建筑物防雷接地综合设计毕业设计.docx

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建筑物防雷接地综合设计毕业设计

毕业设计报告书

题目：

建筑物防雷接地综合设计

专业机电一体化

班级

姓名

指导教师

目录

第一部分设计任务与调研2

1.1毕业设计的主要任务2

1.2.设计的思路、方法.3

1.3.建筑综合防雷的相关资料5

1.4综合防雷设计要素及总结7

第二部分设计说明10

2.1.设计内容10

2.2高层建筑物防雷设计10

2.3防直击雷设计12

2.4防侧击雷和感应雷的措施16

2.5防雷接地的设计18

第三部分设计成果20

3.1防雷接地系统设计蓝图20

第四部分结束语23

第五部分致谢25

第六部分参考文献26

第一部分设计任务与调研

1.1毕业设计的主要任务

针对设计的选题，查阅大量的相关资料和文献，充分了解建筑物防雷与接地设施的设计与安装，深入研究防雷设施和接地现阶段的优势和劣势.进而提出对现阶段防雷技术提出一些有价值的建议.

1.2.设计的思路、方法.

现代防雷技的技术原则强调全方位防护，综合治理，多层设防，把防雷作为一个系统工程。

由于雷电的危害无孔不入，在整个空间范围侵袭微电子设备，给安全防范带来一定困难。

有效利用建筑物基础接地体、钢筋混凝土柱筋作为引下线、每层钢筋和各种金属架构相互焊接成网，做好笼氏屏蔽和等电位处理。

这种设计不仅经济实惠，而且符合现代综合防雷的思路，为电气和电子设备防止雷电电磁脉冲[LEMP]破坏提供基础条件。

《建筑防雷设计规范》和IEC/TC-81.1024均肯定和推荐这种防雷技术，其技术可靠性及优异性，已被实践证明.

当雷电直接击中建筑时，由于雷电短时间内释放出巨大能量，以致坏毁建筑，若直接击中建筑内的电力线或设备，会产生极高的雷电过电压，现今任何电压等级的系统绝缘都难以耐受，以致损坏设备[2]。

为防止雷电直接击中建筑本体及内部设备，人类发明了避雷针、避雷带等防直击雷的措施：

避雷针：

避雷针是靠把雷雨云所带的异种电荷引导到自身上来，通过良好的接地装置，把雷电流泄入大地，保护建筑物不受雷击的一种金属装置。

避雷针的工作原理：

当高空出现雷雨云的时候，大地上由于静电感应作用，必然带上与雷雨云相反的电荷，避雷针处于地面建筑物的最高处，与雷雨云的距离最近。

由于它与建筑物的钢筋网有良好的电气连接，再通过引下线与基础接地连接，所以它与大地有相同的电位，因此避雷针附近空间的电场强度比较大，容易吸引雷电先驱，使主放电都集中到它的上面，从而使附近比它低的物体遭受雷击的几率大大减少，而避雷针被雷击的几率却大大的提高。

由于避雷针与大地有良好的电气连接，能把雷雨云层中积存的电荷能量传递到大地中泄放，使因雷击而造成的过电压时间大大的缩短，所以从很大程度上降低了雷击的危害性。

以上就是避雷针的工作原理。

但需要说明，避雷针必须有足够可靠和接地电阻尽量小的引下线接地装置与其配套，否则，它不但起不到避雷的作用，反而增大雷击的损害程度。

避雷针不但不能避雷反而是引雷，它是使自身多受雷击而保护周围免受雷击。

避雷针保护范围的计算方法：

目前世界各国关于避雷针保护范围的计算公式在形式上各有不同[3]。

大体上有如下几种计算方法：

折线法，即单一避雷针的保护范围为一折线圆锥体。

曲线法，即单支避雷针的保护范围为一曲线锥体。

直线法，是以避雷针的针尖为顶点作一俯角来确定，有爆炸危险的建筑物用45°角，对一般建筑物采用60°角，实质上保护范围为一直线圆锥体。

避雷针的规格：

由许多实际调查统计资料表明，避雷针的外表形状与其避雷效果无明显的关系。

所以，不必过多考虑采用单针式或者其他形式造型的避雷针。

避雷针大多采用圆钢或钢管制成。

近来国内市场上经销一种叫主动式避雷针的产品，主要来自法国和澳大利亚。

据厂家称，这此产品能够随大气电场变化而吸收能量，当存储的能量达到某一程度时，便会在避雷针尖放电，尖端周围空气离子化，使避雷针上方形成一条人工向上的雷电先导，它比自然的向上的雷电通道能更早的于雷雨云向下的雷电先导接触，形成主放电通道。

这样，雷雨云靠该避雷针放电的几率就增加了，相当于避雷针的保护范围加大了，或者相当于将避雷针加高了。

1.3.建筑综合防雷的相关资料

防雷等级分类计算：

我们在着手建筑物防雷设计的第一步时，首先是要确定建筑物的防雷等级[7]。

建筑物防雷设计规范（GB50057－94）中，对建筑物防雷等级的划分，除了由建筑物的功能定性外，第二、三类防雷建筑，还取决于建筑物的预计年雷击次数N。

建筑物年预计雷击次数应按下式计算：

（2-1）

式中：

N——建筑物年预计雷击次数（次／a）。

k——校正系数，在一般情况下取1，在下列情况下取相应数值：

位于旷野孤立的建筑物取2；金属屋面的砖木结构建筑物取1.7；位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5。

——建筑物所处地区雷击大地的年平均密度［次／（km2·a）］。

——与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）。

雷击大地的年平均密度应按下式计算：

（2-2）

式中：

──年平均雷暴日，根据当地气象台、站资料确定（d／a）。

当建筑物的高H等于或大于100m时，建筑物的等效面积按下式计算：

　（2-3）

式中：

L、W、H──分别为建筑物的长、宽、高（m）。

按以上公式计算得到N后就可以确定防雷等级了。

一般先把建筑物按其重要性和使用性质分为部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物和住宅、办公楼等一般性民用建筑物两类。

部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物其年预计雷击次数N大于0.06次/a时，该建筑就划为第二类防雷建筑物；若N大于等于0.012次/a，且小于或等于0.06次/a，则该建筑就划为第三类防雷建筑物。

住宅、办公楼等一般性民用建筑物其年预计雷击次数N大于0.3次/a时，该建筑就划为第二类防雷建筑物；若N大于等于0.06次/a，且小于或等于0.3次/a，则该建筑就划为第三类防雷建筑物。

1.4综合防雷设计要素及总结

防雷设计是一个很复杂的问题，不可能依靠一、二种先进的防雷设备和防雷措施就能完全消除雷击过电压和感应过电压的影响，必须针对雷害入侵途径，对各类可能产生雷击危害的因素进行综合防护，才能将雷害减少到最低限度。

这种综合防护主要包括接闪、分流（保护）、均压、屏蔽、接地、合理布线，统称为综合防雷六大要素[8]。

接闪就是让在一定程度范围内出现的闪电放电不能任意地选择放电通道，而只能按照人们事先设计的防雷系统的规定通道，将雷电能量泄放到大地中去。

分流（保护）是现代防雷技术迅猛发展的重点，是保护各种电子设备或电气系统的关键措施。

所谓分流就是在一切从室外来的导体（包括电力电源线、数据线、电话线或天馈线等信号线）与防雷接地装置或接地线之间并联一种适当的避雷器SPD，当直击雷或雷击效应在线路上产生的过电压波沿这些导线进入室内或设备时，避雷器的电阻突然降到低值，近于短路状态，雷电电流就由此处分流入地了。

雷电流在分流之后，仍会有少部份沿导线进入设备，这对于一些不耐高压的微电子设备来说是很危险的，所以对于这类设备在导线进入机壳前，应进行多级分流（即不少于三级防雷保护）。

均压是指使建筑物内的各个部位都形成一个相等的电位，即等电位。

若建筑物内的结构钢筋与各种金属设置及金属管线都能连接成统一的导电体，建筑物内当然就不会产生不同的电位，这样就可保证建筑物内不会产生反击和危及人身安全的接触电压或跨步电压，对防止雷电电磁脉冲干扰微电子设备也有很大的好处。

钢筋混凝土结构的建筑物最具备实现等电位的条件，因为其内部结构钢筋的大部分都是自然而然地焊接或绑扎在一起的。

为满足防雷装置的要求，应有目的地把接闪装置与梁、板、柱和基础可靠地焊接、绑扎或搭接在一起，同时再把各种金属设备和金属管线与之焊接或卡接在一起，这就使整个建筑物成为良好的等电位体。

屏蔽的主要目的是使建筑物内的通信设备、电子计算机、精密仪器以及自动控制系统免遭雷电电磁脉冲的危害。

建筑物内的这些设施，不仅在防雷装置接闪时会受到电磁干扰，而且由于它们本身灵敏性高且耐压水平低，有时附近打雷或接闪时，也会受到雷电波的电磁辐射的影响，甚至在其他建筑物接闪时，还会受到从该处传来的电磁波的影响。

因此，我们应尽量利用钢筋混凝土结构内的钢筋，即建筑物内地板、顶板、墙面、及梁、柱内的钢筋，使其构成一个网笼，从而实现屏蔽。

由于结构构造的不同，墙内和楼板内的钢筋有疏有密，钢筋密度不够时，设计人员应按各种设备的不同需要增加网格的密度。

良好的屏蔽不仅使等电位和分流这两个问题迎刃而解，而且对防御雷电电磁脉冲也是最有效的措施。

此外，建筑物的整体屏蔽还能防球雷、侧击和绕击雷的袭击。

接地就是让已经流入防雷系统的闪电电流顺利地流入大地，而不能让雷电能量集中在防雷系统的某处对被保护物体产生破坏作用，良好的接地才能有效地泄放雷电能量，降低引下线上的电压，避免发生反击。

过去的一些旧规范要求电子设备单独接地，目的是防止电网中杂散电流干扰设备的正常工作。

但现在，防雷工程设计已不提倡单独接地，而是更多的与防雷接地系统共用接地装置，但接地电阻要由原来的小于4Ω减少到1Ω。

我国的现用的规范规定，如果电子设备接地装置采用专用的接地系统，则其与防雷接地系统的地中距离要大于20m。

防雷接地是防雷系统中最基础的环节，也是防雷安装验收规范中最基本的安全要求。

接地不好，所有防雷措施的防雷效果都不能发挥出来。

合理布线指如何布线才能获得最好的综合效果。

现代化的建筑物都离不开照明、动力、电话、电视和计算机等设备的管线，在防雷设计中，必须考虑防雷系统与这些管线的关系。

为了保证在防雷装置接闪时这些管线不受影响，首先，应该将这些电线穿于金属管内，以实现可靠的屏蔽；其次，应该把这些线路的主干线的垂直部分设置在建筑物的中心部位，且避免靠近用作引下线的柱筋，以尽量缩小被感应的范围。

除考虑布线的部位和屏蔽外，还应在需要的线路上加装避雷器、压敏电阻等浪涌保护器。

因此，设计室内各种管线时，必须与防雷系统统一考虑。

第二部分设计说明

2.1.设计内容

本系统设计主要是为了防止和减少雷击建筑物所发生的人身伤亡和文物、财产损失，对建筑物采取一定的防雷措施，防雷措施应安全可靠、技术先进、经济合理。

根据国家现行的规范要求，对建筑物进行防雷划分，本设计的建筑物属于第二类防雷建筑物。

依据建筑物的防雷分类选择合适的防雷措施。

一般防雷装置有接闪器、引下线、接地体。

对建筑物进行必要的局部等电位连接。

在本设计中要根据建筑物的防雷等级，选择合理的防雷装置，画出屋顶防雷平面图，并根据建筑物的防雷、安全用电及防静电等要求，选择合理的接地型式，画出等电位连接示意图。

2.2高层建筑物防雷设计

这是某地这栋高级写字楼，58层，总投资：

5亿元。

唯一国际5A甲级纯写字楼，是中国商务写字楼精品示范项目称号；同时被国家建设部评定为第五批全国建筑业新技术应用示范工程。

这栋甲级写字楼第一层层高5米，第二层到第五层4.5米，六层架空层层高4.8米，从第七层起至57层每层层高3.6米，其中第22层与39层为避难层，层高4.8米。

58层为停机坪，现用于观光。

从第一层到第52层建筑面积为2000平方米，52层到57层建筑面积为1700平方米。

它整体为长方体，底为正方形，顶部停机坪呈圆形。

如图3-1：

图3-1整体结构示意图

进行防雷接地系统设计，首先应确定其建筑防雷等级，由式2-1、2-2及2-3可以算出：

N=1×0.024×320.3×[45×45+2×236×（45+45）+π×55696]×0.000001

解得：

N=1.687

式中：

N——建筑物年预计雷击次数（次／a）。

k——校正系数，在一般情况下取1，在下列情况下取相应数值：

位于旷野孤立的建筑物取2；金属屋面的砖木结构建筑物取1.7；位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5；地王国际取1。

——建筑物所处地区雷击大地的年平均密度［次／（km2·a）］。

——与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）。

──年平均雷暴日，南宁为84.6（d／a）。

L、W、H──分别为建筑物的长、宽、高（m），地王国际长宽高分别为45m、45m、236m。

根据部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物其年预计雷击次数N大于0.06次/a时，该建筑就划为第二类防雷建筑物，属于第二类建筑。

2.3防直击雷设计

对于直击雷的防护，采用了避雷针和避雷带两个进行配合使用。

在建筑正面，52层平面上两边各有突起的建筑，左侧较停机坪低，右侧比停机坪高25米。

由于有停机坪的影响，按照行业标准《民用直升机场飞行场地技术标准》（MH5013—99）规定，在建筑物屋顶设置停机坪，属于高架直升机场。

在停机坪内不得设置高出直升机起飞和降落的限制面的物体[12]。

故避雷针的装设并不能在建筑的几何中心。

避雷针的装设方案选择单根避雷线，安装点为右侧突起建筑的顶端，连接停机坪与突起建筑的两点作直线，作直线的垂线，垂线交于圆的点即为避雷线的基点，如图3-2所示位置：

图3-2避雷针的安装基点

按照建筑的结构图形，以避雷针基点为圆心做圆，做切于建筑52层以上平面表面外圆，因为第一层到第52层建筑面积为2000平方米，52层到57层建筑面积为1700平方米，57层边缘某点连接51层边缘相应点的角度非常小，而避雷针保护角很大，故保护范围考虑57层平面而不是考虑51层平面。

右边突起建筑部分为水平截面小而高的可看似塔状物，比停机坪高约25米，所以切点为52层以上的俯视表面的切点，此圆即为避雷针的保护范围。

如图3-3、3-4所示：

图3-3避雷针保护范围俯视图图3-4避雷针保护范围正视图

避雷针高度计算：

由图3-2、3-3及3-4中的切点及52层边宽41米（正方形）可以知道圆的保护半径为59米。

由于右边突起建筑部分为水平截面小而高的类似塔状建筑，加装避雷针不考虑对它的保护范围，相反为反映被保护高度，而把其当做避雷针结构高度的一部分计算（其高出停机坪25米），。

第一层到停机坪高度为236米。

由于若对地计算保护范围，按照第一章介绍的公式1-1计算，则避雷针高度将高达356米，故本设计用顶楼作为参考地面，避雷针保护半径为该层面的应保护半径，用避雷带配合其防雷效果。

此时，

，即

，则代入公式：

59=1.5hP

若P取1，则解得：

h=39.33，与定义的P值不符，则令

，则解得h为275.33。

则避雷针安装高度：

236+39.33=275.33米，即约为276米。

避雷针实体高度为计算结果中的避雷针高度除去利用的建筑的高度，即：

40-25=15米。

避雷带的设计根据有直升机停机坪的设计，所以在停机坪要装设避雷网，由于直升机机身一般有一条避雷带，所以可以通过在停机坪上专用的接地线使飞机的机壳与大地连接起来。

因此，在屋顶设置了以停机坪中心为圆心、角度为30°放射状的避雷带，组成不大于12乘8的网格，明敷在混凝土屋面中。

由于屋顶面积较大，为保证网格的尺寸要求，环形避雷带设置为3圈，同时在屋面预留了接地插座．用来将直升机机身自带的避雷带与屋面内的防雷装置相连。

在这种情况下，屋面避雷带一方面作为建筑物的防雷装置，另一方面又作为直升机的接地装置。

由于建筑正面左侧有突出建筑，虽然不高，但为了防止其部分尖端引雷，故也要沿顶部边缘加装避雷带，由于其满足《建筑物防雷设计规范》GB50057-1994中要求的网格小于10乘10，故不用再设网格；58层楼顶表面及则要铺设10乘10以内的网格（规格均为直径不小于8mm的圆钢）。

如图3-5所示：

图3-5避雷带的安装

避雷带与避雷针相连接，再由避雷带连接引下线，由引下线接地，不然，若无接地系统，避雷针和避雷带就不能发挥出作用。

表3-1直击雷防护材料

材料

规格

长度

避雷针

钢管

100mm

15m

避雷带

圆钢

8mm

900m

2.4防侧击雷和感应雷的措施

引下线的设计：

为防侧击雷及避雷针接地，故设置专门的引下线。

根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-1994对第二类建筑防雷的要求，引下线不应少于两根，且引下线距离不能超过18米。

而地王国际宽45米，则共采用12根引下线均匀布于建筑上，在建筑的1到6层为商业层，建筑面积2900平方米，而引下线不能穿墙而过，则必须敷设于外沿，则在6层顶部敷设引下线，并均匀垂直引下，此时引下线间隔为18米，符合要求。

如图3-6所示：

图3-6引下线的安装

此时，每根引下线的距离为15米，满足不超过18米的要求，直径不小于16mm的圆钢，引下线与楼顶避雷带相连接。

按照《建筑物防雷设计规范》GB50057—94对多根引下线的要求，在每根引下线在距离地面0.3到1.8米处装设断接卡。

避雷网的设计：

避雷网主要作用是防止侧击雷及形成法拉第笼以防感应雷对建筑内部设备破坏。

按照建筑物防雷设计规范对第二类建筑要求在45米以上铺设10乘10或12乘8的网格。

考虑层高为3.6米，故采用三层做一水平线，即每隔10.8米设一条平行地面的线，宽45米，则设6条垂直地面的线，即每隔7.5米设一条线。

则整个避雷网为10.8乘7.5米的网格，如图3-7所示：

2.5防雷接地的设计

接地的方法：

上述所提到的避雷针、避雷带、避雷网及引下线都需有效地接地才能发挥其作用。

设计中，避雷针与避雷带相连接，并与引下线相连接，引下线与避雷网相连。

由引下线冲击电阻公式：

（3-1）

其中

—地中距离（m）。

——分流系数，防雷网线的系数应取0.44。

R——引下线冲击电流，规范中规定不能大于20欧。

则引下线地中距离

不应小于0.66m才能满足最大冲击，引下线距离为18米，满足冲击电阻的要求。

为了引流，需在引下线端点连接垂直接地体，由于地下有三层，足以满足垂直接地体埋于地下0.5m一下的条件，故垂直接地体仅用连接到地网，则垂直接地体长10.8m直径10mm的圆钢，在地下连接垂直接地体构成地网表面，而地网的铺设使用5乘5m的网格，则地网的大小设为55乘55m，网中构成5乘5m的网格。

其总体结构如图3-8：

图3-8接地系统的结构

接地系统电阻的计算：

接地电阻由四个部分组成，即：

接地引线的电阻、接地体本身的电阻，接地体与土壤间的过渡电阻和大地溢流电阻。

前三种电阻要远比最后的一流电阻要小，所以一般可以不考虑。

此时，接地电阻就近似等于从接地体到地下远处零位面之间的电压与流过的工频或直流电流之比。

24根水平圆钢和12根垂直钢管连接在一起的接地网，接地网结合的土壤电导率为300Ω每米，由此则可代入第一章提到的公式1-3求得：

其中p=300

B=0.33

L=20·45=900

第三部分设计成果

3.1防雷接地系统设计蓝图

为表达清晰，蓝图共3个图，分别为：

5A写字楼接地系统正视图（图3-9）、写字楼外部防雷布线侧视图（图3-10）、接地网俯视图（图3-11）。

外部防雷布线侧视图展示了避雷针、避雷带、引下线和避雷网的设置；接地系统正视图展示了部分避雷网、引下线和垂直接地体及地网。

接地网俯视图展示了地网的规格。

图3-9接地系统正视图

图3-10外部防雷布线侧视图

图3-11接地网俯视图

第四部分结束语

某一防雷接地系统适用于一部分建筑，但由于现代建筑设计五花八门，建筑使用目的不一，所以对于建筑的防雷接地系统设计不能按部就班，应充分考虑建筑的特点来进行设计。

地王国际的建筑结构就是一个很好的例子，由于其特殊性，所以在设计上也有一定的特殊要求。

本设计在开头对直击雷防护中，避雷针的安装利用了部分建筑的高度，在其之上进行避雷针的架设，使避雷针实体的高度远小于计算高度，有利于安装。

由于避雷网的布线与引下线的布线有重合，鉴于其承受电流冲击，温升等能力及作用相似性，用重合部分引下线亦作为避雷网的垂下线。

本设计主要从防直击雷、侧击雷、防感应雷三个的方法和技术及接地的方法及接地电阻的计算四个大方面分别进行设计。

防直击雷的方法主要为设置避雷针及其高度计算和设计避雷带；对于防侧击雷的方法为设置引下线，由于避雷网是防侧击雷和防感应雷，所以把感应雷和侧击雷的防护归到，称之为防侧击雷和感应雷的方法。

在对接地系统进行设计时，还补充说了内部等电位连接等内容。

最后把单一的个体设计综合起来，以形成防雷接地系统。

本设计基本符合地王国际的防雷要求，但也有不足的地方，对电源进线没有进行单独的防雷接地设计，对于防雷接地网络没有充分利用其建筑的钢筋混凝土中的钢筋作为引下线和避雷网；对于内部防雷设计亦过于简单。

随着现代工业的快速发展，特高层建筑的兴起以及高集成化电子设备如计算机、通信设备及工业自控系统已广泛应用，建筑防雷体系应时代的发展必将突破传统观念，雷电理论及先进的防雷设备必将不断发展。

第五部分致谢

这次毕业设计得到了很多老师、同学和同事的帮助，其中我的导师老师对我的关心和支持尤为重要，每次遇到难题，我最先做的就是张桂华老师寻求帮助，而每次不管忙或闲，总会抽空来找我面谈，然后一起商量解决的办法。

另外，感谢校方给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课题，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在即将离校的最后一段时间里，能够更多学习一些实践应用知识，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。

再一次对我的母校表示感谢。

感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，在大学生活即将结束的最后的日子里，我们再一次演绎了团结合作的童话，把一个庞大的，从来没有上手的课题，圆满地完成了。

正是因为有了你们的帮助，才让我不仅学到了本次课题所涉及的新知识，更让我感觉到了知识以外的东西，那就是团结的力量。

最后，感谢所有在这次毕业设计中给予过我帮助的人。

对上述朋友，再一次真诚地表示感谢!

第六部分参考文献

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中国建筑工业出版社,2000.21-23

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华南理工大学出版社,2005.13

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IEC,2000.3

[5]中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册.北京:

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