智能建筑物的綜合防雷設(shè)計

智能建筑物的綜合防雷設(shè)計摘要：本文針對智能建筑內(nèi)微電子設(shè)備多這個特點(diǎn)，以中國銀行**分行智能大廈為實(shí)例，設(shè)計了一套綜合防雷的方案，其主要從直擊雷保護(hù)、共用接地系統(tǒng)、屏蔽、等電位連接、合理布線、加裝電涌保護(hù)器等方面考慮，重點(diǎn)考慮微電子設(shè)備雷電感應(yīng)的防護(hù)措施，使智能建筑物的雷擊損害降到最低程度。關(guān)鍵詞：智能建筑物、綜合防雷設(shè)計TheComprehensiveDesignoftheLightningProtectionfortheIntellectualizedBuildingWangZhongDuChuanliLiuDan（Dept.ofCommunicationEngineering,SichuanUniversity,Chengdu,610065）Abstract：Tosubduingthelightningdamageoftheintellectualizedbuildingtotheminimumdegree,basedontheactualsituationofthemainsystemoftheintellectualizedbuilding，thetextprovidesasetofspecificmeasureofthecomprehensivelightningprotectiondesignfortheChinaBankHunanbranchintellectualizedbuilding.Themainmeasuresofthelightingprotectionisinstallinglightingprotectiondevice,screening,equipotentialbonding,rationalwiring,commonearthing,installingcorrespondingsurgeprotectiveatthelineinterfaceetc.theemphasesisdiscussthemeasureofthemicro-electronicequipment’sinductionlightning.Keyword：theintellectualizedbuilding;thecomprehensivelightningprotectiondesigns1引言近年來，隨著社會經(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(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低，防干擾要求高的弱電設(shè)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(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)成為一個越來越重要的課題擺在我們面前。2智能建筑的雷電防護(hù)探討智能建筑物的雷電保護(hù)，必須對雷電進(jìn)行了解，分析雷電是通過哪些方式、途徑、zhuiongrcomzhuiongrcom2.1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(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，能使放電通道的溫度高達(dá)數(shù)萬度，在極短時間內(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，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，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(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，對導(dǎo)體感應(yīng)出與雷云符號相反的電荷，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(dǎo)體感應(yīng)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(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)包括針對建筑物的直擊雷防護(hù)，以及針對建筑物內(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)（簡稱為“弱電防護(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?） 弱電防護(hù)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(fù)雜的雷電流快速通過引下線時會感應(yīng)出極強(qiáng)的電磁場，建筑物中的管線相對切割磁力線產(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。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安全的水平。通常，我們需要采取三級防護(hù)措施。電源一級：將雷擊產(chǎn)生的過電流通過此級電涌保護(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：對第一級電涌保護(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：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。

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。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(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、信號線分槽布置，減少線間交叉和冗余信息點(diǎn)。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(yīng)同時接地，當(dāng)系統(tǒng)要求單端接地時，須進(jìn)行二次屏蔽處理。3設(shè)計方案3.1防雷設(shè)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(jìn)行設(shè)計，堅持預(yù)防為主，安全第一的指導(dǎo)方針，為確保防雷設(shè)計的科學(xué)性，在設(shè)計前應(yīng)對現(xiàn)場雷電環(huán)境進(jìn)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(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)堅持全面規(guī)劃、綜合治理、優(yōu)化設(shè)計、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、進(jìn)行綜合設(shè)計。4） 智能建筑物均應(yīng)按GB5007—94（2000版）“建筑物防雷設(shè)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(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，設(shè)備放置在不同的雷電防護(hù)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(hù)措施?？偨Y(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原則。(GB50057-94)(GB50174-93)(GB7450-87)(GB9361-88)(GB50057-94)(GB50174-93)(GB7450-87)(GB9361-88)《建筑物防雷規(guī)范》《計算機(jī)房防雷設(shè)計規(guī)范》《電子設(shè)備雷擊保護(hù)導(dǎo)則》《計算機(jī)站場安全要求》《工業(yè)與民用電力裝置的過電壓保護(hù)設(shè)計規(guī)范》（GB64-83）《電信專用房屋設(shè)計規(guī)范》（YD5003-94）《移動通信基站防雷與接地設(shè)計規(guī)范》（YD5068-98）《計算機(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)計指南》國家標(biāo)準(zhǔn)《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(shè)計思路重點(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(yù)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(shè)備應(yīng)按國家二類防雷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合防雷設(shè)計。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 30m鐵塔計算的防雷鐵塔保護(hù)半徑，按照滾球法計算鐵塔 「的保護(hù)半徑： \;rx=.、：h（2hr-h）一hx（2hr一hx）式中h為鐵塔高度+主樓西端與東端高度差h=30+6=36m \3m衛(wèi)星鍋hr滾球半徑hr=45mhx=3+1=4m（在原有衛(wèi)星鍋的高度基礎(chǔ)上圖1屋頂簡單平面圖虛增1m)(如右圖1)圖1屋頂簡單平面圖按照保護(hù)半徑對照實(shí)際情況，即有三個衛(wèi)星鍋處于rx=(36(90-36)-(4(90-4)=25.6m按照保護(hù)半徑對照實(shí)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(hù)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(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④8和④10的鋼筋接150mmx2OOmm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)入建筑物時進(jìn)行有效接地并與每層的等電位預(yù)留接頭電氣連通。連接采用16mm2多股銅線。?建筑物內(nèi)的所有金屬構(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)房內(nèi)設(shè)備多，按照QX-2000的要求，對機(jī)房內(nèi)設(shè)備采用網(wǎng)型連接，第一，采用5mmX50mm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(dǎo)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(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，使整個機(jī)房形成一個法拉第籠，用來防止外來的電磁脈沖干擾機(jī)房內(nèi)設(shè)備。4） 過電壓保護(hù)?供電系統(tǒng)的防雷由于長沙地域?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)。?天饋和信號線的防雷對進(jìn)入十三樓計算機(jī)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(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)信號避雷器，以抑制從天饋和信號線路波襲而來的感應(yīng)電波，這些雷器的啟動電壓、響應(yīng)時間、插入損耗、駐波比都要與相對應(yīng)的設(shè)備相匹配。5） 合理的布線設(shè)計防御雷電電磁脈沖對室內(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(qiáng)。本人認(rèn)為機(jī)房內(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：RRR二 12 —R］人2+R2人］n式中：R1為單一垂直接地體的接地電阻值；入；為單一垂直接地體的利用系數(shù)；R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R=5ln蘭2 22Lbn匕為連接扁鋼的長度，b為扁鋼長度，h為有地面到扁鋼上端的埋深；A2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：

佬O'R人1R式中：