法拉第笼在建筑工程中的应用及效果分析

法拉第笼在建筑工程中的应用及效果分析

黄康 王亮亮 贺海啸  王德富   黄康

中国建筑第八工程局有限公司  广东省广州市 510000

摘要：目前, 建筑物的主要防雷方法有富兰克林避雷针法、法拉第笼式避雷法、消雷器避雷法、放射性避雷器防雷法。高层建筑防雷一般是采用法拉第笼式避雷法, 其方法是将建筑物层面避雷网(带)、引下线和接地装置三部分联结成一个整体的钢铁大网笼。要有效防直击雷、防侧击雷、防雷电感应和防雷电波入, 就必须综合考虑接闪功能、分屏蔽、合理布线和接地等因素,达到安全防雷的目的。高层建筑的防雷是一个复杂的系统工程，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。

关键词：建筑工程；防雷；法拉第笼

雷电灾害是联合国“国家减灾十年”公布的最严重的十大自然灾害之一。雷击给城市及乡村带来的经济损失和人员伤亡呈逐年上升趋势 ,虽然我国建筑防雷技术处于世界领先水平 ,但由于建筑商在设计上防雷意识不够造成损失严重。许多建筑工地未采取防雷安全措施或防雷措施不完善 ,除了建筑施工设备未做好, 防雷接地现场用电保护未做,或接地不规范外,不少建筑工地缺乏防雷安全管理,雷雨天仍有工人作业。高层建筑在防雷系统设计和施工过程中,将外部防雷装置与内部防雷装置组成统一的防雷接地系统,提高建筑物防雷的可靠性。

一、建筑工程的外部防雷问题

1、接闪器。接闪器是防直击雷接受雷电流的金属导体, 其形式有避雷网( 带) 、避雷针、金属屋面等。避雷网( 带) 应沿屋脊、屋角、屋檐、檐角、女儿墙等易受雷击部位敷设,并按建筑物的防雷等级在整个屋面组成不同尺寸要求的网格。根据雷击建筑物部位的规律,在建筑物上装设避雷针( 网、带) , 就能可靠吸引强雷和弱雷。屋面避雷网( 带) 一般采用热镀锌的圆钢或扁钢及热镀锌件, 敷设应平正顺直、固定可靠, 搭焊长度应满足规范要求。避雷网( 带) 在经过沉降缝或伸缩缝时应做煨弯补偿处理, 避雷带在女儿墙敷设时, 一般敷设在女儿墙的中间, 当女儿墙宽度较大时, 应将避雷带移向女儿墙的外侧处为宜, 因为女儿墙的外沿易受雷击。现代高层建筑中也有在屋面上利用金属栏杆做避雷网( 带) , 其材质主要采用钢管或不锈钢管, 钢管的壁厚应 2. 5 mm, 钢管直线段对接, 转角等部位应采用圆钢或角钢搭接焊, 搭焊长度应满足规范要求, 栏杆必须与引下线可靠连通。突出屋面的金属物体可不装接闪器, 但应和屋面防雷网( 带) 相连; 在屋面接闪器保护范围之外的非金属物体应装接闪器, 并与屋面防雷装置相连。

2、引下线。引下线的作用是将避雷网( 带) 与接地装置连接在一起, 使雷电流构成通路, 通常利用主体结构的柱主筋或剪力墙中钢筋作暗装引下线。引下线的数量及布置直接影响分流效果。引下线数量多且间距较小时, 雷电流在局部区域分布也就较均匀, 引下线上电压降减小, 反击危险也相应减少。引下线应沿建筑物四周均匀或对称布置, 其间距不应大于规范的要求, 应尽可能增加引下线的数量, 适当减少引下线间距。由于高层建筑物引下线很长, 雷电流的电感应压降很大, 需要在每隔一定的高度处用均压环将各条引下线在同一高度连接起来, 并接到同一高度的屋内金属物体上, 以减小其间的电位差, 避免发生反击。均压环通常利用圈梁两主筋焊通成闭合回路。高层建筑引下线必须保证全长焊通, 为避免接错钢筋, 同一柱内引下线不宜小于两根主筋, 主筋截面不应小于 16 mm2, 钢筋连接处应采用搭接焊, 搭焊倍数为圆钢直径的 6 倍, 双面焊, 焊缝饱满、平整,以减少接触电阻。

3、接地装置。接地装置包括接地体和接地线。接地装置的优劣与接地电阻和接地方式有关。为便于与各种入户金属管道相连, 降低跨步电压, 建筑物防雷接地一般采用周圈式接地。防雷接地应尽量利用自然接地体作为接地装置, 只要基础采用硅酸盐水泥和周围土壤的含水量不低于 4%, 基础外表面无防腐层或有沥青质的防腐层时, 可利用基础内钢筋作接地装置,否则应加设人工接地装置。高层建筑通常利用桩基础、箱形基础作接地装置, 这些基础连成的接地网有较大的电容, 其冲击阻抗很小。施工中通常将桩基的抛头钢筋与承台板主筋焊接, 并与承台上作为引下线的柱钢筋焊通, 再与整个底板内钢筋或地梁中的钢筋互相连通, 将桩基主筋与地梁主筋焊接成一个闭合的水平接地网, 以形成均压。由于防雷装置直接装在建、构筑物上, 建筑物防雷接地与电气设备接地等无法隔离。通常建筑物的防雷接地与电气设备的接地、微电子设备接地均应连接成统一的接地系统, 其共用接地电阻按其中最小值选定。一般要求, 接地电阻值 1 。

二、建筑物防雷措施

1、等电位联结。等电位是用连接导线或过电压保护器将处在需要防雷空间内的防雷装置、建筑物的金属构架、金属装置、外来的导体物、电气和电讯装置等连接起来。为保证建筑物内部不产生反击和危险的接触电压、跨步电压, 应当使建筑物地面、墙板和金属管、线路等都处于同一电位, 为此钢筋混凝土建筑物应在各层的适当位置预埋与房屋结构内防雷导体相连的等电位连接板, 以便与接地主干线相连。由于电力、电信线路不能直接接到地线上,电涌保护器( SPD) 实现了电气设备、电子设备的等电位联结。建筑物等电位联结干线应从与接地装置有不少于两处直线连接的接地干线或总等电位箱引出, 等电位联结干线或局部等电位箱间的连接线形成环形网络, 环形网络应就近与等电位联结干线或局部等电位箱连接, 支线间不应串联连接。总等电位联结一般设在地下室或靠近地平面处, 将进出建筑物的金属管道、建筑物钢筋接地网、所有强弱电电源线、信号线的接地线进行联结。高层建筑物内各种金属导体和管道如金属门窗、设备的金属外壳等作等电位连接; 电源线、信号线通过电涌保护器实现等电位连接; 建筑物各处的均压环、起到一定电磁屏蔽作用的钢筋网、各处的电气以及防雷等电位连接导体形成总等电位连接, 最后与联合接地系统相连, 形成一个理想的法拉第笼。

2、合理的屏蔽。建筑物中做屏蔽的主要目的是对微电子设备的防护。对有大量微电子设备房间要采取屏蔽措施,使仪器处于无干扰的环境中。屏蔽的有效性不仅与房间加装的屏蔽网和仪器金属外壳 屏蔽体本身有关, 还与微电子设备的电源线和信号线接口的防过电压、等电位联结和接地等措施有关。为了保证非防雷系统的电气线路在防雷装置接闪时不受影响, 应采用金属管布线, 这样防止雷电反击的能力强, 对防各种电磁脉冲也具有较好的屏蔽能力。电气线路的主干线一般集中于高层建筑物的中心部位( 其雷电电磁场强度最弱) , 避免靠近做为引下线柱筋的位置, 缩小干扰的范围。穿线钢管和线槽等都应与各楼层的等电位连接板和接地母线相联结, 达到良好的屏蔽效果。用电设备、配电设备、配电线路应采用防雷电波侵入低压系统的措施, 从配电盘引出的线路应穿钢管, 钢管的一端应与配电盘外壳相连, 另一端应与用电设备外壳、保护罩相连, 并应就近与屋顶防雷装置相连。当钢管因连接设备而中间断开时应设跨接线, 在配电盘内, 应在开关电源侧与外壳之间装过电压保护器。

雷电会引起建筑物的损坏、人员伤亡, 对电力、电讯等设备造成损坏。雷电的破坏作用归纳起来有两种: 一是直接击在建筑物上产生热效作用和电动力作用; 二是雷电流产生的静电感应作用和电磁感应作用以及雷电波侵入作用。高层建筑更易遭受雷击, 加之高层建筑正在向智能化发展, 大量电子设备和网络系统一旦遭受雷击, 损失将很严重, 所以法拉第笼防雷系统可靠与否是极为重要的。

参考文献：

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