論高層建筑的電氣防雷與接地
——以某工程為例

朱毅斌

廈門(mén)市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站（361000）

論高層建筑的電氣防雷與接地
——以某工程為例

朱毅斌

廈門(mén)市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站（361000）

為了使建筑物本身、建筑等電位、電氣和電子設(shè)備、玻璃幕墻和鋁合金門(mén)窗、智能建筑等系統(tǒng)能安全有效地運(yùn)行，往往需要多種類(lèi)別的防雷和接地裝置，如何進(jìn)行科學(xué)、有效、合理地設(shè)置以及可靠的連接對(duì)于建筑物特別是高層建筑至關(guān)重要。是電氣工程師首要考慮的問(wèn)題，以下本文以某工程為例，對(duì)高層建筑的防雷與接地的施工進(jìn)行探討。希望能供同行以后施工時(shí)參考借鑒。

建筑；防雷；接地

0 前言

高層建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、專(zhuān)業(yè)齊全，包括電氣、綜合布線、建筑幕墻、電梯、消防報(bào)警等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的接地都有其嚴(yán)格的要求。由于建設(shè)單位往往把這些系統(tǒng)分包給不同的專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍，造成各專(zhuān)業(yè)在接地系統(tǒng)施工中脫節(jié)甚至遺漏，給建筑物使用留下安全隱患，因此必須重視各專(zhuān)業(yè)在接地施工中的協(xié)調(diào)配合與溝通，并應(yīng)加強(qiáng)接地系統(tǒng)的測(cè)試、驗(yàn)收工作，確保接地安全可靠。筆者認(rèn)為如何進(jìn)行科學(xué)、有效、合理地設(shè)置及安全可靠的連接對(duì)于建筑物特別是高層建筑至關(guān)重要。是電氣工程師首要考慮的問(wèn)題。

1 工程概況

某商業(yè)大樓由地下1層、地上27層的主樓及裙樓組成，總建筑高度約90 m。主樓屋面設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)塔樓，頂端設(shè)有針式接閃器。低壓系統(tǒng)的接地形式采用TN－S系統(tǒng)，變壓器的中性線在變壓器室直接接地，進(jìn)出線電纜的金屬外皮、鋼管、金屬管道等應(yīng)就近與避雷裝置用Φ12鍍鋅圓鋼可靠接地。建筑外廓燈、節(jié)日彩燈、航空障礙信號(hào)燈用電設(shè)備線路在配電系統(tǒng)電源側(cè)裝設(shè)過(guò)電壓保護(hù)器，有效防止雷電波的入侵。不間斷電源輸出的中性線、金屬電纜橋架及其支架、金屬線槽及安裝高度距地面小于2.4 m的燈具金屬外殼均做可靠接地。本工程設(shè)總等電位，即進(jìn)出建筑的所有金屬構(gòu)件均作可靠接地，廚房、衛(wèi)生間等設(shè)局部等電位，所有金屬構(gòu)件均與等電位端子作可靠連接。另外為防側(cè)擊雷，主樓從七層及以上各層的建筑外墻的玻璃幕墻、金屬門(mén)、窗、較大金屬構(gòu)件均與主體建筑防雷引下線焊通，防雷引下線利用結(jié)構(gòu)柱內(nèi)大于Φ16兩根對(duì)角主筋。該工程的計(jì)算機(jī)房、重要數(shù)據(jù)處理中心、程控電話機(jī)房、閉路監(jiān)控中心以及消防控制中心等均采取有效的抗靜電措施。該工程防雷接地、保護(hù)接地、變壓器中性點(diǎn)接地及弱電接地共用同一接地體，共用接地體接地裝置的工頻接地電阻要求不大于1 Ω。

2 雷擊成因、入侵途徑及其危害

首先簡(jiǎn)單介紹一下雷電。所謂雷電現(xiàn)象，就是雷云與雷云之間以及雷云和大地之間的一種放電現(xiàn)象。直擊雷和感應(yīng)雷是雷電波入侵建筑物內(nèi)電氣設(shè)備的兩種形式。直擊雷是雷電直接擊中線路并經(jīng)過(guò)電氣設(shè)備入地的雷擊過(guò)電流；感應(yīng)雷是由雷閃電流產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁場(chǎng)變化與導(dǎo)體感應(yīng)出的過(guò)電壓，過(guò)電流形成的雷擊。建筑物直擊雷的保護(hù)由接閃網(wǎng)(帶)，接閃桿或混合組成的接閃器，立柱基礎(chǔ)的鋼筋網(wǎng)與鋼屋架，屋面板鋼筋等構(gòu)成一個(gè)整體，避雷網(wǎng)通過(guò)全部立柱基礎(chǔ)的鋼筋作為接地體，將強(qiáng)大的雷電流引入大地。感應(yīng)雷是由遭受雷擊電磁脈沖感應(yīng)或靜電感應(yīng)而產(chǎn)生的,形成感應(yīng)雷電壓的機(jī)率很高，對(duì)建筑物內(nèi)的電氣設(shè)備，尤其低壓電子設(shè)備威脅巨大，所以說(shuō)對(duì)建筑物內(nèi)部設(shè)備的防雷保護(hù)的重點(diǎn)是防止感應(yīng)雷入侵。

3 防雷接地裝置結(jié)構(gòu)設(shè)置

3.1 有關(guān)概念

把電氣設(shè)備與接地裝置連接起來(lái),稱(chēng)為接地。電氣設(shè)備的接地是保證人身安全及電氣設(shè)備正常工作的重要部分，也是防雷技術(shù)最重要的環(huán)節(jié)。

3.2 防雷接地裝置的結(jié)構(gòu)

無(wú)論是防直擊雷或感應(yīng)雷，最終都是通過(guò)接地裝置將雷電流送入大地。所以，沒(méi)有完善的接地裝置是無(wú)法完成避雷任務(wù)的。在防雷工程設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收中,人們往往習(xí)慣單方面追求接地電阻的數(shù)值，將接地電阻的大小，作為衡量防雷工程質(zhì)量的最重要指標(biāo)，認(rèn)為接地電阻越小，防雷效果越好，被保護(hù)的對(duì)象就越安全。對(duì)避雷系統(tǒng)接地裝置的接地電阻值有一定的要求是無(wú)可非議的,因?yàn)榻拥仉娮柙叫?，散流越快，落雷物體高電位保持時(shí)間就越短，危險(xiǎn)越小，以至于跨步電壓、接觸電壓也越小。然而接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)合理性，對(duì)于現(xiàn)代高層建筑接地系統(tǒng)來(lái)說(shuō)較接地電阻更應(yīng)受到重視。

3.3 獨(dú)立接地已基本被取代

獨(dú)立接地是指需要接地的系統(tǒng)分別獨(dú)立地建立接地網(wǎng)，且各接地網(wǎng)之間要求有足夠的距離。這種接地方式在20世紀(jì)50和60年代采用較多，原因是各接地系統(tǒng)之間不會(huì)造成相互干擾，這一特點(diǎn)在通訊系統(tǒng)中顯得尤其重要。但近年來(lái)這種獨(dú)立的接地方式除非在特別危險(xiǎn)的環(huán)境下必須采用外，在絕大多數(shù)情況下，均采用共同接地方式。由于在一座建筑或一個(gè)建筑群范圍內(nèi)，分別做幾個(gè)互相沒(méi)有電氣聯(lián)系的地網(wǎng)是相當(dāng)困難的，尤其在現(xiàn)代的大城市更是如此。因采用獨(dú)立接地方式時(shí)要求各地網(wǎng)之間至少要有近20 m的距離,同時(shí)又要與各種地下金屬管道、電纜金屬屏蔽層和各大金屬構(gòu)件有足夠的距離。這些要求在實(shí)際設(shè)計(jì)和施工中是難以做到的。即便在新建系統(tǒng)時(shí)做到了，在日后的系統(tǒng)維護(hù)和改造中也極易受到破壞。以上是獨(dú)立接地逐漸被取代的根本原因。

4 建立健全層層防護(hù)的建筑防雷接地體系

4.1 建立聯(lián)合共用接地系統(tǒng)，形成等電位防雷體系

本工程將建筑物各部分的接地(包括交流工作地，安全保護(hù)地，直流工作地，防雷接地)與建筑物法拉第籠形成良好連接，從而避免各接地線之間存在電位差，以消除感應(yīng)過(guò)電壓產(chǎn)生。這里有一點(diǎn)要強(qiáng)調(diào)，混凝土澆灌前，各鋼筋之間必須構(gòu)成電氣連接，構(gòu)件內(nèi)有箍筋連接的鋼筋或成網(wǎng)狀的鋼筋，其箍筋與鋼筋、鋼筋與鋼筋應(yīng)采用土建施工的綁扎法、螺絲、對(duì)焊或搭焊連接。主要是作為接地體的樁筋與承臺(tái)的連接，利用建筑物柱內(nèi)鋼筋作為引下線及基礎(chǔ)鋼筋作為接地裝置連接成一個(gè)整體，構(gòu)成了一個(gè)籠形避雷網(wǎng)，這樣做較好地取得了均壓和屏蔽防雷效果，在混凝土基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋縱橫交錯(cuò)，彼此經(jīng)焊接和綁扎后組成了一個(gè)完整的接地系統(tǒng)，具有很高的熱穩(wěn)定性和疏散電流的能力，因此接地電阻低。將地基圈梁內(nèi)的主筋和基礎(chǔ)主筋聯(lián)結(jié)起來(lái)并把各段地梁的鋼筋連成一個(gè)環(huán)路，使整個(gè)建筑物地下如同敷設(shè)了均壓網(wǎng)，地面電位分布均勻，均壓效果好。事實(shí)證明，這種措施是非常必要的。

4.2 現(xiàn)代金屬突出屋面防雷接地處理

屋面的防雷則是外部防雷系統(tǒng)的一部分，即接閃器接閃桿、接閃帶或接閃網(wǎng)。馬尾地區(qū)屬高雷暴區(qū)南面閩江周邊空曠。本工程屋面設(shè)計(jì)突出鋼結(jié)構(gòu)塔式造型，頂端設(shè)針式接閃器并帶有衰減雷電流陡度和幅值功能的電涌保護(hù)器，屋面女兒墻輔以Φ12鍍鋅圓鋼接閃帶，主樓建筑高度為99 m，防雷按二類(lèi)防雷保護(hù)措施設(shè)計(jì)接閃網(wǎng)格要求不大于10 m× 10 m，裙樓主要是附屬建筑，建筑高度為24 m，防雷按三類(lèi)防雷保護(hù)措施設(shè)計(jì)接閃網(wǎng)格要求不大于20 m×20 m。由于屋面突出金屬構(gòu)件極易引起雷擊,為此在建筑物上應(yīng)防止濫用接閃桿保護(hù)，盡量采用接閃帶、接閃網(wǎng)保護(hù)。該工程為了追求建筑外觀美感，設(shè)計(jì)突出鋼結(jié)構(gòu)塔式造型，則頂端必須安裝帶有衰減雷電流陡度和幅值功能的電涌保護(hù)器針式接閃器。建筑物在防雷方面不論采用什么形式的防雷系統(tǒng)，首先必須考慮防雷效果，對(duì)建筑物內(nèi)部設(shè)備的保護(hù),同時(shí)還應(yīng)考慮施工實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。

4.3 電源供配電系統(tǒng)的防雷與接地

為了避免雷電由交流供電電源線路入侵，根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50057－2010)第4.3.8條第4、5、6款的相關(guān)要求,本工程按二類(lèi)防雷設(shè)置保護(hù)措施，配電的保護(hù)接地系統(tǒng)采用三級(jí)保護(hù)。變配電室的高壓側(cè)裝設(shè)避雷器作為第一級(jí)保護(hù)，在低壓側(cè)的母線上裝設(shè)Ⅰ級(jí)試驗(yàn)的電涌保護(hù)器作為第二級(jí)保護(hù)，以防止雷電侵入大廈的配電系統(tǒng)，由低壓電源線路引入的總配電箱、配電柜處裝設(shè)I級(jí)實(shí)驗(yàn)的電涌保護(hù)器作為第三級(jí)保護(hù)，并將配電箱的金屬外殼與建筑的防雷接地系統(tǒng)可靠連接。

4.4 建筑等電位連接和接地

等電位連接是接地故障保護(hù)的一項(xiàng)基本措施。它可以在發(fā)生接地故障時(shí)，顯著地降低電氣裝置外露導(dǎo)電部分的預(yù)期接觸電壓，減少保護(hù)電器動(dòng)作不可靠的危險(xiǎn)性，消除或降低從建筑物外部竄入電氣裝置外露導(dǎo)電部分上的危險(xiǎn)電壓。種種電氣災(zāi)害，均不是因?yàn)殡娢坏母?、低而引起的，而是由于存在電位差的原因引起放電。采用等電位連接才能有效地消除或減少電位差，使設(shè)備和人身得到安全防護(hù)作用。

4.5 智能建筑的防雷接地處理

本工程采用等電位連接接地、旁路接地和隔離相結(jié)合的方式抑制雷電過(guò)電壓。特別指出:對(duì)于二類(lèi)防雷建筑物應(yīng)采取防直擊雷，防雷電波侵入以及防雷電感應(yīng)過(guò)電壓的接地措施。本工程交流電源系統(tǒng)采用分級(jí)保護(hù)辦法，即根據(jù)建筑物雷擊電磁脈沖防護(hù)等級(jí),在配電線路和建筑物的防雷區(qū)的交界處，安裝多極電涌保護(hù)器，并采用相應(yīng)等電位連接。此外在隔離措施上智能建筑弱電設(shè)備對(duì)雷電產(chǎn)生電磁脈沖十分敏感，要特別注意它們的屏蔽問(wèn)題。本工程將各專(zhuān)業(yè)機(jī)房沿墻四周做一圈環(huán)形接地體，并作局部等電位連接，設(shè)有單點(diǎn)連接的接地基準(zhǔn)點(diǎn)。環(huán)形接地體與機(jī)房屏蔽籠上的結(jié)構(gòu)鋼筋每隔一定距離做多次電氣連接，宜每隔5 m左右連接一次。電子設(shè)備間的接口，電纜采用隔離變壓器進(jìn)行直流隔離。同時(shí)信息電纜還可采用光纖電纜和光耦合器進(jìn)行隔離。另外還應(yīng)注意的一點(diǎn)，就是信息系統(tǒng)的防直擊雷保護(hù)應(yīng)采取抑制性的方法，以減少和避免直接雷擊，采用共用接地系統(tǒng)時(shí)，接地電阻值不應(yīng)大于1 Ω。

5 結(jié)語(yǔ)

總之,現(xiàn)代高層建筑的防雷與接地是統(tǒng)一的，二者缺一不可。只有防雷而無(wú)接地，無(wú)法迅速泄流放電，反之，建筑或設(shè)備將直接遭受強(qiáng)大電流的沖擊。無(wú)論是哪種情況,系統(tǒng)都將受到嚴(yán)重破壞甚至癱瘓。因此，只有對(duì)防雷和接地裝置進(jìn)行科學(xué)、有效、合理地配置，使之融為一體，才能最大限度地發(fā)揮其防護(hù)效果,從而有效地確保建筑及其各系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全、運(yùn)行。