浅谈高层建筑防雷接地设计

浅谈高层建筑防雷接地设计
1.雷暴活动的基本规律
雷电是一种宏伟的自然现象。

雷电活动的强弱通常是由平均雷暴日来表示，它的活动强度是因地区而异的。

我国年平均雷暴日大致可分为四个区域：西部地区年平均雷暴日一般在15天以下；长江以北地区年平均雷暴日一般在15～40天之间；长江以南地区年平均雷暴日可超过80天；海南省时我国雷电活动最强烈的地区，年平均雷暴日高达120～130天。

所谓雷暴，定义为积雨云、云中、云间或云地之间产生的放电现象，表现为闪电兼有雷电，有时亦可只闻雷声而不见闪电。

就地区活动规律来看，雷电活动是自北向南逐渐加强的。

就黑龙江情况来看，年平均雷暴日都在30～65天之间，属于轻、中雷区。

参考雷暴日和建筑物高度，来确定是否装防止直击雷装置（表略）。

对比山区、平原、海岛及海边的雷暴情况，根据气象资料对雷暴和雷害事故多年的统计数字表明：山区﹥平原﹥海岛及海边。

在山区、雷击部位的累计率规律一般是山脚﹥山坡﹥山顶。

单就一个建筑物来看，屋角与檐角的雷击率最高。

而屋脊与屋檐的雷击率则与屋坡度有关，坡度越大，屋脊的雷击率也越大，而屋檐的雷击率则越小。

2.高层建筑的结构特点及防雷设计
据有关雷电测试资料得知：雷云的最低高度一般在距地面20米以上，就50～100米高层建筑而言，不但其顶部高耸入云，而且其中部也深入雷云之中。

因此，要使高层建筑免遭雷击，不但高处设防，侧面雷击也不可忽视。

根据高层建筑结构特点，其基础是向下纵伸，内部有大量钢筋。

这就给防雷设计创造了有利条件，可直接用作避雷网带、引下线、接地装置。

当建筑物顶部防雷装置落雷时，大量的电荷将沿着防雷引下线，并通过防雷接地装置流入地中。

雷电流最大峰值可达200千安以上，而其延续时间仅几十微秒。

此时，将在防雷引下线的电感与电阻和接地装置的电阻上，产生很大的电压降。

经理论计算与模拟量可以验证，在引下线上每米电位差可达一万伏以上。

当建筑物高度超过100米时，顶部防雷装置同接地装置之间的电位差可达100万伏以上，容易引起引下线和与其相连的金属部件，同与其相邻的金属体之间产生反击放电。

与此同时，强大而波形陡度很大的雷电流通过引下线时，对其周围导体能产生电磁感应。

在这种情况下，非屏蔽的导体接近防雷引下线时便容易引起高电位，对导体反击放电而导致绝缘击穿。

若是采用有屏蔽层的导线（如铁管穿线），并将此屏蔽层同防雷引下线实行等电位连接。

当雷电流分流通过此屏蔽层时，将会在屏蔽层内的导体上感应出互感电势，其数值正好等于屏蔽层上的电压降，只要屏蔽层同导体的一端是等电位连接的，便可使导线绝缘两侧电位差正好等于零，从而使绝缘免遭击穿。

故高层建筑物内电气线路应采用铁管配线。

如果采用电缆，则宜采用有屏蔽的电缆，或将电缆敷设在封闭的金属线槽内。

除有特殊要求的接地外，各种接地应与防雷接地共用接地装置。

在高层防雷设计中，由于雷电流的散流途径长，从接闪器到引下线到接地装置的电位梯度大。

因此为了均衡电位，降低电位梯度，应对高层建筑30米以上部分，应每隔三层设均压环。

将引下线与水平层内的圈梁内的钢筋结成闭合通路。

同时还须将建筑物内的钢筋砼结构中全部钢筋连接成统一的导电系
统，即构成一个大的法拉第笼，再接到接地装置上，便可构成一个安全可靠的暗装笼式防雷网，这个防雷网对雷电来说，就可以起到均压和屏蔽作用。

3.基础接地体的应用与分析
基础接地体的应用中，存在着各种不同的看法：有些人认为，在基础内的钢筋被砼包住，就不可能与大地导通，这样怎么能够起到接地体的作用呢？事实上，干燥的砼是很好的绝缘体。

而含有水分的砼却又是另一种情况。

在制造钢筋砼基础的过程中，硅酸盐水泥和水互相作用，干涸后，砼中存在着许多细小的分支毛细管，基础的钢筋砼与含水分的土壤接触时，毛细管将水分吸到砼里，使砼保持较高的含水量，因而降低了砼的电阻率。

从砼的电阻率实测值数据可以看出，钢筋砼基础作为接地装置是有利的。

但有些钢筋砼基础确实不能作接地装置，象防水水泥、铝酸盐水泥、矾土水泥及异于硅酸盐水泥的人造材料水泥做成的钢筋砼基础，就不能做接地装置。

混凝土浇灌前，各钢筋之间必须构成电气连接。

这里所指的“连接”，并不要求各点都要焊接，而是将建筑物内结构钢筋进行绑扎或可靠的搭接。

这种连接点从电气角度出发，似乎是不适宜的。

但是，从实践中发现，这些绑扎在电气连接方面很有效。

一般情况下，一个完整的建筑物结构中，存在着上千个这种连接点。

当雷电流通过这些连接点时，有可能把绑扎在一起的钢筋焊接起来，如点焊一样。

当雷电流通过以后，一个这样连接的电阻，下降至几个毫欧的数值。

所以钢筋之间用普通铁丝绑扎的连接点，应视作做够可靠的。

采用基础接地体后的接地电阻能否满足要求呢？通过国内外一些实测接地电阻和试验证明：所有柱子基础的钢筋体，通过基础地梁钢筋连成整体，就可能获得一个相当低的接地电阻。

因为雷击是一个波头陡斜的脉冲电流波，这样电流通过基础钢筋接地体，其接地电阻就可以显著地下降。

我国国内在广州市几个高层建筑物基础的接地电阻，实测结果为0.2～2.8欧。

这就证明自然基础接地体，对建筑物防雷接地电阻的要求，是足够满足的。

同时将整个建筑物的所有柱子的基础地梁，连接成一电气通路，更为安全可靠。

最后再谈一下如何处理好跨步电压的问题。

所谓跨步电压，即当雷电流经地面雷击点或接地体流入周围土壤时，在它的周围形成了电压降落，这时人站在接地体附近，由于两脚所处电位不同而跨接一定的电位差，因而有电流流过人体，通常称距离为0.8米时，地面电位差为跨步电压。

为了降低跨步电压，一般要求接地体，远离人流入口处、人行道等主要通道的距离为3.0米。

但采用了暗装防雷网及基础接地，接地体已在建筑上，无法做到这一点，故只有深埋接地体，来达到降低跨步电压的要求。

通过计算证明：跨步电压和接地体装置的埋深有直接的关系。

实践证明，埋深接地带1.0米以上，跨步电压可以限制在安全范围内。

因此规程规定：为降低跨步电压，防止直击雷接地装置，距入口人行道距离小于3.0米时，可将接地带局部埋深1.0米以下，即可把跨步电压降低到安全范围以内。

综上所述，高层建筑防雷接地设计，采用暗装笼式防雷网与其它防雷装置相比，具有如下优点。

（1）由于防雷接闪器与引下线均利用建筑物内钢筋，因而节省了钢材与安装维护费用，得到了较好的经济效果。

（2）由于防雷装置使用的导体，均为建筑物内钢筋砼中钢筋，所以不存在防腐问题均不需考虑镀锌或涂刷防腐漆，而且这些导体能免受外界的机械损坏，其使用期可与建筑物或基础本身一样。

（3）接地电阻稳定，由于基础接地体一般都深埋地下1.0米以上，其电阻值基本不受季节影响，经计算可以将跨步电压限制在安全范围内。

故采用暗装笼式防雷网与基础接地，足以达到安全可靠，经济美观的要求。

【参考文献】
［１］GJG16-2008．民用建筑电气设计规范．
［２］D800-6～8．民用建筑电气设计与施工．
［３］GB50057-94（2000）．建筑物防雷设计规范．
［４］GB50169-2006．电气装置安装工程接地装置施工及验收规范．
［５］GB50303-2002．建筑电气工程施工质量验收规范．。