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探析防雷接地系统在高层建筑上的应用

发表时间：2021/3/16 来源：《建筑科技》2020年8月下作者：徐沈朱圣华

[导读] 高层建筑的防雷工作是现代防雷减灾工作的的重点任务。本文主要根据防雷工作经验，重点探究了防雷接地系统在高层建筑上的应用，以最大限度地减轻雷电所带来的灾害，降低雷击损失。

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摘要：高层建筑的防雷工作是现代防雷减灾工作的的重点任务。本文主要根据防雷工作经验，重点探究了防雷接地系统在高层建筑上的应用，以最大限度地减轻雷电所带来的灾害，降低雷击损失。
关键词：雷电；防雷接地系统；高层建筑；应用
        引言
        雷电是在天空中产生的瞬态高压、强电磁辐射、强电流的天气现象。出现雷电时，雷电会在很短的时间内释放其中包含的能量，这将形成强大的雷电流和爆炸冲击力。它的电磁效应、机械效应、热效应等会对高层建筑、计算机及其他电子设备带来严重损害，从而造成人员伤亡与财产损失，对人类的生活和生产造成极大影响。近年来，随着我国城市化建设步伐的加快以及现代电子仪器设备在建筑物中的广泛应用，高层建筑在各地得到兴建。高层建筑被雷击的可能性比普通建筑物高得多。此外，高层建筑还保护电梯、计算机等许多电子设备，这些设备特别容易遭受雷击。所以，加强高层建筑的防雷工作就显得至关重要。要不断优化防雷接地系统，通过防雷接地线快速、平稳地将雷电流向地面，从而有效保护高层建筑与公众的安全性。
        1.高层建筑外部的防雷接地系统
        1.1接闪器
        接闪器属于一种用于防止建筑物被雷电直接击中的金属导体，可防止建筑物被雷电直接击中，并让部分区域雷电能量由设计的泄流通道泄放到地面。当前，在高层建筑中应用的接闪器主要涉及到接闪带、接闪杆、接闪网与当作接闪器的金属部件。通过金属导体把雷电流吸引到接地电极。接地极直接流入地面，以防止直接雷击。该方法便宜、便捷，广泛用于防雷工程的建设中。在设计和敷设接闪器的的时候，需要施工人员严格依据容易受到雷击的顺序来开展工作，例如女儿墙、屋脊、屋檐、屋角等区域均属于雷击高发区。与此同时，需要根据建筑物的防雷等级来部署相应规格的避雷网。通常情况下，热浸镀锌圆钢、扁钢会用于避雷网材料的选择。将接闪带敷设在女儿墙上时，一般处于墙的中间区域。若墙壁很宽，通常需将防雷带移动到墙壁外部，从而更好地保护建筑物女儿墙的外边缘免受雷击。金属栏杆也场用于高层建筑的接闪杆，材料通常是不锈钢管，大约为2.5毫米厚。钢管连接成直线，拐角处需要使用圆钢或角钢搭接焊接，栏杆和引下线要求相连接。
        1.2引下线
        引下线是高层建筑防雷接地系统的关键构成，主要是由接闪器将雷电流传导到接地设备的金属导体。引下线应选择热浸镀锌圆钢或扁钢，并且应首选圆钢。在高层建筑防雷工程中，通常选择钢梁、钢柱、幕墙金属柱等金属构件来充当引下线。通常，可以将柱头的主钢筋和高层建筑的梁板钢筋直接作为引下线使用如果建筑物的高度超过30米，则必须每隔三层安装一个均压环。通常需使用金属嵌入式部件或金属门窗等很大的金属组件，同时需要将它们连接到引下线。在整体结构上，每三层垂直金属管必须同均压环保持连接，并且交叉或者平行的金属管也需要实施跨接。
        1.3接地装置
        接地装置是整个高层建筑无防雷接地系统中的根本，因此其要求特别严格。放置在土壤中的人工垂直接地体应为热浸镀锌角钢、圆钢或者钢管：置于非腐蚀性土壤中的人工水平接地体应为热浸镀锌圆钢或者扁钢。其次，人工钢垂直接地体的长度应为2.5 米，水平接地体的间距均应为5 米，在施加局部限制的时候能够适宜减小。在土壤中人工接地体的埋入深度应不超过0.5米，且应置于冻土层下边，它和基础的距离最少应保持1米[1]。当土壤中的接地体与钢筋或用作混凝土基础中地基接地体的钢连接时，土壤中的接地体应由镀铜或不锈钢导体制成。埋入土壤中的接地装置部分应通过放热焊接连接；当选择常规焊接方式的时候，需要在焊接位置采取防腐措施。

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        2.高层建筑内部的防雷接地系统
        2.1法拉第笼式避雷系统
        高层建筑通常使用钢框架混凝土结构，并且梁、平板、柱子和地基用大量钢筋绑扎或焊接。然后，框架结构整体成为遵循静电屏蔽原理的法拉第笼等电位系统。该防雷系统具有诸多优势：首先，雷电流分散效果显著。因为引下线比较多，每个引下线所承受的雷电流就相对很小，室内电磁场??效应也大大减弱。其次，屏蔽效果较好。结合雷电流的频谱特性，电磁干扰大都源于高频电流，一般频率愈高，趋肤效就愈明显。高频雷电流将处于法拉第笼的表面，这有利于阻挡电磁脉冲，在很大程度降低了电子信息系统遭受电磁干扰的可能性。再次，可以较好地方防御侧击雷。因为建筑物的侧面有防雷措施，例如金属窗、均压环、护栏等措施。再次，减少反击过电压。释放雷电流时，建筑物本身的电感总会阻止雷电流的变化，使得电流的峰值有所削弱，雷电流的放电时间有所延长，并会削弱雷电电磁脉冲的强度；此外，它将形成反击过电压，然而，可以适当设置更多的引下线来减小雷电回路的总阻抗，并且因为已针对各类高度采取了电压均衡方式，因此金属部件、管道和均压环要实现等电位连接，这可以保护高层建筑物人员和电子设备免遭反击过电压的危害[2]。
        2.2等电位连接
        等电位连接是通过连接导体将单独的金属物体直接连接到防雷设备，或通过SPD接地，以达到减小由雷电流造成的电势差的防雷措施。此防雷措施可以较好地防止了高层建筑内因为跨步电压引起的高电势反击以及雷击事故。因为大多数高层建筑属于钢筋混凝土结构，且钢筋都是焊接或者绑扎的，因此可以较好地实现等电位。在实际操作中，进入高层建筑物的各雷管道均需要埋入地下进入。在进入房屋之前，应将其连接至防雷接地装置，并在进入房屋后应将其连接至一般的等电位接地端子排。建筑物中的全部金属物体（例如埋入的金属物体、钢筋混凝土结构中的钢筋、各种金??属管道、电线和电缆的金属屏蔽层、电力系统中的零线等）均要和导体焊接或进行有效连接。如此建筑物整体便可以成为接地良好的等电位体。
        2.3电涌保护器（SPD）
        电涌保护器（SPD）作为一种可为各类电子仪器设备、供电系统、通信线路给予安全保护的电子装置，是高层建筑防雷系统的重要一环。在安装SPD的过程中，应注意进行分级保护。1级电涌保护器（SPD）应为开关电源防雷装置，该装置可释放电力传输线直接被雷电击中时所传导的强大的雷电能量，例如家用电力变压器的低压侧。2级电涌保护器（SPD）应为限压电源SPD，其针对第1级电涌保护器（SPD）剩余电压与保护区域中可能被雷电感应损坏的设备的。当第1级电涌保护器（SPD）吸收大量的雷电能量时，依然有一些对设备或第3级电涌保护器（SPD）的来说的大能量将被传输。这个时候，第2级电涌保护器（SPD需要继续吸收。此外，通过第1级电涌保护器（SPD）的传输线也会感应雷电电磁脉冲辐射（LEMP）。若线路保持一定长度的时候，感应雷电的能量会较大，并且需第2级电涌保护器（SPD）才能继续释放雷电能量[3]。第3级电涌保护器（SPD）应充当串联限压电源SPD，以保护LEMP和流经第2级电涌保护器（SPD）的剩余雷电能量，从而达到保护高层建筑物电子仪器设备的目的。
        3.结语
        高层建筑的防雷接地属于一项专业、复杂、系统的工程。防雷接地系统涉及到的技术要求较多，防雷设计、施工人员均需要严格遵循相关规范要求进行操作，要将外部防雷接地系统与内部防雷接地系统进行有机融合，以构建一个全面的可靠的防雷接地系统，这样才可以有效保护高层建筑物内人员和财产安全。
参考文献
[1]中华人民共和国住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局. 建筑物防雷设计规范：GB 50057—2010［S］.北京：中国计划出版社，2011：41-42.
[2]张岩.超高层建筑防雷接地系统施工技术探讨[J]..安装,2011,09:47一48.
[3]乔俊峰.浅谈防雷接地系统在高层建筑上的应用[J].山西科技，2019,34（2）：139-141.
作者简介：徐沈（1984.06）男，汉族，江苏省启东市人，本科学历，职称：工程师，从事研究方向或职业：防雷。