綜合樓防雷設計方案的分析

李斌 蔡國橋

摘要：本文主要針對綜合樓防雷設計的方案展開了分析，通過結合具體的工程實例，對防雷的設計方面作了詳細的論述，并對設計方案作了系統的探討，以期能為有關方面的需要提供有益的參考和借鑒。

關鍵詞：綜合樓；防雷設計；方案

1 引言

隨著社會經濟的快速發展，城市建筑日漸增多，建筑遭受雷擊的事件也越來越多，這使得施工單位對防雷的組織設計施工有了高度的重視。而綜合樓建筑的防雷工程是一項復雜的系統工程，為了保障綜合樓建筑的安全，就需要制定出一套整體防雷設計方案，以達到防止和減少雷電對建筑物及電子信息系統造成的危害。

2 防雷環境分析

某建筑物主體結構為鋼筋混凝土，共5層，附近有其他建筑物。地周圍土壤電阻率ρ=100（Ω.m），大樓正面長度為22.5米，側面長度為15.8米，樓層標高為15.0米，女兒墻高出屋面1米，樓頂有一正方形水塔，塔長2米，寬2米，高出屋面2.2米，均無防雷措施對其進行防護。

底層有一中心配電房，網絡主機房設置在綜合樓第三層。網絡線路由光纖引入，通過一臺中心交換機用光纖接到二級交換機（三臺），其中兩臺直接與工作站連接，另一臺通過雙絞線連接到集線器（兩個）后再與工作站連接。電源和信號線均由架空引入，所有機房供電采用TN-C-S供電機制，機房內設備有UPS和各類機架共4個，進出機房信號纜線為光纜和X.25數據通信，網絡線路在樓內布設。

3 雷電和雷電電磁脈沖損害設備的途徑

雷電和雷電電磁脈沖主要通過兩種形式：一種是通過金屬管線或地線直接傳導雷電損害設備；另一種是閃電通道及泄流通道的雷電電磁脈沖以各種耦合方式感應到金屬管線或地線產生浪涌損害設備，絕大部分雷電損害由這種感應引起。對于電子信息設備而言，危害主要來自于由雷電引起的雷電電磁脈沖的耦合能量，本綜合樓雷電和雷電電磁脈沖損害設備主要是通過以下兩個途徑造成的：

電源線，該綜合樓低壓配電系統由室外變壓器架空線直接引入底層配電房，后由總配電箱分到各個樓層分配電箱，再由分配電箱到相應的電子設備端。

信號線，包括光纜、X.25數據線、電話線，這些線均由室外架空引入，雷電波極容易沿這些線路侵入而造成端口設備損壞。

4 主機房防雷區域

該綜合樓為三類防雷建筑物，根據GB50057–94（2010）第3.4.7條“引下線不應少于兩根，但周長不超過25m且高度不超過40m的建筑物可只設一根引下線。引下線應沿建筑物四周均勻或對稱布置，其間距不應大于25m。當僅利用建筑物四周的鋼柱或柱子鋼筋作為引下線時，可按跨度設引下線，但引下線的平均間距不應大于25m”?？芍摯髽鞘抢媒ㄖ锼闹艿匿撝饕戮€的，按照跨度設制的，它的引下線條數為6根，安全距離的估算，按照規范要求：防止雷電流流經引下線和接地裝置時產生的高電位對附近金屬物或電氣線路的反擊，當金屬物或電氣線路與防雷的接地裝置之間不相連時，其與引下線之間的安全距離應符合下式要求：

當lx<5Ri時，Sa3≥0.2kc（Ri+0.1lx）

當lx≥5Ri時，Sa3≥0.05kc（Ri+lx）

式中Sa3——空氣中距離（m）；

Ri——引下線的沖擊接地電阻（Ω）；

lx——引下線計算點到地面的長度（m），取16米；

經計算，分流系數kc為0.17；Ri=R/A（ρ=100Ω·m，取A為1）故Ri=R=2.8

本文lx為16≥5ⅹ2.8=14，所以Sa3≥0.05kc（Ri+lx）

≥0.05ⅹ0.17（2.8+16）

≥0.24（m）

依照中華人民共和國國家標準GB50343-2004《建筑物電子信息系統防雷技術規范》中第6.3.2條“在建筑物或房間的大空間屏蔽是由諸如金屬支撐物、金屬框架或鋼筋混凝土的鋼筋等自然構件組成時，這些構件構成一個格柵形大空間屏蔽，穿入這類屏蔽的導電金屬物應就近與其做等電位連接?！?/p>

當對屏蔽效率未做試驗和理論研究時，磁場強度的衰減應按下列方法計算。

5 確定防護要點

根據GB50057，GB50343以及現場的勘察資料和建筑物的重要性、使用性質、和特點來確定雷電防護的重點。

綜合樓樓體的直擊雷防護；

綜合樓內電子信息系統對雷電電磁脈沖的防護；

綜合考慮部分：建筑物內整個供電系統電源線路的防雷電感應措施；信號線路的防雷電感應措施；等電位連接、接地系統、過電壓及其它防雷措施；

6 防雷具體設計方案

6.1 外部防雷

6.1.1 直擊雷防護

由于該綜合樓屬于第三類防雷建筑物，整個屋面采用避雷帶和避雷網混合組成的接閃方式對其屋面進行保護。采用Ф12mm熱鍍鋅圓鋼沿建筑物四周女兒墻及水塔沿邊敷設，避雷帶支持卡間距為120cm，高15cm，轉角處懸空段不大于1米，同時屋面采用熱鍍鋅圓鋼組成15×8米避雷網格。避雷網格沿屋面敷設，所有高出屋面的各種金屬構件均需與避雷帶焊接相連，并與大樓主鋼筋進行可靠焊接連通。屋面防雷平面圖如下圖所示：

圖1 綜合樓屋面防雷平面圖

注意：

（1）在接閃器保護范圍內不是沒有雷擊，只是雷擊能量較小，滾球半徑R越小，進入保護范圍的雷擊能量也越小，也就是說接閃器的防雷效果越好；

（2）接閃器也并非越高越好，超過60米的接閃器在技術上是沒有多大意義的；

（3）注意接閃器與系統外置部分的保護角與防閃絡安全距離，必要時進行搭接處理；

（4）理論上任何良好地的金屬物體都可以作為接閃器。

6.1.2 引下線

本綜合樓引下線是利用建筑物混凝土中的柱內對角兩根主鋼筋Ф16mm（Ф≥12mm，可靠連接）作為自然引下線，引下線沿建筑物四周屋角布置，可以有效的抑制雷電電磁脈沖的危害，有效的對其泄流，其平均間距12.8米。同時引下線的良好布置，也對內部電子信息系統的設備起到了初級屏蔽的作用。其分布圖如下所示：

圖2 引下線位置分布圖

6.1.3 接地裝置

本方案防雷接地與交流工作接地、直流工作接地、安全保護接地共用一組接地裝置，接地裝置的接地電阻值按接入設備中要求的最小值確定，小于等于4.0歐姆。接地裝置利用建筑物的自然接地體，經檢測，該自然接地體的接地電阻值為2.8歐姆，達到標準要求，不需要增加人工接地體。

6.2 建筑物內部雷電防護

6.2.1 屏蔽

機房的屏蔽：主要是內屏蔽和外屏蔽，適當的運用局部屏蔽的方法來有效的消除電磁干擾，雷電危害。對于普通的辦公室，由于大樓樓體本身就是一個很好的“法拉第屏蔽籠”，起到初級屏蔽的作用，設備的機箱又可以起到次級的屏蔽作用，對于一般的小型機房和對設備要求不是很高的條件下的場所，不需要再做屏蔽措施，就可以保證設備正常工作，不受雷電損害。對于重要的機房，如中心機房和營業部的機房，我們要將室內用六面金屬網屏蔽起來，做到良好的次級屏蔽，則滿足規范要求。

6.2.2 接地與等電位

為了保證綜合樓內部信息系統電子設備和操作人員的安全，所有各類電氣、電子信息設備均應進行等電位連接、良好的接地處理，使得所有雷電流順利泄入大地。各個內層保護區的界面處同樣要依此進行局部等電位連接，再將各個交界處的電位都通過母線排連接起來。

為防止閃絡和過電壓，在國際GB50057-94中提出了等電位連接的要求。共地的基本目的是希望達到全面地電位等電位，抵御雷電的高壓反擊。如果強行等電位，必將造成不愉快的后果，IEC61312標準明確指示：當共地無法實現時，采用電壓瞬間導通的SPD元件，實現雷電來臨時，達到瞬間共地。

大樓內各弱電系統的具體等點位措施：外墻上所有金屬欄桿、門窗均與避雷帶可靠連接，避雷帶再與引下線可靠連接。豎直敷設的金屬管道及金屬物兩端連接使其與引下線形成并聯線路，使雷電流更迅速的入地。進入大樓的光纜，在入戶處將光纜中的加強鋼筋作接地處理，接地線就近接至均壓環或接地匯集排。

樓內語音線路采用的三類大對數電纜，有條件最好敷設在屏蔽槽（管）內，并將電纜的金屬屏蔽層在進入機房前和另一端做接地處理，接地線就近接地。

機房的接地（等電位聯結），對于機房的接地，根據機房的占地面積、使用性質、重要性和自身特點，結合建筑物防雷規范GB50343-2004計算機機房的相關規定，采取一點接地的方法對其進行保護，如圖3所示

圖3 計算機全方位防雷接地邏輯圖

關于圖4的幾點說明：

（1）機房的邏輯地線、保護地地線選用35m㎡多股銅線至各配電柜和空調配電柜。

（2）計算機機房內敷設接地母線采用4mm×40mm的銅排，如圖，安裝于靜電地板之下。

（3）將計算機機房內各種金屬管道、屏蔽外殼、金屬門窗、靜電地板支架、各種設備、機柜外殼均采用6mm2多股銅芯線就近接地于接地母排上。

大樓的計算機房的六面屏蔽網應與機房內環形接地母線、防靜電地板均勻多點連。

通過星型（S型結構）或網型（M型結構）把設備直流地以最短的距離連到鄰近的等電位連接帶上。一般的辦公室機房選S型，營業廳和在三樓的中心機房由于計算機設備較多，選M型結構。具體聯結如下：

在機房內用銅條設環形接地母線排，將機房內所有接地及金屬物、門窗與母線排連接，如保護接地線、電源PE線、進出機房和各種電纜的金屬保護層、金屬套管（槽）、設備的接地線、防靜電接地、各種金屬管道、金屬吊頂等，母線排還應與同樓層的建筑物鋼筋連接，連接導線采用25mm2以上多股銅芯線。

按照《接地系統標準施工圖》進行接地連接，焊接時搭接長度符合規范規定，圓鋼搭接長度≥6D（D為圓鋼直徑），雙面焊；扁鋼搭接長度≥2b（b為扁鋼寬度），三面焊，嚴禁“T”型搭接和直接對接；圓鋼與扁鋼連接時，其長度為圓鋼直徑的6倍。焊縫應平整、飽滿、不得有咬肉、焊瘤等現象，焊縫嚴禁用砂輪機打磨，螺柱連接時，應緊固有防松（彈簧墊）措施。

6.2.3 合理布線

通信電纜以及地線的布放應盡量集中在建筑物的中部。

通信電纜線槽以及地線線槽的布放應盡量避免緊靠建筑物立柱或衡梁并沿建筑物立柱或橫梁布線較長的距離，通信電纜線槽以及地線線槽的設計應盡可能位于距離建筑物立柱或橫梁較遠的位置。

計算機機房的設備盡量采用光纜，但采用光纜應注意將金屬加強筋進行接地連接；適當地增加引入線長度，或設置成電感形式以增大匝間電容和對地電容，可抑制雷電波頭陡度。

6.3 電源線路的防護

電力傳輸線是涉及范圍最為廣泛的傳輸線，事實證明80﹪以上的雷電入侵波來自于電力傳輸線，對于該信用社的網絡數據線及語音、安全防范等系統內的電源線的防雷應采取“多重保護、層層設防”的原則，根據設備的重要程度和地理位置進行有重點，有層次的多級保護，從而逐步根據現場考察資料。該信用社采用的是TN-C-S的供電機制，根據ICE和GB的有關標準的規定，對電源系統應實施三級防護，由于人戶為架空電纜引入，所以在總配電柜應安裝開關型SPD作為第一級保護；分配電柜線路輸入端應安裝限壓型SPD作為第二級保護；在電子信息設備電源進線端應安裝限壓型SPD三級保護。

每一級的通流容量按照規范GB50343-2004《建筑物電子信息系統防雷技術規范》中表5.4.1-2的參數：第一級使用通流容量不少于60kA的電源避雷器（對雷電進行90%的吸收），第二級使用不少于20kA的電源避雷器（第一級避雷器吸收雷電后，對殘余感應雷電進行吸收，使雷電的能量基本吸收完畢）第三極使用通流容量不少于20kA的電源避雷器（對殘余的雷電雜波及其它操作過電壓、容性負載感性負載引起的浪涌的吸收）。若第一線防雷器件與第二級防雷器件之間拉開直線距離10米以上，第二級與第三級之間拉開直線距離5米以上，利用將入侵雷電波的過電壓、過電流降到設備可以承受的水平。

6.4 信號線路的防感應雷保護

由于信號系統，尤其是與信號傳輸線相連接的設備接口工作電壓較低，而且耐壓水平也很低，對于由信號傳輸線引入的感應雷電波特別敏感，極易損壞。為了有效的傳輸數據和正確地進行通訊，防止雷擊浪涌過電壓的危害，在網絡數據及語音、安全防范等系統設備的信號接口處安裝相應的信號避雷器是非常必要的。需要對監控系統、計算機網絡系統和大屏幕顯示系統等加裝SPD，有效進行雷電防護。

7 結語

綜上所述，本文就綜合樓防雷設計的方案進行了分析，通過結合具體的工程實例，對防雷設計的方案及組織施工方面作了系統的論述，相信對類似的防雷施工能起到一定的幫助作用。

參考文獻：

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