改革开放以来，我国高层建筑物的高度愈来愈高，地面高度超过100m的建筑物已屡见不鲜，也有地面高度为413m的超高层建筑物。
这些钢筋混凝土和钢结构的建筑物，显著地改变了雷云先导电场的分布，引发雷击的次数大大增加。广东省在1997年发生雷击事故1 465次，起火爆炸20次，死亡104人，伤129人，其中大量事故发生在城市，直接经济损失达2亿元，间接经济损失5亿元以上［1］。因此，对高层建筑物特别是超高层建筑物的防雷接地和屏蔽，愈来愈引起人们的关注。
作者依据在广东地区的调查资料和长沙高层建筑物通信大楼的雷击试验结果，对吸引半径等7个问题进行讨论，以期完善高层建筑物的防雷保护。
1 吸引半径
用负极性的操作冲击波研究长间隙的放电，结果表明，当接地棒长度与闪络距离相比甚小时，棒—棒间隙的击穿强度与棒—板间隙的击穿强度极为接近。这就是说，在一般高度（10～20 m）的建筑物上安装避雷针的吸引作用并不比地面上同样高度安装避雷带的吸引作用大多少。因此，在一般高度的建筑物上，可以用避雷带来代替避雷针。
但是，几十米以上的高层建筑物，闪击距离除了和雷电流的幅值有关外，还和建筑物的高度有关，闪击距离增大，高层建筑物产生的正空间电荷能够引导下行先导，增大了闪击的定位性；不仅是受雷击的高层建筑物，而且与其邻近的高层建筑物，都有可能产生向上的流光，引发雷击。因此，高层建筑物遭受上行雷击的次数大增加。
从下面的计算示例中，可以看出高层建筑物与一般高度建筑物的吸引半径r相差极大［2］。
当建筑物高度h为10 m和100 m时，吸引半径r为57．7 m和356 m。吸引半径相差6倍，而吸引面积则相差36倍。
当不考虑建筑物面积的影响时，每年的雷击次数N估计为［3］：
N＝exp（0．008 8 h）－1．
当h＝10 m和h＝100 m时，雷击次数分别为0．092次／a和1．41次／a，相差15倍。可见高层建筑物特别是超高层建筑物，遭受雷击的次数大大增加。
为了可靠地拦截闪电和控制雷击点，高层建筑物特别是超高层建筑物的接闪装置，宜用易于吸引上行雷的垂直避雷针来代替水平避雷带。
2 屏蔽效果
高层建筑物的钢筋框架，还不是一个完全封闭的法拉第笼。在雷击时，建筑物内部仍然存在有相当强的电磁场。
曾用波形为5／8μs的脉冲波，对一座建筑物1／15比例的钢筋模型（网孔23 cm×33 cm）进行测试，模型内外的场强相差约一倍，屏蔽效果为6dB；用幅值0．84 kA衰减振荡波对该建筑物进行现场测试，1～7层楼外测量的电位差为1．52 kV，楼内测量的电位差为0．6 kV；当幅值增大到5．05kA时，楼外为13．6 kV，楼内为4．4 kV，相应的屏蔽效果为8．1 dB和9．8 dB。按频谱分析，波形为5／65μs的雷电流，0～50 kHz能量占总能量的98．7％，取f＝50 kHz，前述建筑物梁柱钢筋框架的口孔尺寸为3．5 m×5 m，当钢筋等值厚度为15～30 mm时，计算得出该建筑物对平面电磁波的屏蔽效果为9～15 dB。
由试验和计算结果可以看出，高层建筑物的屏蔽效果有限，还不能满足建筑物内数值处理系统的屏蔽要求。事实上按波导衰减原理，高层建筑物的门窗如不采取措施，其孔口引起的电磁泄漏，足以影响数值处理系统的正常运行。这可由波经过金属门窗的传输衰减或屏蔽效果A看出［2］：
A≈27．3 b／l．
式中 b——金属门窗的厚度，m；
l——金属门窗最大一边的长度，m。
因此，高层建筑物内重要的场所，例如声、像节目制作，计算机经营管理系统等，要考虑屏蔽措施或采用专门的屏蔽室。
3 屏蔽角
高层建筑物的屏蔽角目前尚无确定的规则。例如，莫斯科540 m高的电视塔就曾多次遭受旁侧雷击［4］，在所记录到的4次上行雷中，有2次是在低于塔顶15 m和35 m处遭受雷击；在所记录到的4次下行雷中，有3次是在低于塔顶85 m，110m和200 m处遭受雷击；还有一次未击中电视塔，但落雷点仅距塔中心约400 m。可见该电视塔有时连自己也不能够保护。
根据电力线路的运行经验，高层建筑物的有效屏蔽角不会超过20°。当绕击率P为1％～3％，100 m高的高层建筑物的屏蔽角大约估计为［3］：
因此，与高层建筑物相邻的建筑物，指望受到邻近高层建筑物的屏蔽而不考虑必要的防雷保护措施，是极其危险的。
4 框架阻抗
利用高层建筑物的钢筋框架作为引流线、分流线和电位均衡线已为工程所证实。曾用波形0．36／20μs、幅值176 A的脉冲波测试某高层建筑物1／15钢筋模型的分流情况，流过钢筋柱最大的电流为总电流的2．39％，最小的为1．82％，可见电流分布比较均匀。
但钢筋框架的纵向电压降或框架阻抗却不容忽视。例如：用波形5．8／70μs、幅值500 A脉冲波现场测得高35 m、宽15 m的某高层建筑物地面上7层楼体的阻抗为3．84Ω。取f＝50 kHz，高层建筑物等值半径为7．5 m，按下式［5］估算，该高层建筑物钢筋框架阻抗为3．18Ω。
由此可见，在高层建筑物内沿高度敷设的金属管线，由于受到电感耦合的作用，其纵向电位是相当高的，需要详细设计金属管线的敷设方式。按照低频耦合、电耦合和高频耦合的特性，对金属管线分类、隔离、屏蔽和接地等进行布线设计。
5 幅射电阻
当高层建筑物的高度h接近入射波的波长λ时（2πh＜λ），波过程为滞后解。除了考虑钢筋电阻和电感的框架阻抗外，还要考虑钢筋框架的幅射电阻和非似稳容抗，特别是幅射电阻引起的转移电位不容忽视。
雷电流的频谱较宽，为1 kHz～5 MHz。如频率为500 k Hz，高层建筑物钢筋框架的幅射电阻R0可按下式估算［5］。
R0≈3．3×10－3 h2．
式中，R0的单位为Ω，h的单位为m。
当建筑物高100 m时，频率500 kHz的电流占总电流的0．1％。雷电流为100 kA时，幅射电阻引起的转移电位可达3．3 kV。在这种情况下，即或将金属管线紧贴钢筋柱敷设，除了减小框架阻抗的电感分量所引起的转移电位外，幅射电阻引起的转移电位仍然存在。虽然这种转移电位所占的能量有限，不足以损坏电子设备的绝缘，但会造成火花放电，强烈干扰传输数字脉冲的信号电路。这种情况已为长沙电信大楼所作的大楼电频响应试验所证实。
6 转移电位
除了建筑物内的金属管线，因传导、电感和电容耦合产生转移电位外，引出或引进建筑物的金属管线，还会将高电位传输到邻近的建筑物。
某水电厂进行雷击试验时，衰减振荡波电流幅值达到4．3 kA，厂外转移电位现象：距厂房约100 m的河边水泵房吸水管法兰之间，电动机机座与绕组之间两处发生火花放电，但水泵运行正常；距厂房约150 m的电话总机房底座对工作人员放电，但人员无电击伤害。
试验得出波头3μs，波沿金属管线的传输衰减为［6］：
K=exp（-12πS/ρ√εr）.
式中 S——传输距离，m；
ρ———土壤电阻率，Ω·m；
εr———土壤相对介电常数。
埋于地下的金属水管，引入邻近50 m的建筑物，则该建筑物处的转移电位（冲击接地电阻1Ω，雷电流50 kA，ρ＝200Ω·m，εr＝9）为2．2kV。如果水管接地不良（ρ＝500Ω·m），转移电位将达到14．2 kV。如将转移电位限制在2．2 kV，则转移电位传输距离可达125 m。对于安放在地面上的水管（ρ≈3 000Ω·m），可将转移电位2．2 k V和14．2 kV传输到750 m或300 m远的地方。
曾对某高层建筑物的地网进行冲击电流衰减试验，用一根φ12 mm、长20 m的钢筋，一端与大楼地网外缘的接地体连接，埋深0．8 m，流入地网的总电流为33．5 A（5／65μs），在钢筋离开地网外缘处测得流入钢筋的电流为0．52 A，占总电流的1．6％，16 m处减少为0．14 A，占总电流的0．42％。由于钢筋埋设处的土壤电阻率较低，电流衰减很快。相反，一根敷设在地下预制混凝土排管内的HQ－50×2×0．15市话电缆，流过电缆外皮的电流就衰减得很慢。离开地网外缘57 m处，电缆外皮电流为2．75 A，占流入地网总电流42 A（6／60μs）的6．6％；直到359 m处，电缆外皮电流还有2．0 A，占地网总电流的4．8％。
7 接地系统
高层建筑物内敷设的金属管线，由于受到空间的限制，在施工过程中无法控制的随机连接以及地中电场的耦合等原因的影响，不同用途的接地大都采用共用接地。高层建筑物的接地系统包括：接闪装置利用建筑物钢筋引流、分流和均衡电位的接地，建筑物基础自然接地体和人工接地体的泄流接地，市电电源中性点的接地，进户线的防雷接地，PE线或PNE线的接地，天线馈线的防雷接地，电子设备交流电源线路入口的过压保护接地，交流用电设备的安全保护接地（接零），电子设备共模保护接地，计算机直流接地，电子设备信号接地，复杂电子系统信号接地，电话站直接电源正极接地，静电接地，电屏蔽接地，电磁屏蔽接地，特殊屏蔽室的接地和等电位连接、搭接。
这些不同用途的接地，按照分类连接，相互兼容的原则，构成一个电位均衡的接地系统。
参考文献
［1］［作者不详］．高层建筑现代设备多“惹雷”［N］．羊城晚报，1998-07-15
［2］陈穷．电磁兼容性工程设计手册［M］．北京：国防工业出版社，1993
［3］刘继．电气装置的过电压保护［M］．北京：电力工业出版社，1982
［4］木下仁志．人体、建筑物等防雷保护［J］．电气评论，1981，66(7)
［5］曾永林．园柱接地阻抗［A］．董希贤．电气专业学术交流会专题选集［C］．北京：水电站电气及自动化专业委员会、全国水电电气情报网，1982
［6］曾永林．接地技术［M］．北京：水利电力出版社，1979
作者简介：
阮剑峰(1964—)，男，广东清远人，工程师，主要从事电力系统生产技术管理工作。
