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智能建筑物防雷設(shè)計(jì) 摘要:隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，智能建筑物內(nèi)雷電防護(hù)已提高了要求，信息系統(tǒng)的雷電保護(hù)成為考慮的重點(diǎn)。因此防雷工程成為一項(xiàng)多學(xué)科，跨部門的復(fù)雜系統(tǒng)工程，我們必須緊密結(jié)合信息工程技術(shù)和電磁兼容技術(shù)，采取綜合治理、系統(tǒng)防護(hù)。 關(guān)鍵詞：智能建筑防雷設(shè)計(jì)雷電防護(hù) 1、引言 近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)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(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、通訊自動(dòng)化系統(tǒng)，以及輔之于實(shí)施的結(jié)構(gòu)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(shù)的迅速發(fā)展，智能建筑物的建設(shè)向自動(dòng)化、信息化和節(jié)能化方向發(fā)展，微電子應(yīng)用技術(shù)為代表的新技術(shù)已滲透到智能建筑的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，并且不斷增大。建筑物內(nèi)微電子設(shè)備繁多而且復(fù)雜，這些微電子設(shè)備通常屬于耐過電壓等級(jí)低，防干擾要求高的弱電設(shè)備，最怕受到雷擊。遭受雷擊時(shí)，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(yīng)或耦合在金屬管線上進(jìn)入建筑物內(nèi)破壞設(shè)備，因此，智能建筑的防雷保護(hù)成為一個(gè)越來越重要的課題擺在我們面前。 2、智能建筑雷電防護(hù) 探討智能建筑物的雷電保護(hù)，必須對(duì)雷電進(jìn)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(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)的破壞作用很大： 電效應(yīng)：雷云對(duì)大地放電時(shí)，雷電流通過具有電阻或電感的物體時(shí)，因雷電流的變化率大（幾十微秒時(shí)間內(nèi)變化幾萬或幾十萬安培），能產(chǎn)生高達(dá)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(shè)施燒毀、導(dǎo)致可燃易爆物品的爆炸和火災(zāi)，引起嚴(yán)重的觸電事故。 熱效應(yīng)：很高的雷電流通過導(dǎo)體時(shí)，能使放電通道的溫度高達(dá)數(shù)萬度，在極短時(shí)間內(nèi)將電能轉(zhuǎn)換成大量的熱能。雷擊點(diǎn)的發(fā)熱能量巨大，可使金屬熔化。 機(jī)械效應(yīng)：雷電流作用于非導(dǎo)體上時(shí)，由于雷電的熱效應(yīng)，使被擊物體內(nèi)部出現(xiàn)強(qiáng)大的機(jī)械壓力，致使被擊物體受到嚴(yán)重破壞造成爆炸，機(jī)械效應(yīng)對(duì)非金屬油罐存在極大威脅。 直擊雷可直接作用在構(gòu)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(shí)，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(duì)設(shè)備產(chǎn)生“反擊”。2）雷電感應(yīng)及雷電電磁脈沖的危害 雷電感應(yīng)及雷電電磁脈沖的危害是指雷電產(chǎn)生的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)對(duì)設(shè)備尤其是電子設(shè)備的危害： 靜電感應(yīng)：雷云的靜電感應(yīng)是指帶電的雷云接近地面時(shí)，對(duì)導(dǎo)體感應(yīng)出與雷云符號(hào)相反的電荷，建筑物或設(shè)備頂部大量感應(yīng)電荷不能迅速流入大地，從而產(chǎn)生很高的對(duì)地電壓即靜電感應(yīng)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(yīng)：雷電發(fā)生時(shí)產(chǎn)生很大的雷擊電流，又是在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，在其周圍空間里產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，不僅會(huì)使處在這一電磁場(chǎng)中的導(dǎo)體感應(yīng)出較大的電動(dòng)勢(shì)，還會(huì)在附近的傳輸信號(hào)線路、埋地電力線、設(shè)備間連接線等部位產(chǎn)生感應(yīng)電流并侵入設(shè)備，使連接在線路中間或終端的設(shè)備遭到損害。 2.2智能建筑物的防雷措施 雷電防護(hù)包括針對(duì)建筑物的直擊雷防護(hù)，以及針對(duì)建筑物內(nèi)設(shè)備、人員的雷電波侵入防護(hù)和雷擊電磁脈沖防護(hù)兩大部分。 1）直擊雷防護(hù) 依據(jù)建筑物的高度、結(jié)構(gòu)等采取直擊雷防護(hù)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(hù)措施，則這部分可不予考慮或只進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐晟啤? 2）弱電防護(hù) 雷擊發(fā)生時(shí)，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(fù)雜的雷電流快速通過引下線時(shí)會(huì)感應(yīng)出極強(qiáng)的電磁場(chǎng)，建筑物中的管線相對(duì)切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電流（即雷擊電磁脈沖），間接導(dǎo)致設(shè)備損壞和人員傷亡；另一方面，至少有50%的雷電流將沿著進(jìn)出建筑物的管線泄放，對(duì)人員和設(shè)備構(gòu)成直接威脅。因此，雷電波侵入與雷擊電磁脈沖防護(hù)已成為現(xiàn)代防雷設(shè)計(jì)的重中之重。其主要防護(hù)措施是：電涌保護(hù)器安裝和等電位連接。 ①電源系統(tǒng)電涌保護(hù)器安裝 在供電線路上安裝電涌保護(hù)器，目的是為了將線路上的電壓限制在一個(gè)安全的水平。通常，我們需要采取三級(jí)防護(hù)措施。 電源一級(jí)：將雷擊產(chǎn)生的過電流通過此級(jí)電涌保護(hù)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(jí)：對(duì)第一級(jí)電涌保護(hù)器泄放后的線路殘壓進(jìn)一步抑制，使瞬間過電壓限制在1.8kV以下，確保一般用電設(shè)備的安全。 電源三級(jí)：在重要設(shè)備（如服務(wù)器、交換機(jī)等）的前端安裝帶精細(xì)保護(hù)和噪聲抑制電路的電涌保護(hù)器，將殘壓進(jìn)一步限制在0.9kV以下，此外它還具有吸收非雷擊導(dǎo)致的操作過電壓的作用。②通信線路電涌保護(hù)器安裝 通信線路電涌保護(hù)器的選型和安裝是防雷項(xiàng)目中最復(fù)雜、最容易出問題的環(huán)節(jié)。不同于直擊雷防護(hù)，即使沒有雷電波侵入，仍可能由于設(shè)計(jì)失誤或產(chǎn)品選擇不當(dāng)，導(dǎo)致保護(hù)無效、數(shù)據(jù)包丟失甚至通信中斷。因此，必須在詳細(xì)了解相關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)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(yīng)速度快、頻帶寬、通流量大的電涌保護(hù)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)，防雷保護(hù)地、防靜電地、電氣設(shè)備工作地等應(yīng)共地使用。機(jī)房門窗、設(shè)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(yīng)就近與等電位連接帶（網(wǎng)）相連，確保機(jī)房?jī)?nèi)各接地線間的電位均衡，同時(shí)還可以及時(shí)泄放聚集在地板表面和設(shè)備外殼上的靜電電荷。 綜合布線的主要任務(wù)是將電源線、信號(hào)線分槽布置，減少線間交叉和冗余信息點(diǎn)。電源線、信號(hào)線置于屏蔽槽內(nèi)，屏蔽槽兩端接地。各線纜屏蔽層兩端應(yīng)同時(shí)接地，當(dāng)系統(tǒng)要求單端接地時(shí)，須進(jìn)行二次屏蔽處理。 3、設(shè)計(jì)方案 3.1防雷設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)，堅(jiān)持預(yù)防為主，安全第一的指導(dǎo)方針，為確保防雷設(shè)計(jì)的科學(xué)性，在設(shè)計(jì)前應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)雷電環(huán)境進(jìn)行評(píng)估。 2）智能建筑物的防雷宜考慮環(huán)境因素、雷電活動(dòng)規(guī)律、建筑物內(nèi)設(shè)備的重要性，發(fā)生雷災(zāi)后果的嚴(yán)重程度，分別采用相應(yīng)的防護(hù)措施。 3）智能建筑物的防雷應(yīng)堅(jiān)持全面規(guī)劃、綜合治理、優(yōu)化設(shè)計(jì)、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。 4）智能建筑物均應(yīng)按GB5007—94（2000版）“建筑物防雷設(shè)計(jì)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(shè)備的防雷應(yīng)采用直擊雷防護(hù)、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(hù)裝置等措施進(jìn)行綜合防護(hù)。 6）智能建筑物內(nèi)的微電子設(shè)備應(yīng)根據(jù)所在地區(qū)雷暴等級(jí)，設(shè)備放置在不同的雷電防護(hù)區(qū)，以及系統(tǒng)對(duì)雷電電磁脈沖的抗擾度，采用不同的防護(hù)措施。 總結(jié)起來，防雷技術(shù)必須強(qiáng)調(diào)科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)實(shí)用和耐久可靠這三個(gè)原則。 3.2設(shè)計(jì)依據(jù) 《建筑物防雷規(guī)范》（GB50057-94） 《計(jì)算機(jī)房防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50174-93) 《電子設(shè)備雷擊保護(hù)導(dǎo)則》(GB7450-87) 《計(jì)算機(jī)站場(chǎng)安全要求》(GB9361-88) 《工業(yè)與民用電力裝置的過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB64-83) 《電信專用房屋設(shè)計(jì)規(guī)范》(YD5003-94) 《移動(dòng)通信基站防雷與接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（YD5068-98） 《計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)防雷保安器》（GA173-1998） 《雷電電磁脈沖的防護(hù)》（IEC1312） 郵電部部標(biāo)準(zhǔn)《通信局（站）接地設(shè)計(jì)暫行技術(shù)規(guī)定（綜合樓部分）》YDJ26-89 軍用標(biāo)準(zhǔn)《電子設(shè)備和設(shè)施的接地、搭接和屏蔽設(shè)計(jì)指南》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB50169-92 3.3設(shè)計(jì)思路重點(diǎn)考慮部分： 1）屋頂?shù)闹睋衾追雷o(hù)； 2）建筑物內(nèi)機(jī)房的防雷電感應(yīng)； 綜合考慮部分： 1）建筑物內(nèi)整個(gè)供電系統(tǒng)的防雷電感應(yīng)措施； 2）等電位連接和接地系統(tǒng)及其它； 3.4具體防護(hù)方案 中國(guó)銀行湖南分行智能大廈位于長(zhǎng)沙市東邊，地勢(shì)較高，主樓高63.30m,群樓高57.9m，長(zhǎng)39.8m，寬13.5m。屋頂西端有廣告鐵塔高30m，鐵塔東面有5個(gè)3m高的衛(wèi)星鍋。根據(jù)長(zhǎng)沙地區(qū)近三十年的氣象資料統(tǒng)計(jì)表明，長(zhǎng)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(jì)算，該大樓的年預(yù)計(jì)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(shè)備應(yīng)按國(guó)家二類防雷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合防雷設(shè)計(jì)。 1）直擊雷防護(hù)： ①把屋頂西端高30m的廣告鐵塔作為防雷鐵塔計(jì)算的防雷鐵塔保護(hù)半徑，按照滾球法計(jì)算鐵塔的保護(hù)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(chǔ)上虛增1m)（如右圖1） 按照保護(hù)半徑對(duì)照實(shí)際情況，即有三個(gè)衛(wèi)星鍋處于LPZOB,另外最東端兩個(gè)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(gè)桅桿式避雷針，以保護(hù)正在使用的小型衛(wèi)星鍋，按滾球法計(jì)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(yù)留（用4mmⅹ40mm鍍鋅扁綱）焊接連通，并且在焊接點(diǎn)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(fēng)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(jìn)行可靠焊接連通，使整個(gè)大樓為一框架籠式結(jié)構(gòu)。2）等電位連接 所有進(jìn)入建筑物的水管或其他金屬管道在進(jìn)入建筑物時(shí)進(jìn)行有效接地并與每層的等電位預(yù)留接頭電氣連通。構(gòu)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(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備多，按照Qx-2000的要求，對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備采用網(wǎng)型連接，第一，采用5mm50mm紫銅排沿機(jī)房四周敷設(shè)。第二，將機(jī)房外側(cè)大樓八個(gè)構(gòu)造柱的主鋼筋一一與接地匯流排電氣連通。第三，將機(jī)房?jī)?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(dǎo)線，包括電力電纜、通信電纜和信號(hào)線均采用屏蔽線和穿金屬管屏蔽，在機(jī)房地墻壁上，金屬門、窗等應(yīng)和接地預(yù)留件進(jìn)行有效的焊接，使整個(gè)機(jī)房形成一個(gè)法拉第籠，用來防止外來的電磁脈沖干擾機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備。 4）過電壓保護(hù) 供電系統(tǒng)的防雷 由于長(zhǎng)沙地域?qū)俣嗬讌^(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(shè)備，甚至還引起室內(nèi)的電氣起火。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范GB50057-94的要求，供電系統(tǒng)的防雷必須采取三級(jí)防護(hù)。第一，在配電房變壓器低壓側(cè)配電柜上安裝100KA(10/350us)的SPD.第二，在大樓一樓配電柜業(yè)務(wù)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(gè)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(yīng)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(shè)。 天饋和信號(hào)線的防雷 對(duì)進(jìn)入十三樓計(jì)算機(jī)房的各種信號(hào)線（包括電話線、DDN專線、衛(wèi)星接收同軸電纜等）在輸入設(shè)備接口處就近與屋頂接地預(yù)留母排電氣連通，并安裝相應(yīng)信號(hào)避雷器，以抑制從天饋和信號(hào)線路波襲而來的感應(yīng)電波，這些雷器的啟動(dòng)電壓、響應(yīng)時(shí)間、插入損耗、駐波比都要與相對(duì)應(yīng)的設(shè)備相匹配。 5）合理的布線設(shè)計(jì) 防御雷電電磁脈沖對(duì)室內(nèi)布線的要求非常嚴(yán)格。由于用作引下線的鋼筋混凝土柱內(nèi)的鋼筋和整個(gè)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(chǎng)強(qiáng)。本人認(rèn)為機(jī)房?jī)?nèi)的電源和通信等線路的主干線設(shè)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(hù)或采用雙層屏蔽電纜（或同軸電纜）。 6）接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)掌握的土壤電阻和土質(zhì)分布等基本資料，按科學(xué)合理，經(jīng)濟(jì)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(gè)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(jié)起來實(shí)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?yàn)樵谥行⌒偷鼐W(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(jì)算時(shí)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(shí)的接地電阻R2=lnL2為連接扁鋼的長(zhǎng)度，b為扁鋼長(zhǎng)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(shí)際中，以垂直接地體為主的復(fù)合接地體（地網(wǎng)），在計(jì)算接地電阻時(shí)，可以簡(jiǎn)化為只計(jì)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(jì)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(shè)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(shè)計(jì)是按照標(biāo)準(zhǔn)土壤電阻率設(shè)計(jì)的，當(dāng)實(shí)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(dá)不到國(guó)標(biāo)所規(guī)定的要求時(shí)，須適當(dāng)?shù)脑黾哟怪苯拥伢w和水平接地體的數(shù)量，以保證達(dá)到國(guó)家防雷接地標(biāo)準(zhǔn)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(jì)與水按1：1的比例調(diào)和均勻裹住扁綱與角鋼敷設(shè)，地網(wǎng)設(shè)計(jì)如圖2所示。 5、小結(jié)隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，智能建筑物內(nèi)雷電防護(hù)已提高了要求，信息系統(tǒng)的雷電保護(hù)成為考慮的重點(diǎn)。因此防雷工程成為一項(xiàng)多學(xué)科，跨部門的復(fù)雜系統(tǒng)工程，我們必須緊密結(jié)合信息工程技術(shù)和電磁兼容技術(shù)，采取綜合治理、系統(tǒng)防護(hù)。設(shè)計(jì)當(dāng)中必須嚴(yán)格遵循有關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)智能建筑物內(nèi)的各種設(shè)備應(yīng)該單獨(dú)考慮，綜合設(shè)計(jì)，使防雷設(shè)計(jì)作到科學(xué)性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性相結(jié)合。 參考文獻(xiàn) 1）虞昊《現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ)》清華大學(xué)出版社出版1996.52）關(guān)象石《防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范匯編》中國(guó)計(jì)劃出版社出版19993）蘇邦禮《雷電與避雷工程》中山大學(xué)出版社19964）《獅門安全系統(tǒng)手冊(cè)---防雷分冊(cè)》2001.55）《首屆中國(guó)防雷論壇》2002.106)陳一才《高層建筑電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》中國(guó)建筑工業(yè)出版社1990 第 10 頁(yè) 共 10 頁(yè)