高速公路的防雷

关于高速公路建筑物的防雷问题

浙江省高速公路所经过的地区，是雷击灾害多发地区。为配电设施及控制设施而配置的建筑物，防雷问题往往是设计的争论的焦点。通常，10kV 配电系统采用小电流接地制，0.4kV 配电系统采用TN –S 制。除供配电系统为强电设施外，监控系统（含电力监测、交通控制及诱导系统、中控室设施、闭路电视监视系统、火灾检测与报警、广播系统等）均为弱电设施。为保证各种系统能正常稳定地运行和保障人身安全，必须有完善的符合国家标准的接地及防雷保护装置。

雷电对建筑物及其内部电子设备的危害是多渠道的，有直接雷击，沿电气线路和金属管道侵入的雷电波，还有通过空间辐射来的脉冲电磁场。当前，随着高新技术的广泛应用，各种先进的通信、监测、控制、办公自动化和计算机等电子设备正日益普及地配备于各类建筑物中。由于电子和微电子元件的绝缘强度低，过电压耐受能力差，这些电子设备很容易受到雷电的危害，造成工作失效或永久性损坏。为此，完善建筑物的防雷设计，切实做好建筑物内电子设备的防雷保护。

一 防雷设计的基本要素

建筑物的防雷通常分为外部和内部两个系统。外部防雷系统的作用是防护建筑物免受直接雷击，它是由接闪器、引下线和接地体组成；内部防雷系统的作用是减少落雷时的冲击电位升高和雷电流的电磁效应，主要包括等电位连结和防雷电电磁脉冲等措施。在进行防雷设计时，要结合建筑物的结构和性质，将外部和内部防雷系统有机地组成一个整体，全面考虑以下六项要素。

⑴ 接闪

接闪器是直接接受雷击的部分，要用良导体材料制成，装设在建筑物的顶部。接闪器的结构有避雷针、避雷带和避雷网，以及兼作接闪器用的金属物面和金属构件。像高速公路中央控制楼等屹立在荒野中的建筑物，一般采用独立的避雷线加以保护。或根据建筑物的外形，可沿易受雷击的部位设置避雷带或避雷网。如有高出屋面的物体，均与屋面避雷网相连接。 ⑵ 分流

分流是利用引下线将接闪器接受的雷电流分散引入大地。分流效果取决于引下线的数量及其排布结构，引下线多，每根引下线通过的雷电流就小，相应的雷电脉冲电磁感应作用就可以减弱。引下线一般用圆钢或扁钢制成，截面积大小的选择应能保证通过雷电流后不会被熔化。引下线可以用建筑物的金属构件或利用建筑物的结构钢筋，这些构件和钢筋均应焊接成电气通路。

⑶ 均压

均压就是指建筑物内的各个部分能够构成同一个电位，即等电位。为了保证建筑物内部不产生反击和危险的接触电压和跨步电压，应将建筑物内各部位的结构钢筋和各种金属设备及金属管线相互电气连接，使它们处于同一电位水平。

⑷ 屏蔽

屏蔽的主要目的是对建筑物内部的电子设备加以保护。对于安装有重要电子设备的房间（如中央控制室等）要采取电磁屏蔽措施，以阻挡或衰减空间辐射来的电磁能量。为了防止雷电脉冲电磁场在电源线和信号线上感应过电压，所有低压电源线和信号线都应采用有金属屏蔽层的电缆，没有屏蔽的导线要穿钢管，利用钢管来屏蔽。

⑸ 接地

接地装置的作用是使雷电流迅速流散到大地中去。防雷接地应尽量利用自然接地体，在满足防雷规范要求的条件下，应优先利用建筑物内的基础内的钢筋作为接地装置。当达不到防雷规范要求或基础包在防水油毡内时，可做周圈式人工接地装置。

对于电子设备的接地来说，出于抗干扰和工作安全的目的，可将其工作接地系统与防雷接地系统分开做，在这两个接地系统之间用放电间隙或低压避雷器联结起来，实现在正常工作情况下接地分开，在雷击情况下暂态接地。

⑹ 布线

在建筑物内合理布置电气、电子线路是防雷保护的重要组成部分。对于电源线和各种信号线，首先应按要求加以屏蔽。其次，这些线路主干线的垂直部分以集中在建筑物的中心部位走线为宜，应尽量避免靠近建筑物的防雷引下线位置。另外，要在由户外进入建筑物的各种金属管线和电源及信号线上加装避雷器或防雷保护器，以限制和防止沿这些线路袭来的雷电侵入波。

二 防雷设计的要点

高速公路的建筑物是根据隧道群分布情况及交通运营的要求来设置的。这些建筑物由于远离乡镇村落，在旷野中孤立，建筑物的结构都为钢筋混凝土结构，易受雷击。由于建筑物内没有危险易爆等物质存放或生产，其防雷设施一般按三类工业建筑物来考虑。通过对机电设备的安装和施工，在进行防雷设计时，必须注意下列几点：

⑴找出建筑(构) 物的防雷问题症结所在，做到有的放矢。

⑵依当地的地形地貌情况，对现有的自然屏障和防雷设施的保护范围进行校核和计算。若不能满足防雷保护要求时，采用避雷针（网、带）或其他防雷设施。

⑶分析电力配电系统和弱电设备的不同防雷特点，采取不同的防雷设施。

⑸对于监控系统的防雷问题，应在相关的电气设备中解决。

⑹对于电力电缆、控制电缆、信号电缆等的布线系统应采取相应的防雷保护措施。

三 隧道建筑物的防雷措施

3.1 概述

建筑物落雷的相关因素

⑴建筑物的孤立程度 旷野中孤立的建筑物易受雷击。

⑵建筑物的结构 金属屋顶、金属构架、钢筋混凝土结构的建筑物易受雷击。

⑶建筑物的性质 常年积水的泵房，是比较潮湿的建筑物，容易积聚大量电荷，因而易受雷击。

⑷建筑物的位置和外廓尺寸 一般认为建筑物位于地面落雷较多的地区和外廓尺寸较大的建筑物易受雷击。

3.2 防雷措施

防雷分为防直击雷、防雷电波侵入、防雷电感应。在设计中，通过现场调查和了解，采取以下防雷措施：

3.2.1防直击雷

⑴ 在屋面装设避雷网或避雷针作保护，避雷网应沿屋角、屋脊、屋檐、檐角等易受雷击的部位敷设，并应在整个屋面组成≤10×10m 的网络，避雷针应用避雷带互相连接。

⑵ 突出屋面的物体，如为金属物体一般不装设接闪器，但应和屋面防雷装置相连；在屋面接闪器保护范围以外的非金属物体应装设接闪器，并和屋面防雷装置相连。

⑶ 接地装置的冲击电阻R ch ≤30Ω, 并与电气设备接地装置及埋地金属管道相连。 ⑷ 引下线不宜小于两根，间距不宜大于30m 。

⑸ 钢筋混凝土屋面板、梁、柱、基础内的钢筋宜利用作接闪器、引下线、接地装置。构件内钢筋的接点应绑扎或焊接，与外部连接的钢筋与预留连接板的连接宜用焊接，各构件之间必须连接成电气通路。

⑹ 水平避雷带设置在房顶、女儿墙、房檐以及其它易受雷击的部位，它采用截面积30mm 2以上的铜线或截面积50mm 2以上的铝线。屋顶上设置的栏杆、栅栏等金属物体如果是由直

径12 mm 以上的钢棒或同等以上强度和性能的物体制成的，即可作为避雷带使用，但金属物体之间必须具有完全的电气连接。

3.2.2防雷电感应

⑴ 建筑物内的主要金属物, 如设备、管道、构架等，应与接地装置相连。

⑵ 平行敷设的长金属物如管道、构架、电缆外皮等，其相互间净距小于100mm 时应每隔20∽30m 用金属线跨接，净距小于100mm 的交叉处及管道连接处（如弯头、阀门、法兰盘等）应用金属线跨接。用丝扣竟米连接紧密连接的Φ25以上的管接头及法兰盘，在非腐蚀环境中可不跨接。

⑶ 防雷电感应的接地装置，其接地电阻R 应≤10Ω。并与电气设备接地装置共用。屋内接地干线与接地装置的连接不应少于两处。

3.2.3防雷电波侵入

⑴ 低压线路宜全线采用电缆直接埋地，在入户端应将电缆的金属外皮接到防雷电感应的接地装置上。在电缆与架空线连接处还应装设阀型避雷器，避雷器、电缆金属外皮、绝缘子铁脚应连在一起，冲击接地电阻R ch ≤10Ω。

⑵ 架空、埋地或地构内的金属管道，在进入建筑物处应与防雷电感应的接地装置相连。距离建筑物100m 内的架空管道，还应每隔25m 左右接地一次，冲击接地电阻R ch ≤20Ω，金属或钢筋混凝土支架的基础可作为接地装置。

四 隧道防雷的接地

接地分为工作接地、保护接地、过电压保护接地、防静电接地、屏蔽接地等。本工程系统牵涉到的接地装置是复杂的系统工程，要想把不同的接地装置分开来设置是不现实的，除受地理地形条件限制外，还跟土壤的电阻率有关，跟有无岩石层有关。在电力配电系统设计中，都以建筑物为单位，单独设置接地装置，自成系统。针对建（构）筑物用途不同，采用不同的接地电阻值。而对于监控系统的接地装置，应以隧道（群）为单位独立设置。

（1）接地装置的接地电阻值

电力变压器侧中性点直接接地：4Ω

低压侧中性点重复接地：10Ω

强弱电系统共用一个接地装置：1Ω

单独防雷接地装置：30Ω

（2）接地装置的结构型式

a. 除利用自然接地体外，应敷设人工接地网，并进行等地位连接布置，尽可能降低接触电势和跨步电势。

b. 接地装置的接地电阻，应保证在土壤的季节变化的最大值符合规定。接地装置的施工应与土建施工同步进行。在高土壤电阻率条件下，应采用降阻剂或填充电阻率较低物质，使接地电阻符合设计要求。

c. 人工接地体以由接地棒及水平接地体组成的复式接地装置为主，水平敷设采用镀锌扁钢40×4（或50×5）、垂直敷设采用镀锌角钢∠50×50×5或镀锌钢管φ50。接地装置以电焊连接为主，按施工规范要求，保证有一定的焊缝长度。接地装置需否连接或闭合的接地体，应视现场条件而定。

d. 低压电力设备的铜接地棒截面应满足国标GBJ65的有关规定。

e. 所有金属套管和电力电缆外皮的两端均应接地。有关监控部分电缆的接地应按系统要求而定。

f. 电力变压器中性点直接接地和配电设备不带电的金属外壳接地应有单独的接地线，与用电设备不带电的金属外壳接地应有分支接地线。与接地干线的连接采用连接板或直接用螺栓连接。

⑶ 变电所的接地与等电位连接

a. 各隧道变电所的电力变压器中性点直接接地电阻≤4Ω。围绕变电所四周，设置接地极和接地干线，组成等电位连接。有关高压和低压配电装置、UPS 屏、电力变压器、镍镉蓄池屏等设备的基础型钢等与接地装置可靠连接，按规定要求进行施工。

b. 设计要求，隧道内照明灯具采用TN-S 接地系统，电机采用TN-C 接地系统。施工中必须严格区分这两种接地系统的不同含义，使N 线和PE 线的敷设能满足设计的要求。

c. 隧道内设置低压电力配电系统中性点重复接地装置，将按现场条件进行施工。标书中提及的重复接地装置做法，能否满足接地电阻≤10Ω的要求，尚无的计算资料和施工样板可借鉴，拟在施工过程中慎重处理，待积累经验后再行推广。对于设置重复接地装置的距离，将通过工程计算后确定。

d. 隧道内电缆沟内设置接地干线，采用镀锌扁钢50×5与沟内电缆金属支架可靠焊接。对于特长隧道，也可采用截面积为25m 2以上的多股裸铜线作为接地干线。洞内电缆沟内的接地干线应与洞外变电所的接地干线相连接。

e. 隧道内电缆桥架用镀锌扁钢50×5电焊连接成一完整的接地体，并通过预埋在隧道壁中的镀锌钢管G80与电缆沟的接地干线相连接。

f. 严格区分用电设备不带电设备的金属外壳接零与接地的区别，对于需要接零保护的风机，其固定支架决不能接地。

g. 根据有关电气施工规范和设计要求，对不要求接地的用电设备应不予施工。

h. 将建筑物金属构件与其他金属管道互相再作连接，处于同一电位，设置等电位连接箱。

五 有关进线保护

城乡中的电线连通到千家万户，不论是直接雷击还是雷电感应过电压都会沿电线广泛传播。因此沿电线传播的雷电波破坏面很广（方圆可达1km ）而且事故率很高。进线与建筑物防雷有密切的关系，在雷害事故中有一半以上是经进线引起的。所以进线保护是建筑物防雷的重要组成部分。

5.1 采用铁管布线是防雷电电磁脉冲的关键措施

⑴电磁屏蔽作用：在闪电发生时，电磁辐射通过没有屏蔽的门窗作用在电气和电子设备上感应大小不等的脉冲电压，特别是电气线路和电讯线路接受这种感应作用的面积最大、距离最长，它们所产生的感应过电压是最主要的。如果这些线路用铁管屏蔽起来就会起到主体的屏蔽作用。

⑵电磁封锁作用：在共用接地的情况下雷电流通过铁管流过，不论铁管首端与电线是否联通，在电线芯子中都不会产生对铁管外壁的高电压脉冲。这时铁管的电磁封锁作用使芯线的电位与铁管外皮一起浮动。

⑶发挥电磁屏蔽和电磁封锁的必要条件：各铁管接头的端部以及它们和铁分线盒、插口盒的连接端口都要严格对齐不留缺口，接口用焊接方法进行电气联结；铁管上部如与防雷导线不能做到防反击的隔离条件，就要把它和防雷导线就近联结；铁管下部要与防雷接地母线相连或与建筑物底层等电位线相联，高层建筑物还应与各层的等电位线相联。在实际工程应用中，有人用卡箍和螺丝钉卡接，有人用铝管穿线，用几点卡接，在通过大的雷电流时，这些部位可能打火，甚至产生起弧烧管壁和导线的情况，不予采用。

⑷采用铁管在DBSGP 技术中的地位：在防雷电电磁脉冲的措施中，最根本的办法是分流、均压、屏蔽、接地、保护（即DBSGP 技术）。分流—把雷电流通过多条通道引入大地；均压—把各层楼房内的金属构架和电子设备联结成等电位，减少地电位浮动造成的过电压；屏蔽—隔离空间电磁辐射和引流导体电磁场对电气设备与线路产生的电磁耦合；接地—将防雷

地、工频地、直流地、静电地、信号地和保安地都联接起来，共用接地是安全的最佳选择；保安—安装各种防过电压的装置，消除侵入系统中的过电压。采用铁管布线是属于屏蔽措施之一，此外还有电气设备用铁壳封闭、采用屏蔽室、进线滤波器等。

建筑物内部非防雷系统的各种电气线路均宜采用铁管布线，它对防止雷电反击的能力强，对防各种雷电磁脉冲（包括雷电电磁脉冲、核电磁脉冲、静电电磁脉冲和内部过电压的电磁脉冲）都具有良好的屏蔽能力，适用于各种建筑物。垂直敷设的金属管线和线槽，其干线应集中于建筑物的中心部位，如电梯井的侧旁等部位敷设。穿线铁管和线槽都应与各楼层的等电位连接板和接地母线相连接，以达到良好的屏蔽效果。

六 关于接闪器与引下线

规定的保护方式有装在建筑物上的避雷针、避雷带、独立避雷针、独立架空避雷线及保护笼等，接闪器的保护范围是用保护角法确定的。避雷针的保护范围为顶角为α（保护角）的圆锥体所复盖的区域。对于一般建筑物，接闪器的保护角在60°以下，对于有危险品贮存或使用的建筑物，接闪器的保护角在45°以下。

避雷针的材料采用直径12mm 以上的铜棒、铝棒、铝合金棒、溶融亚铅镀钢棒以及同等强度及性能的材料。避雷针可采用梯子、旗杆等建筑物的附属金属物体代替。避雷针的支撑物是铁管的情况下，引下线不得从铁管内穿过，截面积在300mm 2以上的铁管或截面积在100mm 2、壁厚2mm 以上的铝材管作支撑物时，这些金属管可作为引下线的一部分使用。

水平避雷带设置在房顶、女儿墙、房檐以及其它易受雷击的部位，它采用截面积30 mm2以上的铜线或截面积50 mm2以上的铝线。屋顶上设置的栏杆、栅栏等金属物体如果是由直径12 mm 以上的钢棒或同等以上强度和性能的物体制成的，则可作为避雷带使用，但金属物体之间必须具有完全的电气连接。

引下线材料规定采用截面积30 mm2以上的铜线或截面积50 mm2以上的铝线，一个被保护物的引下线至少两条以上。引下线之间的距离原则上不超过50m ，引下线与电灯线、电话线、煤气管道的距离保持1.5m 以上。与引下线距离在1.5m 以内的电线管、雨水管、铁管、铁梯等金属物体必须接地。

高层建筑物的顶部即使安装了避雷针，建筑物的侧面遭受雷击的可能性仍然存在。

关于接地极

接地极使用长度1.5m 以上、直径12mm 以上的溶融亚铅镀钢棒、铜包钢棒、铜棒、镀溶融亚铅的碳素钢钢管（壁厚2mm 以上）、不锈钢钢管（壁厚1mm 以上）、或者面积为0.35 m2以上的镀溶融亚铅钢板（厚度2mm 以上）、铜板（厚度1.4mm 以上）以及具有同等效果的金属物体，但是铝类易腐蚀的物体不能使用。接地极的埋深要求大于0.5m 。整个避雷装置的综合接地电阻应小于10Ω（指落雷时整个接地电极的综合效果），每根引下线的单独接地电阻应小于50Ω。在大地电阻率较高的山区或岩石地区，接地电阻不能满足上述的10Ω和50Ω的情况下，每根引下线用长度5m 以上的与引下线截面积相同的铜线4根以上作为埋设地线呈放射状埋入地下，深度不小于0.5m ，并且沿着被保护物的四周以同样埋深的环状埋设地线将它们连接，以代替接地极。接地极或埋设地线与煤气管道之间的距离尽可能保持

1.5m 以上。

一般情况下，需要计算接地装置的工频接地电阻（以下简称接地电阻，只是在需要区分冲击接地电阻时，才标明工频），对用于防雷、过电压保护的接地装置，则要计算其冲击接地电阻。

计算接地电阻时，应考虑土壤干燥或冻结等季节变化的影响，从而使接地电阻在不同季节均能保证达到所要求的值。但防雷接地装置的接地电阻，可只考虑在雷季中土壤干燥状态的影

响。

*土壤电阻率 计算接地体的接地电阻时，应预先测量土壤电阻率。

*自然接地体的接地电阻

⑴直埋铠装电缆金属外皮的接地电阻；

⑵直埋金属水管的接地电阻；

⑶钢筋混凝土电杆接地电阻。

*基础接地体的接地电阻

⑴垂直圆柱形钢筋混凝土接地体的接地电阻：分为在均质土壤中的接地电阻和在两种不同土壤中的接地电阻（相当于将一个接地体分成两个假定单元接地体的并联接地电阻）； ⑵水平敷设的圆柱形钢筋混凝土接地体的接地电阻；

⑶水平敷设成闭合矩形的圆柱形钢筋混凝土接地体的接地电阻；

⑷倒T 形钢筋混凝土基础的接地电阻；

⑸水工筋混凝土接地体的接地电阻。

*人工接地体的接地电阻

⑴垂直接地体的接地电阻；

⑵水平接地体的接地电阻；

⑶复合接地体的接地电阻；

接地体的工频接地电阻与冲击接地电阻的比值R/Rch

对伸长形接地体（包括放射形接地体），在计算接地电阻时，接地体的有效长度（从引下线与接地体的连接点算起）不宜大于2ρ米。因此每根放射形接地体的最大长度，根据土壤电阻率确定如下：

*换土 用电阻率较低的土壤（如粘土、黑土等）替换电阻率较高的土壤。

*对土壤进行化学处理 这种方法所需的化学物质往往带有腐蚀性，且易流失，一般只是在不得已时才采用。常用的化学物质有炉渣、木碳、氮肥渣、电石渣、石灰、食盐等。 ⑴垂直接地体 将化学物质和土壤混合后填入坑内夯实；

⑵水平接地体

*利用长效降阻剂

*深埋接地体 当地下深处的土壤或水电阻率较低时，可采用深埋接地体来降低接地电阻值。 *污水引入 为了降低接地体周围土壤的电阻率，可将无腐蚀性的污水引到埋设接地体处。地体处采用钢管，在钢管上每隔20厘米钻一个直径5毫米的小孔，使水渗入土壤中。 *深井接地

*利用水和与水接触的钢筋混凝土作为流散介质

充分利用水工建筑物（水井、水池等）以及其它与水接触的金属部分作为自然接地体，可在水下钢筋混凝土结构物内绑扎成的许多钢筋网中，选择一些纵横交叉点加以焊接，并与接地网连接起来。

双层土壤中复合地网接地电阻的计算

2R 1R 2R 12 Ru = R 1+R 2-R 12

R 2=P 12(L +1) R b 2t n +(n -1) 2πn L d 0n

R 12=R 1P 1L L 21πL s (d n ) 0.5

⎛⎫⎪b 1R b = 1+⎪ 4.5h A 1+0.5⎪⎪⎝A ⎭

上述诸式中，d 为水平地网接地导体直径，米；h 为地网埋深，m ；d0为垂直接地极接地导体直径，m ；a/b为矩形地网的长宽比。

对防直击雷，一般在建筑物和构筑物易受雷击的部位装设避雷带或避雷针。建筑物易受雷击的部位，宜按前面说明。

当采用避雷带时，屋面上任何一点距避雷带不应大于10米。当有三条及以上平行避雷带时，每隔30∽40米宜将平行的避雷带连接起来。屋面上装设多支避雷针时，两针间距离不宜大于30米，并应符合下式要求：

D ≤15ha

式中，D —两针间距离（米）；

ha —避雷针的有效高度（米）。

屋面上单支避雷针的保护范围宜按60°保护角确定。

建筑物和构筑物宜利用钢筋混凝土屋面板、梁、柱和基础的钢筋作为防雷装置，也可分别利用屋面板作为接闪器，柱作为引下线，基础作为接地装置。但钢筋混凝土构件中的的钢筋由于流过雷电流而温度升高时，其温度值对于验算疲劳的构件，不宜超过60°C ，对于屋架、托架、屋面梁等，不宜超过80°C 。构件内钢筋的接点应绑扎或焊接，各构件之间必须连成电气通路。

防直击雷和防雷电感应宜共用接地装置，其冲击接地电阻不宜大于10欧，并应和电气设备接地装置以及埋地金属管道相连。

建筑物和构筑物内的主要金属物（如设备、管道、构架、电缆外皮、钢屋架、钢窗等较大金属构件），和突出屋面的金属物（如风管等），应与接地装置相连，以防静电感应。为

防止电磁感应产生火花，平行敷设的长金属物，如管道、构架、电缆外皮等，其静距小于100毫米时，应每隔20∽30米用金属线跨接；交叉静距小于100毫米时，交叉处也应跨接。当管道连接处，如弯头、阀门、发兰盘等，不能保持良好的金属接触时，在连接处应用金属线跨接。用丝扣紧密连接的Φ25及以上的管接头和发兰盘，在非腐蚀环境下，可不跨接。