高層智能建筑防雷系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
王銳 張憲柱 朱峰
(中建八局第一建設(shè)有限公司濟(jì)南250100)
摘要：本文結(jié)合高層智能建筑防雷系統(tǒng)工程應(yīng)用實(shí)例，將內(nèi)部防雷技術(shù)與外部防雷技術(shù)相結(jié)合，有效地提高了高層建筑系統(tǒng)防雷工程質(zhì)量，保障雷擊天氣下建筑物內(nèi)人的生命安全與電氣設(shè)備的使用安全。
關(guān)鍵詞：高層智能建筑雷擊原理防雷系統(tǒng)工程
中圖分類號：TU856 文章編號：1002-3607 (2016) 04-0048-04
由于雷電具有強(qiáng)大的高壓效應(yīng)、高熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、靜電感應(yīng)以及電磁感應(yīng)，對建筑電網(wǎng)安全有著較大的威脅。高層智能建筑包含了很多電子電氣設(shè)備，如電氣自動化系統(tǒng)、建
筑設(shè)備與辦公自動化等。這些電子電氣設(shè)備通常對抗干擾能力與絕緣能力要求較高，同時具有較高的靈敏度、較低的過電壓能力。因此，由于雷電災(zāi)害而引發(fā)的高層智能樓層事故也呈逐漸上升的趨勢。特別是高層（超高層）建筑的迅速發(fā)展，建筑物防雷研究顯得尤為重要。
1高層建筑線路雷擊機(jī)理分析
由雷擊導(dǎo)線附近大地在導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)雷過電壓的計(jì)算，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。根據(jù)文獻(xiàn)，雷擊導(dǎo)線附近大地在導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)雷擊過電壓計(jì)算公式如下：
根據(jù)理論分析、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在我國，超過雷電流幅值I的概
率可用如下公式表示
將式③代入式④中，得到年平均雷暴日大于20d地區(qū)雷電流/min的分布概率
N i為建筑線路每年由于雷擊引起線路閃絡(luò)次數(shù)。根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，取地面落雷密度y =0.07，輸電線路兩側(cè)由于雷擊導(dǎo)線附近大地而發(fā)生絕緣閃絡(luò)次數(shù)的表達(dá)式為（假設(shè)落雷密度平均分布）
從式①及式⑦中可以看出，建筑高度對感應(yīng)過電壓和閃絡(luò)次數(shù)有一定的影響。因此，當(dāng)雷擊線路附近的大地時，對于建筑線路的不同高度所承受的感應(yīng)過電壓及閃絡(luò)次數(shù)進(jìn)行了分析。其中我們假設(shè)/=100kA，S=65m，U50%為350kV時，不同高度建筑的感應(yīng)過電壓幅值及雷擊跳閘率，如表1所示。從表1可以看出，隨著建筑高度的增加，感應(yīng)過電壓幅值與雷擊跳閘率都不同程度的增加。隨著建筑高度的增加，建筑內(nèi)人們的生命安全與電氣設(shè)備的使用安全受到嚴(yán)重的威脅與破壞。
2高層智能建筑系統(tǒng)防雷保護(hù)
隨著科學(xué)建筑技術(shù)的不斷進(jìn)步，雷電的防護(hù)不僅是對建筑本體而言，更加注重對建筑內(nèi)的人和相關(guān)電氣設(shè)備的保護(hù)。因此防雷工作正由傳統(tǒng)的防直擊雷向防雷電感應(yīng)過電壓對智能
建筑系統(tǒng)設(shè)備造成損害的方向轉(zhuǎn)變。
目前，高層智能建筑系統(tǒng)主要包括環(huán)境管理控制系統(tǒng)、火災(zāi)與安保系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)和通信自動化系統(tǒng)四大系統(tǒng)。
環(huán)境管理控制系統(tǒng)主要包括電氣電子系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、暖通空調(diào)系統(tǒng)三大系統(tǒng)。同時，根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010的要求，在高層建筑設(shè)計(jì)過程中，施工技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)就近原則，將高層智能建筑內(nèi)的電氣與構(gòu)架結(jié)構(gòu)等金屬部件接至防直擊雷接地裝置上。
火災(zāi)與安保系統(tǒng)主要包括火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、安保系統(tǒng)及消防系統(tǒng)。這些建筑系統(tǒng)存在大量的弱電控制線路。因此，在施工過程中，只需在主機(jī)的數(shù)據(jù)采集端，安裝數(shù)據(jù)信號浪涌保護(hù)器進(jìn)行保護(hù)。
通信自動化系統(tǒng)主要由圖形圖像通信、語音通信與數(shù)據(jù)通信三大系統(tǒng)組成。根據(jù)《低壓系統(tǒng)的電涌保護(hù)器》IEC61643-3與《通信局站雷電過電壓保護(hù)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》YD5098-2005，在施工過程中，通常采用屏蔽線路和電涌保護(hù)器，并且將其安裝在適合位置，這樣可以有效解決通訊自動化系統(tǒng)的防雷問題。
辦公自動化系統(tǒng)主要由圖形處理、圖像處理、文字處理、模式識別等日常辦公工具組成。通常采用插座式電涌保護(hù)器技術(shù)，對高層建筑內(nèi)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的防護(hù)防雷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對辦公自動化系統(tǒng)的防雷措施。
為防止和減少雷電對人民生命、建筑內(nèi)信息系統(tǒng)的危害，在進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)時，應(yīng)將外部防雷措施和內(nèi)部防雷措施協(xié)調(diào)統(tǒng)一（見圖1）。
3工程實(shí)例及應(yīng)用
3.1工程概況
山東濟(jì)南漢峪金融商務(wù)中心A4地塊綜合樓及附屬設(shè)施項(xiàng)目建設(shè)．地點(diǎn)位于濟(jì)南市高新區(qū)經(jīng)十東路以南，舜華路以東，龍奧北路北側(cè)。項(xiàng)目總建筑面積為326393m2，地下建筑面積139484m2,地上建筑面積186909m2。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010，考慮到漢峪金融商務(wù)中心以及該綜合樓屬公共建筑的重要性與特殊性，可以設(shè)計(jì)直擊雷防護(hù)類別為二類且雷電防護(hù)等級為B級。
如圖2所示，建筑物防雷區(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。理論根據(jù)電磁環(huán)境的特殊性要求，通常我們按照高層建筑物需要保護(hù)的空間來劃分為防雷區(qū)(LPZ)。防雷區(qū)主要包括LPZOA 、 LPZOB、LPZ1、LPZ2等。LPZOA區(qū)內(nèi)的部分，電磁場沒有衰減，可以直接傳導(dǎo)各種雷電流，是完全暴露的不設(shè)防區(qū)。同時，由于LPZOB區(qū)內(nèi)的物體遭遇大于所選滾球半徑，對應(yīng)的雷電流直接雷擊的可能性不大，但是依然相當(dāng)危險(xiǎn)。因此，LPZ1區(qū)內(nèi)感應(yīng)的雷電流比LPZOB小得多，采用屏蔽措施，電磁進(jìn)一步衰減。LPZ2較LPZ1能夠進(jìn)一步衰減雷電流和電磁強(qiáng)度，具有高屏蔽空間特性。當(dāng)需要減少雷電流的危害，則應(yīng)根據(jù)建筑特性要求，可增設(shè)LPZn級防護(hù)區(qū)，其中n≥3，并取整。
3.2接閃器設(shè)計(jì)
接閃器的工程應(yīng)用設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在消雷器、提前放電避雷針與IF3預(yù)放電避雷針三大方面。消雷器應(yīng)用設(shè)計(jì)具有性價(jià)比高、簡單等特點(diǎn)，當(dāng)建筑采用分叉、多針避雷針等技術(shù)時，雷電場會變得均勻，起暈電壓增大，降低了引雷效果。而提前放電避雷針采用比普通避雷針更快的上行先導(dǎo)電路技術(shù)，在高層智能建筑工程實(shí)際應(yīng)用中，難以實(shí)現(xiàn)引雷而且效果并不顯著。IF3預(yù)放電避雷針技術(shù)與其他鄰近點(diǎn)相比，它能夠準(zhǔn)確提前產(chǎn)生上行先導(dǎo)狀態(tài)而達(dá)到最先放電的效果。該技術(shù)具有保護(hù)半徑大、優(yōu)先引雷入地、落雷準(zhǔn)確和維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。因此，結(jié)合上述技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，本工程設(shè)計(jì)采用IF3預(yù)放電避雷針作為接閃器，同時采用避雷針、避雷帶、混合裝置組成的接閃器進(jìn)行施工與設(shè)計(jì)。
3.3引下線
高層智能建筑物柱子內(nèi)的鋼筋通常作為防雷系統(tǒng)的引下線使用，與建筑內(nèi)的鋼筋等金屬部件連接在一起，能夠組成具有良好閉合特性的法拉第籠。
在施工過程中，通常采用多根引下線方法來加速雷電流的分流，從而以達(dá)到均壓和減弱磁場的目的。各個雷電流在引下線中大小相等并且方向相同。因此，由于電流產(chǎn)生的干擾電磁場方向相反，從而會抵消很大一部分電磁場，大大降低了智能建筑電磁干擾，如圖3所示。
3.4接地網(wǎng)
在智能建筑的接地技術(shù)上，目前主要存在電氣設(shè)備系統(tǒng)共用接地極和各自系統(tǒng)獨(dú)立接地極接地技術(shù)。前一種技術(shù)有利于等電位接地，而各自系統(tǒng)獨(dú)立接地極接地技術(shù)在減少由感應(yīng)雷引起的負(fù)荷沖擊方面效果較前者顯著，直接可以避免因接地電位升高而導(dǎo)致地建筑物內(nèi)設(shè)備損害。因此，各自系統(tǒng)獨(dú)立接地極接地技術(shù)在高層智能建筑領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
高層智能建筑內(nèi)電氣設(shè)備線路多而復(fù)雜的特殊性，決定了在防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，應(yīng)該將各種接地極，例如交流接地、直流接地、安全地等與法拉第鋼筋籠連接在一起，組成同等電壓接地體，來達(dá)到消除感應(yīng)過電壓的目的。在實(shí)際施工中，將各接地極之間的距離控制在20m以上，來消除各個接地系統(tǒng)間的互相影響。
在本工程設(shè)計(jì)中，采用角鋼作為垂直接地體，同時采用扁鋼作為水平接地體。應(yīng)保持接地線與水平接地體的截面相同，將垂直接地體間距及水平接地體間距設(shè)計(jì)為5m，將垂直接地體的長度設(shè)計(jì)為2.5m，并且埋設(shè)深度為0.8m。
3.5電源線路防雷設(shè)計(jì)
高層建筑的接地系統(tǒng)通常采用TN-S系統(tǒng)。如圖4所示，防雷線路設(shè)計(jì)。在LPZOA. LPZOR區(qū)與LPZO1區(qū)交界處，應(yīng)采用限壓型浪涌保護(hù)器來與I級分類試驗(yàn)的浪涌保護(hù)器進(jìn)行保護(hù)。同時，在LPZO1區(qū)起的各分區(qū)地交界處安裝限壓型浪涌保護(hù)器進(jìn)行保護(hù)。在建筑線路施工中，應(yīng)保持平直、簡短。
如圖4所示，漢峪金融商務(wù)中心的防雷系統(tǒng)為TN-S防雷系統(tǒng)，相電線L1，L2，L3與零線N，每一路線路上都設(shè)置熔斷器與浪涌保護(hù)器。當(dāng)主回路上受到雷擊電流時，熔斷器與浪涌保護(hù)器將電流縮減至最小，甚至斷開主回路，以保證回路上的電氣設(shè)備安全。每一級配電柜都單獨(dú)設(shè)置保護(hù)PE線，這些保護(hù)線與等電位端子排相連，能夠及時將電流引至地下，以保護(hù)建筑內(nèi)人和電氣設(shè)備的安全。
3.6等電位聯(lián)接
高層智能建筑在雷電瀉放趨膚效應(yīng)影響下，導(dǎo)致外層鋼筋瀉放的雷電流是內(nèi)部鋼筋的數(shù)倍。而一般機(jī)房通常包括外部、內(nèi)部兩個區(qū)域。因此，趨膚效應(yīng)對機(jī)房影響較大。而在實(shí)際施工時，弱電機(jī)房內(nèi)沿墻敷設(shè)等電位30mm×3mm紫銅帶一周，并在機(jī)房內(nèi)靠近柱子的角位處，采用直徑為8mm的絕緣子進(jìn)行支撐，同時分別安裝一塊規(guī)格為300mm x100mm x10mm的紫銅板等電位匯流排。另外，采用多股6mm2的銅芯線，將高層建筑物內(nèi)的電氣設(shè)備外殼、機(jī)架、電源保護(hù)線等金屬物體相連，同時根據(jù)就近原則，將其與匯流排或紫銅帶相連接。
共用接地裝置與總等電位接地端子通過接地干線連接到智能建筑等電位接地銅排，同時將其引至到電器設(shè)備局部等電位接地端子上。采用截面積大于16mm2的多股銅芯導(dǎo)線或銅帶作為接地干線線材，以電氣豎井內(nèi)明敷接地干線的形式，將其與建筑物鋼筋等電位銅排連接。按照設(shè)計(jì)要求規(guī)定，在不同雷電防護(hù)區(qū)的配線交接處與樓層綜合布線系統(tǒng)設(shè)備間設(shè)置局部等電位接地排。采用截面積大干16mm2的絕緣銅導(dǎo)線作為樓層配線柜的接地線，通過防雷系統(tǒng)與配線保護(hù)接地系統(tǒng)組成共用接地系統(tǒng)，并預(yù)埋等電位連接銅排。
4工程施工注意事項(xiàng)
文中主要對現(xiàn)代高層智能樓宇進(jìn)行雷電防護(hù)工程設(shè)計(jì)與分析，分析了防雷保護(hù)技術(shù)與施工措施。在進(jìn)行施工技術(shù)方案設(shè)計(jì)時，應(yīng)根據(jù)高層智能建筑的雷電防護(hù)特點(diǎn)，采用內(nèi)部防雷和外部防雷措施相結(jié)合。
根據(jù)智能建筑防雷工程的要求，應(yīng)進(jìn)行合理、經(jīng)濟(jì)、安全可靠的全方面規(guī)劃。并且，在工程施工時，總結(jié)了以下幾點(diǎn)：
(1)在工程設(shè)計(jì)初期，應(yīng)根據(jù)建筑物所處的環(huán)境及地理位置和相關(guān)的防雷規(guī)范要求，來提出相應(yīng)合理的防雷技術(shù)措施。
(2)施工前，技術(shù)員應(yīng)對電焊工人進(jìn)行技術(shù)、質(zhì)量和安全交底，明確焊接部位、焊接材料以及焊接的質(zhì)量要求。
(3)為了消除雷電擊干擾，最有效的方法是將引下線與各層樓板鋼筋相連。
(4)施工人員應(yīng)根據(jù)基礎(chǔ)接地圖和接地點(diǎn)，對伸縮縫處基礎(chǔ)鋼筋是否跨接連通進(jìn)行逐一檢查。
(5)當(dāng)柱內(nèi)鋼筋直徑<16mm時，采用柱內(nèi)四根鋼筋作為引下線；當(dāng)柱內(nèi)鋼筋直徑≥16mm時，采用兩根鋼筋做為接地系統(tǒng)的引下線。
（6)設(shè)計(jì)過程中，在綜合考慮如何降低室內(nèi)感應(yīng)磁場和引下線電位兩個因素的前提下，對接地電阻值進(jìn)行選型。
(7)為防止電氣線路及設(shè)備產(chǎn)生過高的電流與電壓，即電涌電壓電流。高層建筑內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)通常采取線路屏蔽與接地等措施。實(shí)際施工中，通�？刹捎玫膶�(dǎo)線有控制電纜、同軸屏蔽電纜、屏蔽雙絞線等。
(8)在施工工程中，控制電纜應(yīng)與流過雷電流的接地線保持一定的距離，避免線路產(chǎn)生過高的電壓。同軸電纜的外套屏蔽管在可靠接地情況下，它能夠降低由雷擊線路過電壓與感應(yīng)過電壓的危害。
(9)在同軸電纜線端接避雷器產(chǎn)生的避雷效果更為顯著。雙絞線線路的特殊結(jié)構(gòu)決定了其擁有極好的電磁場感應(yīng)平衡的優(yōu)點(diǎn)，雙絞線應(yīng)與流過雷電流的接地線保持一定的距離，并且將其安裝在比較好的屏蔽管中。
