（桂林市建筑设计研究院，广西桂林541001）
摘要：一个独立、完善的防雷工程应包括三个方面的内容：（1）防直击雷；（2）防感应雷及雷电波侵入；（3）接地系统。这三个系统缺一不可。三个系统的设计及施工必须符合其相关的《标准》、《规范》，以及满足有关的技术参数和指标。
关键词：接闪器；引下线；接地装置
前言
雷电是一种常见的严重的自然灾害。其危害方式主要有两种：一种是直击雷，即雷电直接击在建筑物或构筑物上，它的高电压、大电流产生的电效应、热效应和机械力会造成房屋倒塌、油库爆炸、森林大火、人畜伤亡等。另一种是由雷电引起的静电感应和电磁感应产生的感应雷击和雷电波侵入，又称雷电的二次作用。它的危害途径一般经电源线、信号线、天馈线等进户线引入室内，对电子设备产生损毁，甚至引起火灾和人员伤亡。一般来说，感应雷没有直击雷那么猛烈，也不容易被人们觉察，但它发生的几率却比直击雷高得多。这是因为直击雷只发生在雷云对地闪击时才会对地面物体造成灾害，而感应雷击则不论雷云对地闪击，或者雷云对雷云之间闪击，都可能发生并造成灾害。
自从人类进入到电气化时代以后，雷电的破坏由主要以直击雷击毁人和物为主，发展到以通过金属线传输雷电波破坏电气设备为主。随着近年来电子技术的飞速发展，人类对电气设备尤其是计算机设备的依赖越来越大；且电子元器件的微型化、集成化程度越来越高，各类电子设备的耐过电压能力下降，遭雷电和过电压破坏的比例呈不断上升的趋势，对设备与网络的安全运行造成严重威胁。据统计，全世界每年因雷害造成的损失高达十亿美元以上。因此要采取安全可靠、技术先进、经济合理的防雷措施。
本设计方案是在建筑物地理位置及电源系统、计算机网络系统所处雷击环境等项目的基础上，着手进行综合防雷设计的。
1防雷设计依据
（1）GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》
（2）QX2-2000《新一代天气雷达站防雷技术规范》
（3）GB50174-93《计算机房防雷设计规范》
（4）GA173-2002《计算机信息系统防雷保安器》
（5）GB50054-2011《低压配电设计规范》
（6）JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》
（7）IEC61643《SPD电源防雷器》
（8）IEC61644《SPD通讯网络防雷器》
（9）IEC1312《雷电电磁脉冲的防护》
（10）VDE0675《过电压保护器》
2防雷设计构思
2.1雷击环境
桂林市地处广西北部，雷电活动频繁，雷击强度大，气象资料统计表明：桂林市年平均雷暴日为78天，雷暴日最高年份达100多天，属雷暴多发区域。仅桂林市城区每年因雷击损坏计算机、卫星通信设备、监控系统、程控电话、电视机等不胜枚举，一次事故往往造成数万元、数十万元的直接经济损失，间接经济损失则更大。随着信息时代的到来，数据信息的安全已成为全社会关注的焦点，因此，确保信息处理、传输、贮存设备的安全，日益受到社会各界的普遍重视。
本工程雷达楼位于桂林市城区，由塔楼和裙楼两部分组成，塔楼高84m，钢筋混凝土结构。裙楼高18m。塔楼顶端将安装世界先进的雷达系统，塔楼机房和裙楼室内建有计算机网络中心，负责收集、处理、贮存和传输信息。因此，本工程的防雷必须采取完善的综合防雷措施。
2.2雷达楼年预计雷击次数计算
根据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）本工程年预计雷击次数应按下式来确定：N=KNgAe
式中：N－建筑物年预计雷击次数（次/年）
K－校正系数，取1
Ng－建筑物所处地区雷击大地的年平均密度，次/（Km2.a）
Ng=0.024Td1.3[Td为年平均雷暴日数，桂林市取78（d/a）]
Ae－与建筑物截收相同的雷击次数的等效面积（Km2），因为雷达楼高度小于100m，所以：
Ae=[LW+2(L+W)×[H(200-H)]1/2+πH(200-H)]×10-6
式中：L、W、H分别为建筑物的长（80m）、宽（50m）、高（84m）
计算结果：N=0.4次/年
2.3土壤电阻率的计算
土壤电阻率的计算公式为：ρ=2πaR
式中：R为雷达楼现场实测电阻值，为4.4Ω，
a为测量时四根接地桩的间距，为10m，
将a、R的值代入公式得：ρ=276.32Ω.m
2.4防雷区的划分
按照IEC1312-1介绍，应将需要保护的空间划分为不同的防雷区（LPZ），以确定各部分空间不同的LEMP（雷闪电磁脉冲）的严重程度和相应的防护对策。
（1）直击雷非防护区（LPZOA）：本区内的各物体都可能遭到直接雷击，因此各物体都可能导走大部雷电流。本区内的电磁场没有衰减。
（2）直击雷防护区（LPZOB）：本区内的各物体不可能遭到雷击，流经各导体的电流，比LPZOA区减少，但本区的电磁场没有衰减。
（3）防LEMP冲击区LPZ1
本区的各物体不可能遭到直接雷击，流经各导体的电流比LPZOB区进一步减小，本区内的电磁场已经衰减，衰减程度取决于屏蔽措施。如果需要进一步减小所导引的电流和电磁场，就应再分出后续防雷区，如防雷区LPZ2等，应按照保护对象的重要性及其承受浪涌的能力，作为选择后续防雷区的条件，通常防雷区划分级数越多，电磁环境的参数就越低。
2.5防雷对象
雷达楼及其计算机网络中心担负着数据收集及传输任务，大楼现代化装备的安全意义极其重大。
依照《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）第3.0.3条第三款以及第九款的规定，本工程确定为二类防雷建筑物。本次雷电防护的内容为雷达直击雷防护、均压等电位连接措施、电源系统和通信线路建立相应的防雷设施，以保障设备正常运行。
2.6防雷原则
首先采取疏导的办法，让雷电流尽量通过低阻抗导电通道流入大地，让大地来接纳和消耗雷电的能量，而不能让雷电能量滞留在导电通道（天馈线、网络传输线和电源线路等）。其次采用堵截的办法，安装防雷电浪涌保护装置，阻断或削弱雷电对设备的冲击，同时提供新的泄放通道将雷电导入大地。最后考虑到导入大地的雷电流幅值大，波头陡度高，雷电流流过接地引下线和接地装置时它们的电位骤升到上百千伏，从而对其它设备、金属物、接地线等因绝缘距离未达到安全要求而形成电位反击，造成人身和设备雷击事故，因此必须作好等电位处理。
3设计方案及说明
3.1雷达楼防直击雷工程设计
（1）地网设计
a.本工程采用联合接地网（即“三地合一”）。
b.接地极利用塔楼基础构造柱钢筋及裙楼基础钢筋，并用基础圈梁主钢筋将各接地极电焊连接成一个整体接地网。
c.在裙楼基础圈梁平面下，用40mm×4mm的热镀锌扁钢敷设3m×3m的人工接地网，并与基础圈梁内的主钢筋电焊连接。适当施加长效防腐降阻剂。在裙楼基础圈梁外侧数处预留外引接地端子，以备作辅助接地之用。
d.塔楼接地网与两边裙楼接地网之间用40mm×4mm热镀锌扁钢各分数处电焊连接。
e.在塔楼地下室配电竖井内及裙楼配电竖井内各安装一个接地汇流排，以用作其它等电位连接接地。
f.联合接地网的接地电阻值必须小于1.0欧姆。
3.2引下线设计
建筑物防直击雷引下线，塔楼引下线利用剪力墙内钢筋，下部与基础圈梁地网电焊连通，上部与安装雷达的平台圈梁电气连通；裙楼引下线利用裙楼沿周构造柱内两根以上主钢筋自下而上电焊连通，下部与基础圈梁主钢筋电焊连接，上部与剪力墙上部水平圈梁主钢筋电焊连接。
（1）接闪器设计
a.雷达天线避雷针设计
雷达天线防直击雷保护，采用在圆型屋面边缘安装对称均匀分布的4根避雷针的措施。根据QX2-2000《新一代天气雷达站防雷技术规范》第6.5条“在雷达站建筑物设计施工时，宜提供在安装雷达天线罩外安装不少于二支间距相等的独立避雷针的条件，避雷针与雷达天线罩的水平距离不宜小于3m”。的规定，在安装雷达天线基座的平台上，应提供安装4支避雷针的条件。
参照GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》第4.2.1条第五款对独立避雷针距被保护物距离的要求，并考虑到雷达天线应与雷达天线罩顶有一定的距离，拟定4根避雷针保护范围最低点距天线罩顶端的安全距离为2.0m，此时保护范围最低点的高度h应为：
h0=12m+2m+2m+1m=17m
根据公式h0=[hr2–（D3/2）2]1/2+h–hr
式中：D3—为两避雷针之间的水平距离；
h—避雷针的高度；
hr—滚球半径，取30；
计算可得：h=18.4m
因此，设计避雷针的高度为18.5m。
由于分布于周围的避雷针距离雷达天线较近，为了减少对雷达正常工作的影响，避雷针构造设计为：在雷达天线仰角零度以下部分，应用150mm的不绣钢管作支撑，并与塔楼引下线可靠电气连接；在雷达天线仰角零度以上部分，应用高强度玻璃钢管做支撑，内用50mm多股铜芯线作泄流线；避雷针尖用20mm的紫铜棒制作，并与泄流线可靠电气连接。
b.雷达楼塔楼接闪器设计
塔楼利用天面层沿周的栏杆作避雷带，栏杆根部电焊连接到顶层圈梁主钢筋上，连接点不少于每3m一个。
c.雷达楼裙楼接闪器设计
裙楼利用Ф12热镀锌圆钢制作接闪带，沿女儿墙敷设，每3m与裙楼顶层圈梁主钢筋电焊连接，并用Ф8的圆钢做成8M×8M网格屏蔽网。上述接闪带、屏蔽网均与裙楼顶层现浇暗敷。
d.所有高出屋面的金属物体，均应与楼顶接闪带电焊连接；高出屋面的非金属设施，需加装独立避雷针进行保护，就近与避雷带电焊连通。
（4）均压环设计
雷达楼塔楼的第三层、第六层、第八一十五层圈梁须就近与引下线电焊连通。在大楼每隔一层用40㎜×4㎜热镀锌扁钢暗敷在外墙内，作均压环，外墙上的所有窗口两侧应预留接地线，以便玻璃幕墙铝合金框就近与均压环连通。
3.3防感应雷击和防雷电波侵入工程设计
为了防止雷电磁脉冲谐波从传输线路感应耦合侵入室内各类电子设备，必
须在电源设备、网络设备入口处安装防浪涌避雷装置（SPD），以阻止雷电波进入，使设备免遭雷击。
（1）防雷器的应用
当今的防雷手段，主要采用分流、接地、屏蔽和保护四种方法。因此，对大楼的防雷保护，首先应按照国家有关规范和规定，进行外部防雷装置安装、设备接地、屏蔽、搭接处理。然后，采用相关的防雷器件，对设备进行保护。
a.电源系统防雷设计
雷达楼地处市区北部，这里地势平坦，几乎每年都有不同程度的雷击灾害事故发生，是桂林市最频繁的落雷区之一。因此，必须对该大楼的供电系统采取有效防雷保护措施。
雷达大楼供电应选用TN-S系统。从变压器低压端到雷达大楼的供电电缆直接埋地敷设，埋地电缆长度不得小于35m。电缆金属外皮、钢管和金具等应一起接入大楼等电位汇集排，特殊情况需独立接地时，其接地电阻不得大于1欧姆。
对雷达大楼供电系统应安装三级电涌保护器（SPD），以求对用电设备进行有效防雷保护。
在低压电源总配电盘上安装雷电通流量标称值125KA的进口电涌保护器进行第一级保护（10/350μS）；
在雷达楼底层分配电盘上安装雷电通流量标称值60KA的进口电涌保护器进行第二级保护（8/20μS）；
在网络中心机房UPS的输出端安装雷电通流量标称值7KA的进口精密电涌保护器（SPD），作为最后一级保护，彻底滤除电源上的各种高频杂波对主机的干扰。
雷达天线罩顶部的航空障碍灯、大楼装饰用彩灯、轮廓灯等的供电线路均应安装电涌保护器。
b.信号系统、天馈系统防雷设计
雷达楼是一个综合性大楼，除塔楼顶端安装有雷达外，裙楼楼顶还安装有多
座卫星天线、VHF天线；室内的计算机通信传输等均是租用桂林市电信局的电缆线路。因此，为避免或减少室内设备遭受雷电入侵，对所有进出大楼的信号线、天馈线必须采取一到二级防感应雷保护措施。选择信号、天馈电涌保护器，其接口、传输速率、启动电压、特性阻抗、响应时间、频带宽带、插入损耗均应符合系统要求。本设计选用进口系列信号避雷器。
（2）接地处理
接地是防雷技术最重要的环节之一，不论是直击雷防护还是雷的静电感应，
电磁感应和雷电波入侵的防护技术，最终都是把电流送入大地。
电涌保护器接地（接至等电位连接排）的导线要短而直，长度一般不应大于
0.5m。用25㎜2（最后级用6㎜2）多股铜芯线将各个电涌保护器（SPD）的接地端子并联接至主楼各层预留的共用接地汇集排上。确保接地牢固可靠。
4结语
随着建筑设计市场的开放，建筑外形越趋复杂，给建筑物防雷装置的设计带来新的挑战，这就需要设计人员对规范中的相关条文、公式有准确的理解，同时与各专业密切配合，制定出合理、经济、美观的防雷装置设计方案。