高层智能建筑弱电系统防雷
摘要
随着电子技术的飞速发展,电子计算机早已步入社会的各行各业。建筑物内几乎无不设有复杂程度不同的微电子设备和计算机系统,民用建筑也不例外。雷电电磁脉冲干扰日益成为频发事故。针对高层智能建筑及其内部弱电系统防雷存在的问题分析了雷击高层建筑电磁环境提出了针对性措施。
目 录
第一章 概述••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1
第二章 建筑与建筑构造•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••3
2.1建筑概论 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••3
2.2建筑与人类的社会发展进程 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••4
2.3高层建筑 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••5
2.4现代建筑物防雷设计缺陷和施工错误 •••••••••••••••••••••••••••6
2.5现代建筑物的防雷设计思路 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••6
第三章 建筑物防雷设计的整体观念 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••8
第四章 雷电和防雷保护 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10
4.1雷电现象和雷电种类•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10
4.2雷击规律 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••13
4.3雷电的主要特点••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••16
4.4雷电的危害 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••16
第五章 雷闪过电压 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••18
5.1雷电参数 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••18
5.2直接雷击过电压 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••20
5.3年预计累计次数 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••21
5.4感应过电压 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••22
5.5雷电冲击过电压 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••22
第六章 过电压保护••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••24
6.1工频过电压••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••24
6.2操作过电压••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••25
6.3谐振过电压••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••28
第七章 建筑物防雷••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••32
7.1建筑防雷装置 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••32
7.2用滚球法确定避雷线的保护范围•••••••••••••••••••••••••••••••••35
7.3第三类防雷建筑物的防雷措施•••••••••••••••••••••••••••••••••••36
7.4建筑防雷装置••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••39
第八章 接地、接地装置和接地电阻••••••••••••••••••••••••••••••••••••••49
8.1工作接地和保护接地•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••49
8.2重复接地••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••49
8.3接地装置••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••50
8.4接地线••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••51
8.5接地电阻••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••54
第九章 建筑物内部防雷电保护•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••58
9.1建筑物内部防雷电感应•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••59
9.2建筑物内部防雷电波侵入•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••64
9.3建筑物防雷电电磁脉冲•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••67
总结•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••70
参考文献 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••71
文献综述
高层建筑的特点是高耸空中,雷雨季节,雷击危害首当其冲。且年预计雷击次数随着建筑高度的增加而增加,同时现代高层建筑正在向智能化方向发展,一般都拥有大量的电子设备和网络系统,而这些设备大多数属于耐压等级和绝缘强度低,过电压能力差,线路上只要有几百伏乃至几十伏的浪涌电压,就会击穿破坏这些设备,且最怕受雷击(无论直击、侧击雷还是感应雷);再者高层建筑人员密集又大多为不熟悉电气的人员,电气设备很多,且很多电器常为人们所接触,跟工业建筑相比,空间比较小,电气线路纵横。现代高层建筑也正向智能化方向发展,楼宇自动化系统以至智能大厦也在一些大城市出现,这些建筑一般都拥有大量的电子设备和网络系统,由于微电子设备元器件的工作电压仅有几伏,电流仅有微安级,它们对闪电电磁脉冲的承受能力很低,很容易受到雷电波的冲击而损坏"传统防雷设计只重视外部防雷,而忽视内部防雷,造成一些高层建筑遭受雷击的事故时有发生"所以建立外部防雷和内部防雷的综合防雷系统日益紧迫。因此为了大厦、人员、设备等的安全,在高层建筑防雷设计中,必须将外部防雷和内部防雷统一考虑,只有这样才能真正控制雷击事故。
1．雷电电磁脉冲
雷电电磁脉冲（Lightning Electromagnetic Pulse），简称LEMP，是天空打雷时产生的作为干扰源的强大闪电流及其电磁场。它的感应范围很大，对建筑物、人身和各种电气设备及管线都会有不同程度的危害。这种危害就是雷电电磁脉冲所产生的干扰。
建筑物内的雷电电磁脉冲干扰指以下三种情况：
（1）天空中雷电波的电磁辐射对建筑物内电力线路和电子设备的电磁干扰； （2）建筑物的防雷装置接闪时，强大的瞬间雷电流对建筑物内电力线路和电子设备的干扰；
（3）由外部各种强、弱电架空线路或电缆线路传来的电磁波对建筑物内电子设备的干扰。
现代电子技术日益向高精度、高灵敏度、高频率和高可靠性方向发展。这些电子设备非常灵敏，但耐压很低，一般电子设备都承受不了正负5伏的电压波动。以各种微机为例，当雷电电磁脉冲的磁场强度超过0.07 高斯时，就会引起微机的误动作，当磁场强度超过2.4高斯时，就会造成微机的永久性损坏。因此，我们必须对雷电电磁脉冲采取必要的防护措施，以便在先进的建筑物内实现良好的电磁兼容性。
2 外部防雷装置与内部防雷装置
建筑物的防雷装置分为两大部分：外部防雷装置和内部防雷装置，建筑物的防雷设计必须将外部防雷装置和内部防雷装置作为整体统一考虑。
外部防雷装置（即传统的常规避雷装置）由接闪器、引下线和接地装置三部分组成。接闪器（也叫接闪装置）有三种形式：避雷针、避雷带和避雷网，它位于建筑物的顶部，其作用是引雷或叫截获闪电，即把雷电流引下。引下线，上与接闪器连接，下与接地装置连接，它的作用是把接闪器截获的雷电流引至接地装置。接地装置位于地下一定深度之处，它的作用是使雷电流顺利流散到大地中去。
内部防雷装置的作用是减少建筑物内的雷电流和所产生的电磁效应以及防止反击、接触电压、跨步电压等二次雷害。除外部防雷装置外，所有为达到此目的所采用的设施、手段和措施均为内部防雷装置，它包括等电位连接设施（物）、屏蔽设施、加装的避雷器以及合理布线和良好接地等措施。
（1）接闪功能： 指实现接闪功能所应具备的条件，包括接闪器的形式（避雷针、避雷带和避雷网）、耐流耐压能力、连续接闪效果、造价以及接闪器与建筑物的美学统一性等。
（2）分流影响： 指引下线对分流效果的影响。引下线的粗细和数量直接影响分流效果，引下线多，每根引下线通过的雷电流就小，其感应范围就小。引下线相互之间的距离不应小于规范中的规定。当建筑物很高，引下线很长时，应在建筑物的中间部位增加均压环，以减小引下线的电感电压降。这不仅可以分流，而且还可以降低反击电压。
（3）均衡电位： 指使建筑物内的各个部位都形成一个相等的电位，即等电位。若建筑物内的结构钢筋与各种金属设置及金属管线都能连接成统一的导电体，建筑物内当然就不会产生不同的电位，这样就可保证建筑物内不会产生反击和危及人身安全的接触电压或跨步电压，对防止雷电电磁脉冲干扰微电子设备也有很大的好处。钢筋混凝土结构的建筑物最具备实现等电位的条件，因为其内部结构钢筋的大部分都是自然而然地焊接或绑扎在一起的。为满足防雷装置的要求，应有目的地把接闪装置与梁、板、柱和基础可靠地焊接、绑扎或搭接在一起，同时再把各种金属设备和金属管线与之焊接或卡接在一起，这就使整个建筑物成为良好的等电位体。
（4）屏蔽作用： 屏蔽的主要目的是使建筑物内的通信设备、电子计算机、精密仪器以及自动控制系统免遭雷电电磁脉冲的危害。建筑物内的这些设施，不仅在防雷装置接闪时会受到电磁干扰，而且由于它们本身灵敏性高且耐压水平低，有时附近打雷或接闪时，也会受到雷电波的电磁辐射的影响，甚至在其他建筑物接闪时，还会受到从该处传来的电磁波的影响。因此，我们应尽量利用钢筋混凝土结构内的钢筋，即建筑物内地板、顶板、墙面、及梁、柱内的钢筋，使其构成一个六面体的网笼，即笼式避雷网，从而实现屏蔽。由于结构构造的不同，墙内和楼板内的钢筋有疏有密，钢筋密度不够时，设计人应按各种设备的不同需要增加网格的密度。良好的屏蔽不仅使等电位和分流这两个问题迎刃而解，而且对防御雷电电磁脉冲也是最有效的措施。此外，建筑物的整体屏蔽还能防球雷、侧击和绕击雷的袭击。
（5）接地效果： 指接地效果的好坏。良好的接地效果也是防雷成功的重要保证之一。每个建筑物都要考虑哪种接地方式的效果最好和最经济。笔者认为，当钢筋混凝土结构的建筑物符合规范条件时，应利用基础内的钢筋作为接地装置。当达不到规范中规定的条件或基础包在防水卷材层内时，可做周圈式接地装置，但应将周圈式接地装置预先埋在基础槽的最外边（不必离开建筑物3m以外）。接地体靠近基础内的钢筋有利于均衡电位，同时还可节省为挖深沟所花费的人力和物力。在基础完工后再挖深沟则易影响基础的稳定性。
对木结构和砖混结构建筑物，必须做独立引下线并采用独立接地方式。当土壤电阻率大，使用接地极较多时，也可做周围式接地装置。因为周圈式接地装置的冲击阻抗小于独立接地装置的冲击阻抗，而且有利于改善建筑物内的地电位分布，减小跨步电压。采用独立式接地方式时，以钻孔深埋接地极（约4~12m）的效果为最好，深孔接地极容易达到地下水位，且能减少接地极的用钢量。
3 安全隔离距离与等电位连接
在建筑物内部，就总体来说，防雷措施可分为安全隔离距离和等电位连接两大类。安全隔离距离指在需要防雷的空间内，两导电物体之间不会发生危险的火花放电的最小距离，即不会发生反击的最小距离。等电位连接的目的是减小或消除内部防雷装置各个部位上所产生的电位差，包括靠近进户点的外来导体上的电位差。
就防火而言，等电位连接和安全隔离距离至关重要。火灾多属不易预防的事故，对多数建筑物，能采取等电位连接措施的，应做彻底的等电位连接；不能采取等电位连接措施的，应尽量保证安全隔离距离，以防发生火灾。
4 现代建筑物防雷设计思路
4．1 设计的全面性
建筑物防雷系统由接闪!分流!均压!屏蔽!布线和接地6项要素组成,这些要素自身结构与建筑物的结构有机地组成一个整体,这个整体与外部环境有着多方面的联系"雷电对建筑物及其内部设备的作用是多途径的,有直击雷击,有沿金属管路!各种线路引入的瞬太过电压,还有空中传播的LEMP,因此对建筑物的防雷设计不能片面,应全面系统地对不同形式的雷电采用不同防护措施
4．2 设计的合理性
现代建筑物大量采用钢结构和钢筋混凝土结构,而且体积高大,本身具有较强的耐雷击能力,因此设计时应把防雷诸要素与建筑物的结构有机地结合起来,利用钢筋构成协调的防雷结构,使之发挥出整体的最优防雷功能。主要思路为:在建筑物屋面采用避雷网,在屋面突出部分或通讯设施上安装避雷针或带(参考天面防雷图)"利用建筑物的结构钢筋作引下线,并适当增加引下线的数量,对减少各层的反击电压和减少各分支电流的电磁感应都有良好的作用(参考基础防雷图)"利用各层楼板钢筋或高(多)层建筑物均压环与作引下线的主筋连接,有利于均压的形成,有效降低室内反击电压和有利于对空中电磁场的屏蔽(参考立面防雷图)"从各层梁!板!柱内主筋焊出接头,便于与室内设备接地母线连接(参考基础防雷图)"利用四周圈式接地体和基础钢筋接地网,便于与引入建筑物的各种金属管道!电缆屏蔽层连接(参考基础防雷图)"为避免流经建筑物外墙柱内钢筋的雷电流产生的电磁感应,设计时应将信息系统及各种电气线路应放置或敷设在建筑物内的中心部位,把防雷系统诸多要素与建筑物结构有机结合,不但可以降低建设投资,还能获得最佳的防雷效果"
4．3 设计的层次性
建筑物防雷系统设计的层次性是指将建筑物需要保护的空间划分为几个防雷保护区,指明对LEMP有不同敏感度的空间,根据设备的敏感性确定合适的连接点。可以根据不同防雷保护区雷电磁场衰减的分布情况,确定不同性质设备的布设位置;对所有穿过不同保护区界面的金属物进行等电位连接,并在每个界面处加设屏蔽措施;合理布线并对进入不同保护区的电缆!线路在不同界面处选择不同特性的过压保护器,进行分流和限压"通过层层防设使侵入到信息系统防雷保护区的雷电干扰信号降到最低程度
4．4 设计的目的性
在了解建筑物的结构和功能之后,按照需要保护的程度确定防雷设计,如在对建筑物外部防雷设计时要参考当地的土壤!气象!地理环境等自然条件,及雷击规律!雷电参数和年预计雷击次数"内部防雷设计时要参考设备允许电压脉冲的参数"在建筑物防雷设计时要参考建筑物受雷击能力和雷击事故损失的性质和大小,还应对建筑物与建筑物,同一个建筑物中的房间与房间!设备与设备,所采取
的防雷措施都应区别对待,以达到整体优化设计
致谢 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••72
