缩小残压至一定范围，限制雷电波陡度。为实现对变压器所有设施的保护，需靠近变压器设施设置避雷器，具体采用串联间隙氧化锌避雷器，这类避雷器具备可连接脱离器、存在平时不用承压的阀片，这使得其具备较长的使用寿命且问题出现后的保护性能更为出色，避雷器安装位置示意图如图2所示。

对于拥有较为复杂电子系统的智能建筑来说，雷电对这类建筑的伤害一般不通过电流实现，而是依靠通过瞬时的磁场，由此造成的伤害会导致电子信息系统无法正常工作，严重时甚至会导致其损坏或引发安全事故。因此，雷电防护技术的应用需设法提供多层次的电子系统保护。以智能建筑的“一卡通”系统为例，需要设置三级保护，位置分别为终端设备的末端、终端设备与主控机设备间的传输线路、变压器靠近建筑侧，由此即可充分释放室外感应的过电压、释放内感应过电压与残压、释放两级残压。

为更好实现内部防雷，工程还科学开展了雷电防护区的划分，高层建筑防雷区由五部分组成，具体如图3所示。图中的A区指的是直击雷非防护区，属于无法防护的建筑物外部区域，对于这一区域的物体来说，雷击无法完全避免；图中的B区为直击雷防护区，对于这一区域的物体来说，直接雷击的几率较低，同时几乎不存在的电磁场承压；图中的C区为第一防护区，该区域存在相对较小的导体雷电流，同时存在较小的电磁场，被雷直击的可能性极低；图中的D区为第二防护区，该区域基于一定措施可实现电磁场和雷电流的进一步衰减；图中的E区为后续防护区，该区域需要设法进一步实现雷电流与电磁场的衰减。

图3 防雷区划分示意图

为进一步强化工程的内部防雷，案例工程在雷电防护技术应用中还采用了如下三种措施：1）均压。在雷击出现于建筑物周边时，基于相应的路径暂态雷电流会进入楼体内部，暂态电位上升的各个部位因此出现，这类部位与附近金属将形成暂态电位差，过高的暂态电位差可能引发击穿现象，反复进行的这种现象还会导致具有高电位的金属出现，电子设备正常运行将受到严重影响。为规避相关问题，工程采用了连接楼体内关键金属电气的方式，以此保证等位电位存在，电位差的形成得以规避，具体对象涉及电源、天然气管、水管等金属，由此可保证雷击带来的感应电压不会引发电压击穿问题。2）等电位连接与接地。均压效果的实现离不开等电位连接和接地的支持，具体需实施于楼体内外交界处，跨越楼内外的金属设备和物体需要进行连接，以此消除弱电受到的感应过电压干扰。工程在机房中沿着墙体进行总等电位铺设，即30mm×3mm铜线，支撑物采用F8绝缘子，同时安装等电位的汇流排于机房四周角落，为构成等电位体，还需要将墙体内钢筋与等电位的汇流排连接。对于流体中存在金属外壳的物体，汇流排需通过铜线与这类物体进行就近连接，等电位端子板与等电位最终连接，并随之连接防雷装置。3）屏蔽。对于存在大量多半导体构件的建筑弱电系统来说，这类半导体构件的抗干扰能力较弱，弱电性质的线缆也存在同类问题，雷电波带来的感应电磁场很容易危害弱电系统，因此，工程针对性选用了屏蔽措施。在雷击发生前，较大的暂态电磁脉冲变化率会因暂态过电流引发，这会直接影响相关设备和线路，计算机等弱电设备受此影响很容易出现硬件损害，由此带来的经济损失和安全威胁必须设法规避。在具体的屏蔽措施选用中，工程采用弱电设备外壳接地的方式，同时采用压敏电阻可靠连接电缆线缆，并选择二极管期间连接屏蔽电缆出入口的屏蔽体，暂态过电压可由此在仪器出入口截住。此外，工程中的钢筋、门窗、护栏等金属构造也得到了充分利用，通过这种建筑物的自然屏蔽，电气化连接建筑金属构造，屏蔽笼得以形成，以此实现电磁波的衰减，内部电阻性设备屏蔽需求得以有效缓和，相关损害和事故的发生几率也得到了有效抑制。