高層建筑綜合防雷工程設(shè)計(jì)分析

陸凱琦

摘 要：伴隨現(xiàn)代社會(huì)的飛速發(fā)展，城市建筑物的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，高層建筑建設(shè)發(fā)展也日新月異。考慮到高層建筑的高度特殊性，其比一般建筑面臨雷擊的風(fēng)險(xiǎn)更大，而一旦遭受雷擊，就會(huì)造成巨大損失。因此，對(duì)高層建筑施行有效地防雷保護(hù)措施顯得尤為重要，相應(yīng)提出了更高的防雷工程設(shè)計(jì)要求。本文對(duì)由雷電引起的過(guò)電壓以及雷電的電磁兼容性問(wèn)題進(jìn)行分析，從而有助于提高高層建筑設(shè)計(jì)和施工的質(zhì)量。

前 言

隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，建筑物規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)建筑物的安全、可靠性也提出了更高要求。傳統(tǒng)防雷保護(hù)存在避雷器的選用不當(dāng)?shù)葐?wèn)題，隨著電子通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高層建筑逐漸實(shí)現(xiàn)樓宇自動(dòng)化，其內(nèi)的電子設(shè)備工作電壓不斷降低，面臨雷擊的風(fēng)險(xiǎn)增大[1]。而電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用也導(dǎo)致感應(yīng)雷電事故增多，導(dǎo)致設(shè)備受到干擾甚至損壞，因此對(duì)高層建筑的防雷保護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，以期解決上述問(wèn)題。

1 高層建筑直擊雷防護(hù)措施

高層建筑屬于一、二類(lèi)建筑物，對(duì)于一類(lèi)建筑物需要設(shè)置獨(dú)立避雷針和架空避雷線(xiàn)，接地裝置也應(yīng)該獨(dú)立。二類(lèi)建筑物除了設(shè)置與一類(lèi)建筑物相同的常規(guī)措施外，其防雷接地裝置優(yōu)選選擇和防雷電感應(yīng)、電氣設(shè)備等接地公用同一接地裝置并與埋地金屬管道相連。為了增強(qiáng)高層建筑的防雷防護(hù)效果，需要針對(duì)直擊雷防護(hù)措施進(jìn)行改進(jìn)。

為了減少雷電流陡度和電磁輻射場(chǎng)，可優(yōu)選阻抗型的避雷針和接閃器，或者選用提前放電式避雷針，通過(guò)使雷電泄放前提前放電形成上行先導(dǎo)達(dá)到加大避雷針保護(hù)角，擴(kuò)大保護(hù)范圍，提高保護(hù)可靠性的效果。要改進(jìn)直擊雷防護(hù)措施，可充分利用建筑物的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)組成經(jīng)濟(jì)可靠的籠式避雷網(wǎng)增加引下線(xiàn)數(shù)量，從而加速分流雷電流，減少磁場(chǎng)集中程度。同時(shí)加強(qiáng)高層建筑所有外露金屬門(mén)窗和建筑結(jié)構(gòu)的連接，可增強(qiáng)建筑物的自然屏蔽能力。

建筑物可以利用鋼柱或立柱內(nèi)筋作為防雷引下線(xiàn)，通過(guò)和基礎(chǔ)鋼筋、梁柱鋼筋以及金屬框架連接而形成閉合良好的法拉第籠[2]，建筑內(nèi)的豎向金屬管道應(yīng)每三層和圈梁的均壓環(huán)相連，而均壓環(huán)又與防雷設(shè)備專(zhuān)設(shè)的引下線(xiàn)連接。澆筑混凝土前，各鋼筋之間需要形成電氣連接。高層建筑超過(guò)30m時(shí)，對(duì)于墻上欄桿、金屬門(mén)窗等較大金屬物直接或者使用金屬門(mén)窗埋鐵和防雷裝置連接。

2 雷電波侵入的防護(hù)措施

由于雷電波主要通過(guò)電源線(xiàn)路和金屬管道侵入，要防范雷電波入侵，除了滿(mǎn)足《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求外，還應(yīng)采取以下防護(hù)措施。

2.1 應(yīng)用串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器

要使高層建筑的防雷效果得以改善，需要使用先進(jìn)的防雷設(shè)備。對(duì)于避雷器來(lái)說(shuō)，一般要求其對(duì)雷電陡波和雷電幅值同樣具備限壓保護(hù)作用，而且使用中不會(huì)引起配電系統(tǒng)接地故障或者相間短路故障，其動(dòng)作特性滿(mǎn)足長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性，具有連續(xù)雷電沖擊保護(hù)能力。為便于使用，避雷器外形尺寸應(yīng)較小，且最好附帶脫離器監(jiān)察運(yùn)行工況，設(shè)備失效時(shí)能夠自動(dòng)退出運(yùn)行。

現(xiàn)在應(yīng)用的碳化硅避雷器發(fā)生保護(hù)時(shí)既泄放雷電流也泄放工頻續(xù)流，切斷續(xù)流時(shí)耗最大達(dá)10000μs，一次保護(hù)的循環(huán)時(shí)間遠(yuǎn)大于10000μs才能恢復(fù)進(jìn)行下次動(dòng)作的能力，因此不具備連續(xù)雷電沖擊保護(hù)能力，而且其保護(hù)動(dòng)作具有工頻續(xù)流對(duì)地放電，會(huì)造成能源浪費(fèi)。氧化鋅避雷器保護(hù)動(dòng)作只泄放雷電流，時(shí)耗小于100μs即可完成，并立即恢復(fù)到可進(jìn)行下次保護(hù)的動(dòng)作能力，因此氧化鋅避雷器具有連續(xù)雷電沖擊保護(hù)能力，這對(duì)于多雷區(qū)或者雷電活動(dòng)強(qiáng)雷地區(qū)的防雷保護(hù)尤為重要。串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器的間隙結(jié)構(gòu)可改善閥片長(zhǎng)期工作條件，免受暫態(tài)過(guò)電壓危害和溫度熱損傷，避免了無(wú)間隙氧化鋅避雷器因拐點(diǎn)電壓偏低帶來(lái)的一切缺點(diǎn)，其壽命達(dá)20年以上。

2.2 高層建筑內(nèi)電源系統(tǒng)防雷保護(hù)設(shè)計(jì)

（1）建筑內(nèi)的電源系統(tǒng)防雷保護(hù)包括建筑物電源進(jìn)線(xiàn)的防雷保護(hù)和接到屋內(nèi)電子設(shè)備的電源部分防雷保護(hù)。由于配電變壓器是交流供電系統(tǒng)的重要設(shè)備，為防止變壓器自身受到雷電過(guò)電壓損壞，提高其向建筑物內(nèi)電子設(shè)備供電的可靠性，需對(duì)配電變壓器進(jìn)行防雷保護(hù)，同時(shí)也可以防止電壓波通過(guò)變壓器傳播到建筑物內(nèi)的電源系統(tǒng)，從而使電子設(shè)備得到保護(hù)。

變壓器的高、低壓側(cè)均設(shè)置避雷器，且均裝設(shè)三個(gè)串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器。高壓側(cè)三個(gè)避雷器應(yīng)盡量靠近變壓器，其接地端直接與變壓器金屬外殼連接，從而減小雷電暫態(tài)電流在引線(xiàn)寄生電感上產(chǎn)生的壓降。雷電過(guò)電壓波沿高壓線(xiàn)路傳遞到變壓器時(shí)引起高壓側(cè)避雷器產(chǎn)生動(dòng)作，由于其接地端和變壓器金屬外殼以及低壓側(cè)中性點(diǎn)連接在一起接地，因此作用于變壓器高壓側(cè)主絕緣上的電壓為避雷器殘壓，沒(méi)有接地電阻和接地引下線(xiàn)寄生電感上的壓降。

（2）建筑物內(nèi)電子裝置使用的交流電源通常由戶(hù)外交流電網(wǎng)引入，雷電擊中電網(wǎng)時(shí)使得線(xiàn)路上產(chǎn)生過(guò)壓電波會(huì)傳入室內(nèi)損傷電子裝置。同時(shí)雷電過(guò)壓電波也可能從交流電源側(cè)或通信線(xiàn)路傳播到直流電源系統(tǒng)，對(duì)直流電源及其負(fù)載電路產(chǎn)生危害。為保護(hù)建筑物內(nèi)電子設(shè)備，首先在供電線(xiàn)路入建筑物處安裝保護(hù)裝置，從而可以將過(guò)壓電波防護(hù)于建筑物外。為了防止雷電從交流供電電源線(xiàn)路入侵，需要在高層建筑的變配電所高壓柜里各相安裝用于一級(jí)保護(hù)的避雷器，而低壓柜內(nèi)設(shè)置用于二級(jí)保護(hù)的氧化鋅防雷裝置，避免雷電侵入供電系統(tǒng)。為了穩(wěn)妥，建筑物各層的供電配電箱可以設(shè)置電源避雷器為第三級(jí)保護(hù)，同時(shí)將配電箱金屬外殼和建筑物接地系統(tǒng)牢固連接。

3 電子信息系統(tǒng)的防雷綜合設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)防雷技術(shù)雖能保護(hù)建筑物本身，但這些措施不能完全消除電網(wǎng)中由雷電而引起的暫態(tài)過(guò)電壓，感應(yīng)雷電脈沖一般都在千伏以上，而高層建筑內(nèi)智能微電子設(shè)備工作電壓僅幾伏，工作電流在微安至毫安數(shù)量級(jí)，因此對(duì)微電子設(shè)備安全保護(hù)問(wèn)題顯得尤為重要。而任何單一的防雷設(shè)備都無(wú)法保證現(xiàn)代建筑物內(nèi)所有設(shè)備的安全，因此必須采取綜合防雷的方式。

雷擊發(fā)生時(shí)，雷電暫態(tài)電流經(jīng)過(guò)路徑上暫態(tài)電位升高，使得此路徑與周?chē)饘傥矬w形成暫態(tài)電位差，如果電位差超過(guò)兩者的絕緣耐受強(qiáng)度，就會(huì)導(dǎo)致金屬物體被放電擊穿，或者產(chǎn)生電磁脈沖干擾電子設(shè)備正常運(yùn)行。為了避免被放電擊穿，需對(duì)各金屬構(gòu)件進(jìn)行等電位連接使得形成電氣上連續(xù)的整體，從而避免出現(xiàn)暫態(tài)電位差，即采取均壓措施。也可利用設(shè)備的金屬外殼、屏蔽室的外部金屬網(wǎng)等屏蔽體來(lái)阻擋或者衰減電磁脈沖的能量傳播，從而保護(hù)電子設(shè)備正常及安全運(yùn)行。

防雷最終要實(shí)現(xiàn)泄放，因此必須重視接地設(shè)置。為了使整個(gè)電子電路有一個(gè)公共的零電位基準(zhǔn)面，且該高頻干擾信號(hào)提供低阻抗的通道，使屏蔽措施能很好地發(fā)揮效果，可設(shè)置電子設(shè)備工作接地。通常在使用電子裝置的地方，電子裝置和強(qiáng)電設(shè)備均需接地，想要二者分開(kāi)接地比較困難，但共地雷擊時(shí)暫態(tài)大電流會(huì)通過(guò)電路耦合對(duì)電子設(shè)備形成干擾或引起過(guò)電壓[3]。為克服這些副作用，有些地方將電子裝置和強(qiáng)電設(shè)備分開(kāi)接地，在電子設(shè)備單獨(dú)接地的地線(xiàn)入戶(hù)處用低壓避雷器或放電間隙與建筑物總接地網(wǎng)相連，發(fā)生雷擊時(shí)其地電位抬高使得避雷器放電，使電子裝置接地和建筑接地網(wǎng)水平大致相當(dāng)，有利于抗干擾以及避免擊穿放電損壞設(shè)備。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，高層建筑成為城市建筑的發(fā)展趨勢(shì)，由于高層建筑遭受雷擊的概率比一般建筑大很多，一旦遭受雷擊損失會(huì)非常巨大。因此對(duì)高層建筑進(jìn)行防雷研究顯得很重要。本文對(duì)高層建筑內(nèi)電子設(shè)備電磁兼容以及綜合防雷進(jìn)行了分析，為防雷技術(shù)應(yīng)用提供參考。

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