浅谈城市高层建筑雷电的防护措施

摘要：伴随着经济的高速发展，城市化进程的不断加快，城市土地资源也越来越稀缺，人们的生存空间不断被压缩，为了拓展人类的生存空间，也为了展示自身实力，建筑的高层化和智能化已成为城市发展的一种趋势，但是高层建筑比一般建筑遭雷击的概率要大得多，而一旦遭受雷灾，损失将非常严重，后果会不堪设想。本文主要分析了雷电的形成及防雷特点，重点阐述了高层建筑的雷电防护措施。

关键字：高层建筑;雷击;防雷技术

一、雷电形成的原因及种类

雷电的形成有多种原因，以负极性下行先导放雷为主。一般来说雷电的破坏形式有三类：直击雷，即雷直接击在建筑物和设备上而发生的机械效应和热效应，一般建筑物易受直击雷的部位多为屋檐、屋脊、屋角、檐角、女儿墙，还有雷电侧击高层建筑的问题;感应雷，即雷电流产生的电磁效应和静电效应;感应雷也称为雷电感应或感应过电压。它分为静电感应雷和电磁感应雷。一种是指当雷云来临时地面上的一切物体，尤其是导体，由于静电感应，都聚集起大量的雷电极性相反的束缚电荷，在雷云对地或对另一雷云闪击放电后，云中的电荷就变成了自由电荷，从而产生出很高的静电电压(感应电压)其过电压幅值可达到几万到几十万伏，这种过电压往往会造成建筑物内的导线，接地不良的金属物导体和大型的金属设备放电而引起电火花，从而引起火灾、爆炸、危及人身安全或对供电系统造成的危害。另一种情况是，在雷电闪击时，由于雷电流的变化率大而在雷电流的通道附近就形成了一个很强的感应电磁场，对建筑物内的电子设备造成干扰、破坏，又或者使周围的金属构件产生感应电流，从而产生大量的热而引起火灾。雷电波侵入，雷电流沿电气线路和管道引入建筑物内部，危及人身和设备安全。

二、高层建筑防雷的特点

高层建筑通常是指10层及10层以上的住宅建筑或其它高度超过24m的公共建筑。这些建筑物有以下两个特点：高度高，容易遭受直接雷击，特别是高度超过100m时，预计遭受的雷击次数与它的高度成正比，高层建筑也是人员密集的场所，建筑物内配置的设备多且复杂，特别是广泛采用集成电路为核心电子计算机之类的电子设备，这些设备的元器件集成度高，耐冲击电压，电磁脉冲干扰能力差，一旦遭受破坏，不仅造成的直接经济损失大，而且由此产生的社会影响也大。高层建筑的防雷，不仅要做好直击雷的防护，还要做好雷电波的侵入，雷电感应、地电位反击等方面的防护措施。随着国民经济的告诉发展，城市中高层建筑拔地而起，搞好高层建筑的防雷，把雷电造成的损失减少到最低限度，显得更加重要。

三、高层建筑的防雷装置

防雷装置是用于减少闪击击于建(构)筑物上或建(构)筑物附近造成的物质性损害和人身伤亡，由外部防雷装置和内部防雷装置组成。外部防雷装置主要有以下几部分组成：接地装置、引下线及接闪器。1)接地装置。接地装置是指埋设在地下的接地电极与由该接地电极到设备之间的连接导线的总称，接地装置主要包括接地体和接地引线。高层建筑接地多利用基础自然接地，采取基础筏板钢筋与人工接地体等接地装置组合方式。考虑到大部分高层建筑的基础均做了防水处理，致使接地电阻增大，应尽量在建筑物周边做圈式接地，周圈式接地可避开防水处理层，同时由于接地体埋在基础的外边，也具有均衡电位的效果，提高了安全性。当大地土壤电阻率偏高，一般做法的联合接地体的接地电阻值无法满足设计要求时，可以采用向外延伸接地体、改良土壤(换土、采用降阻剂)、深埋电极以及外引等方式，以满足设计要求。2)引下线。引下线是将接闪杆接受的雷电流引向地下装置的导线体。高层建筑柱主筋和梁板钢筋可直接利用作为引下线，但应注意意引下线、接地装置和接闪器间必须牢固可靠地连接。引下线间距为当建筑物高度超过30m时，每三层沿建筑物四周设置均压环，30m以上外墙栏杆、金属门窗等较大金属物通过预埋件引下线相连;高层建筑室外玻璃幕墙、大型复合金属板及不锈钢金属面材的应用增强了建筑的艺术效果，但同时也对防雷提出了要求。3)接闪器。接闪器位于防雷装置的顶部，其作用是利用其高出被保护物的突出地位把雷电引向自身，承接直击雷放电。由拦截闪击的接闪杆、接闪带、接闪线、接闪网以及金属屋面、金属构件等组成。采用何种方式应根据建筑物的造型及避雷效果而定。

四、城市高层建筑物防雷分类及防雷措施

4.1 城市高层建筑物的防雷分类。城市高层建筑利用现代雷电探测技术新进展，根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010，结合高层建筑人口密度大、智能化水平高、空间布局复杂性等特点，考虑其对居民安全的重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，经科学合理计算，对于一般性城市民用高层建筑物预计雷击次数一般均大于0.3次/a，因此基本上划分为第二类以上防雷建筑物。故要依据具体计算的高层建筑物防雷类别标准，合理科学布置，城市高层建筑物的雷电综合防护措施。

4.2 雷电综合防护措施。结合所处地形、地貌、地理等特点加以科学合理组合接闪器进行天面、侧面、雷电电磁脉冲波等措施综合防护。关于雷电综合防护措施，可以从雷电流防护系统(LPS)和雷电电磁脉冲防护系统(LPMS)两个方面进行描述。1)雷电防护系统(LPS)。LPS由内部LPS和外部LPS构成，外部LPS的作用是截收建筑物的直击雷，将雷电流引导泄放入地;内部LPS的作用是避免建筑物内部出现危险火花。外部LPS主要由接闪器、引下线、接地装置构成，保证雷电流能够迅速完全泄放，一般可采用建筑物的自然构件作为外部LPS，特殊环境或要求时应考虑分离的外部LPS;内部LPS主要包括等电位联结、间隔距离要求、与外部LPS电气绝缘等措施，以防止外部LPS与其它部件之间产生危险火花或高电位差。2)雷电电磁脉冲防护系统(LPMS)。对于LEMP的防护基于雷电防护区(LPZ)的概念，即将被保护系统的空间划分为LPZ，将需要保护的系统设备置于完善的防护区内。所采取的措施包括空间屏蔽、设备定位、合理布线、线缆屏蔽、协调配合的SPD、等电位联结等。雷击建筑物或附近地面时在LPZ内部产生磁场，可采用LPZ的空间屏蔽措施减小;电子系统或设备内的感应浪涌则可采用空间屏蔽或线缆屏蔽的措施减小;合理布线则要使感应回路面积最小，并且不应使线路贴近LPZ的屏蔽层;设备定位则要将所保护的系统设备置于磁场环境最弱的区域;SPD用于限制雷电在线路上产生的传导浪涌，各级SPD之间必须协调配合。

五、结束语

城市高层建筑的防雷是一个复杂的系统工程，对建筑物的安全使用，电气设备的正常运行有着至关重要的作用，在设计施工中除了严格遵守规范外，还应积极采用可靠的新技术以更有效地消除雷害。