隧道配套設(shè)施的雷電防護(hù)設(shè)計

陸人治 方 輝 李思遙

(1.浙江東方防雷工程有限公司,浙江杭州310017;2.杭州市市政設(shè)施監(jiān)管中心,浙江杭州310011)

0 引 言

隨著時代的進(jìn)步,為緩解交通壓力和縮短交通距離,許多城市交通都建有過江、穿湖與穿山隧道。杭州是著名旅游城市,隨著大都市的規(guī)劃,市政府把景區(qū)交通作為一個重點(diǎn)項(xiàng)目來抓,近幾年完成了12條隧(地)道工程建設(shè),隧(地)道建成后,大大緩解了杭州西湖風(fēng)景區(qū)與周邊地區(qū)之間的交通壓力,對杭州旅游業(yè)發(fā)展意義重大。

杭州地理上有錢塘江、西湖及周邊多山巒,屬雷擊多發(fā)地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計,僅2005年就有五老峰隧道、靈溪隧道、北山路(岳廟)地下通道的監(jiān)控設(shè)備、供電線路遭受雷擊損壞,影響交通運(yùn)行。由于早期隧道設(shè)計建設(shè)時,G B50343-2004防雷規(guī)范未頒布實(shí)施,隧道的配套設(shè)施(建筑、機(jī)電設(shè)備)防雷設(shè)施極不完善。每到雷雨天氣,各控制中心只能采取暫時關(guān)停設(shè)備的方式來躲避雷擊;在設(shè)備關(guān)停期間,隧道內(nèi)行車安全事故就失去有效監(jiān)控。因城市交通安全需要,隨著杭州城市隧道配套設(shè)施雷電防護(hù)項(xiàng)目的招、投標(biāo),浙江東方防雷工程有限公司有幸進(jìn)行雷電防護(hù)設(shè)計,本文就涉及隧道配套設(shè)施雷電防護(hù)相關(guān)分析、具體設(shè)計作以探討。

1 隧道配套設(shè)施雷電環(huán)境分析

1.1 地理環(huán)境

歷史氣象資料統(tǒng)計表明：杭州地區(qū)年平均雷暴日為40 d,屬雷電多發(fā)地域。某些隧道相對地域比較集中,如：玉皇山隧道、九曜山隧道 、吉慶山隧道、五老峰隧道、西湖隧道、靈溪隧道地處杭州西南側(cè),由于西湖三面環(huán)山,小氣候使得局部氣流運(yùn)動多變,空間容易形成雷積云,產(chǎn)生雷電、暴雨等強(qiáng)對流天氣,雷擊發(fā)生概率極高。

1.2 雷擊背景

據(jù)杭州市近些年雷災(zāi)資料收集、分析,西湖周邊地域?yàn)楹贾菔袃蓷l雷擊最頻繁線路之一,沿湖方圓數(shù)公里,幾乎每年都有單位建筑及弱電設(shè)備遭雷擊的案例：2005年西湖景區(qū)雷擊死人事件、隧道運(yùn)行設(shè)備每年遭雷擊即是最好的證明。

2 隧道配套設(shè)施防雷隱患

依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》G B 50057-94(2000版)、《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》G B 50343-2004、《中華人民共和國氣象法》、《計算機(jī)信息系統(tǒng)雷電電磁脈沖安全防護(hù)規(guī)范》G A267-2000等有關(guān)防雷法規(guī)、規(guī)范要求,通過對隧道配套設(shè)施現(xiàn)場實(shí)地勘察,隧道配套設(shè)施主要雷擊隱患有：

(1)杭州市隧道配套設(shè)施的建筑物防直擊雷措施不夠完善,部分設(shè)備接地電阻超標(biāo);

(2)部分隧道低壓供電系統(tǒng)電源防浪涌保護(hù)措施不符合國家規(guī)范要求;

(3)部分隧道信號系統(tǒng)防浪涌保護(hù)措施不符合國家規(guī)范要求;

(4)機(jī)房未采取等電位連接措施;

3 隧道配套設(shè)施防雷等級劃分

3.1 隧道建筑物防雷分類

3.1.1 雷擊概率計算

按杭州市雷電活動強(qiáng)度計算雷擊地面年平均密度[次/(km2·a)]：

式中 Td—當(dāng)?shù)啬昶骄妆┤?根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笈_資料取40。

計算建筑物雷擊概率

式中N1—建筑物預(yù)計雷擊次數(shù)(次/a)

k—校正系數(shù)(因位于湖邊選取1.5)

Ae—建筑物雷擊等效面積(由下式確定)

當(dāng)建筑物高度 H小于100 m,其每邊的擴(kuò)大寬度D和等效面積Ae按下式計算:

其中:D—每邊擴(kuò)大寬度

L,W,H—建筑物長寬高(長、寬、高取區(qū)域最大值)

以某一隧道機(jī)房建筑長、寬、高分別為40,15,8(m)為例,由以上公式計算得雷擊次數(shù) N1:

N1=0.0423(次/a)3.1.2 防雷等級劃分

根據(jù)國家現(xiàn)行《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》G B50057-94(2000版),建筑物的防雷分類根據(jù)其重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能性和后果,按防雷要求可分為3類。參照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》G B50057-94(2000版)第2.0.4條第2款：“預(yù)計雷擊次數(shù)大于0.012次/a,且小于或等于0.06次/a的省部級辦公建筑物及其它重要或人員密集的公共建筑物”,比對計算所得預(yù)計雷擊次數(shù)0.0423次/a,隧道建筑物防雷類別劃定為三類。

3.2 隧道電子信息系統(tǒng)雷電電磁脈沖防護(hù)等級分類

3.2.1 室內(nèi)入戶設(shè)施年預(yù)計雷擊次數(shù) (N2)的計算

根據(jù)國家現(xiàn)行《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》G B50343-2004,

式中,Ng—建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度[次/(km2·a)]

Ae1′—電源線纜入戶設(shè)施的截收面積(km2)

Ae2′—信號線纜入戶設(shè)施的截收面積(km2)電源線:

(低壓電源埋地線纜)Ae1′=2×ds×L×10-6;L取200 m,ds取100 m。

信號線:

(埋地信號線纜)Ae2′=2×ds×L×10-6;L取200 m,ds取100 m。

入戶設(shè)施年預(yù)計雷擊次數(shù):

總預(yù)計雷擊次數(shù)N=N1+N2=0.0423+0.232=0.2743(次/a)

3.2.2 可接受的最大年平均雷擊次數(shù) Nc的計算

因直擊雷和雷擊電磁脈沖引起信息系統(tǒng)設(shè)備損壞的可接受的最大年平均雷擊次數(shù)(G B50343—2004錄A)按下式確定：

Nc=5.8×10-1.5/C

式中:Nc—直擊雷和電磁脈沖引起信息系統(tǒng)設(shè)備損壞的可接受的最大年平均雷擊次數(shù);

C—各類因子,C=C1+C2+C3+C4+C5+C6;

C1—信息系統(tǒng)所在建筑物材料結(jié)構(gòu)因子,建筑主結(jié)構(gòu)和屋頂結(jié)構(gòu)均為鋼筋混凝土材料,C1取1.0;

C2—信息系統(tǒng)重要程度因子,系統(tǒng)為集成化的低電壓微電流設(shè)備 C2取3.0;

C3—信息系統(tǒng)設(shè)備耐沖擊類型和抗沖擊能力因子,本因子與設(shè)備的耐各種沖擊的能力有關(guān),與采用的等電位連接措施有關(guān),與供電線纜、信號線屏蔽接地狀況有關(guān)。本系統(tǒng)的設(shè)備耐沖擊能力較弱,C3取1.0;

C4—信息系統(tǒng)設(shè)備所在雷電防護(hù)區(qū)(LPZ)的因子,由于系統(tǒng)所處區(qū)域電磁場強(qiáng)度沒有衰減,應(yīng)為于LPZ0B區(qū),C4取1.5;

C5—信息系統(tǒng)發(fā)生雷擊事故的后果因子,本信息系統(tǒng)中斷不會產(chǎn)生嚴(yán)重后果,C5取0.5;

C6—表示區(qū)域雷暴等級因子。杭州年雷暴日為40 d/a,屬于多雷區(qū),故 C6取1.0。

由以上得 C=C1+C2+C3+C4+C5+C6=8.0

代入公式 Nc=5.8×10-1.5/C

3.2.3 電子信息系統(tǒng)雷電電磁脈沖防護(hù)分級計算

防雷裝置攔截效率的計算公式:E=1-Nc/N

得:E=1-0.0229/0.2743=0.9165

根據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》G B50343-2004第4.2.4條,“當(dāng)0.90＜ E ≤0.98時,定為B級”的依據(jù),隧道電子信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)等級以B級設(shè)計。

4 現(xiàn)代防雷設(shè)計

4.1 現(xiàn)代防雷技術(shù)要點(diǎn)

現(xiàn)代防雷體系是在傳統(tǒng)防雷技術(shù)的基礎(chǔ)上充實(shí)了針對以信息系統(tǒng)為對象的室內(nèi)防雷內(nèi)容而形成的?，F(xiàn)代防雷體系的要點(diǎn)是：在分析雷害途徑的基礎(chǔ)上,劃分不同層次的防雷區(qū)域,采取接閃、泄流、接地、等電位連接、屏蔽和限壓等各種防雷措施,全方位、多層次,統(tǒng)籌安排,綜合治理,使之大幅度的提高外部建筑和室內(nèi)信息系統(tǒng)的防雷可靠性。

雷電可能對信息系統(tǒng)造成危害的入侵渠道主要是：電源線、信號線和接地線。

雷電過電壓防護(hù)的基本原理是在瞬態(tài)過電壓的極短時間內(nèi),在被保護(hù)區(qū)域內(nèi)的所有導(dǎo)電部件之間建立一個等電位,這種導(dǎo)電部件包括了供電系統(tǒng)的有源線路和信號傳輸線,也就是說為了對信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖的防護(hù),要用一種現(xiàn)代高科技電涌防護(hù)器(SPD)設(shè)置在供電、信號線路上,使在極短的時間(ns級)內(nèi),將可能產(chǎn)生高達(dá)千安級的雷電流從電源傳輸線和信號傳輸線分流或傳導(dǎo)入地。

4.2 設(shè)計內(nèi)容

杭州市隧道配套設(shè)施的防雷項(xiàng)目,非新建項(xiàng)目屬改造性質(zhì),主要完善隧道配套設(shè)施的建筑物直擊雷防護(hù),配套設(shè)施的雷擊電磁脈沖的防護(hù)及等電位連接接地設(shè)計。

4.2.1 直擊雷防護(hù) 綜合運(yùn)用攔截(接閃器)、分流(引下線)、消散(接地裝置)、等電位連接技術(shù),構(gòu)成一個完整的防直擊雷體系;設(shè)置的避雷針保護(hù)范圍以滿足《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》G B50057-94(2000年版)規(guī)定的滾球法計算確定,被保護(hù)物確保在避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)。

參考提前放電 ESE避雷針的工作原理,借鑒《建筑電氣》2005年06期上海交大朱宇棟等學(xué)者“一種ESE避雷針的提前放電時間測試”文章結(jié)論：“在該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試條件范圍內(nèi)ESE避雷針比普通避雷針的平均放電時間明顯提前,值得注意的是這種提前放電時間受試驗(yàn)條件的影響較大”。以及北京雷電防護(hù)裝置測試中心2009年9月20日檢測報告的“提前放電時間與降低接閃電壓”相關(guān)結(jié)論如圖1所示。在杭州市隧道建筑物上空為不至于使局部雷云電荷積累形成過大的雷擊強(qiáng)度,減弱隧道配套設(shè)施可能感生的過電壓;防雷工程以社會效益為主兼顧經(jīng)濟(jì)效益,設(shè)計采用法國SATELIT提前預(yù)放電避雷針。

圖1 SATELIT+ESE2500避雷針檢測報告示意圖

4.2.2 感應(yīng)雷防護(hù) 隧道電子信息系統(tǒng)防護(hù)等級為B級,依據(jù)國標(biāo)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》G B50343-2004,及電涌的來源除了雷電之外還有電氣設(shè)備的操作過電壓(在電感性負(fù)載突然切斷時,在電感元件中儲存的磁場能量釋放出來,變成為電場能量,產(chǎn)生很高的過電壓,操作過電壓雖然電壓不高,但持續(xù)時間較雷電為長,而且發(fā)生的頻度較雷電高得多,因此在敏感設(shè)備的電涌防護(hù)中也是應(yīng)該考慮的);當(dāng)電壓開關(guān)型浪涌保護(hù)器至限壓型保護(hù)器之間的線路長度小于10 m、限壓型保護(hù)器之間的線路長度小于5 m時,在兩級浪涌保護(hù)器之間加裝退耦裝置。當(dāng)浪涌保護(hù)器具有能量自動配合功能時,浪涌保護(hù)器之間的線路長度不受限制。浪涌保護(hù)器有過電流保護(hù)裝置和劣化顯示功能。設(shè)計電源3級保護(hù)、信號一級保護(hù)形成對感應(yīng)雷的有效防護(hù),如圖2。

B級：電源SPD相關(guān)參數(shù)如下：

第1級電源SPD：型號CRE-CD140,安裝在隧道總配電低壓側(cè);(標(biāo)稱電流 In:80 kA;電壓保護(hù)水平Up:2.6 kV)

第2級電源SPD：型號CRE-CD80,安裝在控制室、隧道內(nèi)(風(fēng)機(jī)、照明)分配電柜;(標(biāo)稱電流 In:40 kA;電壓保護(hù)水平 Up:2.3 kV)

第3級電源SPD：型號CRE-CD40,安裝在監(jiān)控電源、車檢控制電源、風(fēng)速儀電源、COVI系統(tǒng)電源供電線路進(jìn)線處;(標(biāo)稱電流 In:20 kA;電壓保護(hù)水平Up:1.6 kV)

B級：信號通信線路、控制線路SPD相關(guān)參數(shù)如下：

監(jiān)控視頻信號SPD：型號CREX-BNC/05,安裝在監(jiān)控主設(shè)備視頻線路端口;(標(biāo)稱電流In:5 kA;工作電壓 UN:5 V)

監(jiān)控、PLC控制信號SPD：型號CREX-J24,安裝在監(jiān)控主設(shè)備及PLC柜控制線路端口;(標(biāo)稱電流 In:5 kA;工作電壓 UN:24 V)

火災(zāi)報警信號SPD：型號CREX-J48,安裝在火災(zāi)報警柜控制線路端口;(標(biāo)稱電流 In:5 kA;工作電壓 UN:48 V)

緊急電話、廣播信號 SPD：型號 CREXJ110,安裝在廣播及緊急電話主設(shè)備線路端口;(標(biāo)稱電流 In:5 kA;工作電壓 UN:110 V)

網(wǎng)絡(luò)信號 SPD：型號 CREX-RJ45,安裝在控制室服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)線端口;(標(biāo)稱電流 In:5 kA;工作電壓 UN:5 V)

圖2 隧道口機(jī)房防雷設(shè)計示意圖

5 結(jié) 語

隧(地)道內(nèi)集成大量高靈敏、高精度的設(shè)備、儀器,由于設(shè)備的耐壓值低,對過電壓特別是雷電過電壓較為敏感。本文從隧(地)道配套設(shè)施(建筑、機(jī)電設(shè)備)的特點(diǎn)出發(fā),提出直擊雷防護(hù)、供電線路的防雷、接地系統(tǒng)改造、等電位連接、綜合布線等雷電綜合防護(hù)措施,建立切實(shí)可行的雷電防護(hù)體系,并提出了采用優(yōu)化避雷針等較為先進(jìn)的防雷技術(shù),確保隧(地)道內(nèi)設(shè)備安全運(yùn)行。

運(yùn)行3年,無因雷擊造成設(shè)備損壞而影響工作。

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