高层楼宇的防雷研究与设计Word文档格式.docx

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2.雷电波侵入

雷电波侵入，指的是雷电并没有直接作用于建筑物本身，而是通过建筑物外分布的电缆等部件进行放电的现象。

然后，外部电缆上由于雷电的原因，产生了过电压，雷电波和过电压则会以极快的速度向建筑内部扩散，损害建筑物内部的电子电气设备，损坏精密仪器，使整个电气控制系统瘫痪。

3.感应过电压

雷电没有直接作用在电气设备和电气线路之上，而是作用在他们的周围。

又或者指的是雷电没有直接对地表进行放电，而是在带电云层和带电云层之间的放电的现象带电。

这时闪电会释放出电荷，在电源和数据传输的线路及金属管道金属支架上感应生成过电压。

即便是具有避雷设施的很多建筑物，由于雷电具有过大的能量，在其导入地下的时候，仍会在引下线周围形成强大的瞬间变化的磁场，及其容易干扰电子电气设备，造成系统的数据丢失，使设备不能正常工作或者之间瘫痪；

若情节严重，甚至可能造成元器件的电压击穿，引起火灾，并使整个电气系统陷入瘫痪。

4.地电位反击

尽管很多楼宇具有一定的防雷措施，但是这并不意味着在雷雨天气就能安然无恙。

因为有一种雷电损害叫做地电位反击。

当雷电击中此类楼宇时，防雷的接地电网的电位会在很短很短的时间内变得非常之大（有几万伏特至十几万伏特），具有高强破坏性的电流会顺着导体入侵到楼宇内，或者击穿绝缘的大地流向别的地方，从而反击破坏或者损害了电子设备。

2.毕业设计概述

2.1毕业设计课题的题目

2.2毕业设计课题的目的

本课题针对高层楼宇的防雷系统进行研究和设计。

主要内容包括根据建筑工程资料和国家执行的标准和规范进行高层建筑防雷系统设计，具体为根据该大楼的电气主接线要求进行防直击雷、防侧击感应雷的相关计算，根据计算进行防雷设备的布置方案设计、等电位连结方案设计以及接地方案设计。

2.3毕业设计课题的内容及要求

1．调研和收集资料，熟悉建筑电气设计的有关规范。

2．按照建筑物的防雷要求，进行包括防直击雷和侧击感应雷的相关计算和参数选择。

3.按建筑物的防雷要求进行接闪器、引下线和接地装置的设计和配置。

4.根据计算结果进行防雷设备的布置方案设计、等电位连结方案设计以及接地方案设计。

5.按照规范要求绘制出相应防雷、接地装置平面图和综合布线图纸。

3.建筑物防直击雷，防侧击感应雷

3.1、直击雷、感应雷的定义

3.1.1直击雷

3.1.2感应雷

何为感应雷，它有两种表现形式，分别是电磁感应雷以及静电感应雷。

它又被称为：

1、雷电感应，2、感应过电压。

1、电磁感应雷：

顾名思义，由于磁场变化所引起的变化。

雷雨天气，电闪雷鸣，极易在空气中产生强烈的并且迅速变化的磁场，而在这个磁场附近的导体则会由此产生感应电流。

这些电流不受控制的话，有时候会非常的危险，所以我们需要把它引入地下，确保生命财产的安全。

2、静电感应雷：

雷雨天气之时，天空中会出现很多的带电积云，当这些积云靠近地面之时，地面上的很多凸起或者落裸露的部分，比如说被架空在马路上的导线啊，还有很多能导电的并且尖端凸起的东西，会产生大量的感应电压。

由此同时，则会产生很高的电位。

3.2、直接雷、侧击感应雷的破坏性

众所周知，高层建筑，如果没有科学的防雷装置，雷击则有可能造成巨大的生命财产损失。

雷电的能量是十分巨大的，他击中目标后，会在极短的时间内释放出极大的能量，线路中的电流急剧增大，而这种雷电冲击电流如果流过被击中的物体时，会形成很高的幅值的冲击电压波，导致电子电气设备的绝缘破坏，并造成其他损坏，如使物体被炸裂，金属物体温度过高而熔毁等。

针对雷击的巨大破坏力，我们必须不计成本的做出各种行之有效的解决方法。

雷击是大自然的基本现象之一，有其一定的作用，我们虽然不能从源头解决它，但是也不是没有办法预防和限制它的破坏性。

所以我们需要采取必要的防雷措施，树立防雷的安全隐患，提高居民防雷的综合素质修养。

4.建筑物雷电防护设计

4.1、雷电防护依据

1、建筑物的防雷设计规范GB50057-94

2、质量管理体系认证ISO9001：

2000

4.2、研究对象（某高层楼宇A）

A楼宇用地面积为38亩，总建筑面积139000m²

，其中地下建筑面积30000m²

。

A楼宇的高度有105m,主体建筑35层位于地面以上，整栋大楼呈三连长方体，位于市区繁忙地带。

该建筑为商业和住宅楼，1-3楼为商场和少量营销办公，4-9层为茶馆餐厅及写字楼，含精密仪器，10楼以上为高档商品住宅。

可见该A楼宇为第二类防雷建筑，接地形式为TN-S-C系统。

防雷事宜、接地保护、变压器的线路连接等均采用公用接地设备。

所以我们可以充分利用建筑的基础结构作为共用接地极，并计算接地电阻。

4.3、设计方案思路

综合防雷系统是建筑物防雷系统中不可缺少的一项系统，我们需要进行两部分的设计，包括外部防雷措施和内部防雷措施。

外部防雷措施，我们主要研究的是针对直击雷和侧击雷的防护。

因此，首先我们对建筑顶部进行防直击雷，通过接闪器和避雷线、避雷带的设计。

然后对建筑物侧面进行防侧击雷，通过一系列方法进行屏蔽，并安装引下线，最后对防雷系统进行接地，并设计好接地装置，以及共用接地装置。

而内部防雷措施，我们主要需要考虑的是，对电子电气设备以及电器设备间进行屏蔽设计，对线路和设备进行等电位的连接。

我们需要合理进行布线，并且安装浪涌保护器，并接入共用接地装置。

通过外部保护装置以及内部保护装置，就可以构成一个完整的高层楼宇防雷保护系统。

为了更加形象的描述研究所需要完成的各项工作，我们设计了如下的防雷设计结构图：

4.4、外部设计

4.4.1避雷针概要

避雷针位于建筑物顶部，属于直击雷防护设计的部分。

避雷针系统由三大部分组成：

1、接闪器，2、引下线，3、接地装置。

4.4.2避雷针的工作原理

我们知道，尖端导体易聚集大量的电荷，而避雷针正是因为这个原因，所以才会在防雷装置上被广泛使用。

当出现雷雨天气时，由于雷击的原因，空气中聚集着大量的电荷，高层楼宇的顶部的导体和避雷针上都因此被导电。

但是由于避雷针顶端所聚集的电荷量更多，极易被击穿，因此电流会优先通过避雷针，然后经过避雷带，引下线等装置，被导入地下，从而减少了队楼宇内部人员和仪器的损害，保证了生命财产不受损失。

4.4.3A楼宇避雷针安全保护范围设计

图1避雷针安全落雷范围和安全保护范围

图中h-----避雷针的顶端位置距离地面的距离；

α1-----避雷针以上受保护的范围；

hr-----雷电击距半径；

α2-----安全落雷范围之下所受保护的范围；

避雷针即O至O’。

将AB曲面称为避雷针的安全落雷范围，EF至地面的圆柱体所包围的空间则称为避雷针的安全保护范围。

计算可知，

安全落雷平面AB距离避雷针顶端O点的间隔h1为：

安全落雷范围R1为：

避雷针安全保护范围的半径R2为：

故以R1为半径所得的水平圆平面：

安全保护范围V则为：

所以设计建筑之时，我们应该考虑到落雷范围，将其保障在安全落雷范围之内，且建筑主体要在安全的保护范围之内，确保能有效的起到保护建筑不受直击雷击中的现象。

这样建筑物则可以避免遭受雷电的损害。

参照参考文献所得，使用避雷针的话一般取a1=a2=45°

，因为A楼宇是二类防雷建筑，则可取hr=60m。

故得S=1800πm²

，V=69470.13m³

4.5避雷带设计

4.5.1屋顶避雷带设计

大楼楼顶有女儿墙，而我们的避雷带则安装在女儿墙之上。

避雷带的材料选择也必须参照国家相关设计标准。

针对A楼宇，我们询问了当地施工队，得知其选取的材料为∅12的镀锌圆钢。

我们打算将避雷带的高度设计在高250mm左右，每块部件之间间隔1m。

具体施工时，现在女儿墙上依次打孔，插入部件，用水泥和钢筋混凝土进行填埋固定。

当然，敷设前我们会先测量好避雷带安装的具体路径，考虑安装条件，把支持件先固定好。

因为A楼体结构复杂，故拐角比较多，在拐角处也会做相应的设计。

避雷带的作用很关键，其主要起保护建筑物在雷雨天气的安全防护工作，因此我们应该把安全俩字放在工作的第一位。

切实有效的实施施工计划。

需要注意的是，避雷带的焊接与普通金属焊接大有不同，需格外注意。

首先我们必须保证焊接的安全性，保证安全施工，提供舒适的施工条件。

其次，必须保证焊缝的平整，不能有焊渣，或者有残留物或许有焊瘤等现象。

焊好之后，应该立即清理焊接处，并及时涂抹上防锈漆等保护物品，延长避雷带的使用寿命。

另外，为了起到美观的目的，我精心设计了避雷带的安装铺线图，保证支架的对称没，注重工作的质量。

并做出了其他一些具体的细节要求。

图2避雷带安装方法

4.5.2均压环法侧击雷防护

我们不仅需要防直击雷，还要防侧击雷。

顾名思义，侧击雷就是从侧面打来的雷。

高层楼宇A在雷电天气，其侧面有窗户的部分，也极易容易遭受雷电的侵袭，故我们需要对其进行一定的防雷处理。

屋顶的环或者网称为避雷带，屋基周围的埋在地里的称为环形接地。

考虑到A建筑外表多为玻璃平面外加金属边框，导电效果较好，故可以采用均压环法进行侧击雷的防护。

我们可以根据实际现场环境设计。

图3金属铝门窗与均压环连接方案图

4.5.3引下线设计

何为引下线，顾名思义。

引入地下的装置。

引下线位于避雷针和接地装置之间，当有电流通过避雷针时，引下线能传输电流至接地装置。

引下线的材料应当满足一定的设计要求。

引下线可以采用圆钢或扁钢，可以用截面积大于25mm2钢绞线做引下线。

结合实际情况，由于A楼宇是商务住宅所用，即为第二类防雷建筑。

所以在引下线设计方面，我们至少应该设计2条以上的引下线。

应该注意的是，引下线的敷设应该沿着建筑物的外墙进行敷设，敷设路径要避免弯曲，尽量选择平直最短的路线。

在引下线敷设至地面时，即地面以下零点三米和地面以上一点五米之间，是非常容易受到机械性损害的，我们需加以保护，具体方法为在其外围安装竹管、钢管或者角钢来进行保护。

引下线的截面如若锈蚀超过百分之三十，则应立即更换。

引下线应远离人行道，避免出现事故。

图4引下线安装设计

4.5.4屏蔽设计

1、外部等电位导体内部是无电场的，根据这点即法拉第笼现象。

我们可以利用A楼宇建筑外部的良导体相互连接，使建筑内部无雷击产生的电磁干扰。

2、A楼宇内有电子游戏商城、网吧等含有精密仪器的场所，故需要特别注意。

考虑到其内部地板和天花板多为金属材料，铝板和钢板，故可以相连接做成金属屏蔽墙。

并且门窗选用屏蔽玻璃，做成金属屏蔽玻璃，在场所内部地面及四周墙壁，敷设能良好导电的金属防雷网，并将它们连接起来，接地。

4.5.5接地设计

接地装置布置于地面以下，在雷击中接闪器之后，电流顺着引下线流至接地装置，然后疏散入大地，保障楼宇的安全。

同时，接地装置在防雷系统中还有其他作用，它是屏蔽装置、等电位连接和分流等线路的连接体。

接地装置包括俩个部分：

接地体和接地线。

对于A楼宇，我们可以选用尽可能多的自然接地体，考虑到建筑地面以下有较多的钢筋成分，可以此作为接地装置。

另外，为了方便雷击电流能够顺利流入大地，接地电阻必须很小，考虑A楼宇周围环境因素，土壤酸碱度，我们选择小于1欧姆的的接地电阻。

4.6、内部设计

4.6.1屏蔽设计

1、作用：

屏蔽是减小电磁干扰的基本方法。

2、规定：

屏蔽的最大作用是减少电磁干扰对用电设备的影响，我们可以在建筑物外部和内部采用多种屏蔽措施，合理的布线，并对其进行线路的屏蔽。

在用电设备周围采取设备屏蔽，保障住房安全和财产的安全。

3、屏蔽的方法：

为了减少电磁的干扰，我们可以采取等电位的连接。

具体做法为将与建筑物相关的各种金属部件相连接，并且与LPS进行等电位的连接。

建筑物外部的所有金属管道和电气设备的接地装置，应该与防雷接地装置相连。

建筑物内部，导入建筑物的各种线路及金属管道必须埋入地面以下，不得裸露在外。

要注意用电设备的接地处理，与接地装置相连。

4.7、等电位连接和接地

1、目的：

如果防雷区间内含有电位差，则会产生电流可能干扰或损害用电设备。

故等电位的连接其目的就在于消除这些干扰，保证系统内的金属部件和其他装置之间的电位相等。

需要对LPZ内部金属部件和穿越LPZ各界的金属部件在LPZ区间内作等电位的连接。

3、方法：

A．防雷区界面处的等电位连接：

防雷区间可分为

、

与

等区间，我们需要对其在区间界面处作等电位的连接，并且需要对所有由外部进入楼宇的金属部件实施等电位的连接。

针对A楼宇，可以在各个区间设置等电位连接带，便于外来金属部件就近的进行的等电位连接，将雷击电流顺利投入接地体中。

B、防雷区后续的界面处的等电位连接：

参照

在区间界面处的等电位连接，我们可以设计后续防雷建筑的等电位连接。

C、被保护空间内设备的等电位连接

即保护空间内各金属导体应该进行等电位的连接，以最短的最便捷的连接途径接至各等电位带上，为了防止线路损坏或者不通畅的情况，宜在线路外部做好防护处理，并且多次连接，确保万无一失。

D、信息系统的等电位连接

（信息系统的各种箱体、壳体、机架等金属组件与建筑物的共用接地系统的等电位连接应采用两种基本形式的等电位连接网络之一

——S型（星型）结构：

仅以一点（接地基准点ERP）连接方式并入共用接地系统，从而构成S型等电位连接网络。

同时在此情况下，为了避免构成感应环路，（特点）各设备间的所有连接线路及电缆应与按星型布置的各条等电位连接线平行布线。

此唯一的连接点（接地基准点ERP）,亦是连接SPD以限制传导过电压的理想连接点。

（用于）S型等电位连接网络用于相对较小的、限定于局部的系统，所有设施及电缆仅在一点进入该系统。

——M型（网格型）结构：

采用M型等电位连接网络时，系统的金属部件不应与共用接地系统部件绝缘，M型等电位连接网络应以多点连接方式汇集到共用接地系统，从而构成M型等电位连接网络。

（特点）M型结构，对于高频来说，也获得了一个低阻抗的网络，而且该网络的多个短路环路对磁场也起到多个衰减环路的作用，从而对信息系统附近的原有磁场加以衰减。

（用于）M型等电位连接网络用于相对广延的开环系统，在这种系统中各设备间连有许多线路及电缆，各种设施及电缆从多个点进入信息系统。

图5等电位连接结构图

5.综合布线

5.1综合布线的作用

综合布线是建筑智能系统必不可少的一部分，它为建筑的智能化信息传送提供了渠道，不过它也为雷雨天气雷电的传输提供了通道。

如果综合布线部分出现失误，极易导致系统网络故障，造成十分沉重的损失。

5.2综合布线的系统结构

综合布线的系统包括六大系统：

工作区子系统、水平子系统、管理子系统、垂直主干线子系统、设备间子系统、建筑群主干子系统。

1.工作区子系统

工作区子系统包括装配软线、连接器和连接所需的跳接软线，由终端设备连接到信息插座的连线组成，。

由于连接计算机网络的数据点在管理区子系统中已采取了保护措施，一般不需要加装防雷装置，但如利用调制解调器通过语音点连接计算机时，由于语音线与外线连接在一起，比较容易引雷，因此，需要安装信号防雷器作末级防雷保护。

2.水平子系统

从用户工作区连接至垂直干线子系统便是水平布线子系统，它布置在一个楼层上，一端接至信息插座上，别一端接在楼层配线间的跳线架上，布线电缆要求敷设在金属桥架或金属线管内，金属桥架或金属线管应作接地进行屏蔽处理，可不必加装防雷装置。

3）管理子系统

管理子系统是放置布线系统设备，包括水平和主干布线系统的终端设备和交换线路。

管理子系统的数据安装在机柜中，采用双绞线作为垂直主干线，需要在机柜中安装计算机网络防雷器作第二级防雷保护，语音部分采用BLX安装架固定在墙壁上，需要加装信号防雷器作为通信线路的第二级防雷保护。

4）垂直主干线子系统

垂直主干线子系统提供建筑物干线电缆的路由，该子系统包括垂直布线电缆以及将其连接到其它地方的相关支撑硬件。

语音主干线按电信系统标准，通常采用三类非屏蔽大对数进行连接，网络传输主干线采用大对数双绞电缆进行连接，由于已在管理子系统中安装了防雷器，这里一般不必再安装防雷器。

5）设备间子系统

设备间子系统由设备的电缆、连接器和有关支撑硬件组成，还包括设备间的邻近单元，它是整个布线系统的中心，所有楼层信息都通过光纤或电缆传送至此。

通常分为语音设备管理子系统和数据管理子系统两部分。

语音设备管理系统与建筑物外引入的各种线路直接连接在一起，是电话线等传输线路的进线端，为避免因雷电损坏语音系统，应在其前端安装信号防雷器进行保护。

数据设备管理子系统应与计算机机房位于同一层以方便操作和管理，它是计算机网络的中心，采用光纤（无加强筋）作为计算机网络的主干线，可绝对避免雷电影响，若采用双绞线作为传输主干线时，则需在机柜中安装计算机网络防雷器作为计算机网络的第一级防雷保护。

6）建筑群主干子系统

建筑群主干子系统是将一个建筑物中的电缆延伸到建筑群的另处一些建筑物中的通信设备和装置上，采用光纤作为传输介质时，需将光纤加强筋作接地处理，若采用双绞线电缆，则需埋地敷设，进入建筑物后，电缆必须单独敷设在弱电金属桥架或金属管内，并进行接地处理。

5.3综合布线设计原则

1、标准化：

严格按照IEEE802、EIA/TIA568等工业及建筑布线标准和中国建筑电气设计/工业企业通信设计规范。

2、实用性：

此工程综合布线系统应能够在现在和将来适应企业发展的需要具备数据通信、语音通信和图像通信的功能。

3、灵活性：

布线系统中任一信息点能够很方便地与多种类型设备（如电话、计算机、检测器件以及传真等）进行连接。

4、可扩展性：

根据建设单位目前的实际需要和由于工期较短等原因，综合布线工程暂时实现了语音和计算机数据通信功能，所以要求布线系统具有较强的可扩展性，既可以最大限度地降低造价和不耽误工期，又可以在将来需要时很容易将所扩充设备连接到系统中来。

5.4综合布线系统屏蔽盒接地要求

5.4.1屏蔽要求

屏蔽可以减少线路受雷击时的电磁干扰，所以在这布线时需要采取完善的屏蔽措施，这样可以减少外部因素对线路的干扰，提升线路的稳定性，改善电磁的兼容性。

因此，布线的部件有很高的要求，并且布线工程必须有完善的屏蔽措施，具体有：

1）布线时整个信道或者链路上必须采取屏蔽措施，保证系统能够全程屏蔽。

2）采用屏蔽电缆时，其屏蔽层两端应在防雷区交界处作等电位连接，若果系统要求只需一端作等电位连接的话，要采取双层屏蔽，按照要求进行外层屏蔽。

建筑物外非屏蔽的电缆应敷设在金属管道内，如敷设在金属管、金属栅格或钢筋成栅格形的混凝土管道内，这些金属物一端到另一端应是导电贯通的，务必不能产生屏蔽结构中断或不良现象，并分别连到各分开的建筑物的等电位带上，电缆屏蔽层也应分别连到这些带上。

5.4.2接地要求

综合布线系统必须要有良好的接地措施，如工程中采用了具有屏蔽性能的布线系统时，应装设切实有效的接地系统，以保证有良好的屏蔽效果，否则会大大降低屏蔽性能，甚至适得其反。

在接地系统的设计中应保证做到以下几点：

1）接地线路的路由应是永久性敷设路径，当每个设备或机架的接地线路需要单独设置时，应直接连接到总接地装置处，并应防止在连接过程中发生中断现象。

2）在综合布线系统中，应将所有缆线的屏蔽层互相连通，以形成完善的整体，为综合布线系统的各个部分提供连续不断的途径。

3）接地电阻值应符合有关标准或规范要求，当综合布线系统单独设置接地体时，保护地线的接地电阻值不应大于4Ω，当采用联合接地体时，要求总接地体的接地电阻值不应大于1Ω。

4）综合布线系统的接地系统宜与其它接地装置接在一起，形成联合接地，以免在两个及以上的接地体之间产生电位差。

若布线接地系统必须存在两个不同的接地体时，要求它们之间应具有较低的阻抗，同时，要求它们之间的地电位差有效值不应大于1V，当不能满足这一要求时，则应采取技术措施解决。

5.4.3综合布线敷设要求

综合布线有其必须要注意的地方，这里我们参照的是国家标准，即最小敷设净距离应参照GB50343-2004的要求。

综合布线需要保证科学合理，各线路之间不能相互干扰，所以要进行线路的屏蔽，并采取有效的接地手段，设计完整严密合理的布线方案，以有效提高系统的抗干扰能力。

需要注意的是，而在综合布线的施工过程中，我们需要将综合线路与其他布线电缆，管道线以及各种干扰源分开进行敷设。

5.4.4综合布线的系统组成

综合布线系统右很多系统组成，主要包括以下9种：

1、建筑群配线架（CD）。

2、建筑群干线电缆、建筑群干线光缆。

3、建筑物配线架（BD）。

4、建筑物干线电缆、建筑物干线光缆。

5、楼层配线架（FD）。

6、水平电缆、水平光缆。

7、转接点（选用）（TP）。

8、信息插座（IO）。

9、通信引出端（TO）。

附录

1.综合布线系统结构图

图6建筑物FD-BD结构

图7建筑FD/BD结构

2.屋顶避雷带明敷设布线

3.屋顶避雷带暗敷设布线

结论

经过几个月的调查研究，翻阅了大量的资料，进行了诸多次的设计、修改、再设计，对高层楼宇的研究与设计暂时告一段落了，积累了大量的防雷经验，学习到了很多知识。

在本文，主要研究的是根据建筑工程资料和国家执行的标准和规范进行高层建筑防雷系统设计，具体为根据该大楼的电气主接线要求进行防直击雷、防侧击感应雷的相关计算，根据计算进行防雷设备的布置方案设计、等电位连结方案设计以及接地方案设计。

用电的安全关乎财产安全和人身安全，不容小视，每年国家在雷击方面都会损失巨大,安全的防雷工作和宣传则是每个电气学工作者应该有的义务。

本文详细介绍了雷击的危害，雷击的种类，指出了之所以雷击容易造成巨大损失的原因，并由此为研究目标，根据国家相关设计标准，完成了各项防雷的方法，并计算了相关的数据。

具体包括为：

接闪器的设计（即避雷针的设计）