超高层建筑物雷电规律与防雷设计分析

　２０１９年１２月　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　　２０１９ＧｕａｎｇｄｏｎｇＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ

王亚静，周宝琴，王学孟．超高层建筑物雷电规律与防雷设计分析［Ｊ］．广东气象，２０１９，４１（６）：７０－７２．

超高层建筑物雷电规律与防雷设计分析

王亚静，周宝琴，王学孟

（广州市气象公共服务中心，广东广州　５１１４３０）

　　摘　要：根据某地３处超高层建筑物所在位置近１０年闪电定位资料进行数据处理，分析建筑物建成前后雷电活动如雷电流和方向性等特征规律。分析结果认为：超高层建筑导致当地闪电频次增加；易引发地闪能量泄放，能量相对较弱，同时落雷地点主要集中于高层建筑周围。按照所分析出的相关特征、配合该类建筑物的结构特点，对超高层建筑物的防雷装置进行设计，从而减少雷电灾害损失。

　　关键词：雷电防御；雷电活动规律；防护设计；超高层建筑物

　　中图分类号：Ｐ４９　　　文献标志码：Ａ　　　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－６１９０．２０１９．０６．０１７

　　雷电由于具有高电流、高电压和瞬时瞬变的电磁场等特点，常常对建构筑物、电力系统、电子电气系统造成损害，甚至造成人员伤亡。有文献研究了雷电对珠江三角洲经济的影响：雷电灾害占总灾害造成损失的６％左右，最高年份可达９．５２％，雷电灾害已经成为影响珠江三角洲地区的

１］第４大灾害［。近年来，随着城市化加快和超高

１．２　分析方法

运用ＧＩＳ技术对地闪资料空间统计分析。对闪电资料分析时，首先获取空间单元格范围内发生的闪电次数，统计分析出闪电分布的格点数据；然后根据格点数据利用插值算法进行格点填

６－９］

充，统计得出插值分布图［。运用量化分析，

对雷电频次和雷电流相关参数的数理统计分

１０－１１］

。析［

层建筑增加，超高层建筑物如何有效进行防雷保

２］

。已经有部分学者研究表明护逐渐受到重视［

１．３　广州市３处超高层建筑物闪电统计及特征　　选取广州最高的建筑物广州塔（高６００ｍ）来进行研究，同时，为了排除偶然性，选择珠江新城西塔（高４３２ｍ）和广东电信广场（高２６０ｍ）进行比较。数据分割点如３个建筑物建成年份（广州塔、珠江新城西塔２００９年建成，广东电信广场２００５年建成），其中，将数据分段建成前和建成后分别进行统计，通过对数据对比进行分析，分析相关特征。广州塔和珠江新城西塔建成前选取时段均为１９９９年１月—２００８年１２月，建成后选取时段为２００９年１月—２０１４年１２月；广９９９东电信广场建成前和建成后的时段分别为１年１月—２００５年１２月和２００６年１月—２０１４年１２月。

通过分析３个超高层建筑物建成前后年月日闪电频次、地闪密度、最大值雷电流、均值电流，及落雷方向，得出如下结果：

１）对建筑物附近３ｋｍ进行地闪密度统计分

闪电活动的发生具有区域性或局地性，受地域、地形影响很大，除与气象因素有关以外，还与不合理的区域产业结构布局、城镇布局，以及项目

３］４］

所处地理环境有关［。钟幼军等［对黑龙江省

雷电活动进行分析，得出山地是雷暴的重要源

５］地；王学良等［对湖北地区云地闪电分析得出正

闪占总闪比例较低，与气温高低季节呈现反相关。本研究通过对超高层建筑物所在地近１０年闪电定位资料进行统计，得出超高层建筑物建成前后雷电活动某些特征规律，分析超高层建筑物防雷重点，探讨防雷设计要点。

１　超高层建筑物闪电资料分析

１．１　资料来源

闪电数据来源于１９９９—２０１４年广州市雷电监测定位系统监测数据。研究样本范围内超高层建筑物所在经纬度的３ｋｍ的闪电数据。

收稿日期：２０１９－０５－１５

作者简介：王亚静（１９８３年生），女，本科，雷电防御工程师，主要从事防雷业务管理工作。Ｅ－ｍａｉｌ：１２５２９０１８２＠ｑｑ．ｃｏｍ

　第６期　　　　

　　王亚静等：超高层建筑物雷电规律与防雷设计分析

７１

析，结果如图１所示。广州塔、珠江西塔及广东电信广场建成后，地闪密度明显增加，由此可以

得出超高层建筑会导致当地闪电频次增加。

图１　三个超高建筑物建成前（ａ、ｃ、ｅ）和后（ｂ、ｄ、ｆ）闪电密度分布

ａ、ｂ．广东电信广场；ｃ、ｄ．广州塔；ｅ、ｆ．珠江新城西塔

　　２）广州塔建成前后出现最大值雷电流减小，均值电流增大情况，８０～１００和１００ｋＡ以上雷电流频次比例明显增多，其他２个高层建筑也可以验证此变化，如表１和表２所示。主要是由于受高层建筑物影响，雷云放电的机会多，易引发地闪，地闪的数量较多。但也因此地闪被频频引发，雷电能量可得到充分的泄放，导致每次地闪的能量都相对较弱。

表１　大值电流的概率分布

电流值／ｋＡ０～１０１０～２０２０～３０３０～５０５０～８０８０～１００＞１００

广州塔

西塔

集中，由此可以推论超高层建筑由于其高度更易接闪，对闪电在各方向上的分布造成了一定的影响，导致落雷地点分布更加平均，主要集中于高层的建筑物周围，具体见图２。

％

广东电信广场

建成前建成后建成前建成后建成前建成后２０．６０２２．０１２４．６４２１．３２２９．５１２１．００２８．７０２６．２１２７．８７２６．０４２９．４６２５．９９２１．３４１７．４８１９．１３１６．９５１９．２４１６．２０１９．９４１９．１６１８．４９１９．５２１３．７４２２．０５６．７８１０．４８７．２８１１．３８６．０２１０．９０１．０４１．６０

２．４９２．１６

１．０１１．５９

２．５９２．１９

０．５９１．４６

２．０７１．７９

图２　广州塔建成前后闪电方位统计分布（单位：次）

２　超高层建筑物防雷设计

通过以上的研究，可以掌握超高层建筑物的一些特征，为防雷设计提供了可靠依据，提高抵御雷电灾害能力。根据以上特征，有针对性地对该类建筑物进行防雷设计。２．１　外部防雷设计

１）接地装置的设计。

超高层建筑物可以根据其结构特点，利用基

表２　雷电流统计

雷电流最大值均值

广州塔

西塔

ｋＡ

广东电信广场

建成前建成后建成前建成后建成前建成后５４６．８

３５６

５４６．８３９８．４

７２１

３９７．４

２６．７３２８．５３２５．９９２９．２９２３．９１２８．５５

　　３）３个超高层建筑建成后对闪电在各方向上的分布造成了一定的影响，闪电频次分布更为

７２广东气象第４１卷　　　　　

础结构钢筋作为接地装置，考虑到地闪密度较高，所有接地均采用共用接地装置，接地电阻应不大于１Ω。如建筑物结构是钢结构，可利用自身钢筋结构作为接地装置。若附近还有其它建（构）筑物，其接地装置与本建筑物接地装置之间水平距离应大于２

０ｍ。＜２０ｍ时，则应采取等电位连接，形成一个联合接地网。

２）引下线的设计。

可以根据建筑物的结构特征，如主体为钢筋混凝土构架，应利用结构柱内的对角两条主筋作引下线，按规范要求布置。同时如为达到良好屏蔽效果，有效减低进入室内空间的磁场强度，可适当增加一定的引下线数量。

３）接闪器的设计。

通过分析，超高层建筑会导致当地闪电频次明显增加，因此接闪器设计要做到全面到位。

在屋面设置混合型接闪器，可以由接闪短针、带、网组成，或利用符合规范金属屋面接闪。大型露天安装的设备金属外壳和基座就近与防雷接地装置进行可靠连接，突出屋面的金属物，应与屋面防雷装置进行可靠连接，连接点不少于２处。而突出屋面的非金属物，如果不在屋面接闪器有效保护范围内，需加装防护装置加以保护。

４）防侧击雷及均压环的设计。

由于雷电有绕击的可能性，超高层建筑物在做好屋顶防直击雷的同时，还应做好建筑物侧击雷防护，按规范要求可利用建筑物外墙四周圈梁的外侧两条主筋通长焊，并与引下线相连作均压

环［１２］。若在外敷设的玻璃幕墙或铝合金百页，

其龙骨、金属支架是要与建筑物主体结构的防雷系统可靠连接，其构架形成规定的网格尺寸。若玻璃幕墙和外包铝板作为水平均压环，其与作为引下线的立柱预埋件、固定件之类，采用圆钢或扁钢焊接连通，形成防雷通路。注意扁钢截面、圆钢焊接面积要符合规范。所有的铝合金门窗，玻璃幕墙的金属框架利用铆钉（不少于２粒）以及编织软线就近与均压环连接。２．２　内部防雷设计

１）合理安装浪涌保护器。

通过分析，超高层建筑物建成后会出现最大值雷电流减小，均值电流增大情况，因此在ＳＰＤ设计时，应合理选配浪涌保护器。同时所有电子信

息系统（如火灾报警及联动系统、广播音响系统等）应采取防雷电电磁脉冲措施（如接地、屏蔽、等电位连接、合理布线及安装浪涌保护器等）。

（

１）电源系统ＳＰＤ设计及安装要求。总配电开关处、层的配电箱、重要设备的配电箱进线及跨越防雷区的线路要安装ＳＰＤ，并且在防雷区分界处作等电位连接。安装的ＳＰＤ要注意间距符合规范要求，电压开关型的ＳＰＤ与限压型的ＳＰＤ之间的线路长度不宜小于１０ｍ，限压型的Ｓ

ＰＤ之间线路长度，不宜小于５ｍ，否则采取相应退耦措施。

根据建筑物内部设施状况，建议采用电源系统过电流估算方案一的值选取ＳＰＤ标称放电电流值，要总配电开关处（第１级）的ＳＰＤ冲击放电电流，应不小于１２．５ｋＡ。建议第１级的ＳＰＤ采用开关型，各层配电箱处采用（第２级），信息系统机房配电箱处采用（第３级）ＳＰＤ，重要设备前应设置不小于１０ｋＡ（８／２０μｓ）（限压型）ＳＰＤ。同时，各级ＳＰＤ的保护水平满足保护设备的最低耐压水平，且有２０％安全裕量。有采用直流供电设备，根据线路长度和工作电压，选用标称放电电流为不小于１０ｋＡ适配的ＳＰＤ。

（２）信息系统ＳＰＤ设计及安装要求。信息系统（如火灾报警联动系统、广播音响系统）信号线路应安装信号电涌保护器，应根据不同信息系统、机房的工作方式、工作频率和接地要求，分别选择Ｍ型、Ｓ型或其组合型的等电位连接网络，将系统内金属部件做等电位连接，保持良好接地。

２）防雷电波侵入设计。

凡进出建筑物铠装电缆的金属外皮、金属线槽、金属管道进出建筑物处，应就近与防雷接地装置相连接。

超高层建筑物比一般建筑物遭雷击的概率大，遭受雷击产生危害严重，安全可靠防雷装置十分重要。虽然不同超高层建筑物外形和结构形式会有所差异，但大多数会采用钢结构或钢筋混凝土结构，有效利用结构将防雷装置与之结合，同时考虑超高层建筑物雷电活动特征，做好与之相适应的防雷设计，可以大大降低雷击事故。

（下转第７６页）

７６广东气象第４１卷　　　　　

提前防范、及时发布灾害风险预警、疏散游客等防灾减灾方面提供科学支撑。韶关市旅游气象信息服务平台虽已建成，但还需要进一步完善，尤其是在气象灾害风险提醒信息直接发送给游客和粗细至景区的天气预报和气候景观预测精准度方面需进一步提升。参考文献：

图２　乐昌市桃花始花期与盛花期预测结果

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　　此外，韶关市旅游气象信息服务平台还提供景区详细介绍、四季景观图、导览图，出发地到景区的距离及自驾游沿途天气查询、韶关四季景观旅游线路推荐等内容。

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檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰的综合分析［Ｊ］．广东气象，２０１８，４０（２）：６２－６４．［８］曾庆锋，徐栋璞，江肶，等．２０１３—２０１６年深圳雷电活

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