高层建筑高层建筑物系
统防雷
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方
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物系统防雷
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方
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湖南普天科比特防雷技术有限公司
刘云云138********
公司简介
科比特是一家以防雷科技、太阳光伏产品开发为主体，以服务为中心，集防雷产品的研发、生产、销售和防雷工程设计、施工为一体的综合性集团公司。
科比特以“永远追求科学的管理方式，优越的性价比，独特、完善的售后服务”为
宗旨；秉承“诚信、务实、卓越、和谐”的经营理念；发扬“勤、忍、诚、和”的企业文化；充分发挥规模、技术、机制和人才四大优势，用文化凝聚人才，用科技打造品牌，用诚信赢得市场，用实力铸就辉煌。
科比特在全国设有25个分公司，构建了全国一体化的销售和服务体系。
湖南普天科比特防雷技术有限公司多年来一直从事综合防雷工程的设计、施工及服务，并取得了中国气象局颁发的《防雷工程专业设计甲级资质证》和《防雷工程专业施工甲级资质证》。公司坚持以服务为本，不断吸取先进的防雷工程设计、施工经验，同时广招技术人才，其中大专以上学历占员工总数的80%以上，拥有多名高级工程师、工程师、助工、技术员等；并有28人获得防雷气象学会颁发的防雷设计、施工资格证书。公司致力于建设一支高素质、年轻化的专业人才队伍，自成立以来，承接了全国各地通信、气象、铁路、金融、广播电视、电力、航空、军事、石化等数百个大中型防雷工程项目的勘测、设计和施工。在实施防雷工程过程中，按照《ISO9001：2000质量管理体系》的要求进行质量控制和管理，努力做到符合规范并高于规范，确保国家和人民生命财产的安全。
科比特——您身边的防雷专家，时刻期待着为您提供最为全面的解决方案以及最完善的产品和服务！
前言
随着社会的进步，各行各业迅猛发展，正在为构建信息社会发挥越来越大的作用，而高层建筑物作为一个反映地区的繁荣的标准之一，其安全不容小视，其中就涉及到了防雷领域。高层建筑物内大部分的设备大部分是电子设备，它的电磁兼容能力低，抗雷电、抗电磁干扰能力弱。高层建筑物在建设时没有安装避雷装置，雷击风险很高，越高的建筑物，被雷击到的风险也就随之增高。因此，如何做好高层建筑物的综合防雷，保障建筑物内部电子信息系统的安全，显得尤为重要。
高层建筑物的防雷是一个系统性的复杂工程，其防雷措施是一个讲究整体防御性的工作，需要各个环节紧密配合。建筑物主要由电源、监控及网络等弱电系统组成，其中，电源供电设施包括电力传输线、变压器和电源设备；监控系统主要有摄像头、硬盘录像机等组成；网络系统包括电脑、网络交换机等设施，各个系统之间紧密联系，共同构成了一个现代化信息系统。从防雷的角度讲，这些设备引入雷电的危害形式并不单一，主要包括了直接雷击、感应雷击、电磁脉冲辐射、雷电过电压侵入和反击，一旦某一设施遭受雷电袭击，必然会直接影响到与它相连的其它设施，造成破坏。
针对建筑物容易遭受雷害的情况，本文简单地将一般高层建筑物的系统组成概括为电源系统、网络信息系统、视频监控系统、语音系统、门禁系统、消防系统等多个部分，着重阐述了每一组成部分各设施的具体防雷措施。并应用这些方法，对建筑物进行了防雷方案设计，与此同时，我们也看到了现有的防雷理论还不够完善，还需大家在今后的实际工作中，不断地摸索，总结经验，争取将雷击损害降低到最小程度。
一、雷电对高层建筑物的危害
1.1雷电成因
当天空中有雷云的时候，因雷云带有大量电荷，由于静电感应作用，雷云下方的地面和地面上的物体都带上与雷云相反的电荷。雷云与其下方的地面就成为一个已充电的电容器，当雷云与地面之间的电压高到一定的时候，地面上突出的物体比较明显地放电。同时，天空带电的雷云在电场的作用下，少数带电的云粒（或水成物）也向地面靠拢，这些先驱流柱延续形成电离的微弱导通。当先驱放电到达大地，或与大地放电迎面会合以后，就开始主放电阶段，形成雷击。人们通过模拟地球原始大气在密室中进行放电的实验，结果由无机物合成了11种氨基酸。这些物质的出现，是生命起源的基础，因此，一些生命起源学说认为，是雷电孕育了地球上的生命。从这个角度来讲，人类有今天的文明应该感谢雷电，但是，雷电给人类带来的危害更值得我们关注。
1.2 雷电对高层建筑物的危害形式
雷电是自然界中强大的脉冲放电过程，雷电通过多个渠道的侵入高层建筑物的多个系统，一般说来，我们可以把雷电放电对地面建筑物或设备可能产生的危害形式划分为下列几类。
1.2.1直接雷击
在雷暴活动区域内，雷云直接通过人体、建筑物或设备等对地放电所产生的电击现象，称之为直接雷击。此时雷电的主要破坏力在于电流特性而不在于放电产生的高电位，我们可由建筑物屋面的卫星天线等接收信号装置遭受直击雷的情况看出它对高层建筑物的危害。
1）酒店、房开等所在建筑物
随着城市高楼的增加，使雷电击穿空气的距离缩短，建筑物遭受雷击概率加大。当雷电击中机房时，强大的雷电流变成热能。雷击放电的电量大约为25～100C，据此估算，雷击点的发热量大约为500～2000J，该能量可以熔化50～200mm的钢材，因此，雷电流的高温热效应将引起机房建筑物燃烧。在雷电流过的通道上，物体水分受热汽化而剧烈膨胀，产生强大的冲击性机械力，该机械力可以达到5000～6000N，因而可使
机房建筑物结构断裂破坏，导致工作人员伤亡，设备破坏。
2）屋面接收天线
接收天线也是雷击的主要破坏点，由于天线大多设置在酒店、房开这类高层建筑物的房顶上，从防雷角度来看，相对周围环境而言，形成十分突出的目标。
雷电流在闪击天线过程中将进入与天线相连的馈线，它沿着馈线可以传送到很远的地方。除了在馈线上产生电或热效应，破坏其机械和电气连接之外，当它侵入与之相连的通信设备时，还会对通信设备的机械结构和电气结构产生破坏作用。同时，它在设备处出现一个强大的雷电冲击波及其反射分量，反射分量的幅值尽管没有冲击波大，但其破坏力也大大超过微电子器件的负荷能力，尤其是它与冲击波叠加，形成驻波的情况下，便成了一种强大的破坏力。可见，直接雷击的危害十分大，绝不能掉以轻心。
1.2.2 感应雷击
从雷云密布到发生闪电放电的整个过程中，雷电活动区几乎同时出现三种物理现象，其中静电感应与电磁感应两种现象是可能造成感应雷击的危害形式。感应雷击虽然没有直接雷击猛烈，但其发生的几率比直接雷击高得多。下面我们来分析一下高压架空线、馈线分别在雷电静电感应、电磁感应作用下是怎样将雷害引入建筑物内的。
1）静电感应
当雷电来临时，雷云底部分布着大量的负电荷，它们将产生静电场。高压架空线路上将感应出大量与雷云底部电荷符号相反的电荷，这种静电感应作用随着与雷云正下方高压架空线路的距离的增大而迅速减小（与距离的三次方成反比）。在雷云对地面或另一雷云放电后，雷云上所带的电荷，通过闪击与异种电荷中和。此时，高压架空线路上虽未受到雷击，但已聚积的电荷却产生了很高的电压，它必然要放电。而由于高压架空线路与大地间的电阻比较大，感应电荷不能在同样短的时间内相应消失，这样就会形成高压架空线路上的感应高压。
这样形成的感应高电压在高压架空线路可达300～400KV，电荷放电时，将产生一个很大的脉冲电流，其雷击效果虽然比直接雷击小一些，但由于电力线对雷电波的传输
损耗小，雷电流几乎无衰减的沿电力线进入电源设备，也会造成设备损坏。
2）电磁感应
闪电电流在经高层建筑物屋面入地过程中，在建筑物周围的空间产生磁场，这种磁场将随时间而变化，其感应作用随着与落雷点的距离的增大而较快地减少（与距离平方成正比）。磁场在馈线同轴电缆的金属屏蔽层上激发出感应电流，屏蔽层的电阻会使屏蔽层产生相当高的电压降，此时，由于芯线上没有感应电流，即为电位零点，此电压降就成为屏蔽层与芯线之间的电压。
3）电磁脉冲辐射
雷电放电产生的第三种物理现象就是电磁脉冲辐射，闪电放电时，其电流是随时间而非均匀变化的。一次闪电往往由几个短脉冲放电组成，脉冲电流向外辐射电磁波，这种电磁脉冲辐射虽然也随着距离的增大而减小，但却比较缓慢（与距离的一次方成反比），闪电的电磁脉冲辐射通过空间以电磁波的形式耦合到对瞬态电磁脉冲极其敏感的设备。
随着通信网络等日趋庞大，通信设备的集成化、数字化程度不断提高。此类设备一般工作电压低、耐压水平低、敏感性高、抗干扰能力低，受雷电影响及损坏的几率增大，即使是几公里以外的高空雷闪或地面雷闪都可能造成设备故障或损坏。
4）雷电过电压侵入
当建筑物并不处于雷暴活动区域内，或者虽然在雷暴活动区域内，但设备已受到防直击雷的避雷装置的保护与屏蔽，有时仍会遭到雷害。其原因可能是在电力电缆、同轴电缆或金属管道上未采用防止雷电过电压侵入的措施。下面以电力电缆为例说明雷电过电压侵入对弱电系统的危害。直击雷或感应雷都可能使电力电缆产生过电压，如图2.2.5所示。这种过电压沿着电力电缆从远处雷区或防雷保护区域之外传来，侵入设备内部，使交、直流电源和整流器损坏。由于雷电过电压波沿电力电缆传播的距离远，扩散面大，特别是当地并无雷电活动，工作人员毫无准备的情况下，突然袭来，所以，雷电过电压侵入造成的损失也比较严重。据统计，在电子设备遭受的雷击事故中，雷电过电压沿电源线侵入设备而造成的雷击故障，大约要占80﹪。
图2.2.5 雷击大地对附近电缆放电示意图
5）反击
在雷暴活动区域中，当雷电闪击到屋面的接闪装置上时，尽管接闪装置的接地系统十分良好，其接地电阻也很小，但由于雷电流幅值大，波头陡度高，雷电流流过时也会使接地引下线和接地装置的电位聚升到上百千伏。如果基站的接地引下线与各种金属管道或用电设备的工作地线间的绝缘距离未达到安全要求，则可能造成引下线与各种金属管道或用电设备的工作地线之间放电，从而使这些金属管道或用电设备的工作地线上引入反击电流，造成工作人员和设备雷击事故。
图2.2.6 雷电流对金属钢管反击示意图
因此，高层建筑物的防雷既要防直击雷，又要防感应雷，既要防止高电压雷电波从金属线缆输入，也要防止高电压反击。
二、高层建筑物系统防雷必要性
在科学技术日益发展的今天，虽然我们还不能完全控制暴烈的雷电，但是经过长期的摸索与实践，现在己积累了很多有关防雷的知识和经验，并形成一系列对防雷行之有效的方法和技术。这些成功的防雷方法和技术，归纳起来有接闪、均压、等电位连接、接地、分流、屏蔽以及躲避等。将这些方法应用于酒店、房开等高层建筑物系统的防雷，可在一定程度上减小雷电对建筑物系统的危害。
2.1.1 天线
利用常规避雷针的保护措施，可以有效地保护天线免遭直接雷击。
1）接闪器
大部分天线的防雷措施，主要是在高层建筑物所在大楼店屋面安装避雷针及在女儿墙上安装避雷带等综合防护的办法，这种方法经济、简单，但应严格按照以下要求进行设计。
大楼天线通常放在屋面上，天线安装位置应在避雷针的防护范围内。避雷针应架设在天线附近区域，并与避雷带进行焊接，避雷带再与大楼的主钢筋焊接，并做好焊点防腐处理。避雷针的架设高度按滚球法计算，滚球半径应符合所选择的防雷体系的保护等级，避雷针支撑柱宜采用镀锌钢管组成，针尖采用科比特生产的避雷针，型号为KBT-UD-1。避雷针应与天线之间保持一定的间隔，如图⒊⒈１所示，以防止由于避雷针的存在而损坏天线的辐射图形，影响通信效果。
图3.1.1 避雷针保护天线示意图
2）引下线
利用建筑物的主钢筋作为引下线，因为其已良好接地，引下线之间的间距不得大于18米（防雷建筑物引下线间距：第一类12米，第二类18米，第三类25米），以保证安全通过雷电流。所以，只需接闪器与建筑物的主钢筋有良好的电气连接，并做防腐处理，即可保证雷电流及时流入大地，这样既减少投资，又达到保护的目的。
2.1.2 馈线
高层建筑物的馈线一般采用同轴电缆，由于它已在避雷针的保护范围内，其引入机房的主要是感应雷电波，所以，可采取屏蔽层接地的方法，将雷电流尽快泄入大地，减少对机房通信设备的影响。在同轴电缆至机房转弯处上方0.5～1m 适当位置与大楼的接地装置连接，作为另一个接“地”点。
电缆金属屏蔽层接地可以防止高电位引入机房，在高电位到达电缆时，电缆金属屏蔽层与芯线之间的绝缘介质被击穿，两者连通。根据集肤效应，电流被排挤到金属屏蔽层而进入大地，从而起到钳制高电压引入的作用。
同轴电缆进入机房后，在连接到通信设备前其芯线应加装天馈避雷器，以便让从芯线传来的雷电能量泄放到大地，防止感应雷的引入。
2.2 低压输电线
从变压器到建筑物的机房，低压线路宜全程采用具有金属护套的电缆穿钢管埋地引入，电缆埋地长度不宜小于50m，埋地深度不小于0.7m。在机房入口处，将金属护套和钢管就近与地网连通，由于雷电流的集肤效应，可使相当大的一部分电流沿金属护套和钢管接地端口泄入大地，最大限度衰减从其上引入的雷电高电压。电源引到大楼的总配电室后，应根据设备的多少和配置来增设相应的防雷保护措施。
2.3 机房部分
高层建筑重要的通信设备都在机房内，因此，做好这部分的防雷是高层建筑物整体防雷工程的关键。
2.3.1 电源系统
电源是通信系统的“心脏”，做好通信电源的防雷保护是做好整个通信系统防雷工作的重要内容。对于电源系统的防护，可在该系统中加装过电压保护器，它能在极短时
间内释放电路上因雷击而产生的大量脉冲能量，将被保护线路连入等电位系统中，使设备各端口的电位差不超过设备所能承受的冲击耐受电压，从而保护设备免遭损坏。
（1）分级保护
根据设备的不同位置和耐压水平，可将保护级别分为三级或更多。多级防护是以各防雷区为层次，对雷电能量逐级泄放，让各级避雷器的限制电压相互配合，最终使过电压值限制在设备绝缘强度之内，电源系统的多级防护如图⒊⒊1所示。
图3.2.1电源系统多级防护示意图
首次正极性雷击的雷电流参量
首次负极性雷击的雷电流参量
长时间雷击的雷电流参量
1）第一级保护
考虑到从变压器进入大楼配电房的电缆容易遭受雷电闪击或者感应雷电波，并且进入配电屏的雷电流没有分流，雷电流最强。因此，在变压器到配电房的电缆芯线应对地加SPD，它可以对通过电缆的直击雷和高强度感应雷实施泄放，将数万甚至数十万伏的过电压限制到数千伏。
依据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》第4.3.8条中规定：在电缆与架空线连接处，尚应装设户外型电涌保护器。电涌保护器、电缆金属外皮、钢管和绝缘子铁脚、金具等应连在一起接地，其冲击接地电阻不宜大于 30Ω。所装设的电涌保护器应选用Ⅰ级试验产品，其电压保护水平应小于或等于 2.5 kV，其每一保护模式应选冲击电流等于或大于 10 kA；若无户外型电涌保护器，应选用户内型电涌保护器，其使用温度应满足安装处的环境温度，并应安装在防护等级 IP54的箱内。
低压电源线路引入的总配电箱、配电柜处装设I级实验的电涌保护器，以及配电变压器设在本建筑物内或附设于外墙处，并在低压侧配电屏的母线上装设I级实验的电涌保护器时，电涌保护器每一保护模式的冲击电流值，当电源线路无屏蔽层时，雷电流应取等于150kA。
2）第二级保护
考虑到从总配电室到楼层配电箱的输电线路，同时包括电梯电源配电箱、消防电源配电箱、水泵电源配电箱等，主要是针对电源的次级防雷，也应在其配电箱内对地加装SPD，由于配电箱处的SPD 是对经过初级避雷器限制电压后的直击雷和感应雷实施泄放，可选用通流容量相对适中的限压型SPD，它主要采用氧化锌压敏电阻，其残压低，无续流、响应时间短。
3）第三级保护
考虑到从楼层配电箱到机房配电箱的输电线路，主要是针对电源的次次级防雷，也应在机房配电箱内对地加装SPD，用于保护机房内的敏感电子设备
4）第四级保护
考虑到可能有残压和高压反击，在通信设备的前端也应对地加装SPD，用于对终端设备的保护，它可将过电压限制到对后级设备没有损害的范围内。终端设备的防护可采用抑制二极管，较之气体放电管和MOV，它有更高的电流导通能力，当受到瞬态高
能量雷电冲击时，它能以9 10 s 量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，并且限制电压低而且稳定，有效地抑制外来雷电波的入侵。
（2）级间配合
SPD 应设置在任意两个防雷区的交界处，各级SPD 的电压等级和通流量等级要与各级可能承担的雷电能量和各级设备的耐压配合。
（3）电源浪涌保护器的接线形式
电涌保护器的接线形式应符合表 J.1.2规定。具体接线图见图 J.1.2-1～图J.1.2-5。
2.3.3 信号系统
依据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》第4.3.8条中规定：在电子系统的室
外线路采用金属线时，其引入的终端箱处应安装 D1类高能量试验类型的电涌保护器，其短路电流当无屏蔽层时，雷电流应取等于150kA；当无法确定时应选用1.5kA。
在电子系统的室外线路采用光缆时，其引入的终端箱处的电气线路侧，当无金属线路引出本建筑物至其他有自己接地装置的设备时，可安装 B2类慢上升率试验类型的电涌保护器，其短路电流宜选用 75A。
1）天馈系统
天馈通道是雷击感应的通道之一，因此，同轴电缆除了其金属屏蔽层就近接地外，还应选择加装不同的天馈避雷器。因SPD 存在一定的插入损耗，会对天线辐射信号的强度造成影响，选择时应保证其损耗尽可能小，阻抗和工作频率等指标与通信设备相匹。同轴电缆SPD 一般在室外端和室内与设备的接口端分两级设置，其接地端子应就近接到机房外同轴电缆入口处的接地体上，以便让从同轴电缆芯线传来的雷电能量逐级泄放到大地，防止引入感应雷电流。
2）监控系统
监控系统中包括很多设备，其中有各式各样的摄像头、硬盘录像机、显示屏及主机等设备，这些设备抗雷电感应的能力很差，当其中的某一个点遭受雷电感应，能导致多台甚至全部的监控设备瘫痪，因此做好监控系统方面的防雷也不可或缺的。
监控系统的防雷分为两部分，一部分是摄像头端的防雷，其主要的防雷措施是安装监控信号防雷器，并有良好的接地系统。这样能保护好摄像头，另外一部分则是在监控机房内，因为所有的视频信号均会被传输至机房的硬盘录像机，通过硬盘录像机再将信号传输至主机，然后通过主机对电视墙进行画面划分，最终达到监控的目的，因此在信号进入硬盘录像机前端加装相应的信号SPD，同样要有良好的接地系统，将设备的机箱外壳进行接地处理。已达到防静电的目的。
3）网络信号系统
网络信号系统中同样包括很多设备，其中有主机、网络交换机、路由器等设备，这些设备都是有一些很敏感的电阻、电容等元件组成，抗雷电感应的能力很差，当这些设备被雷电感应时，受损的几率相当大，因此，网络防雷也是不可缺少的。
网络信号系统的防雷分为两部分，一部分是电脑主机的防雷，其主要的防雷措施是在网络信号进主机前端安装相对应的SPD，并有良好的接地系统。这样能保护好主机不
被感应雷电流进入主机，导致主机瘫痪。另外一部分则是网络交换机、路由器的防雷，
因为所有的网络信号均是通过网络交换机或路由器传输至各台主机，对其提供网络服
务，因此在网络交换机、路由器前端加装相应的信号SPD，同样要有良好的接地系统，
将设备的机箱外壳进行接地处理。已达到防静电的目的。
4）音频信号系统
音频信号系统中主要包括电话及程控交换机等设备，这些设备都是有一些很敏感的
电阻、电容等元件组成，抗雷电感应的能力很差，当这些设备被雷电感应时，受损的几
率相当大。同样也给通讯带来极大的不便，因此，音频防雷也很重要。
音频信号系统的防雷分为两部分，一部分是电话的防雷，其主要的防雷措施是在电话信号进电话机前端安装相对应的SPD，并有良好的接地系统。这样能保护好电话。另外一部分则是程控交换机的防雷，因为所有的音频信号均要通过程控交换机，因此在程控交换机前端加装相应的信号SPD，同样要有良好的接地系统，将设备的机箱外壳进行接地处理。已达到防静电的目的。
5）门禁系统及消防系统
门禁及消防系统任何一个组成其系统的单元受到损坏时，将影响到整个建筑物系统的正常运行
及人们的安全，因此做好此方面的防雷也是必须的。因为门禁及消防系统主要是由电源控制，所以
对于这两方面的防雷主要针对电源，电源控制端口安装相对应的电源SPD，来保护设备的正常运行。
电子系统的电涌保护器
J.2.1 电信和信号线路上所接入的电涌保护器的类别及其冲击限制电压试验用的
电压波形和电流波形应符合表 J.2.1规定。
表 J.2.1电涌保护器的类别及其冲击限制电压试验用的电压波形和电流波形