某工程防雷設(shè)計(jì)方案

莫靜蓉

摘要：一個(gè)獨(dú)立、完善的防雷工程應(yīng)包括三個(gè)方面的內(nèi)容：（1）防直擊雷；（2）防感應(yīng)雷及雷電波侵入；（3）接地系統(tǒng)。這三個(gè)系統(tǒng)缺一不可。三個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及施工必須符合其相關(guān)的《標(biāo)準(zhǔn)》、《規(guī)范》，以及滿足有關(guān)的技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：接閃器；引下線；接地裝置

前言

雷電是一種常見的嚴(yán)重的自然災(zāi)害。其危害方式主要有兩種：一種是直擊雷，即雷電直接擊在建筑物或構(gòu)筑物上，它的高電壓、大電流產(chǎn)生的電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械力會(huì)造成房屋倒塌、油庫爆炸、森林大火、人畜傷亡等。另一種是由雷電引起的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)雷擊和雷電波侵入，又稱雷電的二次作用。它的危害途徑一般經(jīng)電源線、信號(hào)線、天饋線等進(jìn)戶線引入室內(nèi)，對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生損毀，甚至引起火災(zāi)和人員傷亡。一般來說，感應(yīng)雷沒有直擊雷那么猛烈，也不容易被人們覺察，但它發(fā)生的幾率卻比直擊雷高得多。這是因?yàn)橹睋衾字话l(fā)生在雷云對(duì)地閃擊時(shí)才會(huì)對(duì)地面物體造成災(zāi)害，而感應(yīng)雷擊則不論雷云對(duì)地閃擊，或者雷云對(duì)雷云之間閃擊，都可能發(fā)生并造成災(zāi)害。

自從人類進(jìn)入到電氣化時(shí)代以后，雷電的破壞由主要以直擊雷擊毀人和物為主，發(fā)展到以通過金屬線傳輸雷電波破壞電氣設(shè)備為主。隨著近年來電子技術(shù)的飛速發(fā)展，人類對(duì)電氣設(shè)備尤其是計(jì)算機(jī)設(shè)備的依賴越來越大；且電子元器件的微型化、集成化程度越來越高，各類電子設(shè)備的耐過電壓能力下降，遭雷電和過電壓破壞的比例呈不斷上升的趨勢(shì)，對(duì)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年因雷害造成的損失高達(dá)十億美元以上。因此要采取安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的防雷措施。

本設(shè)計(jì)方案是在建筑物地理位置及電源系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所處雷擊環(huán)境等項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，著手進(jìn)行綜合防雷設(shè)計(jì)的。

1 防雷設(shè)計(jì)依據(jù)

（1）GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》

（2）QX2-2000《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》

（3）GB50174-93《計(jì)算機(jī)房防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》

（4）GAl73-2002<<計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)防雷保安器》

（5）GB50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》

（6）JGJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》

（7）IEC61643《SPD電源防雷器》

（8）IEC61644《SPD通訊網(wǎng)絡(luò)防雷器》

（9）IEC1312《雷電電磁脈沖的防護(hù)》

（IO）VDE0675《過電壓保護(hù)器》

2 防雷設(shè)計(jì)構(gòu)思

2.1 雷擊環(huán)境

桂林市地處廣西北部，雷電活動(dòng)頻繁，雷擊強(qiáng)度大，氣象資料統(tǒng)計(jì)表明：桂林市年平均雷暴日為78天，雷暴日最高年份達(dá)100多天，屬雷暴多發(fā)區(qū)域。僅桂林市城區(qū)每年因雷擊損壞計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星通信設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、程控電話、電視機(jī)等不勝枚舉，一次事故往往造成數(shù)萬元、數(shù)十萬元的直接經(jīng)濟(jì)損失，間接經(jīng)濟(jì)損失則更大。隨著信息時(shí)代的到來，數(shù)據(jù)信息的安全已成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，因此，確保信息處理、傳輸、貯存設(shè)備的安全，日益受到社會(huì)各界的普遍重視。

本工程雷達(dá)樓位于桂林市城區(qū)，由塔樓和裙樓兩部分組成，塔樓高84m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。裙樓高18m。塔樓頂端將安裝世界先進(jìn)的雷達(dá)系統(tǒng)，塔樓機(jī)房和裙樓室內(nèi)建有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中心，負(fù)責(zé)收集、處理、貯存和傳輸信息。因此，本工程的防雷必須采取完善的綜合防雷措施。

2.2 雷達(dá)樓年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)計(jì)算

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-2010）本工程年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)應(yīng)按下式來確定：N=K Ng Ae

式中：N-建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)（次/年）

K-校正系數(shù)，取1

Ng-建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度，次/（Km².a）

Ng=0.024Td1.3[Td為年平均雷暴日數(shù)，桂林市取78（d/a）]

Ae-與建筑物截收相同的雷擊次數(shù)的等效面積（Km²），因?yàn)槔走_(dá)樓高度小于100m，所以：

Ae=[LW+2（L+W）×[H（200-H）]1/2+πH（200-H）]×10^-6

式中：L、W、H分別為建筑物的長(zhǎng)（80m）、寬（50m）、高（84m）計(jì)算結(jié)果：N=0.4次/年

2.3 土壤電阻率的計(jì)算

土壤電阻率的計(jì)算公式為：p=2πaR

式中：R為雷達(dá)樓現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)電阻值，為4.4Ω，

a為測(cè)量時(shí)四根接地樁的間距，為10m，

將a、R的值代入公式得：p=276.32Ω.m

2.4 防雷區(qū)的劃分

按照IEC1312-1介紹，應(yīng)將需要保護(hù)的空間劃分為不同的防雷區(qū)（LPZ），以確定各部分空間不同的LEMP（雷閃電磁脈沖）的嚴(yán)重程度和相應(yīng)的防護(hù)對(duì)策。

（1）直擊雷非防護(hù)區(qū)（LPZOA）：本區(qū)內(nèi)的各物體都可能遭到直接雷擊，因此各物體都可能導(dǎo)走大部雷電流。本區(qū)內(nèi)的電磁場(chǎng)沒有衰減。

（2）直擊雷防護(hù)區(qū)（LPZOB）：本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到雷擊，流經(jīng)各導(dǎo)體的電流，比LPZOA區(qū)減少，但本區(qū)的電磁場(chǎng)沒有衰減。

（3）防LEMP沖擊區(qū)LPZ1

本區(qū)的各物體不可能遭到直接雷擊，流經(jīng)各導(dǎo)體的電流比LPZOB區(qū)進(jìn)一步減小，本區(qū)內(nèi)的電磁場(chǎng)已經(jīng)衰減，衰減程度取決于屏蔽措施。如果需要進(jìn)一步減小所導(dǎo)引的電流和電磁場(chǎng)，就應(yīng)再分出后續(xù)防雷區(qū)，如防雷區(qū)LPZ2等，應(yīng)按照保護(hù)對(duì)象的重要性及其承受浪涌的能力，作為選擇后續(xù)防雷區(qū)的條件，通常防雷區(qū)劃分級(jí)數(shù)越多，電磁環(huán)境的參數(shù)就越低。

2.5 防雷對(duì)象

雷達(dá)樓及其計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中心擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)收集及傳輸任務(wù)，大樓現(xiàn)代化裝備的安全意義極其重大。

依照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-2010）第3.0.3條第三款以及第九款的規(guī)定，本工程確定為二類防雷建筑物。本次雷電防護(hù)的內(nèi)容為雷達(dá)直擊雷防護(hù)、均壓等電位連接措施、電源系統(tǒng)和通信線路建立相應(yīng)的防雷設(shè)施，以保障設(shè)備正常運(yùn)行。

2.6 防雷原則

首先采取疏導(dǎo)的辦法，讓雷電流盡量通過低阻抗導(dǎo)電通道流入大地，讓大地來接納和消耗雷電的能量，而不能讓雷電能量滯留在導(dǎo)電通道（天饋線、網(wǎng)絡(luò)傳輸線和電源線路等）。其次采用堵截的辦法，安裝防雷電浪涌保護(hù)裝置，阻斷或削弱雷電對(duì)設(shè)備的沖擊，同時(shí)提供新的泄放通道將雷電導(dǎo)入大地。最后考慮到導(dǎo)入大地的雷電流幅值大，波頭陡度高，雷電流流過接地引下線和接地裝置時(shí)它們的電位驟升到上百千伏，從而對(duì)其它設(shè)備、金屬物、接地線等因絕緣距離未達(dá)到安全要求而形成電位反擊，造成人身和設(shè)備雷擊事故，因此必須作好等電位處理。

3 設(shè)計(jì)方案及說明

3.1 雷達(dá)樓防直擊雷工程設(shè)計(jì)

（1）地網(wǎng)設(shè)計(jì)

a.本工程采用聯(lián)合接地網(wǎng)（即“三地合一”）。

b.接地極利用塔樓基礎(chǔ)構(gòu)造柱鋼筋及裙樓基礎(chǔ)鋼筋，并用基礎(chǔ)圈梁主鋼筋將各接地極電焊連接成一個(gè)整體接地網(wǎng)。

c.在裙樓基礎(chǔ)圈梁平面下，用40mmX4mm的熱鍍鋅扁鋼敷設(shè)3m×3m的人工接地網(wǎng)，并與基礎(chǔ)圈梁內(nèi)的主鋼筋電焊連接。適當(dāng)施加長(zhǎng)效防腐降阻劑。在裙樓基礎(chǔ)圈梁外側(cè)數(shù)處預(yù)留外引接地端子，以備作輔助接地之用。

d.塔樓接地網(wǎng)與兩邊裙樓接地網(wǎng)之間用40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼各分?jǐn)?shù)處電焊連接。

e.在塔樓地下室配電豎井內(nèi)及裙樓配電豎井內(nèi)各安裝一個(gè)接地匯流排，以用作其它等電位連接接地。

f.聯(lián)合接地網(wǎng)的接地電阻值必須小于l_0歐姆。

3.2 引下線設(shè)計(jì)

建筑物防直擊雷引下線，塔樓引下線利用剪力墻內(nèi)鋼筋，下部與基礎(chǔ)圈梁地網(wǎng)電焊連通，上部與安裝雷達(dá)的平臺(tái)圈梁電氣連通；裙樓引下線利用裙樓沿周構(gòu)造柱內(nèi)兩根以上主鋼筋自下而上電焊連通，下部與基礎(chǔ)圈梁主鋼筋電焊連接，上部與剪力墻上部水平圈梁主鋼筋電焊連接。

（1）接閃器設(shè)計(jì)

a.雷達(dá)天線避雷針設(shè)計(jì)

雷達(dá)天線防直擊雷保護(hù)，采用在圓型屋面邊緣安裝對(duì)稱均勻分布的4根避雷針的措施。根據(jù)OX2-2000《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》第6.5條“在雷達(dá)站建筑物設(shè)計(jì)施工時(shí)，宜提供在安裝雷達(dá)天線罩外安裝不少于二支間距相等的獨(dú)立避雷針的條件，避雷針與雷達(dá)天線罩的水平距離不宜小于3m”。的規(guī)定，在安裝雷達(dá)天線基座的平臺(tái)上，應(yīng)提供安裝4支避雷針的條件。

參照GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.2.1條第五款對(duì)獨(dú)立避雷針距被保護(hù)物距離的要求，并考慮到雷達(dá)天線應(yīng)與雷達(dá)天線罩頂有一定的距離，擬定4根避雷針保護(hù)范圍最低點(diǎn)距天線罩頂端的安全距離為2.0m，此時(shí)保護(hù)范圍最低點(diǎn)的高度h應(yīng)為：

h0=12m+2m+2m+1m=17m

根據(jù)公式h0=[hr2-（I）3/2）2]1/2+h-hr

式中：D3-為兩避雷針之間的水平距離；

h-避雷針的高度；

hr-滾球半徑，取30；

計(jì)算可得：h=18.4m

因此，設(shè)計(jì)避雷針的高度為18.5m。

由于分布于周圍的避雷針距離雷達(dá)天線較近，為了減少對(duì)雷達(dá)正常工作的影響，避雷針構(gòu)造設(shè)計(jì)為：在雷達(dá)天線仰角零度以下部分，應(yīng)用150mm的不繡鋼管作支撐，并與塔樓引下線可靠電氣連接；在雷達(dá)天線仰角零度以上部分，應(yīng)用高強(qiáng)度玻璃鋼管做支撐，內(nèi)用50mm多股銅芯線作泄流線；避雷針尖用20mm的紫銅棒制作，并與泄流線可靠電氣連接。

b.雷達(dá)樓塔樓接閃器設(shè)計(jì)

塔樓利用天面層沿周的欄桿作避雷帶，欄桿根部電焊連接到頂層圈梁主鋼筋上，連接點(diǎn)不少于每3m一個(gè)。

c.雷達(dá)樓裙樓接閃器設(shè)計(jì)

裙樓利用Φ12熱鍍鋅圓鋼制作接閃帶，沿女兒墻敷設(shè)，每3m與裙樓頂層圈梁主鋼筋電焊連接，并用中8的圓鋼做成8M×8M網(wǎng)格屏蔽網(wǎng)。上述接閃帶、屏蔽網(wǎng)均與裙樓頂層現(xiàn)澆暗敷。

d.所有高出屋面的金屬物體，均應(yīng)與樓頂接閃帶電焊連接；高出屋面的非金屬設(shè)施，需加裝獨(dú)立避雷針進(jìn)行保護(hù)，就近與避雷帶電焊連通。

（4）均壓環(huán)設(shè)計(jì)

雷達(dá)樓塔樓的第三層、第六層、第八一十五層圈梁須就近與引下線電焊連通。在大樓每隔一層用40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼暗敷在外墻內(nèi)，作均壓環(huán)，外墻上的所有窗口兩側(cè)應(yīng)預(yù)留接地線，以便玻璃幕墻鋁合金框就近與均壓環(huán)連通。

3.3 防感應(yīng)雷擊和防雷電波侵入工程設(shè)計(jì)

為了防止雷電磁脈沖諧波從傳輸線路感應(yīng)耦合侵入室內(nèi)各類電子設(shè)備，必須在電源設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備入口處安裝防浪涌避雷裝置（SPD），以阻止雷電波進(jìn)入，使設(shè)備免遭雷擊。

（1）防雷器的應(yīng)用

當(dāng)今的防雷手段，主要采用分流、接地、屏蔽和保護(hù)四種方法。因此，對(duì)大樓的防雷保護(hù)，首先應(yīng)按照國(guó)家有關(guān)規(guī)范和規(guī)定，進(jìn)行外部防雷裝置安裝、設(shè)備接地、屏蔽、搭接處理。然后，采用相關(guān)的防雷器件，對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

a.電源系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)

雷達(dá)樓地處市區(qū)北部，這里地勢(shì)平坦，幾乎每年都有不同程度的雷擊災(zāi)害事故發(fā)生，是桂林市最頻繁的落雷區(qū)之一。因此，必須對(duì)該大樓的供電系統(tǒng)采取有效防雷保護(hù)措施。

雷達(dá)大樓供電應(yīng)選用TN-S系統(tǒng)。從變壓器低壓端到雷達(dá)大樓的供電電纜直接埋地敷設(shè)，埋地電纜長(zhǎng)度不得小于35m。電纜金屬外皮、鋼管和金具等應(yīng)一起接入大樓等電位匯集排，特殊情況需獨(dú)立接地時(shí)，其接地電阻不得大于1歐姆。

對(duì)雷達(dá)大樓供電系統(tǒng)應(yīng)安裝三級(jí)電涌保護(hù)器（SPD），以求對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行有效防雷保護(hù)。

在低壓電源總配電盤上安裝雷電通流量標(biāo)稱值125KA的進(jìn)口電涌保護(hù)器進(jìn)行第一級(jí)保護(hù)（10/350μS）；

在雷達(dá)樓底層分配電盤上安裝雷電通流量標(biāo)稱值60KA的進(jìn)口電涌保護(hù)器進(jìn)行第二級(jí)保護(hù)（8/20μS）；

在網(wǎng)絡(luò)中心機(jī)房UPS的輸出端安裝雷電通流量標(biāo)稱值7KA的進(jìn)口精密電涌保護(hù)器（SPD），作為最后一級(jí)保護(hù)，徹底濾除電源上的各種高頻雜波對(duì)主機(jī)的干擾。

雷達(dá)天線罩頂部的航空障礙燈、大樓裝飾用彩燈、輪廓燈等的供電線路均應(yīng)安裝電涌保護(hù)器。

b.信號(hào)系統(tǒng)、天饋系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)

雷達(dá)樓是一個(gè)綜合性大樓，除塔樓頂端安裝有雷達(dá)外，裙樓樓頂還安裝有多座衛(wèi)星天線、VHF天線；室內(nèi)的計(jì)算機(jī)通信傳輸?shù)染亲庥霉鹆质须娦啪值碾娎|線路。因此，為避免或減少室內(nèi)設(shè)備遭受雷電入侵，對(duì)所有進(jìn)出大樓的信號(hào)線、天饋線必須采取一到二級(jí)防感應(yīng)雷保護(hù)措施。選擇信號(hào)、天饋電涌保護(hù)器，其接口、傳輸速率、啟動(dòng)電壓、特性阻抗、響應(yīng)時(shí)間、頻帶寬帶、插入損耗均應(yīng)符合系統(tǒng)要求。本設(shè)計(jì)選用進(jìn)口系列信號(hào)避雷器。

（2）接地處理

接地是防雷技術(shù)最重要的環(huán)節(jié)之一，不論是直擊雷防護(hù)還是雷的靜電感應(yīng)，電磁感應(yīng)和雷電波入侵的防護(hù)技術(shù)，最終都是把電流送入大地。

電涌保護(hù)器接地（接至等電位連接排）的導(dǎo)線要短而直，長(zhǎng)度一般不應(yīng)大于0.5m。用25mm²（最后級(jí)用6mm²）多股銅芯線將各個(gè)電涌保護(hù)器（SPD）的接地端子并聯(lián)接至主樓各層預(yù)留的共用接地匯集排上。確保接地牢固可靠。

4 結(jié)語

隨著建筑設(shè)計(jì)市場(chǎng)的開放，建筑外形越趨復(fù)雜，給建筑物防雷裝置的設(shè)計(jì)帶來新的挑戰(zhàn)，這就需要設(shè)計(jì)人員對(duì)規(guī)范中的相關(guān)條文、公式有準(zhǔn)確的理解，同時(shí)與各專業(yè)密切配合，制定出合理、經(jīng)濟(jì)、美觀的防雷裝置設(shè)計(jì)方案。