智能建筑物防雷設計.doc

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智能建筑物防雷設計 摘要:隨著信息技術的迅速發(fā)展，智能建筑物內(nèi)雷電防護已提高了要求，信息系統(tǒng)的雷電保護成為考慮的重點。因此防雷工程成為一項多學科，跨部門的復雜系統(tǒng)工程，我們必須緊密結合信息工程技術和電磁兼容技術，采取綜合治理、系統(tǒng)防護。 關鍵詞：智能建筑防雷設計雷電防護 1、引言 近年來，隨著社會經(jīng)濟和技術的飛速發(fā)展，智能建筑方興未艾。智能建筑物普遍稱為3A建筑，即它集成了建筑設備自動化系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)、通訊自動化系統(tǒng)，以及輔之于實施的結構化綜合布線系統(tǒng)。它是高功能、高效率、高舒適性的現(xiàn)代化建筑。 隨著信息技術的迅速發(fā)展，智能建筑物的建設向自動化、信息化和節(jié)能化方向發(fā)展，微電子應用技術為代表的新技術已滲透到智能建筑的各個應用領域，并且不斷增大。建筑物內(nèi)微電子設備繁多而且復雜，這些微電子設備通常屬于耐過電壓等級低，防干擾要求高的弱電設備，最怕受到雷擊。遭受雷擊時，一部分能量（約50%）通過建筑物外部防雷裝置泄入大地，另一部分能量則通過雷電流感應或耦合在金屬管線上進入建筑物內(nèi)破壞設備，因此，智能建筑的防雷保護成為一個越來越重要的課題擺在我們面前。 2、智能建筑雷電防護 探討智能建筑物的雷電保護，必須對雷電進行了解，分析雷電是通過哪些方式、途徑、渠道危害智能建筑物。 2.1雷擊的危害 1）直擊雷危害 直擊雷造成的電效應、熱效應和機械效應的破壞作用很大： 電效應：雷云對大地放電時，雷電流通過具有電阻或電感的物體時，因雷電流的變化率大（幾十微秒時間內(nèi)變化幾萬或幾十萬安培），能產(chǎn)生高達數(shù)萬伏甚至數(shù)十萬伏的沖擊電壓，足以使電力系統(tǒng)的設施燒毀、導致可燃易爆物品的爆炸和火災，引起嚴重的觸電事故。 熱效應：很高的雷電流通過導體時，能使放電通道的溫度高達數(shù)萬度，在極短時間內(nèi)將電能轉換成大量的熱能。雷擊點的發(fā)熱能量巨大，可使金屬熔化。 機械效應：雷電流作用于非導體上時，由于雷電的熱效應，使被擊物體內(nèi)部出現(xiàn)強大的機械壓力，致使被擊物體受到嚴重破壞造成爆炸，機械效應對非金屬油罐存在極大威脅。 直擊雷可直接作用在構筑物上，也可通過架空線路、露天的金屬管路等途徑侵入。另外，避雷裝置接閃雷擊時，在接閃器、引下線及接地體上都有可能產(chǎn)生很高的電壓，可能對設備產(chǎn)生“反擊”。2）雷電感應及雷電電磁脈沖的危害 雷電感應及雷電電磁脈沖的危害是指雷電產(chǎn)生的靜電感應和電磁感應對設備尤其是電子設備的危害： 靜電感應：雷云的靜電感應是指帶電的雷云接近地面時，對導體感應出與雷云符號相反的電荷，建筑物或設備頂部大量感應電荷不能迅速流入大地，從而產(chǎn)生很高的對地電壓即靜電感應電伏，能擊穿數(shù)十厘米的空氣間隙發(fā)生火花放電。 電磁感應：雷電發(fā)生時產(chǎn)生很大的雷擊電流，又是在極短的時間內(nèi)發(fā)生，在其周圍空間里產(chǎn)生交變電磁場，不僅會使處在這一電磁場中的導體感應出較大的電動勢，還會在附近的傳輸信號線路、埋地電力線、設備間連接線等部位產(chǎn)生感應電流并侵入設備，使連接在線路中間或終端的設備遭到損害。 2.2智能建筑物的防雷措施 雷電防護包括針對建筑物的直擊雷防護，以及針對建筑物內(nèi)設備、人員的雷電波侵入防護和雷擊電磁脈沖防護兩大部分。 1）直擊雷防護 依據(jù)建筑物的高度、結構等采取直擊雷防護措施，包括接閃裝置（避雷針、帶、網(wǎng)）、引下線和接地裝置三大部分。若建筑物已采取有效防護措施，則這部分可不予考慮或只進行適當?shù)耐晟啤? 2）弱電防護 雷擊發(fā)生時，大約50%的雷電流將沿接閃--引下通路直接泄放入地，頻率成分非常復雜的雷電流快速通過引下線時會感應出極強的電磁場，建筑物中的管線相對切割磁力線產(chǎn)生感應電流（即雷擊電磁脈沖），間接導致設備損壞和人員傷亡；另一方面，至少有50%的雷電流將沿著進出建筑物的管線泄放，對人員和設備構成直接威脅。因此，雷電波侵入與雷擊電磁脈沖防護已成為現(xiàn)代防雷設計的重中之重。其主要防護措施是：電涌保護器安裝和等電位連接。 ①電源系統(tǒng)電涌保護器安裝 在供電線路上安裝電涌保護器，目的是為了將線路上的電壓限制在一個安全的水平。通常，我們需要采取三級防護措施。 電源一級：將雷擊產(chǎn)生的過電流通過此級電涌保護器瞬間泄放入地，并將瞬間過電壓限制在2.5kV以下。 電源二級：對第一級電涌保護器泄放后的線路殘壓進一步抑制，使瞬間過電壓限制在1.8kV以下，確保一般用電設備的安全。 電源三級：在重要設備（如服務器、交換機等）的前端安裝帶精細保護和噪聲抑制電路的電涌保護器，將殘壓進一步限制在0.9kV以下，此外它還具有吸收非雷擊導致的操作過電壓的作用。②通信線路電涌保護器安裝 通信線路電涌保護器的選型和安裝是防雷項目中最復雜、最容易出問題的環(huán)節(jié)。不同于直擊雷防護，即使沒有雷電波侵入，仍可能由于設計失誤或產(chǎn)品選擇不當，導致保護無效、數(shù)據(jù)包丟失甚至通信中斷。因此，必須在詳細了解相關設備的基礎上，根據(jù)通信線路（DDN、ISDN、ADSL以及無線信道等）、通信接口（RS-232等）、供電方式（交、直流）、工作頻率、帶寬等要求，選擇插入損耗小、響應速度快、頻帶寬、通流量大的電涌保護器。 ③屏蔽、等電位連接、接地和綜合布線 等電位連接的目的在于減小需要防雷的空間內(nèi)各金屬物與各系統(tǒng)之間的電位差。根據(jù)相關標準，防雷保護地、防靜電地、電氣設備工作地等應共地使用。機房門窗、設備外殼、等電位連接端子盒以及所有穿越防雷區(qū)界面的金屬物和系統(tǒng)均應就近與等電位連接帶（網(wǎng)）相連，確保機房內(nèi)各接地線間的電位均衡，同時還可以及時泄放聚集在地板表面和設備外殼上的靜電電荷。 綜合布線的主要任務是將電源線、信號線分槽布置，減少線間交叉和冗余信息點。電源線、信號線置于屏蔽槽內(nèi)，屏蔽槽兩端接地。各線纜屏蔽層兩端應同時接地，當系統(tǒng)要求單端接地時，須進行二次屏蔽處理。 3、設計方案 3.1防雷設計基本原則 1）智能建筑物的防雷必須按綜合防雷系統(tǒng)的要求進行設計，堅持預防為主，安全第一的指導方針，為確保防雷設計的科學性，在設計前應對現(xiàn)場雷電環(huán)境進行評估。 2）智能建筑物的防雷宜考慮環(huán)境因素、雷電活動規(guī)律、建筑物內(nèi)設備的重要性，發(fā)生雷災后果的嚴重程度，分別采用相應的防護措施。 3）智能建筑物的防雷應堅持全面規(guī)劃、綜合治理、優(yōu)化設計、技術先進、經(jīng)濟合理、進行綜合設計。 4）智能建筑物均應按GB5007—94（2000版）“建筑物防雷設計規(guī)范”的規(guī)定，安裝外部防雷裝置。 5）智能建筑物內(nèi)的微電子設備的防雷應采用直擊雷防護、等電位連接、屏蔽、合理布線、共用接地系統(tǒng)和安裝電涌保護裝置等措施進行綜合防護。 6）智能建筑物內(nèi)的微電子設備應根據(jù)所在地區(qū)雷暴等級，設備放置在不同的雷電防護區(qū)，以及系統(tǒng)對雷電電磁脈沖的抗擾度，采用不同的防護措施。 總結起來，防雷技術必須強調(diào)科學性、經(jīng)濟實用和耐久可靠這三個原則。 3.2設計依據(jù) 《建筑物防雷規(guī)范》（GB50057-94） 《計算機房防雷設計規(guī)范》(GB50174-93) 《電子設備雷擊保護導則》(GB7450-87) 《計算機站場安全要求》(GB9361-88) 《工業(yè)與民用電力裝置的過電壓保護設計規(guī)范》(GB64-83) 《電信專用房屋設計規(guī)范》(YD5003-94) 《移動通信基站防雷與接地設計規(guī)范》（YD5068-98） 《計算機信息系統(tǒng)防雷保安器》（GA173-1998） 《雷電電磁脈沖的防護》（IEC1312） 郵電部部標準《通信局（站）接地設計暫行技術規(guī)定（綜合樓部分）》YDJ26-89 軍用標準《電子設備和設施的接地、搭接和屏蔽設計指南》國家標準《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》GB50169-92 3.3設計思路重點考慮部分： 1）屋頂?shù)闹睋衾追雷o； 2）建筑物內(nèi)機房的防雷電感應； 綜合考慮部分： 1）建筑物內(nèi)整個供電系統(tǒng)的防雷電感應措施； 2）等電位連接和接地系統(tǒng)及其它； 3.4具體防護方案 中國銀行湖南分行智能大廈位于長沙市東邊，地勢較高，主樓高63.30m,群樓高57.9m，長39.8m，寬13.5m。屋頂西端有廣告鐵塔高30m，鐵塔東面有5個3m高的衛(wèi)星鍋。根據(jù)長沙地區(qū)近三十年的氣象資料統(tǒng)計表明，長沙地區(qū)屬于多雷區(qū)，年平均雷暴日為50天。按照GB(50057-94)計算，該大樓的年預計雷擊次數(shù)為0.22次/a。因此，該大樓及樓內(nèi)的各種微電子設備應按國家二類防雷標準進行綜合防雷設計。 1）直擊雷防護： ①把屋頂西端高30m的廣告鐵塔作為防雷鐵塔計算的防雷鐵塔保護半徑，按照滾球法計算鐵塔的保護半徑： 式中h為鐵塔高度＋主樓西端與東端高度差 h=30+6=36mhr滾球半徑hr=45mhx=3+1=4m(在原有衛(wèi)星鍋的高度基礎上虛增1m)（如右圖1） 按照保護半徑對照實際情況，即有三個衛(wèi)星鍋處于LPZOB,另外最東端兩個衛(wèi)星鍋處于LPZOA區(qū),如圖1所示。因此需要在東端在樹立一個桅桿式避雷針，以保護正在使用的小型衛(wèi)星鍋，按滾球法計算得，該避雷針高7m，避雷針和鐵塔的引下線就近與屋頂接地預留（用4mmⅹ40mm鍍鋅扁綱）焊接連通，并且在焊接點加防銹漆。避雷針底座采用鋼筋混凝土與該大樓主體連接融為一體，以滿足針抗44米/秒的風速。 2、屋頂采用了Φ8和Φ10的鋼筋接150mmⅹ200mm的網(wǎng)格制作避雷網(wǎng)，并與大樓主鋼筋進行可靠焊接連通，使整個大樓為一框架籠式結構。2）等電位連接 所有進入建筑物的水管或其他金屬管道在進入建筑物時進行有效接地并與每層的等電位預留接頭電氣連通。構件和不帶電金屬外殼必須用6mm2銅線相互連通，并與接地匯流排可靠連接。 考慮到機房內(nèi)設備多，按照Qx-2000的要求，對機房內(nèi)設備采用網(wǎng)型連接，第一，采用5mm50mm紫銅排沿機房四周敷設。第二，將機房外側大樓八個構造柱的主鋼筋一一與接地匯流排電氣連通。第三，將機房內(nèi)的所有金屬部件一一就近與接地匯流排連接。 3）屏蔽建筑物內(nèi)的所有的金屬導線，包括電力電纜、通信電纜和信號線均采用屏蔽線和穿金屬管屏蔽，在機房地墻壁上，金屬門、窗等應和接地預留件進行有效的焊接，使整個機房形成一個法拉第籠，用來防止外來的電磁脈沖干擾機房內(nèi)設備。 4）過電壓保護 供電系統(tǒng)的防雷 由于長沙地域屬多雷區(qū)，沿電源線路侵入的雷電電流不但可以損壞室內(nèi)各種電氣設備，甚至還引起室內(nèi)的電氣起火。按照國家標準規(guī)范GB50057-94的要求，供電系統(tǒng)的防雷必須采取三級防護。第一，在配電房變壓器低壓側配電柜上安裝100KA(10/350us)的SPD.第二，在大樓一樓配電柜業(yè)務系統(tǒng)專用供電線路的輸出端安裝40KA(8/20us)的SPD。第三，在十三層三個配電柜加裝20KA(8/20us)的SPD,以抑制從電源線路波襲而來的感應雷電流。第四，從總配電間到大樓一樓配電柜采用鎧裝電纜埋地敷設。 天饋和信號線的防雷 對進入十三樓計算機房的各種信號線（包括電話線、DDN專線、衛(wèi)星接收同軸電纜等）在輸入設備接口處就近與屋頂接地預留母排電氣連通，并安裝相應信號避雷器，以抑制從天饋和信號線路波襲而來的感應電波，這些雷器的啟動電壓、響應時間、插入損耗、駐波比都要與相對應的設備相匹配。 5）合理的布線設計 防御雷電電磁脈沖對室內(nèi)布線的要求非常嚴格。由于用作引下線的鋼筋混凝土柱內(nèi)的鋼筋和整個建筑物的屏蔽網(wǎng)都在外墻處，雷電流需經(jīng)此處的鋼筋分流到接地裝置上，所以外墻處的電流密度大，電磁場強。本人認為機房內(nèi)的電源和通信等線路的主干線設置在中心部位的電梯井的近旁，并且建筑物內(nèi)的各種電氣饋線都穿金屬管保護或采用雙層屏蔽電纜（或同軸電纜）。 6）接地系統(tǒng)設計根據(jù)掌握的土壤電阻和土質(zhì)分布等基本資料，按科學合理，經(jīng)濟節(jié)約的原則，綜合考慮到各種情況，采用聯(lián)合接地系統(tǒng)，把各種地網(wǎng)連接成一個整體網(wǎng)，聯(lián)合接地體的接地電阻值宜小于4歐姆，工程中常采用的是多根垂直接地體通過水平連接帶聯(lián)結起來實現(xiàn)，并且為了防止跨步電壓危害人身安全，于是又把連接線連同接地體一起埋入地中，形成既有垂直接地體又有水平接地體的聯(lián)合接地體。因為在中小型地網(wǎng)中，垂直接地體的電流散流占主要的，水平接地體僅僅影響散流，而主要作用是起均壓作用。以垂直接地體為主的的接地裝置中，計算時除了要知道垂直接地體的接地電阻外，還要考慮水平接地體的影響通常使用下面公式：式中：R1為單一垂直接地體的接地電阻值；λ1為單一垂直接地體的利用系數(shù)； R2為水平連接帶的接地電阻，扁鋼水平連接多極接地體時的接地電阻R2=lnL2為連接扁鋼的長度，b為扁鋼長度，h為有地面到扁鋼上端的埋深；λ2為水平連接帶的利用系數(shù)。實際中，以垂直接地體為主的復合接地體（地網(wǎng)），在計算接地電阻時，可以簡化為只計算垂直接地體的接地電阻，然后再考慮水平連接線的影響，把計算后的接地電阻值降低10%即可，這樣反過來，我們可以接地電阻最大允許值，直接求出垂直接地體的根數(shù)n，即： 式中：R為接地電阻最大允許值（Ω），其余同前。 假設R1=32Ω，λ=0.9,代入式中n≧＝4因此接地體采用4根的垂直接地體和一根水平接地體焊接并埋入地下，接地體在地面與避雷針、避雷帶的引下線相連接，以上的設計是按照標準土壤電阻率設計的，當實際的接地體接地電阻值在于周圍的自然接地體連接在一起仍達不到國標所規(guī)定的要求時，須適當?shù)脑黾哟怪苯拥伢w和水平接地體的數(shù)量，以保證達到國家防雷接地標準值和行業(yè)接地電阻的要求。水平地網(wǎng)網(wǎng)格尺寸為3m3m，用才為4mm40mm熱鍍鋅扁鋼，垂直接地極采用5mm50mm500mm和5mm50mm1500mm兩種熱鍍鋅角鋼，網(wǎng)格按70公分深，80公分寬開挖并將降阻濟與水按1：1的比例調(diào)和均勻裹住扁綱與角鋼敷設，地網(wǎng)設計如圖2所示。 5、小結隨著信息技術的迅速發(fā)展，智能建筑物內(nèi)雷電防護已提高了要求，信息系統(tǒng)的雷電保護成為考慮的重點。因此防雷工程成為一項多學科，跨部門的復雜系統(tǒng)工程，我們必須緊密結合信息工程技術和電磁兼容技術，采取綜合治理、系統(tǒng)防護。設計當中必須嚴格遵循有關的規(guī)范和標準，對智能建筑物內(nèi)的各種設備應該單獨考慮，綜合設計，使防雷設計作到科學性、實用性和經(jīng)濟性相結合。 參考文獻 1）虞昊《現(xiàn)代防雷技術基礎》清華大學出版社出版1996.52）關象石《防雷技術標準規(guī)范匯編》中國計劃出版社出版19993）蘇邦禮《雷電與避雷工程》中山大學出版社19964）《獅門安全系統(tǒng)手冊---防雷分冊》2001.55）《首屆中國防雷論壇》2002.106)陳一才《高層建筑電氣設計手冊》中國建筑工業(yè)出版社1990 第 10 頁 共 10 頁