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防雷技術畢業論文,工程防雷方案

日期:2017-04-28    

 浙江西亞電力設備有限公司創建于1995年,投資1000多萬元, 是集生產、銷售、開發研究為一體的高新科技技術企業.公司占地面積5畝,擁有8000mx現 代化廠房以及配套設施,具有其全的生產裝備和完善的檢測設備,是一家專業生產跌落式熔斷器、氧化鋅避雷器、防雷絕緣子、隔離開關、復合絕緣子、穿墻套管和浪涌保護器及成套類產品的廠家,是電力部、國家機械工業部重點生產企業,歷年被評為“先進單位”。
緒論
自古以來,雷電災害一直存在,據有關研究統計,地球上任一時刻平均有2000多個雷暴在進行著,平均每秒有100次閃電,每個閃電強度可高達10億伏,足見其能量之大,產生的危害可想而知。
200多年前,富蘭克林發明避雷針以后,建筑物等設施已得到了一定的保護,人們認為可以防止雷害,對防雷問題有所松懈。但是隨著近代高科技的發展,尤其是微電子技術的高速發展,雷電災害越來越頻繁,損失越來越大,原先的避雷針已無法保護建筑物、人和電器設備。握著電話話筒而受雷擊致死的人時有所聞,原先許多從來不發生雷電災害的行業和部門也頻頻受害。這些雷害是人們意料不到的。據統計,現今全球平均每年因雷電災害造成的直接經濟損失就超過10億美元,死亡人數在三千人以上。我國根據氣象部門和勞動部門的估算,每年雷擊傷亡人數均超過1萬,其中死亡3000多人。例如1989年8月12日,我國青島市黃島油庫遭雷擊失火,燃燒104小時才勉強撲滅。傷亡人員近百名,燒毀原油3.6萬噸,整個油庫毀壞殆盡,變成一片廢墟。又如某數據中心,集全體技術人員歷時三年的研究成果和寶貴數據因一次雷災而化為烏有。類似的案例不勝枚舉。
90年代以后,雷災出現新的特點,這主要是因為一些高大建筑的興起,最典型的就是高層智能大廈,這種高大的建筑物很容易吸引落雷,從而使本身所在建筑及附近建筑遭到破壞。另外,隨著微電子技術高度發展及廣泛應用到各個領域,使雷害對象也發生了轉移──從對建筑物本身的損害轉移到對室內的電器、電子設備的損害,以至發生人身傷亡事故。隨之防雷對象也由強電轉移到弱電,雷電產生的電磁脈沖超過直接雷擊而成為主要危害。

從上面的敘述可以看出,防雷工作是十分必要的,各行各業有關部門均應給予重視。尤其是電氣設計人員,在進行建筑物的防雷設計時,一定要嚴格按照我國《建筑物防雷設計規范》(GB50057-94 2000)強制性國家標準來進行設計。
本文從雷電對建筑物產生危害的四個方面入手,先敘述了直擊雷、雷電波侵入、感應過電壓和地電位提高等對建筑及其內部設備的損害,再介紹建筑物防雷等級確定的方法,然后闡述目前針對這四種雷電危害的電氣綜合防雷系統的設計──外部防雷和室內防護,最后以一個實際工程對防雷系統設計過程進行詳細的介紹。
1 雷擊的危害
通常所謂的雷擊是指一部分帶電的云層與另一部分帶異種電荷的云層,或者是帶電的云層對大地之間迅猛的放電。這種迅猛的放電過程產生強烈的閃電并伴隨巨大的聲音。當然,云層之間的放電主要對飛行器有危害,對地面上的建筑物和人、畜沒有很大影響。然而,云層對大地的放電,則對建筑物、電子電氣設備和人、畜危害甚大,這是電氣防雷設計的主要對象。
雷擊的危害主要有四個方面:
(1)直擊雷
帶電的云層對大地上的某一點發生猛烈的放電現象,稱為直擊雷。它的破壞力十分巨大,若不能迅速將其瀉放入大地,將導致放電通道內的物體、建筑物、設施、人畜遭受嚴重的破壞或損害——火災、建筑物損壞、電子電氣系統摧毀,甚至危及人畜的生命安全。
(2)雷電波侵入
雷電不直接放電在建筑和設備本身,而是對布放在建筑物外部的線纜放電。線纜上的雷電波或過電壓幾乎以光速沿著電纜線路擴散,侵入并危及室內電子設備和自動化控制等各個系統。因此,往往在聽到雷聲之前,我們的電子設備、控制系統等可能已經損壞。
(3)感應過電壓
雷擊在設備設施或線路的附近發生,或閃電不直接對地放電,只在云層與云層之間發生放電現象。閃電釋放電荷,并在電源和數據傳輸線路及金屬管道金屬支架上感應生成過電壓。
雷擊放電于具有避雷設施的建筑物時,雷電波沿著建筑物頂部接閃器(避雷帶、避雷線、避雷網或避雷針)、引下線泄放到大地的過程中,會在引下線周圍形成強大的瞬變磁場,輕則造成電子設備受到干擾,數據丟失,產生誤動作或暫時癱瘓;嚴重時可引起元器件擊穿及電路板燒毀,使整個系統陷于癱瘓。
(4)地電位反擊
如果雷電直接擊中具有避雷裝置的建筑物或設施,接地網的地電位會在數微秒之內被抬高數萬或數十萬伏。高度破壞性的雷電流將從各種裝置的接地部分,流向供電系統或各種網絡信號系統,或者擊穿大地絕緣而流向另一設施的供電系統或各種網絡信號系統,從而反擊破壞或損害電子設備。同時,在未實行等電位連接的導線回路中,可能誘發高電位而產生火花放電的危險。
如圖1所示,當10KA的雷電流通過下導體入地時,假設接電阻為10歐姆,根據歐姆定律,可知在入地點A處電壓為100KV。因A點與C點、D點相連,所以這幾點電壓都為100KV。而E點接地,其電壓值為0,設備的D點與E點間有100KV的電壓差,足以將設備損壞。
圖1
以上四方面中雷電對建筑物的危害主要以后雷電波侵入、感應過電壓與地電位反擊三者居多,這三者統稱為雷電電磁脈沖。據有關統計資料,直擊雷的損壞僅占15%,而雷電電磁脈沖的損壞占85%。因此,現代建筑的防雷設計已不同以往,對雷電電磁脈沖的防護必須要加以重視。
2 防雷等級分類計算
我們在著手建筑物防雷設計的第一步時,首先是要確定建筑物的防雷等級!督ㄖ锓览自O計規范》(GB50057-97 2000)中,對建筑物防雷等級的劃分,除了由建筑物的功能定性外,第二、三類防雷建筑,還取決于建筑物的預計年雷擊次數N。
2.1 建筑物的預計年雷擊次數計算
建筑物年預計雷擊次數應按下式計算:
N = k * Ng * Ae  (1)
式中:N ──建筑物年預計雷擊次數(次/a);
      k ──校正系數,在一般情況下取1,在下列情況下取相應數值:位于曠野孤立的建筑物取2;金屬屋面的磚木結構建筑物取1.7;位于河邊、湖邊、山坡下或山地中土壤電阻率較小處、地下水露頭處、土山頂部、山谷風口等處的建筑物,以及特別潮濕的建筑物取1.5;
      Ng ──建筑物所處地區雷擊大地的年平均密度[次/(km2·a)];
      Ae──與建筑物截收相同雷擊次數的等效面積(km2)。
雷擊大地的年平均密度應按下式計算:
Ng = 0.024T d 1.3  (2)
式中:T d──年平均雷暴日,根據當地氣象臺、站資料確定(d/a)。
建筑物等效面積Ae是其實際平面積向外擴大后的面積。其計算方法分以下三個方面:
(1)當建筑物的高H小于100m時,其等效面積按以下公式計算:
(3)式中: L、W、H──分別為建筑物的長、寬、高(m)。
(2)當建筑物的高H等于或大于100m時,建筑物的等效面積按下式計算:
Ae =[ LW+2 H(L+W)+πH2 ]·10-6  (4)
(3)當建筑物各部位的高不同時,應沿建筑物周邊逐點算出最大擴大寬度,其等效面積Ae應按每點最大擴大寬度外端的連接線所包圍的面積計算。
(4)按以上公式計算得到N后就可以確定防雷等級了。一般先把建筑物按其重要性和使用性質分為部、省級辦公建筑物及其它重要或人員密集的公共建筑物和住宅、辦公樓等一般性民用建筑物兩類。
部、省級辦公建筑物及其它重要或人員密集的公共建筑物其年預計雷擊次數N大于0.06次/a時,該建筑就劃為第二類防雷建筑物;若N大于等于0.012次/a,且小于或等于0.06次/a,則該建筑就劃為第三類防雷建筑物。住宅、辦公樓等一般性民用建筑物其年預計雷擊次數N大于0.3次/a時,該建筑就劃為第二類防雷建筑物;若N大于等于0.06次/a,且小于或等于0.3次/a,則該建筑就劃為第三類防雷建筑物。
那么,如果N小于0.012次/ a該怎么辦呢?按照規范的要求,如果N小于0.012次/ a,同時該建筑物又不屬于國家機關、政府大樓等重要建筑的話,可以不做防雷設計。但是,從2004年7月開始,上海氣象局對沒有做建筑防雷設計的建筑工程不與審批通過。因此,年預計雷擊次數小于0.012次/ a的建筑物的防雷設計還要根據各個地方的地方規定。
2.2 計算舉例
例1:南京某大學教學樓,其屋頂平面圖見附錄圖紙“教學樓屋頂平面圖”,各尺寸見平面圖標注,試確定其防雷等級。
解:從建筑屋頂平面圖各標高可以看到,此建筑屬于上述三類中的(3),即建筑各部位的高度不同。
但它還有一個特殊的地方,就是整幢建筑的外形呈半工字形,對這種特殊的聯體式的建筑,防雷計算有兩種不同的可行的方法。一種是把整幢建筑的外周長加起來,算做等效長度,然后根據等效長度和寬、高來計算年預計雷擊次數。第二種是把整幢建筑按其結構功用分為三個單體來分別計算,計算后取防雷等級大的為整個建筑的防雷等級,然后根據每個單體建筑的長、寬、高適當增設避雷針。
第一種做法是常規的做法,而第二種做法是一種經驗做法,目前已經被審圖公司認可,之所以可以采取此種方法計算是因為像這樣的建筑,因為其單體功能不同,建筑里配電設備一般是按單體設計的,每個單體都有其單獨的室內防護(將在后面敘述),因此外部防雷也可以分開。
此建筑按第二種方法計算其年預計雷擊次數。因為其對稱,所以只需計算上邊部分與中間的單體,F把其按高度分為4塊區域(兩邊上屋頂樓梯不計)。計算如下:
塊1:長21m、寬18m、高22.9m,所以
Ae1=0.01808
塊2:長72m、寬21.1m、高21m,所以
Ae2=0.024739
塊3:長30.2m、寬16.3m、高20.1m,所以
Ae3=0.017439
把Ae1、Ae2、Ae3相加得到上邊部分的建筑等效面積
Ae=0.060258
南京地區年平均雷暴日T d=35.1d/a,所以
Ng =2.449686411
校正系數k取1,則年預計雷擊次數
N 1=0.148
此學校建筑應該歸類于人員密集的公共建筑物,其年預計雷擊次數N大于0.06,因此此建筑單體屬于二類防雷建筑。下部單體與其對稱,也屬于二類防雷建筑。
塊4:長52m、寬37.8m、高14.5m,所以
Ae=0.019726
其年預計雷擊次數
N2=0.0483
N大于0.012而小于0.06,所以此建筑單體屬于三類防雷建筑。
綜上所述,可以看到三個建筑單體的防雷等級不同,但按照原則,此建筑應歸類于二類防雷建筑。因此此建筑的所有防雷設計都應按照防雷設計規范上“二類防雷建筑物的防雷措施”進行設計。
3 綜合防雷系統設計
3.1 綜合防雷設計的六大要素
防雷設計是一個很復雜的問題,不可能依靠一、二種先進的防雷設備和防雷措施就能完全消除雷擊過電壓和感應過電壓的影響,必須針對雷害入侵途徑,對各類可能產生雷擊危害的因素進行綜合防護,才能將雷害減少到最低限度。這種綜合防護主要包括接閃、分流(保護)、均壓、屏蔽、接地、合理布線,統稱為綜合防雷六大要素。
(1)接閃
接閃就是讓在一定程度范圍內出現的閃電放電不能任意地選擇放電通道,而只能按照人們事先設計的防雷系統的規定通道,將雷電能量泄放到大地中去。
(2)分流(保護)
這是現代防雷技術迅猛發展的重點,是保護各種電子設備或電氣系統的關鍵措施。
所謂分流就是在一切從室外來的導體(包括電力電源線、數據線、電話線或天饋線等信號線)與防雷接地裝置或接地線之間并聯一種適當的避雷器SPD,當直擊雷或雷擊效應在線路上產生的過電壓波沿這些導線進入室內或設備時,避雷器的電阻突然降到低值,近于短路狀態,雷電電流就由此處分流入地了。雷電流在分流之后,仍會有少部份沿導線進入設備,這對于一些不耐高壓的微電子設備來說是很危險的,所以對于這類設備在導線進入機殼前,應進行多級分流(即不少于三級防雷保護)。
(3)均壓
指使建筑物內的各個部位都形成一個相等的電位,即等電位。若建筑物內的結構鋼筋與各種金屬設置及金屬管線都能連接成統一的導電體,建筑物內當然就不會產生不同的電位,這樣就可保證建筑物內不會產生反擊和危及人身安全的接觸電壓或跨步電壓,對防止雷電電磁脈沖干擾微電子設備也有很大的好處。鋼筋混凝土結構的建筑物最具備實現等電位的條件,因為其內部結構鋼筋的大部分都是自然而然地焊接或綁扎在一起的。為滿足防雷裝置的要求,應有目的地把接閃裝置與梁、板、柱和基礎可靠地焊接、綁扎或搭接在一起,同時再把各種金屬設備和金屬管線與之焊接或卡接在一起,這就使整個建筑物成為良好的等電位體。
(4)屏蔽
屏蔽的主要目的是使建筑物內的通信設備、電子計算機、精密儀器以及自動控制系統免遭雷電電磁脈沖的危害。建筑物內的這些設施,不僅在防雷裝置接閃時會受到電磁干擾,而且由于它們本身靈敏性高且耐壓水平低,有時附近打雷或接閃時,也會受到雷電波的電磁輻射的影響,甚至在其他建筑物接閃時,還會受到從該處傳來的電磁波的影響。因此,我們應盡量利用鋼筋混凝土結構內的鋼筋,即建筑物內地板、頂板、墻面、及梁、柱內的鋼筋,使其構成一個網籠,從而實現屏蔽。由于結構構造的不同,墻內和樓板內的鋼筋有疏有密,鋼筋密度不夠時,設計人員應按各種設備的不同需要增加網格的密度。良好的屏蔽不僅使等電位和分流這兩個問題迎刃而解,而且對防御雷電電磁脈沖也是最有效的措施。此外,建筑物的整體屏蔽還能防球雷、側擊和繞擊雷的襲擊。
(5)接地
接地就是讓已經流入防雷系統的閃電電流順利地流入大地,而不能讓雷電能量集中在防雷系統的某處對被保護物體產生破壞作用,良好的接地才能有效地泄放雷電能量,降低引下線上的電壓,避免發生反擊。

過去的一些舊規范要求電子設備單獨接地,目的是防止電網中雜散電流干擾設備的正常工作。但現在,防雷工程設計已不提倡單獨接地,而是更多的與防雷接地系統共用接地裝置,但接地電阻要由原來的小于4Ω減少到1Ω。我國的現用的規范規定,如果電子設備接地裝置采用專用的接地系統,則其與防雷接地系統的地中距離要大于20m。防雷接地是防雷系統中最基礎的環節,也是防雷安裝驗收規范中最基本的安全要求。接地不好,所有防雷措施的防雷效果都不能發揮出來。
(6)合理布線
指如何布線才能獲得最好的綜合效果,F代化的建筑物都離不開照明、動力、電話、電視和計算機等設備的管線,在防雷設計中,必須考慮防雷系統與這些管線的關系。為了保證在防雷裝置接閃時這些管線不受影響,首先,應該將這些電線穿于金屬管內,以實現可靠的屏蔽;其次,應該把這些線路的主干線的垂直部分設置在建筑物的中心部位,且避免靠近用作引下線的柱筋,以盡量縮小被感應的范圍。除考慮布線的部位和屏蔽外,還應在需要的線路上加裝避雷器、壓敏電阻等浪涌保護器。因此,設計室內各種管線時,必須與防雷系統統一考慮。
3.2 綜合防雷設計分類
傳統的防雷方法主要就是直擊雷的防護,其技術措施可分為接閃器、引下線、接地體等。其中接閃器可以根據建筑物的地理位置、現有結構、重要程度等,決定是否采用避雷針、避雷帶、避雷網或其聯合接閃方式。但隨著微電子技術高度發展及廣泛應用,傳統的防雷設計方法已難以滿足現代建筑防雷的需要。
根據以上綜合防雷六要素可以把現代防雷保護分為外部防雷保護(建筑物或設施的直擊雷防護)和內部防雷保護(雷電電磁脈沖的防護)兩部份,外部防雷系統主要是為了保護建筑物免受直接雷擊引起火災事故及人身安全事故,而內部防雷系統則是防止雷電波侵入、雷擊感應過電壓以及地電位反擊電壓侵入設備造成的毀壞,這是外部防雷系統無法保證的。
  3.2.1 外部防雷系統及其設計
如上面所述外部防雷主要是指防止建筑物或設施(含室外獨立電子設備)免遭直擊雷的危害,其技術措施有接閃器、引下線、接地體等幾種。下面分別闡述它們的類別和具體設計。
3.2.1.1接閃器
接閃器是避雷針、避雷帶(線)、避雷網以及用作接閃的金屬屋面和金屬構件等的總稱。功能是把接引來的雷電流,通過引下線和接地裝置向大地中泄放,以保護建筑物免受雷害,F在常用的接閃器有避雷針、避雷帶(線)、避雷網等幾種。
(1)避雷針
避雷針是靠把雷雨云所帶的異種電荷引導到自身上來,通過良好的接地裝置,把雷電流泄入大地,保護建筑物不受雷擊的一種金屬裝置。
避雷針的工作原理:
當高空出現雷雨云的時候,大地上由于靜電感應作用,必然帶上與雷雨云相反的電荷,避雷針處于地面建筑物的最高處,與雷雨云的距離最近。由于它與建筑物的鋼筋網有良好的電氣連接,再通過引下線與基礎接地連接,所以它與大地有相同的電位,因此避雷針附近空間的電場強度比較大,容易吸引雷電先驅,使主放電都集中到它的上面,從而使附近比它低的物體遭受雷擊的幾率大大減少,而避雷針被雷擊的幾率卻大大的提高。由于避雷針與大地有良好的電氣連接,能把雷雨云層中積存的電荷能量傳遞到大地中泄放,使因雷擊而造成的過電壓時間大大的縮短,所以從很大程度上降低了雷擊的危害性。以上就是避雷針的工作原理。但需要說明,避雷針必須有足夠可靠和接地電阻盡量小的引下線接地裝置與其配套,否則,它不但起不到避雷的作用,反而增大雷擊的損害程度。避雷針不但不能避雷反而是引雷,它是使自身多受雷擊而保護周圍免受雷擊。我們國內有些教科書,把避雷針的原理說成是靠尖端放電中和云層電荷從而消除閃電,這是錯誤的。
避雷針保護范圍的計算方法:
目前世界各國關于避雷針保護范圍的計算公式在形式上各有不同,大體上有如下幾種計算方法:
折線法:即單一避雷針的保護范圍為一折線圓錐體。
曲線法:即單支避雷針的保護范圍為一曲線錐體。
直線法:是以避雷針的針尖為頂點作一俯角來確定,有爆炸危險的建筑物用45°角,對一般建筑物采用60°角,實質上保護范圍為一直線圓錐體。
目前我國《建筑物防雷設計規范》(GB50057-94 2000)采納了國際電工委員(IEC)推薦的“滾球法”作為避雷針保護范圍的計算方法。在此就不再敘述,如有需要可參見《建筑物防雷設計規范》(GB50057-94 2000)附錄4。
避雷針的制作規格:
由許多實際調查統計資料表明,避雷針的外表形狀與其避雷效果無明顯的關系。所以,不必過多考慮采用單針式或者其他形式造型的避雷針。避雷針大多采用圓鋼或鋼管制成,其直徑要求如下:
針長1m以下: 圓鋼為12mm 鋼管為20mm;
針長1-2m: 圓鋼為16mm 鋼管為25mm;
煙囪頂上的針: 圓鋼為20mm 鋼管為40mm (見GB50057-94 2000第四章)。
近來國內市場上經銷一種叫主動式避雷針的產品,主要來自法國和澳大利亞。據廠家稱,這此產品能夠隨大氣電場變化而吸收能量,當存儲的能量達到某一程度時,便會在避雷針尖放電,尖端周圍空氣離子化,使避雷針上方形成一條人工向上的雷電先導,它比自然的向上的雷電通道能更早的于雷雨云向下的雷電先導接觸,形成主放電通道。這樣,雷雨云靠該避雷針放電的幾率就增加了,相當于避雷針的保護范圍加大了,或者相當于將避雷針加高了。
(2)避雷帶(線)
20世紀初,在電力系統,為了使輸電線路少受雷擊,采用了在輸電線路上方架設平行的鋼線避雷的方法。這種架設在輸電線路上方的鋼線,稱之為避雷線。后來在房屋建筑上也推廣了這種形式,開始布設在方脊、屋角、房檐等處作雷電保護,現在這種方法已經被避雷帶所替代。
在房屋建筑屋頂周圍,用扁平的金屬帶做接閃的方法稱之為避雷帶,它是由避雷線改進而來。在建筑物屋頂上,使用避雷帶比避雷針有較多的優點,它可以與樓房頂的裝飾結合起來,可以與房屋的外形較好的配合,即美觀防雷效果又好。特別是大面積的建筑,它的保護范圍大而有效,這是避雷針所無法比的。
避雷帶一般采用扁鋼制作,其截面積不小于48mm2,厚度不應小于4mm,現今的一般做法是不管建筑物屬于幾類防雷建筑,都采用4X40的鍍鋅扁鋼制作避雷帶。根據規定二類防雷建筑避雷帶應在整個屋面組成不大于10m×10m或12m×8m的網格。三類防雷建筑避雷帶應在整個屋面組成不大于20m×20m或24m×l6m的網格。如果同時還有避雷針,則避雷針應用避雷帶相互連接。
(3)避雷網
避雷網是指利用鋼筋混凝土結構中的鋼筋網作為雷電保護的方法,也叫做暗裝避雷網。暗裝避雷網是把最上層屋頂作為接閃設備。根據一般建筑物的結構,鋼筋距面層只有6-7cm,面層愈薄,雷擊點的洞愈小。但有些建筑物的防水層和隔熱層較厚,入彀鋼筋距面層厚度大于20cm,最好另裝輔助避雷網。輔助避雷網一般可用直徑為6mm或以上的鍍鋅圓鋼,網格大小可根據建筑物重要性,分別采用5mX5m或10mX10m的圓鋼制成。建筑物頂上往往有許多突出物,如金屬旗桿、透氣管、鋼爬梯、金屬煙囪、風窗、金屬天溝等,都必須與避雷網焊成一體做接閃裝置。
(4)安裝避雷帶和避雷網注意事項
a. 避雷帶及其連接線經過沉降縫(沉降縫:一座較長的多層建筑物,往往在橫向上把建筑物分成幾段,段與段之間留有一段空隙,防止各段因下沉不一致而引起建筑物損壞)時,應留有10-20cm以上余量的跨越線。
b. 有女兒墻的平頂房屋,其寬度小于24m時,只須沿女兒墻上部敷設避雷帶;寬度大于24m時,須在房面上兩條避雷帶之間加裝明裝連接條。
c. 房屋面坡度為27°-35°且長度不超過75m時,只需沿屋脊敷設避雷帶。四坡頂房屋,應在各坡脊上裝上避雷帶。為使檐角得到保護,應在屋角上裝短避雷針或將避雷帶的引下線從檐角上繞下來。如果屋檐高度高于12m,且長度大于75m時,要在屋脊和房檐上都敷設避雷帶。
d. 當屋頂面積非常大時,應在屋頂上敷設金屬網格,即避雷網。避雷網分明網和暗網,網格越密,可靠性越好,網格的密度可視建筑物重要程度而定,重要建筑物采用5X5m的網格,一般建筑物用20X20m的網格即可。
3.2.1.2引下線
連接接閃器與接地裝置的金屬導體稱為引下線,F代建筑多利用建筑物的柱筋作避雷引下線。因為雷擊時引下線上有很大的雷電流流過,會對附近接地的設備、金屬管道、電源線等產生反擊或旁側閃擊,而實踐證明這種方法可以減少和避免這種反擊。它還比專門引下線有更多的優點,因為柱鋼筋與梁、樓板的鋼筋都是連接在一起的,和接地網絡形成了一個整體的"法拉第"籠,它們處于等電位狀態,雷電流會很快被分散掉,可以避免反擊和旁側閃擊的現象發生。
規范對引下線的設計有如下要求:
表1
另外,普通引下線采用圓鋼時,其直徑為不應小于16mm;采用扁鋼時,其截面積最小為 48mm2;厚度不小于4mm。裝在煙囪上的引下線其尺寸是:圓鋼直徑大于24mm;扁鋼截面積不小于100mm2,厚度為4mm。
為便于檢查避雷設施連接導體的導電情況和接地體的散流電阻,要在建筑物四周的引下線上做斷接卡子,斷接卡子距地面最高為1.8M。當利用混凝土柱鋼筋做引下線時,因為是從上而下連接一體,因此不能設置斷接卡子測試接地電阻。需在柱內做為引下線的鋼筋上,距室外地面0.5m處的柱子外側,另焊一根圓鋼(Φ≥10)引至柱外側的墻體上,做為防雷測試點。每根引下線處的沖擊接地電阻不能大于5Ω。
3.2.1.3接地體
接地裝置應優先利用建筑物鋼筋混凝土基礎內的鋼筋。有鋼筋混凝土地梁時,應將地梁內鋼筋連成環形接地裝置;沒有鋼筋混凝土地梁時,也可在建筑物周邊無鋼筋的閉合條形混凝土基礎內,用40x4mm鍍鋅扁鋼直接敷設在槽坑外沿,形成環形接地。 
當將變壓器和柴油發電機的中性點工作接地、電氣保護接地和弱電系統工作接地等共用接地裝置時,接地電阻值應不大于1Ω。 采用共用接地裝置時,弱電系統應將各自設備機房內與建筑物絕緣的接地端子,用25mm2以上的銅芯電纜或導線穿焊接鋼管做單獨的引下線,在建筑物基礎處與接地板相連。弱電系統一般要求接地電阻不大于4Ω,如若設獨立的接地系統,其與防雷接地系統的距離要大于20m。
  3.2.2 內部防雷系統及其設計
構筑和作用于建筑物內部的防雷工程稱為內部防雷工程,其系統就是內部防雷系統。建筑物內部防雷工程涉及面較寬,面對的是包括感應雷、傳導雷和因線路上浪涌高電壓所造成電網波動在內的眾多損害,歸納起來危害最大的主要方面是高電壓的引入。
高電壓引入是指雷電高電壓通過金屬線引導到室內或其他地方造成破壞的雷害現象。高電壓引入的電源有三種:其一是直擊雷直接擊中金屬導線,讓高壓雷電以波的形式沿著導線兩邊傳播而引入室內,即雷電波侵入;第二種是來自感應雷的高電壓脈沖,即感應過電壓;第三是地電位反擊,這種反擊會沿著電力系統的零線,保護接地線和各種形式的接地線,以波的形式傳入室內或傳播到更大的室內范圍,造成大面積的危害。
針對以上三種雷害內部防雷系統主要有屏蔽、安裝防雷器SPD和等電位連接等三種措施。屏蔽措施已經在防雷設計六大要素中有所闡述,下面主要闡述防雷器SPD設計安裝和等電位連接。
  3.2.2.1 防雷器SPD設計安裝
SPD中文簡稱電涌保護器,又稱浪涌保護器。根據IEC標準規定,電涌保護器主要是指抑制傳導來的線路過電壓和過電流的裝置。它的組成器件主要包括放電間隙、壓敏電阻、二極管、濾波器等。根據構成組件和使用部位的不同,電涌保護器可分為電壓開關型SPD、限壓型SPD和組合型SPD。而根據應用場合分類,電涌保護器又可分成電力系統SPD和信息系統SPD。一般信息系統SPD由信息系統設計者負責設計選型。這里主要闡述一下電涌保護器在建筑物電力系統防雷設計中的應用。
電力系統防雷主要是為了防止雷電波通過電源線路而對計算機及相關設備造成危害。為避免高電壓經過避雷器對地泄放后的殘壓過大,或因更大的雷電流在擊毀避雷器后繼續毀壞后續設備,以及防止線纜遭受二次感應,依照《建筑物防雷設計規范》(GB50057-94 2000)和《建筑物電子信息系統防雷技術規范》GB50343-2004,應采取分級保護、逐級泄流的原則。其具體設計做法:
一是在大樓電源的總進線處安裝放電電流較大的一級電源避雷器,這里一般要用三相電壓開關型SPD;二是在重要樓層或重要設備電源的進線處加裝二或三級電源避雷器,一般用限壓型SPD;三是在末端配電處安裝四級或稱為末端電源避雷器,一般用限壓型SPD。究竟要使用幾級SPD,可以有建筑防雷等級確定。一般一類防雷建筑需要四級;二類需要三級;三類需要二級。為了確保遭受雷擊時,高電壓首先經過一級電源避雷器,然后再經過二、三級或末級電源避雷器,一級電源避雷器和二級電源避雷器之間的距離要大于10米,如果兩者間距不夠,可采用帶線圈的防雷箱,這樣可以避免二級或三級電源避雷器首先遭受雷擊而損壞。
這里有三個需要注意的地方:一是電涌保護器與母排連接的導線要短而直,長度不能超過5m,連接線過長可能導致上級SPD還沒分流,電涌就串到下級SPD處,導致下級SPD一下子被燒毀;二是SPD安裝線路上應該裝有過電流保護器,原因是為了防止因SPD老化而造成短路。這里的過電流保護器主要使用斷路器,按一般經驗做法,二級SPD上的斷路器整定電流選40A,三級SPD上的斷路器整定電流選32A,末級SPD上的斷路器整定電流選25A,而一級SPD無需裝設,因為一級SPD使用電壓開關型SPD,其內部已有自帶的過電流保護器。三是各個SPD都需要與接地裝置之間進行等電位連接。(參見附錄圖紙“系統圖”)
  3.2.2.2 等電位連接
等電位連接是綜合防雷系統中的最重要的一項基本措施。GB50057—94 2000版里強調了等電位連接在內部防雷中的作用。等電位連接是為減小在需要防雷的空間內發生火災、爆炸、生命危險的一項很重要的措施,特別是在建筑物內部防雷空間防止發生生命危險的最重要的措施。
建筑物的等電位連接設計主要有以下幾種:
(1)總等電位連接和局部等電位連接
總等電位連接MEB的作用在于降低建筑物內間接接觸電壓和不同金屬部件間的電位差,并消除自建筑物外經電氣線路和各種金屬管道引入的危險故障電壓的危害,它主要通過進線配電箱近旁的總等電位聯結端子板(接地母排)將下列導電部分互相連通:進線配電箱的PE(PEN)母排;公用設施的金屬管道,如上、下水、煤氣等管道;建筑物金屬結構;如果做了人工接地,也包括其接地極引線。 建筑物每一電源進線都應做總等電位連接,各個總等電位連接端子板應互相連通。
局部等電位連接LEB是指當電氣裝置或電氣裝置的某一部分的接地故障保護不能滿足切斷故障回路的時間要求時,應在局部范圍內做的等電位連接。它包括PE母線或PE干線;公用設施的金屬管道;如果可能,也包括建筑物金屬結構。
(2)建筑物內部導電部件的等電位連接
等電位連接不僅僅是針對雷電暫態過電壓的,還包括其它如工作過電壓、操作過電壓等暫態過電壓的防護,特別是在有過電壓的瞬間對人身和設備的安全防護。因此,有必要將建筑物內的設備外殼、水管、暖氣片、金屬梯、金屬構架和其他金屬外露部分與共用接地系統做等電位連接。而且需要注意的是,絕不能因檢修等原因切斷這些連接。但是,對于燃氣管道,只在進入建筑物處與接地系統相連,但在每個接頭處要有輔助跨接線。因為燃氣管道本身不容許有多個接地連接,使其成為接地系統的一部分。

(3)信息系統的等電位連接

對信息系統的各個外露可導電部件也要建立等電位連接網絡,并與共用接地系統相連。接至共用接地系統的等電位連接網絡有兩種結構:S型(星型)結構和M型(網格型)結構。對于工作頻率小于0.1MHZ的電子設備,一般采用S型(星型)結構;對于頻率大于10MHZ的電路,一般采用M型(網格型)結構。
(4)各樓層的等電位連接
將每個樓層的等電位連接與建筑物內的主鋼筋相連,并在每個房間或區域設置接地端子,由于每層的所有接地端子彼此相連,而且又與建筑物主鋼筋相連,這就使每個樓層成了等電位面。再將建筑物所有接地極、接地端子連接形成等電位空間。最后,將屋頂上的設備和避雷針等與避雷帶連接形成屋面上的等電位。
(5) 接地網的等電位連接
在某中意義上說,建筑物的共用接地系統在大范圍內即為等電位連接,比如我們常見的計算機房的工作接地、屏蔽接地和防雷接地等采用同一接地系統的原理就是避免各接地間產生的瞬態過電壓差對設備造成影響。因此,鋼筋混凝土結構建筑物利用基礎鋼筋網做接地體,一般要圍繞建筑物四周增設環形接地體,并與建筑物被柱內用作引下線的柱筋焊接,這樣就大大降低了接地網由于雷電流造成地電位不均衡的概率(參見附錄圖紙“基礎接地平面圖”)。
綜上所述,樓層下部有接地網,樓層里有等電位均壓網,樓頂物體與避雷裝置連接在一起形成等電位,這樣就在電氣上成為法拉第籠式結構,人和設備在此環境中絕無雷擊危險。因此,等電位連接在建筑物及其電子信息系統中是最重要的一項電氣安全措施。
另外,為保證等電位連接的可靠導通,等電位連接線和接地母排應分別采用銅線和銅板。等電位連接這一電氣安全措施并不需復雜價昂的電氣設備,它所耗用的不過是一些導線,不象埋在地下的人工接地極易因受土壤腐蝕而失效(實際上在實施等電位聯結的同時也實現了接地,因它所連接的水管和基礎鋼筋等本身已起到低電阻長壽命的接地作用),它在保證電氣安全上的作用遠勝于我們過去習慣采用的專門打入地下的人工接地。在發達國家不要求住戶打入人工接地,但住宅樓內如不做總等電位連接和浴室內的局部等電位連接,非但甲方不予驗收,當地供電公司也以電氣上不安全為由拒絕供電?磥砦覈母鞯貧庀笾鞴軝C構和建設主管部門還得要加強新建建筑物中等電位連接一項的審核力度。
4 工程舉例
有南京某一大學教學樓,同例1,對此幢建筑物進行防雷設計。設計步驟如下:
4.1 防雷等級分類計算
由例1得:N 1=0.148、 N2=0.0483,兩者之中取其大者,由此確定此建筑屬于二類防雷建筑。因此此建筑的所有防雷設計都應按照防雷設計規范上“二類防雷建筑物的防雷措施”進行設計。
4.2 外部防雷系統設計
4.2.1 接閃器
本工程采用避雷帶作為主要的的接閃器。另外,根據上下部建筑單體長度和高度,決定在其最高點分別裝設避雷針。避雷帶采用40X4熱鍍鋅扁鋼,考慮到美觀,對熱鍍鋅扁鋼進行貼零敷設。避雷帶過伸縮縫和沉降縫時應留有10cm的余量。避雷針型號為PDC6.3,其針對二類建筑的保護半徑為93m,滿足要求。避雷針應與避雷帶相互連接。
4.2.2 引下線
利用結構柱內兩根不小于Ø16的主筋做為防雷引下線, 上端與避雷帶焊接,下端與接地體焊接,并在建筑物四處外角處的引下線上距地0.6m做暗裝測試點。二類防雷建筑的引下線間距為不大于18m,因此,在此建筑每擱16m設一引下線。根據規定二類防雷建筑避雷帶應在整個屋面組成不大于10m×10m或12m×8m的網格。
4.2.3 接地體
本工程利用基礎梁內的主筋作為接地體,圖示基礎梁內的上下兩層鋼筋均焊成一個回路。接地體四周與引下線焊接處要引出2米鍍鋅扁鋼供補打接地極用。在MEB、LEB端子板處用兩根40*4熱鍍鋅扁鋼與基礎接地體兩條主鋼筋相焊接引上至各等電位端子箱。用兩根40*4熱鍍鋅扁鋼與基礎接地體兩條主鋼筋相焊接沿豎井引上至電梯機房作工作接地體。
4.3 內部防雷系統設計
4.2.1 防雷器SPD設計安裝
參見附錄“系統圖”。
4.2.2 等電位連接
在建筑物總進線處敷設總等電位端子板,在電信機房、校園網機房、電梯機房處敷設局部等電位端子板,做等電位連接。
4.2.3其它
應寫于設計說明中,如下:
(1)進入建筑物的各種線路及金屬管道采用全線埋地引入,所有進出建筑的各種金屬管道、建筑物金屬結構、電氣設備金屬外殼PE干線均應與總等電位端子板或就近的防雷引下線地坪下一米處引出扁鋼連通。
(2)本單體采用TN-S系統,各插座回路均采用漏電保護開關,低壓開關柜下側設專用接地線(PE),它與配電室的等電位端子箱相焊接,在配電室內PE線采用40x4熱鍍鋅扁鋼沿室內周邊敷設。
(3)本工程采用電氣保護接地,各層弱電設備單點接地與防雷接地共用接地裝置,接地電阻不大于1歐姆,施工后如實測接地電阻不能滿足要求,應補打接地極。
(4)用電、配電、控制設備的金屬外殼、電梯軌道、金屬構架、金屬燈具的外殼等必須與保護線(PE)線可靠連接,以保障操作安全,在鋼管與鋼管連接處和鋼管與接線盒連接處,均需用不小于Ø6的圓鋼作跨接線焊接。
4.4 設計圖紙
參見附錄圖紙“屋頂防雷平面圖”與“基礎接地平面圖”。
5 結論
防雷是建筑物必不可少的一個措施,現代建筑因為其內部越來越多的電子設備的使用,使其受到雷擊危害的概率大大增加,形式也越來越多?梢赃@樣說,雷電并沒有改變,變的是建筑的使用環境。因此現時的電氣防雷設計要求已大大不同于以往,雷電電磁脈沖對建筑及其內部設備的損害已大大超過以往直擊雷對建筑物的損害。
所以,現代的建筑防雷設計應該全面考慮雷擊危害的各種因素,應采用綜合防雷系統設計,由外部防直擊雷,內部防雷電電磁脈沖,用外部防雷和內部防雷的各種措施保護建筑、設備、人員的安全。
我國外部的防雷措施已相對完善,但內部防雷措施還存在著各種缺陷,因此我們的電氣設計人員要積極學習國外的內部防雷設計經驗,把國內的內部防雷設計也逐漸完善。





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