浅析建筑物防雷保护设计

　　摘要：本文重点讨论了建筑物防雷设计保护(如防直击雷、雷电波侵入等)思路，着重介绍了第一、二、三类防雷建筑物如何采取共用接地系统、多级电压防护等措施建立完善的直击雷、感应雷防护系统，供同行讨论和参考。

　　关键词：建筑物;防雷类别;接地

　　引言

　　随着现代社会的发展，建筑物的规模不断扩大，其内各种电气设备的使用日趋增多，尤其是计算机网络信息技术的普及，建筑物越来越多采用各种信息化的电气设备。我国每年因雷击破坏建筑物内电气设备的事件时有发生，所造成的损失非常巨大。因此建筑物的防雷设计就显得尤为重要。

　　1建筑物防雷类别的判定

　　按强制性国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94，对有关防雷建筑住宅分类如下：

　　1.1国家级重点文物保护的建筑物、国家级的会堂、办公建筑物、大型展览和博览建筑物、大型火车站、国宾馆、国家级档案馆等特别重要的建筑物;国家级计算中心、国际通讯枢纽等对国民经济有重要意义且装有大量电子设备的建筑物属第二类防雷建筑物。

　　1.2省级重点文物保护的建筑物及省级档案馆;预计雷击次数大于或等于0.06次/a的一般性工业建筑物，属于第三类防雷建筑物。

　　1.3部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物。当其预计雷击次数大于0.06次/a时属于第二类防雷建筑物;当其预计雷击次数等于或小于0.06次/a，且大于或等于0.012次/a时属于第三类防雷建筑物。该类公共建筑物的预计雷击次数小于0.012次/a时可不考虑防雷。

　　1.4住宅、办公楼等一般性民用建筑物，当其预计雷击次数大于0.3次/a时属于第三类防雷建筑物;当其预计雷击次数等于或小于0.3次/a，且大于或等于0.06次/a时属于第三类防雷建筑物。该类民用建筑物的预计雷击次数小于0.06次/a时可不考虑防雷。

　　预计雷击次数应按《建筑物防雷设计规范》附录一计算。[1]

　　按建设部推荐性行业标准《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16-92，对有关建筑防雷分类如下：

　　一级防雷的建筑物：高度超过100米的建筑物。

　　二级防雷的建筑物：19层及以上住宅建筑和高度超过50米的其他民用建筑

　　三级防雷的建筑物：当年计算累计次数大于或等于0.05，或通过调查确认需要防雷的建筑物;建筑群中最高或位于建筑群边缘高度超过20米的建筑物;历史上雷灾事故严重地区或雷灾事故较多地区的较重要建筑物。[2]

　　2建筑物防雷设计思路

　　直击雷和感应雷是雷电入侵建筑物内电气设备的两种形式。直击雷是雷电直接击中线路并经过电气设备入地的雷击过电流;感应雷是由雷闪电流产生的强大电磁场变化与导体感应出的过电压，过电流形成的雷击。根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)规定，建筑物的防雷区划分为LPZOA，LPZOB，LPZ1，LPZn+1等区(各区的具体含义本文不再赘述)。将需要保护的空间划分为不同的防雷分区，是为了规定各部分空间不同的雷击电磁脉冲的严重程度和等电位联结点的位置，从而决定位于该区域的电子设备采用何种电涌保护器在何处以何种方式实现与共同接地体等电位联结。(如图1)

　　图1接地等电位连接和共用接地系统的构成

　　注：a—防雷装置的接闪器以及可能是建筑物空间屏蔽的一部分，如金属屋顶;b—防雷装置的引下线以及可能是建筑物空间屏蔽的一部分，如金属立面、墙内钢筋;c—防雷装置的接地装置(接地体网络、共用接地体网络)以及可能是建筑物空间屏蔽的一部分，如基础内钢筋和基础接地体;d—内部导电物体，在建筑物内及其上不包括电气装置的金属装置，如电梯轨道，吊车，金属地面，金属门框架，各种服务性设施的金属管道，金属电缆桥架，地面、墙和天花板的钢筋;e—局部信息系统的金属组件，如箱体、壳体、机架;f—代表局部等电位连接带单点连接的接地基准点(ERP);g—局部信息系统的网形等电位连接结构;h—局部信息系统的星形等电位连接结构;i—固定安装引入PE系线的Ⅰ级设备和不引入PE线的Ⅱ级设备;k—主要供电力线路和电力设备等电位连接用的总接地带、总接地母线、总等电位连接带。也可用作共用等电位连接带;l—主要供信息线路和信息设备等电位连接用的环形等电位连接带、水平等电位连接导体，在特定情况下;采用金属板。也可用作共用等电位连接带。用接地线多次接到接地系统上做等电位连接，宜每隔5m连一次;m—局部等电位连接带;l—等电位连接导体;2—接地线;3—服务性设施的金属管道;4—信息线路或电缆;5—电力线路或电缆;*—进入LPZ1区处，用于管道、电力和通信线路或电缆等外来服务性设施的等电位连接。

　　建筑物直击雷的保护区域为LPZOA区，其保护设计已为电气设计人员所熟知，根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)，设计由避雷网(带)，避雷针或混合组成的接闪器，立柱基础的钢筋网与钢屋架，屋面板钢筋等构成一个整体，避雷网通过全部立柱基础的钢筋作为接地体，将强大的雷电流入大地。建筑物感应雷的保护区域为LPZOB，LPZ1，LPZn+1区，即不可能直接遭受雷击区域;感应雷是由遭受雷击电磁脉冲感应或静电感应而产生的，形成感应雷电压的机率很高，对建筑物内的电气设备，尤其低压电子设备威胁巨大，所以说对建筑物内部设备的防雷保护的重点是防止感应雷入侵。

　　由感应雷产生的雷电过电压过电流主要有以下三个途径：

　　2.1由供电电源线路入侵;高压电力线路遭直击雷袭击后，经过变压器耦合到各低压0.38KV/0.22KV线路传送到建筑物内各低压电气设备;另外低压线路也可能被直击雷击中或感应雷过电压。据测，低压线路上感应的雷电过电压平均可达10KV，完全可以击坏各种电气设备，尤其是电子信息设备。

　　2.2由建筑物内计算机通信等信息线路入侵;可分为三种情况：

　　2.2.1当地面突出物遭直击雷打击时，强雷电压将邻近土壤击穿，雷电流直接入侵到电缆外皮，进而击穿外皮，使高压入侵线路。

　　2.2.2雷云对地面放电时，在线路上感应出上千伏的过电压，击坏与线路相连的电器设备，通过设备连线侵入通信线路。这种入侵沿通信线路传播，涉及面广，危害范围大。③若通过一条多芯电缆连接不同来源的导线或者多条电缆平行铺设时，当某一导线被雷电击中时，会在相邻的导线感应出过电压，击坏低压电子设备。

　　2.2.3地电位反击电压通过接地体入侵;雷击时强大的雷电流经过引下线和接地体泄入大地，在接地体附近放射型的电位分布，若有连接电子设备的其他接地体靠近时，即产生高压地电位反击，入侵电压可高达数万伏。建筑物防直击雷的避雷引入了强大的雷电流通过引下线入地，在附近空间产生强大的电磁场变化，会在相邻的导线(包括电源线和信号线)上感应出雷电过电压，因此建筑物避雷系统不但不能保护计算机，反而可能引入了雷电。计算机网络系统等设备的集成电路芯片耐压能力很弱，通常在100伏以下，因此必须建立多层次的计算机防雷系统，层层防护，确保计算机特别是计算机网络系统的安全。

　　由此可见，对建筑物内各电气设备进行防感应雷保护设计是必不可少的一项内容;设计的合理与否，对电气设备的安全使用与运行有着至关重要的作用。

　　目前，在感应雷的防护当中，电涌保护器的使用已日趋频繁;它能根据各种线路中出现的过电压，过电流及时作出反应，泄放线路的过电流，从而达到保护电气设备的目的。

　　根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)第6.4.4条规定：电涌保护器必须能承受预期通过它们的雷电流，并应符合以下两个附加要求：通过电涌时的最大钳压，有能力熄灭在雷电流通过后产生的工频续流。即电涌保护器的最大钳压加上其两端的感应电压应与所属系统的基本绝缘水平和设备允许的最大电涌电压协调一致。[1]

　　现在，我们根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)附录六规定的各类防雷建筑物的雷击电流值进行电涌保护器的最大放电电流的选择。

　　3一类建筑物防雷设计

　　3.1根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)附录六规定，其首次雷击电流幅值为200KA，波头10us;二次雷击电流幅值为50KA，波头0.25us;根据图2，全部雷电流i的50%按流入建筑物防雷装置的接地装置计，另外50%按1/3分配于线缆计);首次雷击：总配电间第根供电线缆雷电流分流值为200*50%/3/3=11.11KA;后续雷击;总配电间每根供电线缆雷电流分流值为50*50%/3/3=2.78KA;如果进线电缆已经进行屏蔽处理，其每根供电线缆雷电流的分流值将减低到原来的30%，即11.11KA*30%=3.3KA及2.78KA*30%=0.8KA，而在电涌保护器承受10/350us的雷电波能量相当于8/20us的雷电波能量的5~8倍，所以选择能承受8/20us波形电涌保护器的最大放电电流为11.11*8=88.9KA;即设计应选用电涌保护器SPD的最大放电电流为100KA，以法国SOULE公司产品为例，选用PU100型。根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)第6.4.7条规定，该级电涌保护器应在总配电间处安装，即在LPZOA，LPZOB与LPZ1区的交界处安装。[1]

　　3.2根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)第6.4.8，第6.4.9条规定，在分配电箱处，即在LPZ1与LPZ2区的交界处安装电涌保护器，其额定放电电流不宜小于5KA(8/20us)，[1]故此处应选用电涌保护器SPD的最大放电电流为40KA，额定放电电流为10KA;以法国SOULE公司产品为例，选用PU40型。

　　4二类建筑物防雷设计

　　4.1根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)附录六规定，其首次雷击电流幅值为150KA，波头10us;二次雷击电流幅值为37.5KA，波头0.25us;根据图2，全部雷电流i的50%按流入建筑物防雷装置的接地装置计，另外50%按1/3分配于线缆计;首次雷击：总配电间每根供电线缆雷电流分流值为150*50%/3/3=8.33KA;后续雷击：总配电间每根供电线缆雷电流的分流值为37.5*50%/3/3=2.08KA;如果进线电缆已经进行屏蔽处理，其每根供电线缆雷电流的分流值将减低到原来的30%，即8.33KA*30%=2.5KA及2.08KA*30%=0.6KA，而在电涌保护器承受10/350us的雷电波能量相当于8/20us的雷电波能量的5~8倍，所以选择能承受8/20us波形电涌保护器的最大放电电流为8.33*8=66.6KA;即设计应选用电涌保护器SPD的最大放电电流为65KA，以法国SOULE公司产品为例，选用PU65型。根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)第6.4.7条规定，该级电涌保护器应在总配电间处安装，即在LPZOA，LPZOB与LPZ1区的交界处安装。

　　4.2根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)第6.4.8，第6.4.9条规定，在分配电箱处，即在LPZ1与LPZ2区的交界处安装电涌保护器，其额定放电电流不宜小于5KA(8/20us)，故此处应选用电涌保护器SPD的最大放电电流为40KA，额定放电电流为10KA;以法国SOULE公司产品为例，选用PU40型。

　　5三类建筑物防雷设计

　　5.1根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)附录六规定，其首次雷击电流幅值为100KA，波头10us;二次雷击电流幅值为25KA，波头0.25us;根据图2，全部雷电流i的50%按流入建筑物防雷装置的接地装置计，另外50%按1/3分配于线缆计;首次雷击：总配电间每根供电线缆雷电流分流值为100*50%/3/3=5.55KA;后续雷击：总配电间每根供电线缆雷电流分流值为25*50%/3/3=1.39KA;如果进线电缆已经进行屏蔽处理，其每根供电线缆雷电流的分流值将减低到原来的30%，即5.55KA*30%=1.7KA及1.39KA*30%=0.4KA，而在电涌保护器承受10/350us的雷电波能量相当于8/20us的雷电波能量的5~8倍，所以选择能承受8/20us波形电涌保护器的最大放电电流为5.55*8=44.4KA;即设计应选用电涌保护器SPD的最大放电电流为40KA，以法国SOULE公司产品为例，选用PU40型，根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)第6.4.7条规定，该级电涌保护器应在总配电间处安装，即在LPZOA，LPZOB与LPZ1区的交界处安装。

　　5.2根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)第6.4.8，第6.4.9条规定，在分配电箱处，即在LPZ1与LPZ2区的交界处安装电涌保护器，其额定放电电流不宜小于5KA(8/20us)，故此处应选用电涌保护器SPD的最大放电电流为40KA，额定放电电流为10KA;以法国SOULE公司产品为例，选用PU40型。

　　6结论

　　综上所述可见，在防雷保护设计中，总的防雷原则是采用三级保护：将绝大部分雷电流直接引入地下基础接地装置泄散;阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压;限制被保护设备上浪涌过电压幅值(过电压保护)。这三道防线，缺一不可，相互配合，各行其责。目前通常作法是以下三点：

　　6.1建立联合共用接地系统，形成等电位防雷体系

　　将建筑物的基础钢筋(包括桩基、承台、底板、地梁等)，梁柱钢筋，金属框架，建筑物防雷引下线等连接起来，形成闭合良好的法拉第笼式接地，将建筑物各部分的接地(包括交流工作地，安全保护地，直流工作地，防雷接地)与建筑物法拉第笼良好连接，从而避免各接地线之间存在电位差，以消除感应过电压产生。

　　6.2电源系统防雷

　　以建筑物为一个供电单元，应在供电线路的各部位(防雷区交接处)逐级安装电涌保护器，以消除雷击过电压。

　　6.3等电位联结系统

　　国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(局部修订条文)明确规定，各防雷区交接处，必须进行等电位联结;尤其建筑物内的计算机房等弱电机房，遭受直击雷的可能性比较小，所以在此处除采取电涌保护器进行感应雷防护外，还应采用等电位联结方式来进行防雷保护，本文不再叙述。

　　作为电气设计人员都非常清楚，建筑物的防雷保护设计是一项既简单又繁琐的内容，但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，所以还有待于各位电气设计人员作进一步的研究与探讨;同时必须严格按照国家规范，善为谋划，精心设计。本文仅此设计作了一点粗浅的探讨，所以文中不足之处，望同行不吝赐教。

　　致谢：建筑物防雷保护设计探讨过程中得到了南京信息工程大学肖稳安老师、山东省防雷中心赵连义主任的大力帮助和指导，特此致谢。

　　参考文献：

　　[1]中南建筑设计院.建筑物防雷设计安装99D562.北京：中国建筑标准设计研究所出版1999：16-98.

　　[2]林维勇.《建筑物防雷设计规范》.北京：中国计划出版社，2001：2-71.

　　[3]朱林根.《21世纪建筑电气设计手册下册》.北京：中国建筑工业出版社，2001：100-190.

　　[4]梅卫群，江燕如.《建筑物防雷工程与设计》.北京：气象出版社，2004：200-330.

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