某大樓防雷問題分析及改造措施

王世榮

（漯河供電公司，河南 漯河 462000）

對于建筑物防雷而言，最具破壞作用的不是雷直擊建筑而是由雷電放電電磁脈沖對建筑物用電設(shè)備的影響。由于建筑物防雷措施不完善，我國這些年也雷害擊建筑物造成的事故頻繁、聚增。據(jù)一些省市統(tǒng)計(jì)，由雷害引起建筑物內(nèi)電子設(shè)備的損失約占由雷電災(zāi)害引起的總損失的80%，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和無法估量的間接損失與杜會影響。某大樓在2008年完工，由于建筑物較高，防雷措施不完善，在2009—2011年間雷雨季節(jié)出現(xiàn)過多次打壞家電設(shè)備的情況，其中比較嚴(yán)重的是發(fā)生過兩次打壞樓頂風(fēng)機(jī)，一次打壞大樓電梯控制柜，造成人員在電梯內(nèi)被困長達(dá)一個(gè)小時(shí)。因而，有必要對該建筑進(jìn)行防雷問題分析并找出防雷薄弱點(diǎn)以改進(jìn)，減少因雷擊造成的損壞。

1 現(xiàn)有防雷措施

1.1 大樓防直擊雷措施

在直擊雷的防護(hù)上，某大樓采用在女兒墻頂部用不銹鋼進(jìn)行包裝以形成整棟大樓的避雷帶。在避雷帶的接地上，采用樓體鋼筋骨架作為接地引下線，采用大樓基礎(chǔ)自然接地作為大樓防雷接地?，F(xiàn)場測量大樓接地電阻為8Ω，符合建筑物防雷設(shè)計(jì)[1]要求中對接地的要求。

1.2 大樓其他防雷措施

大樓供電系統(tǒng)是從 10kV變電站出線后采用先采用架空線再經(jīng)電纜引至大樓供電室，在電纜的接頭處安裝有避雷器對電纜頭進(jìn)行保護(hù)，大樓供電采用4臺160kVA的變壓器對整棟大樓進(jìn)行供電，在大樓供電室變壓器的防雷上，4臺變壓器都是僅在高壓側(cè)裝有避雷器，低壓側(cè)在電容補(bǔ)償器側(cè)裝有一組低壓避雷器，用來限制電容補(bǔ)償器在投切時(shí)產(chǎn)生的過電壓，如果低壓無功補(bǔ)償裝置退出運(yùn)行，整個(gè)大樓的低壓設(shè)備將失去過電壓保護(hù)。

在大樓機(jī)房的接地上，沒有采用獨(dú)立的地網(wǎng)，也是直接采用大樓基礎(chǔ)接地，在接地上沒有采用強(qiáng)制等電位連接。在機(jī)房電源的防雷配置上，也沒有安裝低壓避雷器對機(jī)房電源進(jìn)行保護(hù)。

2 雷電入侵途徑

2.1 大樓避雷帶引入雷電

由于樓體較高，在附近屬于較高的建筑物，而且大樓四用較為開闊，當(dāng)附近有雷電活動時(shí)，容易造成雷電直接擊中大樓避雷帶[2]，強(qiáng)大的雷電流就會經(jīng)由接地引下線泄入大地，由于大樓較高，接地引下線較長造成感抗較大。由于感抗較大的作用和接地引下線較多的問題，而使得雷電流作用下的地電位分布極不均勻[3]，就容易引起大樓接地局部地區(qū)的地電位升高而在大樓內(nèi)部不同的樓層形成電位差。同時(shí)由于接地網(wǎng)和引線附近有大量的低壓電纜、通信等弱電設(shè)備，這個(gè)電位差在信號線纜屏蔽層產(chǎn)生表皮電流，然后通過芯線與屏蔽層之間的耦合對信號線纜芯線產(chǎn)生干擾電壓[4]，造成電子設(shè)備的干擾甚至損壞。

2.2 架空線路或配電線纜引入雷害

由于大樓供電是通過外界架空線路進(jìn)行供電，而戶外的架空線路和的電纜極易遭雷擊或雷電感應(yīng)[5]，在供電線路上有雷電過電壓后，雷電暫態(tài)過電壓通過低壓變壓器之后，經(jīng)由電磁感應(yīng)或各種耦合方式入侵到大樓低壓供電系統(tǒng)，由于供電室和大樓機(jī)房直接相連，雷電暫態(tài)過電壓就會危及到通信設(shè)備，通常會造成通信設(shè)備因雷電過電壓而打壞。

2.3 大樓附近的空間電磁感應(yīng)

雷擊建筑物附近時(shí)，由于大樓并不是一個(gè)完整的法拉第籠，雷電電磁脈沖會通過空間輻射的方式部分地穿透建筑物的屏蔽體而在室內(nèi)電子系統(tǒng)中產(chǎn)生過電壓干擾。

3 雷電防雷不足之處

3.1 大樓樓頂線路防感應(yīng)雷措施不完善

大樓樓頂風(fēng)機(jī)和裝飾供電線路都是裝在 PVC管內(nèi)的，裝飾電源選用的為防雨電源，防雨電源最大的特點(diǎn)是產(chǎn)品采用密閉灌封方式，防水防潮。但并不具有防雷的功能。

當(dāng)雷電在大樓附近活動時(shí)，流過避雷帶的雷電流在避雷帶附近的平行金屬導(dǎo)線導(dǎo)體上產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓可用下式表示[6]：

式中，a為平行金屬導(dǎo)體相對避雷帶的距離，單位m；為雷電流的幅度與前沿之比，通常稱之為雷電流的陡度，di單位 kA，dt單位μs；Vj為和避雷針平行的金屬導(dǎo)線導(dǎo)體上因避雷針的二次雷擊效應(yīng)而產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓，kV/m。

從上式可以看出，雷電流陡度越大，產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓越大，前沿越窄的雷電波的破壞性也越大。隨著距離a的增加，感應(yīng)過電壓逐步減小。

從現(xiàn)場情況可知，由于大樓樓頂線路裝在PVC管而不是金屬管中，當(dāng)雷電直擊大樓防雷帶或大樓附近有雷電活動時(shí)，而且由于大樓避雷帶上就裝有導(dǎo)線，相當(dāng)于a為 0，由于電磁耦合會在大樓樓頂線路上產(chǎn)生較高的感應(yīng)過電壓，相當(dāng)于雷電直擊于線路，將會直接打環(huán)裝飾用的直流電源。而且風(fēng)機(jī)電源沒有過電壓防護(hù)措施，風(fēng)機(jī)供電線路中的過電壓將直接傳輸?shù)脚潆婇g，將對整個(gè)大樓的供電安全造成威脅。

3.2 低壓線路防雷措施不完善

由前面的分析可知，由于大樓樓頂供電線路未采取限制雷電過電壓和防雷電感應(yīng)過電壓措施，這樣當(dāng)沒有進(jìn)行屏蔽處理供電線路受到感應(yīng)雷的襲擾后，由于沒有安裝避雷器，在供電線路上產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓會沿著 400V低壓線路傳遞到大樓配電間時(shí)，也會在沿大樓樓頂24V裝飾供電線路進(jìn)入到大樓樓頂裝飾用供電電源盒內(nèi)。雷電入侵到 400V線路后會沿 400V線路傳播，可能會打壞樓頂風(fēng)機(jī)或者大樓內(nèi)辦公設(shè)備，同時(shí)由于變壓器低壓側(cè)沒有安裝避雷器，沿 400V供電線路傳播的過電壓會通過電容耦合和電磁感應(yīng)的方式傳遞至變壓器的高壓側(cè)，可能會對配電變壓器高壓側(cè)絕緣構(gòu)成威脅。由于大樓裝飾供電電源沒有采取任何防雷措施且其耐沖擊電壓水平很低，只有2000V左右，由前面對樓頂感應(yīng)過電壓的分析可知，這樣很容易造成裝飾供電電源打壞。

3.3 配電室和機(jī)房接地不完善

由于機(jī)房接地沒有合理的等電位聯(lián)接，如果發(fā)生雷擊大樓避雷帶，由于多根接地引下線泄流不平均，在機(jī)房內(nèi)不同的接地點(diǎn)之間必定會出現(xiàn)電位差，由于機(jī)房設(shè)備耐沖擊水平不是很高，這個(gè)電位差很容易造成機(jī)房內(nèi)二次設(shè)備損壞。

4 防雷改造措施

4.1 對樓頂線路進(jìn)行穿鋼管防護(hù)

屏蔽是采用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧献龀善帘误w，將要保護(hù)的設(shè)備放在屏蔽體內(nèi)，并將屏蔽體良好接地。這樣在屏蔽體外側(cè)存在電磁干擾時(shí)，由于屏蔽體的屏蔽和接地的作用，電磁干擾在傳輸?shù)狡帘误w時(shí)，會由于屏蔽體的接地作用泄放掉部分干擾能量，使外界干擾能量不容易從屏蔽體的外側(cè)傳輸?shù)狡帘误w內(nèi)側(cè)，進(jìn)而可以對屏蔽體內(nèi)的物體進(jìn)行保護(hù)以免受外界電磁干擾的影響。由于大樓樓頂導(dǎo)線沒有采取防雷措施，而且導(dǎo)線直接位于大樓的避雷帶上，由前面的分析可知，在雷擊大樓時(shí)，樓頂導(dǎo)線會極容易感應(yīng)出過高的過電壓而對整個(gè)大樓的供電系統(tǒng)造成危害。采用穿鋼管技術(shù)，可以將導(dǎo)線在空間上與電磁脈沖輻射環(huán)境相隔離，進(jìn)而極大減小電磁脈沖場對導(dǎo)線的耦合，降低外界電磁干擾在供電線路上產(chǎn)生的過電壓，進(jìn)而保護(hù)配電設(shè)備不受損壞。對樓頂暴露在外面的導(dǎo)線進(jìn)行穿鋼管是實(shí)施樓頂線路電磁脈沖防護(hù)的重要手段之一，也是屏蔽的主要目的。

4.2 增強(qiáng)低壓供電線路的防護(hù)力度

為了降低入侵到配電室和機(jī)房的雷電過電壓，按照國際電工標(biāo)準(zhǔn)IEC1312-1技術(shù)要求和SPD安裝原理，機(jī)房和配電室應(yīng)當(dāng)采用三級防雷保護(hù)方式[7]。即變壓器兩側(cè)作為第一級防雷，直流電源兩側(cè)為第二級防雷，電源輸入終端作為第三級防雷。三級防雷可以把能量逐級泄放掉，也可以減小由于低壓侵入的雷電波對電源系統(tǒng)的影響，三級防雷保護(hù)SPD安裝如圖1所示。在SPD的選擇上，可以根據(jù)要安裝地方不同和被保護(hù)設(shè)備耐沖擊電壓不同選擇相對型號的SPD，具體選擇何種型號的SPD在這里不在敘述。

圖1 低壓電源系統(tǒng)防雷保護(hù)的配置圖

在 SPD的接線方式選擇上，由于要安裝 SPD的地方較多，如果 SPD的接線 L1+L2的長度小于1m，可能采用圖2中上方接線方式，否則應(yīng)當(dāng)采取圖2正文的“V”形接線方式。

圖2 兩種SPD接線方式

4.3 完善變壓器防雷措施

由前面的分析可知，由于大樓的配電變壓器僅采用了在高壓側(cè)安裝避雷器的措施，由低壓側(cè)傳來的過電壓將對變壓器的正常運(yùn)行造成威脅。在此建議在變壓器的低壓側(cè)也安裝一組避雷器，以防止低壓側(cè)過電壓傳遞到高壓側(cè)而對變壓器的高壓側(cè)絕緣構(gòu)成危脅。

同時(shí)由于大樓現(xiàn)有供電采用的變壓器為普通變壓器，耐雷電沖擊水平較低。在這里建議對于重要設(shè)備供電的電源，如大樓風(fēng)機(jī)、電梯及其他重要用電設(shè)備等，可以選用耐雷電沖擊水平相對普通變壓器較高的高耐雷變壓器，以保證重要設(shè)備的供電可靠性。在高耐雷變壓器的選擇上，可以選用雙曲折防雷變壓器，其相對普通變壓器的耐雷電沖擊水平可提高30%左右。

同時(shí)，由于變壓器的高低壓側(cè)都裝有避雷器，其接地方式相對于原來僅在高壓側(cè)安裝避雷器的接地方式有所改變。此變壓器的接地應(yīng)當(dāng)采用“四點(diǎn)共地”的接線方式。如圖3所示，采取這種接地保護(hù)方式時(shí)，變壓器絕緣在避雷器動作時(shí)僅承受避雷器的殘壓，免受了避雷器殘壓加接地引下線上電壓對變壓器主絕緣的沖擊，間接提高了變壓器的耐雷電沖擊水平。在雙曲折變壓器的接地上，也應(yīng)當(dāng)采用此種方式。在接地引下線方面，接地引下線應(yīng)盡可能短，且采用鍍鋅材料以起到防腐蝕作用。

圖3 采用雙曲折聯(lián)接及外部保護(hù)采用“四點(diǎn)共地”法保護(hù)

4.4 等電位連接的完善措施

1）為了使配電室內(nèi)設(shè)備在有故障電流或雷電流流入地網(wǎng)時(shí)由于地電位不等而不造成損壞，因此，要在配電室進(jìn)行接地母線設(shè)計(jì)，以確保室內(nèi)所有設(shè)備一直處于相同的電位上。在室內(nèi)等電位環(huán)形接地母線的設(shè)計(jì)上，可在采用截面積不應(yīng)小于 的扁銅在配電間內(nèi)距地面 15～30cm高鋪設(shè)。在接地母線的接地上，采用截面積為40mm×4mm扁鋼與接地網(wǎng)可靠連接，在與地網(wǎng)的連接上，母線每隔2～4m就應(yīng)有一個(gè)與地網(wǎng)的連接點(diǎn)，在連接點(diǎn)應(yīng)采取一定的防腐措施。將接地母線做好后，將配電間內(nèi)所有用電設(shè)備及自來水管道、暖氣管道、金屬門窗等均與接地母線相連。在設(shè)備與接地母線的連接上，為了防止由于接地引下線過長造成接地感抗過大而造成設(shè)備上電壓過高，應(yīng)使接地引下線做的盡可能短。同時(shí)，為防止雷電流入地時(shí)在配電間形成的跨步電壓的威脅，在配電間巡視過道上應(yīng)鋪一定厚度的橡膠絕緣墊。

2）由于大樓機(jī)房面積相對較小，只有二十幾平方米，而且都是采用的機(jī)柜，要接地的設(shè)備較少。因此，在機(jī)房內(nèi)的等電位接地設(shè)計(jì)上，宜采用S型等電位連接。如圖4所示。由圖中可以看出，S型等電位連接只有一個(gè)點(diǎn)連接到大樓共用接地系統(tǒng)中，各設(shè)備都直接按星形結(jié)構(gòu)與基準(zhǔn)點(diǎn)相連，避免了感應(yīng)環(huán)路的產(chǎn)生。且由于所選用材料為銅，電阻較小，所以各設(shè)備基本上位于同一電位點(diǎn)，因此不會有與雷電關(guān)聯(lián)的低頻干擾進(jìn)行到機(jī)房的信息系統(tǒng)。同時(shí)此基準(zhǔn)點(diǎn)也是機(jī)房內(nèi)安裝浪涌保護(hù)器的基準(zhǔn)點(diǎn)。

圖4 S形等電位連接方式

5 結(jié)論

本文對某大樓雷害事故較多的原因進(jìn)行了分析，并采取適當(dāng)?shù)姆览状胧υ摯髽沁M(jìn)行了防雷改造，取得了較好的防雷效果。同時(shí)對大樓防雷有以下建議。

1）對整個(gè)大樓供電系統(tǒng)采用三級防雷措施，確保入侵的雷電過電壓在設(shè)備的承受范圍以內(nèi)。

2）為了保證大樓內(nèi)重要用電設(shè)備供電可靠，建議用雙曲折防雷變壓器對大樓內(nèi)重要設(shè)備供電。

3）完善配電室、機(jī)房用各樓層的等電位連接，防止因電位不等造成對設(shè)備的危害。

[1] GB 50057—1994.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 王科耀.高層建筑防雷接地系統(tǒng)及施工中應(yīng)注意的問題[J].陜西建筑,2009(10): 95-97.

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[4] 張小青.建筑物內(nèi)電子設(shè)備的防雷保護(hù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000.

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