高层住宅楼防雷接地系统设计.docx

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高层住宅楼防雷接地系统设计

摘要

自古以来，雷电灾害就一直存在，根据统计，地球在任何时候平均有2000多个雷暴，平均闪电次数每秒100次，每次闪电强度高达10亿伏，破坏可想而知。

随着科技的飞速发展，越来越多的高层建筑进入了大家的视野。

最典型的是高层智能建筑，高层建筑容易吸引闪电，使它们自身和附近的建筑物被毁。

此外，随着微电子技术的发展和广泛应用于各个领域，使受雷电灾害的物质发生了转移：

由建筑物本身的雷电灾害转移到破坏室电气设备、电子设备，以及在建筑物居住的人的人身伤害事故上。

同时防雷对象也从强电领域延伸到弱电领域。

闪电产生的电磁脉冲对人身和财产的危害超过了直接雷击的危害，成为了当今雷击引发的主要危害。

高层建筑的各种电气设备的防雷接地技术先进与否直接关系到各种设备的安全可靠性和人身安全，由此我们可以看到建筑防雷接地的重要性。

关键词：

防雷，接地，等电位

abstract

Sinceancienttimes,thethunderandlightningdisastershavebeenthere,accordingtostatistics,theearthatanytimeonaveragetherearemorethan2thousand

thunderstorms,theaveragenumberoflightningpersecond,100times,eachtimethelightningintensityofupto1billionvolts,damagecanbeimagined.Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,moreandmorehigh-risebuildingsintothefieldofvision.Themosttypicalistheintelligentbuilding,high-risebuildingstoattractlightning,maketheirbuildingsandnearbybuildingsweredestroyed.Inaddition,withthedevelopmentofmicroelectronicstechnologyandwidelyusedinvariousfields,thelightningdisastermaterialtransferthelightningofthebuildingitselftodestroyindoorelectricalequipment,electronicequipment,andlivingwithinthebuildingofpersonalinjuryaccidents.Atthesametime,alsofromastrongfieldoflightningprotectionobjectextendstotheweakelectricfield.ThegenerationoflightningelectromagneticpulseharmtopeopleandpropertythanthedirectlightningTheharm,hasbeeamajorhazardcausedbylightning.Thelightningprotectionofelectricalequipmentinhigh-risebuildingsofthegroundingtechnologyandnotdirectlyrelatedtothesafetyandreliabilityoftheequipmentandpersonalsafety,sowecanseetheimportanceofbuildinglightningprotectionandgrounding.

Keywords:

lightningprotection,grounding,andotherpotential

绪论

两百多年前，由伟大发明家富兰克林发明了避雷针，从那时候开始，建筑物等设施都有了一定的对雷电的防护，人们相信它可以结束雷电损害，所以在之后的日子里对防雷的问题有所松懈。

但当今现代高科技飞速的发展，特别是在微电子领域，雷电灾害越来越频繁的对人们的生产生活造成损失，原有的避雷针已经无法保护建筑物的人员和电气设备安全。

手机接打遭受雷击致死，这样的事件已不再稀奇，原先许多从来不发生雷电灾害的行业和部门也频频受害，这些雷电灾害是人们意料不到的。

为了更好地保护人身和财产安全，我们必须认识到建筑防雷接地的重要性。

建筑防雷接地工程是一个系统工程，我们必须考虑整体外部防雷措施和接地防雷措施（接闪功能、分流、均衡电位、屏蔽作用、合理布线、过电压保护等诸多重要因素）考虑防雷措施。

在本文中，建筑物的雷电损伤描述在四个方面。

首先，介绍了对建筑物及其部设备的损坏，例如直接雷击，雷电波入侵，感应过电压和地电位。

然后介绍目前针对这四种雷电危害的电气综合防雷系统的设计──外部防雷和室保护.

1.雷击带来的危害

雷击通常是带电云层与带异种电荷的另一部分云层之间的放电，或者是带电云层与之间快速的放电现象。

这种快速放电过程产生强烈的雷击伴随着轰隆的声音。

当然，云层之间的放电对穿越其间的飞行机器产生很大的影响，但对地面上的建筑物、人和动物没有太大的影响。

然而，地球带电云对的放电，会使建筑物，电气和电子设备和人，牲畜的带来巨大损害，这是电气防雷设计的主要对象。

1.1闪电的主要危害有四种：

1.1.1直击雷

带电云在地球上的一个点的猛烈放电现象。

它的破坏力非常的巨大，如果不能及时的引入，将导致在排放通道围的建筑物，设施，人和动物遭受严重损坏或破坏，比如火灾，建筑物损坏，电气和电子系统的破坏，电气和电子系统的破坏，电气和电子系统的破坏，甚至危及人类和动物生命安全。

1.1.2雷电波入侵

闪电不是直接排放在建筑物和设备本身，而是放在建筑物外面的电缆放电。

电缆上的雷电或过电压，几乎以光速沿电缆线路扩散，侵入和危及室电子设备和自动控制系统。

因此，经常在听到雷声之前，我们的电子设备，控制系统等可能已经损坏。

1.1.3地电位反击

如果雷电直接击中在接地电位的建筑物或设施的防雷设备将促进几微秒数万甚至数十万伏特。

雷击电流的高度由地面设备的一部分流向电力系统或网络信号系统，流向地面或其他设施或穿孔的电力系统网络信号系统，抵御电子设备的损坏或损坏。

同时，它可能会导致高电位和火花放电电路无等电位连接线。

例如，当10ka的雷电流通过导体进入地面下，假设一个10欧姆的接地电阻，根据欧姆定律，我们可以看到一个电压为100kV。

因为一点和C点，D点相连，所以这些点100KV的电压。

E指着0的电压值，设备D和E点之间的电压差为100kV，足以损坏设备。

1.1.4诱发性过电压

雷电不会不直接向地面放电，它发生在设备或线路附近，并且仅在云和云之间发生放电。

闪电释放电荷并在电力和数据传输线以及金属管金属支撑件中引起过电压。

雷电在建筑物部有闪电保护设施，闪电沿着建筑物顶部连接到接闪器上，这一过程中转向地球，形成一个强大的即时状态磁场涡，温和对电子设备造成干扰，数据丢失，将导致故障或暂时麻痹;严重的话会使组件故障，可能导致电路板烧毁，使整个系统瘫痪。

以上四个方面的雷电对建筑物的破坏后，感应过电压和地电位反击的三个最集中在三个，统称为雷电电磁脉冲。

从相关统计核实来看，直接雷击伤害仅占15%，而雷电电磁脉冲伤害占比高达85%。

因此，现代高层建筑的防雷设计不同于以往简单的设计。

高层建筑物防雷设计的第一步，首先是要了解到建筑物的防雷等级。

《建筑物防雷设计规》（GB50057－972000）中，等级的划分，除了由建筑物的功能作为定性标准外，第二类、第三类防雷建筑物，还取决于建筑物的预计年雷击次数N。

建筑物年预计雷击次数计算公式如下：

N=k*Ng*Ae

（1）

式中：

N──建筑物年预计雷击次数（次／a）；

k──校正系数，在一般情况下取1，在下列情况下取相应数值：

位于旷野孤立的建筑物取2；金属屋面的砖木结构建筑物取1.7；位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5；

Ng──建筑物所处地区雷击的年平均密度［次／（km2•a）］；

Ae──与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）。

雷击的年平均密度应按下式计算：

Ng＝0.024Td1.3

（2）

式中：

Td──年平均雷暴日，根据当地气象台、站资料确定（d／a）。

建筑物等效面积Ae是其实际平面积向外扩大后的面积。

其计算方法分以下三个方面：

（1）当建筑物的高H小于100m时，其等效面积按以下公式计算：

（3）

式中：

L、W、H──分别为建筑物的长、宽、高（m）。

（2）当建筑物的高H等于或大于100m时，建筑物的等效面积按下式计算：

Ae＝[LW＋2H（L＋W）＋πH2]•10-6　（4）

（3）当建筑物各个部位的高度不一致时，应沿=周边逐点算出最大扩大宽度，其等效面积Ae应按每点最大扩大宽度外端的连接线所包围的面积计算。

（4）根据上述公式计算N后可确定雷电等级。

一般按其重要性和性质分为办公楼、省级办公楼、其他重要或人员密集的公共建筑，住宅、办公楼等一般民用建筑两类。

2.综合防雷系统设计

2.1综合防雷接地设计六大要素：

防雷接地设计是一个非常复杂的问题，靠一种或两种先进的防雷设备和雷电防护措施根本无法解决，可以完全消除雷电过电压和感应过电压的影响，避免雷击损坏必须对路，一个雷电危险因素为综合保护，以将雷电损伤降至最低。

这种集成保护包括接闪，分流（保护），均压，屏蔽，接地，合理布线，统称为综合防雷接地设计的六大要素。

2.1.1接闪

接闪就是在一定程度上使雷电放电时不能任意选择放电通道，而只能根据雷电防护系统的设计提前规定通道，将雷电能量送到地球。

2.1.2分流（保护）

现代防雷技术发展，这重点，是各种类型的电子设备或电气系统的措施保护的关键。

所谓分流是指所有外部（包括电源线、线、数据线或天线信号线） 与防雷接地装置或在平行SPD电涌放电器，线路电压波影响沿着这些线路或设备带进房间，突然滴低值电阻的闪电在短路状态，雷电流的一侧从附近。

当闪电电流分流时，仍有少量的电线沿公路纳入设备，它是非常危险的，一些高电压微电子器件和丝前进入盘柜应当是多种形态的。

（不低于三级防雷））

2.1.3均压

指建筑物的各个部分是形成等势，即等电势。

如果建筑物的结构有各种金属加固和金属管道可以连接成一个统一的导体，建筑当然不会有不同的等电位，所以你可以确保建筑物不会产生反击和危险人体安全接触电压或阶跃电压，防止雷电电磁脉冲干扰微电子器件也有很大的好处。

钢筋混凝土结构最有可能是等电位的，因为大多数部结构钢筋是焊接或捆扎在一起的。

作为防雷装置的接地要求，避雷器必须与梁、柱与底板，焊接可靠，绑扎或搭接在一起，和各种金属及金属管焊接设备或卡在一起，使整个建筑成为一个很好的潜在的等电位体。

2.1.4屏蔽

屏蔽是使通信设备，计算机，精密仪器和自动控制系统的建筑物免受雷电电磁脉冲危害作为主要目的。

在建筑物部大量的电气设备存在着，防雷装置将受电磁的干扰，但也因其高灵敏度、低电压水平，有时在雷击或雷电，雷电电磁辐射也会受到影响，甚至在其他建筑物雷电，将由电磁波影响。

因此，我们应充分利用建筑物的钢筋混凝土结构，即楼板、屋面、墙体和钢梁、钢柱，形成一个笼来实现屏蔽。

由于不同墙体和钢筋楼板结构的稀疏致密，钢板密度不够，设计者应根据不同设备的不同要求增加网格密度。

良好的屏蔽等电位和分流这两个问题的解决，而且雷击电磁脉冲的最有效措施。

此外，整体防护建筑还可以防止球雷击，侧击雷。

2.1.5接地

接地是指已经流入雷电系统的雷电流平稳地进入地球，并且不能让雷电能量集中在雷电防护系统的某处受保护对象具有破坏作用，良好的接地以便有效地释放雷电的能量，降低引下线电压，以避免反击。

一些旧规格过去需要单独接地的电子设备，其目的是防止电网杂散电流干扰器件正常工作。

但现在，防雷工程设计已经不再提倡单独接地，而是采用与防雷接地系统共用接地极，但接地电阻从原来小于4Ω降低到1Ω。

接地做不好，所有的防雷措施都不能发挥出防雷应有的效果。

2.1.6综合布线

指如何获得最佳的集成布线效果。

现代建筑实现照明，电力，，电视和计算机设备的功能都是通过遍布各处的管线，在设计防雷系统的过程时，必须考虑与这些管道的关系。

为了保证在管线不受到防雷接地装置接闪器的影响，首先，这些线路应穿在金属管中，以实现可靠的屏蔽。

二，线条应以垂直线的主要部分为中心设置在建筑物的中心，并避免使用靠近引线的下行线，以尽量减少感应围。

除了考虑布线和屏蔽的位置，还需要安装线路避雷器，变阻器和其他浪涌保护器。

因此，各种室管道的设计，必须将防雷接地系统统一考虑到位。

2.2综合防雷设计分类

传统的防雷方法主要是防直击雷，其技术措施可分为接闪装置，引下线，接地等。

接闪装置可根据建筑物的地理位置，现有结构，重要程度决定是否使用避雷针，避雷网，避雷带或联合接闪的方式。

然而，随着微电子技术的发展和广泛应用，传统的防雷设计方法难以满足现代建筑防雷的需要。

根据上述六个元件的综合防雷可分为外部防雷（建筑或设施直接防雷）和部防雷（雷电电磁脉冲防护）两部分，外部防雷主要外部防雷系统是保护建筑免受火灾和人身安全事故造成的直接雷击，而部防雷系统是为了防止雷电波侵入，雷电引起的过电压和地面电位的反击，由设备的入侵造成的电压损坏，这是外部防雷系统所无法保护的。

2.2.1外部防雷系统及其设计

如上述外部防雷主要是指防止建筑物或设施（包括室外独立电子设备）受到直接雷击的危害，其技术措施是连接接闪器，引下线，接地等。

它们各自的类别和具体设计如下所述。

2.2.1.1接闪器

接闪器就是避雷针，避雷带（线），避雷网和用作接闪的金属屋顶和金属部件的一般术语。

功能是导致雷电流通过导流和接地装置到地面释放，保护建筑免受雷电损坏。

现在常用的避雷器有避雷针，避雷带（线），避雷网几种。

2.2.1.1.1避雷针

避雷针是吸引雷云带来的异性电荷吸引到自身的金属导体，通过良好的接地装置，雷电流进入地球，保护建筑免受雷击的一种装置。

工作原理：

当雷暴云在地球的高度由于静电感应，必须带有与雷云充电相反的电荷，避雷针在地面建立最高点和雷云距离。

因为它与建筑物的钢网具有良好的导电连接，然后通过下线和地基接地连接，因此它与地球具有相同的电位，所以场附近的雷电相对较大，容易吸引闪电先锋，集中在其顶部，靠近下部建筑物大大减少了被闪电击中的机会，而避雷针大大增加了被闪电击中的机会。

由于和地球具有良好的电气和电气连接，雷暴云可以积累电荷能量转移到地球的放电，使得由雷电过电压引起的时间大大缩短，从而大大降低了雷电的危险。

这些是避雷针的工程。

但需要说明的是，避雷针必须足够可靠，接地电阻尽可能小，接地装置接地，否则不但不会达到吸引雷电的作用，但会增加雷电造成的损坏程度。

避雷针工作原理不是避雷而是通过自身引雷，从而保护周围建筑物不再受到雷击。

避雷针防护围的计算方法：

目前我国《建筑物防雷设计规》（GB50057-942000）采纳了国际电工委员（IEC）推荐的“滚球法”作为避雷针保护围的计算方法。

在此就不再叙述，如有需要可参见《建筑物防雷设计规》（GB50057-942000）附录4。

避雷针的制作规格：

由许多实际调查统计资料表明，避雷针的外表形状与其避雷效果无明显的关系。

所以，不必过多考虑是否采用单针式避雷针，或者其他造型的避雷针。

避雷针多半采用圆钢或钢管制成，其直径要求如下：

针长≤1m：

圆钢直径为12mm钢管直径为20mm；

1m＜针长≤2m：

圆钢直径为16mm钢管直径为25mm；

烟囱顶上的针：

圆钢直径为20mm钢管直径为40mm（见GB50057-942000第四章）。

近期国市场销售的产品称为主动避雷针，主要生产来自法国和澳大利亚等国家。

根据制造商的描述，该产品可以吸收来自大气电场的变化的能量。

当储能达到一定程度时，就会在避雷针的尖端放电，电离空气周围的尖端会形成人为上升的避雷针。

在雷暴早期，更多的自然雷暴向下接触比向上的闪电通道形成主放电通道。

这样雷电云闪电放电几率增加，避雷器的保护围增大，或相当于加高。

2.2.1.1.2避雷带（线）

20世纪初，在电力系统中，为了使输电线路不受雷击，采用传输线上方的平行钢丝雷电防护方法。

这设置在输电线上方的钢线上，被称为闪电线。

后来在住房建设也推动了这种形式，开始躺在山脊，角落，屋檐等处进行防雷，现在这种方法已经被雷电带取代了。

在建筑物周围的屋顶，有一个平金属带做闪电方法称为闪电，它由闪电线改善。

在建筑物的屋顶上，使用避雷针比避雷针具有更多的优点，它可以与建筑顶部的装饰相结合，可以更好地与房屋的形状具有美丽的矿井效果和良好的。

特别是建筑物的大面积，其保护围大而有效，这是避雷针无法比拟的。

避雷带一般由扁钢制成，其截面积不小于48mm2，厚度不应小于4mm，今天的普遍做法是，该建筑是否属于几种类型的防雷接地施工，均由4X40镀锌扁钢接闪。

根据规定两种防雷建筑的避雷针应在屋顶组成不大于10m×10m或12m×8m的网格。

三种类型的避雷建筑应在屋顶整个屋顶组成不大于20m×20m或24m×l6m的网格。

如果还有一根避雷针，则避雷针彼此相连。

2.2.1.1.3避雷网

避雷网是利用钢筋混凝土结构的钢筋网作为防雷的方法，也叫做隐蔽防雷网。

隐蔽式防雷网采用楼顶顶部作为接闪装置。

根据建筑的一般结构，从表面增强只有6-7cm，表面越薄，雷击点越小。

但是，一些建筑物具有防水层和厚的绝缘层，从加强层厚度大于20cm，最好安装辅助防雷网。

辅助防雷网一般提供直径大于6mm的镀锌圆钢，网格尺寸可根据建筑的重要性，分别为5mX5m或10mX10m圆钢制成。

建筑屋顶通常有许多金属之类设备，如金属旗杆，通风管，钢梯，金属烟囱，风窗，金属槽等，必须用闪电网焊接在一起制成一个整体防雷装置。

2.2.1.2引下线

将接闪器与接地装置的连接在一起的导体称为引下线。

现代高层建筑更多使用杆作为避雷针的装配线。

因为当大量雷电流从引下线通过时，会靠近地面设备，金属管，电源线等发生反击或侧闪，由此证明这种方法可以减少和避免这种反击。

专用引下线还有更多的优点，因为它和地板和地板的梁连接在一起，这样会在接地网中的等电势状态下形成整体的“法拉第”笼，雷电电流将很快分散，避免产生侧闪现象。

引下线设计规有以下要求：

表1

建筑物防雷等级引下线数量引下线间距离

一类防雷建筑≥2根<12m

二类防雷建筑≥2根<18m

三类防雷建筑≥2根<25m

另外，一般导体使用圆钢，其直径应不小于16mm;扁钢，横截面积最小48mm2;厚度不小于4mm。

安装在烟囱的下行线上，其尺寸为：

圆钢直径大于24mm;扁钢截面积不小于100mm2，厚度4mm。

为了便于检查连接到导体导体的避雷针和接地的散射电阻，在建筑物周围的下线做断开夹子，将夹子从地上断开连接到1.8M。

当使用混凝土柱做下线时，因为它是从上到下连接的，所以不能设置断开接地电阻测试卡。

需要在立柱中作为钢筋的向下钢丝，在柱外的柱子上距户外地面0.5m，另一个圆钢（Φ≥10）焊接到圆柱的外壁，作为防雷测试点。

每根导线的抗冲击强度不应大于5Ω。

2.2.1.3接地极

通常可以分为人工制作的接地极还有自然接地极，后者是在楼房施工工程中在做地基时直接埋在地下的钢筋基础，因为钢筋是导电的，也并非是人为的为制作它而添加的，所以称之为自然的类型，人工接地我们从表面上也就看出来，是为了满足接地的要求，人们单独加的。

2.2.2部防雷系统及其设计

作用和构筑与建筑部防雷工程成为部防雷工程，其系统是部防雷系统。

建筑物的防雷工作围十分广泛，包括传导雷电、感应雷电和雷电浪涌，造成高压线路引起电网波动，归纳所得危害最大的方面是高压的引入。

高压的引入是指高压雷电通过导线引向室或其他地方引起的闪电现象。

有三种高压电源：

一种是直接击中闪电直接到金属线，使高压雷电波以外部传播的形式沿建筑物，闪电波入侵;第二是高压雷电脉冲;反击将沿着零线系统保护线路和各种形式的地面波浪进入房间，延伸到更大的室区域，导致大面积的雷电伤害。

鉴于上述三种雷击损伤部防雷系统均采用屏蔽，安装防雷器SPD和等电位连接等三种措施。

屏蔽措施已经在防雷设计的六个要素中描述，以下主要深入研究SPD设计和安装防雷装置和等电位连接。

2.2.2.1浪涌保护器设计和安装

浪涌保护器英文是SPD。

根据IEC标准，浪涌保护器主要是指抑制线路过压和过流传导器件。

其组件包括放电间隙，变阻器，二极管，滤波器等。

根据组件的组成和使用不同部分的浪涌保护器可分为电压切换型SPD，限制型SPD和模块化SPD。

根据应用的分类，浪涌保护装置可以分为电力系统SPD和信息系统SPD。

一般信息系统SPD由信息系统设计者负责设计选项。

这里主要介绍建筑物电力系统浪涌保护装置的防雷设计应用。

电力系统防雷主要是防止雷电波通过电力线对计算机及相关设备的危害。

为了避免避雷器接收到高电压，给地面释放后的剩余电压过大，或由于避雷器的雷电电流较大损坏，继续破坏设备，并防止电缆二次感应，根据《建筑防雷设计规》（GB50057-942000）和《建筑电子信息系统防雷技术规》GB50343-2004，应采取分级防护，逐级放电的原则。

具体设计实践：

首先，在大楼电源的总进线处安装放电电流较大的一级电源避雷器，一般采用三相电压开关型电涌保护器；二是两或三在电力线地板或重要设备级电源避雷器的安装，一般采用限压型电涌保护器；三、在电源避雷器四年底终端或分布安装，一般电压限制型。

用多少级SPD，可以有一个闪电等级的确定。

一般来说，一类防雷建筑需要四级;二类需要三级;三类需要两级。

为了保证雷电高压先通过一个电源避雷器，再经过第二级，第三级或最后一级电源避雷器，一个电源避雷器和二次电源避雷器之间的距离在10米以上，如果距离两个不够，可以与线圈防雷盒一起使用，这样可以避免二级或三级浪涌避雷器首先遭受雷击而损坏。

有三点要注意：

首先，浪涌保护器和母线连接到短而直的导线上，长度不超过5m，电缆过长的话，可能导致较高的SPD不分开，浪涌在串上变低SPD，导致较低级别的SPD被烧毁;第二个SPD安装电路应配备过电流保护装置，因为为了防止因SPD引起的老化而短路。

这里的过流保护器主要使用断路器，根据实践的一般做法，二级SPD对断路器设定电流选择40A，三级SPD对断路器设定电流选32A，最后一级SPD断路器设定电流选择25A，一级SPD无需安装，因为一级SPD使用电压开关型SPD，其部过流保护已经建成。

第三，每个SPD需要与接地装置等电位连接。

2.2.2.2等电位连接

等电位是同一电气系统中相同电压的电网部分。

如果它们由导体连接，则由于电压均匀性，它们将不具有彼此流过的电流。

利用这一特性，我们可以在复杂电网中操作开关操作，减少电源故障的机会，并提高电源速率的可靠性。

在弱控制系统中也可以使用此功能来改变电路连接，实现不同的工作或测试要求。

建筑物的等电位连接设计如