綜合樓防雷設(shè)計(jì)方案的分析

李斌 蔡國(guó)橋

摘要：本文主要針對(duì)綜合樓防雷設(shè)計(jì)的方案展開了分析，通過結(jié)合具體的工程實(shí)例，對(duì)防雷的設(shè)計(jì)方面作了詳細(xì)的論述，并對(duì)設(shè)計(jì)方案作了系統(tǒng)的探討，以期能為有關(guān)方面的需要提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：綜合樓；防雷設(shè)計(jì)；方案

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市建筑日漸增多，建筑遭受雷擊的事件也越來越多，這使得施工單位對(duì)防雷的組織設(shè)計(jì)施工有了高度的重視。而綜合樓建筑的防雷工程是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，為了保障綜合樓建筑的安全，就需要制定出一套整體防雷設(shè)計(jì)方案，以達(dá)到防止和減少雷電對(duì)建筑物及電子信息系統(tǒng)造成的危害。

2 防雷環(huán)境分析

某建筑物主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，共5層，附近有其他建筑物。地周圍土壤電阻率ρ=100（Ω.m），大樓正面長(zhǎng)度為22.5米，側(cè)面長(zhǎng)度為15.8米，樓層標(biāo)高為15.0米，女兒墻高出屋面1米，樓頂有一正方形水塔，塔長(zhǎng)2米，寬2米，高出屋面2.2米，均無防雷措施對(duì)其進(jìn)行防護(hù)。

底層有一中心配電房，網(wǎng)絡(luò)主機(jī)房設(shè)置在綜合樓第三層。網(wǎng)絡(luò)線路由光纖引入，通過一臺(tái)中心交換機(jī)用光纖接到二級(jí)交換機(jī)（三臺(tái)），其中兩臺(tái)直接與工作站連接，另一臺(tái)通過雙絞線連接到集線器（兩個(gè)）后再與工作站連接。電源和信號(hào)線均由架空引入，所有機(jī)房供電采用TN-C-S供電機(jī)制，機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備有UPS和各類機(jī)架共4個(gè)，進(jìn)出機(jī)房信號(hào)纜線為光纜和X.25數(shù)據(jù)通信，網(wǎng)絡(luò)線路在樓內(nèi)布設(shè)。

3 雷電和雷電電磁脈沖損害設(shè)備的途徑

雷電和雷電電磁脈沖主要通過兩種形式：一種是通過金屬管線或地線直接傳導(dǎo)雷電損害設(shè)備；另一種是閃電通道及泄流通道的雷電電磁脈沖以各種耦合方式感應(yīng)到金屬管線或地線產(chǎn)生浪涌損害設(shè)備，絕大部分雷電損害由這種感應(yīng)引起。對(duì)于電子信息設(shè)備而言，危害主要來自于由雷電引起的雷電電磁脈沖的耦合能量，本綜合樓雷電和雷電電磁脈沖損害設(shè)備主要是通過以下兩個(gè)途徑造成的：

電源線，該綜合樓低壓配電系統(tǒng)由室外變壓器架空線直接引入底層配電房，后由總配電箱分到各個(gè)樓層分配電箱，再由分配電箱到相應(yīng)的電子設(shè)備端。

信號(hào)線，包括光纜、X.25數(shù)據(jù)線、電話線，這些線均由室外架空引入，雷電波極容易沿這些線路侵入而造成端口設(shè)備損壞。

4 主機(jī)房防雷區(qū)域

該綜合樓為三類防雷建筑物，根據(jù)GB50057–94（2010）第3.4.7條“引下線不應(yīng)少于兩根，但周長(zhǎng)不超過25m且高度不超過40m的建筑物可只設(shè)一根引下線。引下線應(yīng)沿建筑物四周均勻或?qū)ΨQ布置，其間距不應(yīng)大于25m。當(dāng)僅利用建筑物四周的鋼柱或柱子鋼筋作為引下線時(shí)，可按跨度設(shè)引下線，但引下線的平均間距不應(yīng)大于25m”?？芍摯髽鞘抢媒ㄖ锼闹艿匿撝饕戮€的，按照跨度設(shè)制的，它的引下線條數(shù)為6根，安全距離的估算，按照規(guī)范要求：防止雷電流流經(jīng)引下線和接地裝置時(shí)產(chǎn)生的高電位對(duì)附近金屬物或電氣線路的反擊，當(dāng)金屬物或電氣線路與防雷的接地裝置之間不相連時(shí)，其與引下線之間的安全距離應(yīng)符合下式要求：

當(dāng)lx<5Ri時(shí)，Sa3≥0.2kc（Ri+0.1lx）

當(dāng)lx≥5Ri時(shí)，Sa3≥0.05kc（Ri+lx）

式中Sa3——空氣中距離（m）；

Ri——引下線的沖擊接地電阻（Ω）；

lx——引下線計(jì)算點(diǎn)到地面的長(zhǎng)度（m），取16米；

經(jīng)計(jì)算，分流系數(shù)kc為0.17；Ri=R/A（ρ=100Ω·m，取A為1）故Ri=R=2.8

本文lx為16≥5ⅹ2.8=14，所以Sa3≥0.05kc（Ri+lx）

≥0.05ⅹ0.17（2.8+16）

≥0.24（m）

依照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》中第6.3.2條“在建筑物或房間的大空間屏蔽是由諸如金屬支撐物、金屬框架或鋼筋混凝土的鋼筋等自然構(gòu)件組成時(shí)，這些構(gòu)件構(gòu)成一個(gè)格柵形大空間屏蔽，穿入這類屏蔽的導(dǎo)電金屬物應(yīng)就近與其做等電位連接?！?/p>

當(dāng)對(duì)屏蔽效率未做試驗(yàn)和理論研究時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度的衰減應(yīng)按下列方法計(jì)算。

5 確定防護(hù)要點(diǎn)

根據(jù)GB50057，GB50343以及現(xiàn)場(chǎng)的勘察資料和建筑物的重要性、使用性質(zhì)、和特點(diǎn)來確定雷電防護(hù)的重點(diǎn)。

綜合樓樓體的直擊雷防護(hù)；

綜合樓內(nèi)電子信息系統(tǒng)對(duì)雷電電磁脈沖的防護(hù)；

綜合考慮部分：建筑物內(nèi)整個(gè)供電系統(tǒng)電源線路的防雷電感應(yīng)措施；信號(hào)線路的防雷電感應(yīng)措施；等電位連接、接地系統(tǒng)、過電壓及其它防雷措施；

6 防雷具體設(shè)計(jì)方案

6.1 外部防雷

6.1.1 直擊雷防護(hù)

由于該綜合樓屬于第三類防雷建筑物，整個(gè)屋面采用避雷帶和避雷網(wǎng)混合組成的接閃方式對(duì)其屋面進(jìn)行保護(hù)。采用Ф12mm熱鍍鋅圓鋼沿建筑物四周女兒墻及水塔沿邊敷設(shè)，避雷帶支持卡間距為120cm，高15cm，轉(zhuǎn)角處懸空段不大于1米，同時(shí)屋面采用熱鍍鋅圓鋼組成15×8米避雷網(wǎng)格。避雷網(wǎng)格沿屋面敷設(shè)，所有高出屋面的各種金屬構(gòu)件均需與避雷帶焊接相連，并與大樓主鋼筋進(jìn)行可靠焊接連通。屋面防雷平面圖如下圖所示：

圖1 綜合樓屋面防雷平面圖

注意：

（1）在接閃器保護(hù)范圍內(nèi)不是沒有雷擊，只是雷擊能量較小，滾球半徑R越小，進(jìn)入保護(hù)范圍的雷擊能量也越小，也就是說接閃器的防雷效果越好；

（2）接閃器也并非越高越好，超過60米的接閃器在技術(shù)上是沒有多大意義的；

（3）注意接閃器與系統(tǒng)外置部分的保護(hù)角與防閃絡(luò)安全距離，必要時(shí)進(jìn)行搭接處理；

（4）理論上任何良好地的金屬物體都可以作為接閃器。

6.1.2 引下線

本綜合樓引下線是利用建筑物混凝土中的柱內(nèi)對(duì)角兩根主鋼筋Ф16mm（Ф≥12mm，可靠連接）作為自然引下線，引下線沿建筑物四周屋角布置，可以有效的抑制雷電電磁脈沖的危害，有效的對(duì)其泄流，其平均間距12.8米。同時(shí)引下線的良好布置，也對(duì)內(nèi)部電子信息系統(tǒng)的設(shè)備起到了初級(jí)屏蔽的作用。其分布圖如下所示：

圖2 引下線位置分布圖

6.1.3 接地裝置

本方案防雷接地與交流工作接地、直流工作接地、安全保護(hù)接地共用一組接地裝置，接地裝置的接地電阻值按接入設(shè)備中要求的最小值確定，小于等于4.0歐姆。接地裝置利用建筑物的自然接地體，經(jīng)檢測(cè)，該自然接地體的接地電阻值為2.8歐姆，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，不需要增加人工接地體。

6.2 建筑物內(nèi)部雷電防護(hù)

6.2.1 屏蔽

機(jī)房的屏蔽：主要是內(nèi)屏蔽和外屏蔽，適當(dāng)?shù)倪\(yùn)用局部屏蔽的方法來有效的消除電磁干擾，雷電危害。對(duì)于普通的辦公室，由于大樓樓體本身就是一個(gè)很好的“法拉第屏蔽籠”，起到初級(jí)屏蔽的作用，設(shè)備的機(jī)箱又可以起到次級(jí)的屏蔽作用，對(duì)于一般的小型機(jī)房和對(duì)設(shè)備要求不是很高的條件下的場(chǎng)所，不需要再做屏蔽措施，就可以保證設(shè)備正常工作，不受雷電損害。對(duì)于重要的機(jī)房，如中心機(jī)房和營(yíng)業(yè)部的機(jī)房，我們要將室內(nèi)用六面金屬網(wǎng)屏蔽起來，做到良好的次級(jí)屏蔽，則滿足規(guī)范要求。

6.2.2 接地與等電位

為了保證綜合樓內(nèi)部信息系統(tǒng)電子設(shè)備和操作人員的安全，所有各類電氣、電子信息設(shè)備均應(yīng)進(jìn)行等電位連接、良好的接地處理，使得所有雷電流順利泄入大地。各個(gè)內(nèi)層保護(hù)區(qū)的界面處同樣要依此進(jìn)行局部等電位連接，再將各個(gè)交界處的電位都通過母線排連接起來。

為防止閃絡(luò)和過電壓，在國(guó)際GB50057-94中提出了等電位連接的要求。共地的基本目的是希望達(dá)到全面地電位等電位，抵御雷電的高壓反擊。如果強(qiáng)行等電位，必將造成不愉快的后果，IEC61312標(biāo)準(zhǔn)明確指示：當(dāng)共地?zé)o法實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用電壓瞬間導(dǎo)通的SPD元件，實(shí)現(xiàn)雷電來臨時(shí)，達(dá)到瞬間共地。

大樓內(nèi)各弱電系統(tǒng)的具體等點(diǎn)位措施：外墻上所有金屬欄桿、門窗均與避雷帶可靠連接，避雷帶再與引下線可靠連接。豎直敷設(shè)的金屬管道及金屬物兩端連接使其與引下線形成并聯(lián)線路，使雷電流更迅速的入地。進(jìn)入大樓的光纜，在入戶處將光纜中的加強(qiáng)鋼筋作接地處理，接地線就近接至均壓環(huán)或接地匯集排。

樓內(nèi)語音線路采用的三類大對(duì)數(shù)電纜，有條件最好敷設(shè)在屏蔽槽（管）內(nèi)，并將電纜的金屬屏蔽層在進(jìn)入機(jī)房前和另一端做接地處理，接地線就近接地。

機(jī)房的接地（等電位聯(lián)結(jié)），對(duì)于機(jī)房的接地，根據(jù)機(jī)房的占地面積、使用性質(zhì)、重要性和自身特點(diǎn)，結(jié)合建筑物防雷規(guī)范GB50343-2004計(jì)算機(jī)機(jī)房的相關(guān)規(guī)定，采取一點(diǎn)接地的方法對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，如圖3所示

圖3 計(jì)算機(jī)全方位防雷接地邏輯圖

關(guān)于圖4的幾點(diǎn)說明：

（1）機(jī)房的邏輯地線、保護(hù)地地線選用35m㎡多股銅線至各配電柜和空調(diào)配電柜。

（2）計(jì)算機(jī)機(jī)房?jī)?nèi)敷設(shè)接地母線采用4mm×40mm的銅排，如圖，安裝于靜電地板之下。

（3）將計(jì)算機(jī)機(jī)房?jī)?nèi)各種金屬管道、屏蔽外殼、金屬門窗、靜電地板支架、各種設(shè)備、機(jī)柜外殼均采用6mm2多股銅芯線就近接地于接地母排上。

大樓的計(jì)算機(jī)房的六面屏蔽網(wǎng)應(yīng)與機(jī)房?jī)?nèi)環(huán)形接地母線、防靜電地板均勻多點(diǎn)連。

通過星型（S型結(jié)構(gòu)）或網(wǎng)型（M型結(jié)構(gòu)）把設(shè)備直流地以最短的距離連到鄰近的等電位連接帶上。一般的辦公室機(jī)房選S型，營(yíng)業(yè)廳和在三樓的中心機(jī)房由于計(jì)算機(jī)設(shè)備較多，選M型結(jié)構(gòu)。具體聯(lián)結(jié)如下：

在機(jī)房?jī)?nèi)用銅條設(shè)環(huán)形接地母線排，將機(jī)房?jī)?nèi)所有接地及金屬物、門窗與母線排連接，如保護(hù)接地線、電源PE線、進(jìn)出機(jī)房和各種電纜的金屬保護(hù)層、金屬套管（槽）、設(shè)備的接地線、防靜電接地、各種金屬管道、金屬吊頂?shù)?，母線排還應(yīng)與同樓層的建筑物鋼筋連接，連接導(dǎo)線采用25mm2以上多股銅芯線。

按照《接地系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)施工圖》進(jìn)行接地連接，焊接時(shí)搭接長(zhǎng)度符合規(guī)范規(guī)定，圓鋼搭接長(zhǎng)度≥6D（D為圓鋼直徑），雙面焊；扁鋼搭接長(zhǎng)度≥2b（b為扁鋼寬度），三面焊，嚴(yán)禁“T”型搭接和直接對(duì)接；圓鋼與扁鋼連接時(shí)，其長(zhǎng)度為圓鋼直徑的6倍。焊縫應(yīng)平整、飽滿、不得有咬肉、焊瘤等現(xiàn)象，焊縫嚴(yán)禁用砂輪機(jī)打磨，螺柱連接時(shí)，應(yīng)緊固有防松（彈簧墊）措施。

6.2.3 合理布線

通信電纜以及地線的布放應(yīng)盡量集中在建筑物的中部。

通信電纜線槽以及地線線槽的布放應(yīng)盡量避免緊靠建筑物立柱或衡梁并沿建筑物立柱或橫梁布線較長(zhǎng)的距離，通信電纜線槽以及地線線槽的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能位于距離建筑物立柱或橫梁較遠(yuǎn)的位置。

計(jì)算機(jī)機(jī)房的設(shè)備盡量采用光纜，但采用光纜應(yīng)注意將金屬加強(qiáng)筋進(jìn)行接地連接；適當(dāng)?shù)卦黾右刖€長(zhǎng)度，或設(shè)置成電感形式以增大匝間電容和對(duì)地電容，可抑制雷電波頭陡度。

6.3 電源線路的防護(hù)

電力傳輸線是涉及范圍最為廣泛的傳輸線，事實(shí)證明80﹪以上的雷電入侵波來自于電力傳輸線，對(duì)于該信用社的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線及語音、安全防范等系統(tǒng)內(nèi)的電源線的防雷應(yīng)采取“多重保護(hù)、層層設(shè)防”的原則，根據(jù)設(shè)備的重要程度和地理位置進(jìn)行有重點(diǎn)，有層次的多級(jí)保護(hù)，從而逐步根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察資料。該信用社采用的是TN-C-S的供電機(jī)制，根據(jù)ICE和GB的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對(duì)電源系統(tǒng)應(yīng)實(shí)施三級(jí)防護(hù)，由于人戶為架空電纜引入，所以在總配電柜應(yīng)安裝開關(guān)型SPD作為第一級(jí)保護(hù)；分配電柜線路輸入端應(yīng)安裝限壓型SPD作為第二級(jí)保護(hù)；在電子信息設(shè)備電源進(jìn)線端應(yīng)安裝限壓型SPD三級(jí)保護(hù)。

每一級(jí)的通流容量按照規(guī)范GB50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》中表5.4.1-2的參數(shù)：第一級(jí)使用通流容量不少于60kA的電源避雷器（對(duì)雷電進(jìn)行90%的吸收），第二級(jí)使用不少于20kA的電源避雷器（第一級(jí)避雷器吸收雷電后，對(duì)殘余感應(yīng)雷電進(jìn)行吸收，使雷電的能量基本吸收完畢）第三極使用通流容量不少于20kA的電源避雷器（對(duì)殘余的雷電雜波及其它操作過電壓、容性負(fù)載感性負(fù)載引起的浪涌的吸收）。若第一線防雷器件與第二級(jí)防雷器件之間拉開直線距離10米以上，第二級(jí)與第三級(jí)之間拉開直線距離5米以上，利用將入侵雷電波的過電壓、過電流降到設(shè)備可以承受的水平。

6.4 信號(hào)線路的防感應(yīng)雷保護(hù)

由于信號(hào)系統(tǒng)，尤其是與信號(hào)傳輸線相連接的設(shè)備接口工作電壓較低，而且耐壓水平也很低，對(duì)于由信號(hào)傳輸線引入的感應(yīng)雷電波特別敏感，極易損壞。為了有效的傳輸數(shù)據(jù)和正確地進(jìn)行通訊，防止雷擊浪涌過電壓的危害，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)及語音、安全防范等系統(tǒng)設(shè)備的信號(hào)接口處安裝相應(yīng)的信號(hào)避雷器是非常必要的。需要對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和大屏幕顯示系統(tǒng)等加裝SPD，有效進(jìn)行雷電防護(hù)。

7 結(jié)語

綜上所述，本文就綜合樓防雷設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行了分析，通過結(jié)合具體的工程實(shí)例，對(duì)防雷設(shè)計(jì)的方案及組織施工方面作了系統(tǒng)的論述，相信對(duì)類似的防雷施工能起到一定的幫助作用。

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