超高層建筑的智能化防雷

尹 群

(上海優(yōu)泰歐申機電有限公司, 上海 201600)

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超高層建筑的智能化防雷

尹 群

(上海優(yōu)泰歐申機電有限公司, 上海 201600)

介紹了超高層建筑在電涌保護運行管理中面臨的問題,闡述了上海中心大廈項目中的歐申雷電保護智能管理系統(tǒng),提出了針對電涌保護器劣化的有效解決方案,分析了超高層建筑中雷電保護智能管理系統(tǒng)的特點和組網(wǎng)技術(shù),通過智能網(wǎng)關(guān)將RS-485總線信號轉(zhuǎn)換為標準網(wǎng)絡(luò)信號,通過光纖上傳到主機進行實時監(jiān)控。

高層建筑; 雷電保護智能管理系統(tǒng); 電涌保護器; 經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

0 引 言

超高層建筑的建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜,各種電氣、電子設(shè)備密集分布,樓宇自動化管理程度高,電子電氣設(shè)備容易受線路上的各種過電壓和空間電磁脈沖干擾的影響,其高度決定了超高層建筑受雷擊的概率大。所以,工程設(shè)計人員都以國家標準GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》[1]中最高的A類建筑進行防雷保護的設(shè)計,以提高防雷的攔截效率。

超高層建筑防雷的重要性已被人們廣泛接受,但安裝電涌保護器(Surge Protective Device,SPD)以后的運行安全卻很少有人關(guān)注。本文結(jié)合上海中心大廈,探討了歐申雷電保護智能管理系統(tǒng)如何運用智能化的技術(shù),實現(xiàn)超高層建筑的防雷。

1 建筑電氣防雷保護現(xiàn)狀

國內(nèi)現(xiàn)有建筑電氣防雷設(shè)施運行管理水平落后,普遍存在重安裝輕維護管理的現(xiàn)象,導(dǎo)致用戶花費了大量的經(jīng)費,防雷保護效果并不理想,甚至還因SPD過載后的故障導(dǎo)致次生災(zāi)害的發(fā)生,如起火事故,主要災(zāi)害的發(fā)生有以下兩方面原因。

(1) 常見防雷設(shè)施的維護手冊和用戶內(nèi)部維護規(guī)則,都會要求定期由維護人員對防雷設(shè)施進行現(xiàn)場檢測和檢查。對于小規(guī)模的防雷系統(tǒng),可以滿足多頻次的巡視檢查,但對于大規(guī)模的防雷系統(tǒng),人工檢查的方式存在兩個明顯的問題:① 耗費大量的人力,周期長,檢查人員的檢測設(shè)備是否專業(yè),檢測的質(zhì)量是否保證,特別是大規(guī)模設(shè)施以及超高層建筑,配備SPD的配電箱及設(shè)備數(shù)量龐大。因此,實際情況是多數(shù)用戶最后都放棄了定期檢查;② 即使經(jīng)常檢查,但是在雷雨季節(jié)中雷擊是無規(guī)律的,同時由于SPD本身的非線性特性,使得SPD的劣化程度無法在現(xiàn)有參數(shù)的基礎(chǔ)上預(yù)測,SPD遭受雷擊損壞也是分散特性,維護人員不可能通過一二次檢查來避免雷擊事故。所以,提高檢測手段的技術(shù)水平是目前實現(xiàn)安全防雷迫切而又現(xiàn)實的需要。

(2) 電源SPD在劣化失效過程中,如果過載失效后的熱保護和過電流保護裝置不能有效動作,SPD會發(fā)生燃燒起火的現(xiàn)象。由于目前電源SPD的核心保護元件基本都是氧化鋅(ZnO)的壓敏電阻(MOV),該類元件最終的劣化現(xiàn)象就是擊穿短路,在工頻電流下溫度達幾百攝氏度,導(dǎo)致塑料外殼燃燒。雖然SPD要求設(shè)置熱脫扣(熱保護)裝置和過電流保護裝置,但由于目前部分SPD供應(yīng)商失效保護技術(shù)落后,導(dǎo)致一旦電源SPD過載失效短路,后備保護常常形同虛設(shè)。避免電源SPD過載后的短路和過電流,是杜絕電源SPD發(fā)生火災(zāi)、斷電事故的關(guān)鍵。

2 項目概況

上海中心位于上海浦東陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)核心區(qū),主體建筑總高度為632 m,地上127層,地下5層,總建筑面積為57.6萬m2,集辦公、酒店、會展、商業(yè)、觀光等功能于一體。業(yè)主在進行防雷系統(tǒng)招標時,除了對防雷技術(shù)參數(shù)提出了較高要求外,特別提出了針對超高層建筑最關(guān)心的電氣安全問題,其中就有能否避免SPD由于劣化可能發(fā)生的起火事故。最終業(yè)主方和總包方采用歐申雷電保護智能管理系統(tǒng),特有的電源SPD劣化預(yù)警技術(shù)能完全滿足業(yè)主方的要求,同時智能網(wǎng)關(guān)服務(wù)器解決了上海中心近3 000個保護點連續(xù)、高速采集數(shù)據(jù)的難題。

3 雷電保護智能管理系統(tǒng)

3.1 使用的新技術(shù)

歐申雷電保護智能管理系統(tǒng)采用工業(yè)級的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA),現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過RS-485到達智能網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。該服務(wù)器將前端數(shù)據(jù)進行處理和緩存,同時作為工作站進行局部監(jiān)控;網(wǎng)關(guān)服務(wù)器將處理后的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)高速網(wǎng)絡(luò)傳輸至管理中心的監(jiān)控管理平臺,實現(xiàn)集中管理、分散控制。通過對SPD運行參數(shù)的準確測量,實現(xiàn)SPD使用狀態(tài)、劣化過程的實時監(jiān)測,采用“性能劣化預(yù)警”和“完全失效報警”的二級報警方式,實現(xiàn)雷電保護的連續(xù)性、安全性,提高運行維護的智能化、網(wǎng)絡(luò)化,同時降低了運行維護的成本。

(1) 提供預(yù)警和報警二級報警方式。預(yù)警是指在SPD完全劣化失效前,測量參數(shù)達到預(yù)設(shè)閾值,系統(tǒng)輸出性能劣化預(yù)警,避免SPD因完全劣化后可能引起的次生災(zāi)害,如電源SPD起火以及信號SPD的中斷,此時仍有防雷保護功能。報警是指SPD完全劣化后,通過開關(guān)量信號輸出報警,而防雷保護功能停止。

(2) 科學(xué)的測量技術(shù)。作為一種預(yù)警模式的檢測技術(shù),可以完全滿足100%安全防雷的要求。電源SPD的保護器件主要是MOV。根據(jù)GB/T 27746—2011《低壓電器用金屬氧化物壓敏電阻器(MOV)技術(shù)規(guī)范》[2],判別MOV故障與劣化有6種模式,而唯一可以在工程中采用的是剩余電流爬升失效模式。通過測量每個防雷模塊的剩余電流指標,從而準確判別SPD使用壽命,發(fā)出劣化預(yù)警和失效報警信號。對于信號SPD,通過讀取沖擊電流的幅值和波形系數(shù),對其使用壽命做出檢測和預(yù)警。

(3) 針對防雷系統(tǒng)而設(shè)計的數(shù)據(jù)采集和通信設(shè)備。采用高精度的電流互感器作為測量SPD參數(shù)的傳感器,RS-485通信端口和智能網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)通信接口采用隔離技術(shù)來防止感應(yīng)電涌沖擊,系統(tǒng)采用獨立12 V供電。各項措施都為了避免測量單元和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備在SPD泄放電涌時,強大的脈沖電流對A/D高速轉(zhuǎn)換芯片等低壓元件造成電磁干擾損害。如與第一級電源SPD安裝在一起的數(shù)據(jù)采集終端,可以在SPD通過25 kA(10/350 μs)電流時仍正常工作[3-4]。

(4) 科學(xué)、靈活、可擴展的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。智能網(wǎng)關(guān)服務(wù)器將前端各種SPD的實時數(shù)據(jù)進行本地處理,減輕了后臺軟件的處理壓力,避免數(shù)據(jù)集中報警時運行緩慢,甚至死機。智能網(wǎng)關(guān)具備數(shù)據(jù)處理和報警的功能,即使主機癱瘓,也可以實現(xiàn)子站的獨立工作和數(shù)據(jù)保存。

(5) 強大的雙向兼容性。除了SPD的狀態(tài)監(jiān)測,智能網(wǎng)關(guān)還可以接受其他(如視頻監(jiān)控、機房參數(shù)監(jiān)控、大樓BA管理等)標準信號輸入。SPD數(shù)據(jù)采集終端也可以作為獨立前端測量單元,提供標準RS-485通信協(xié)議,接入第三方的監(jiān)控系統(tǒng)。

3.2 超高層建筑安全防雷的選擇

針對超高層的特殊性,結(jié)合上述雷電保護設(shè)施運行維護上存在的安全和管理方面的要求,提出了用自動化技術(shù)手段代替人工操作,用計算機代替人工管理,從而完全實現(xiàn)防雷保護設(shè)施24 h安全運行,提高防雷安全管理水平。

超高層建筑雷電保護智能管理系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能:

(1) 電源SPD劣化過程預(yù)警。應(yīng)通過測量SPD運行參數(shù),對SPD的劣化過程進行連續(xù)監(jiān)測,在SPD完全失效前提供預(yù)警,提供維護人員足夠時間進行故障隱患的事先排除,實現(xiàn)100%防雷安全。

(2) 電源SPD完全失效報警。

(3) 電源SPD外置過電流保護裝置的狀態(tài)監(jiān)測及報警。

(4) 監(jiān)測防雷模塊的插拔狀態(tài),避免人為誤拔插。

(5) 室內(nèi)感應(yīng)雷的雷擊計數(shù)功能,同時記錄雷擊時間,用作本地過電壓沖擊密度分析、雷擊事故分析的參考數(shù)據(jù)。

(6) 整個系統(tǒng)通信狀態(tài)監(jiān)測,實時監(jiān)測每個通信節(jié)點,對網(wǎng)絡(luò)的實時通信狀態(tài)進行管理和故障報警。

需要的軟件功能如下:

(1) 顯示每個SPD的平面和立體空間位置,便于維護人員查找。

(2) 記錄每個SPD和通信節(jié)點的運行狀態(tài)、運行參數(shù)、報警記錄、維護更換記錄。

(3) 各種預(yù)警、報警功能,軟件可以設(shè)置屏幕虛擬聲光報警、短信輸出報警、自動郵件報警、電話報警、輸出外接報警設(shè)備,實現(xiàn)多通道同步分級報警與定向報警。

(4) 系統(tǒng)內(nèi)置運行日志,實現(xiàn)歷史事件記錄、存儲、查詢、列表、統(tǒng)計、自動報表生成、歷史數(shù)據(jù)分析。

(5) 先進的管理功能,支持權(quán)限分級管理、查詢,實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的高效管理。

3.3 經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

超高層建筑中使用的SPD數(shù)量多,布線距離長,故合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計尤為重要。上海中心的雷電保護智能管理系統(tǒng)采用RS-485總線方式進行信號傳輸,通過智能網(wǎng)關(guān)將RS-485總線信號進行數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)換為標準網(wǎng)絡(luò)信號,通過光纖上傳主機進行實時監(jiān)控。系統(tǒng)主要由感知層、中間層、應(yīng)用層組成[5-6]。

雷電保護智能管理系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雷電保護智能管理系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

(1) 感知層。各種防雷設(shè)施及數(shù)據(jù)監(jiān)測終端,包括電源SPD及其數(shù)據(jù)采集終端、信號SPD及其數(shù)據(jù)采集終端以及接地電阻、等電位、直擊雷記錄等。

(2) 中間層。負責(zé)將現(xiàn)場前端設(shè)備的RS-485總線信號進行數(shù)據(jù)本地處理,然后轉(zhuǎn)換成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸信號,送達應(yīng)用層,從而實現(xiàn)設(shè)備綜合組網(wǎng)、地址查詢等功能。中間層主要由智能網(wǎng)關(guān)服務(wù)器及為前端設(shè)備集中供電的開關(guān)電源組成。

(3) 應(yīng)用層。提供Windows操作界面及專用軟件,可進行人機對話,具有實時在線監(jiān)控功能,包括監(jiān)控主機(Windows操作界面主機)、防雷管理軟件(進行綜合防雷信息處理,并提供友好的人機對話界面)、數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器(可建立獨立數(shù)據(jù)庫,保存監(jiān)控范圍內(nèi)防雷設(shè)施的綜合數(shù)據(jù))。

4 結(jié) 語

本文介紹了上海中心大廈項目中采用的電源SPD智能化管理系統(tǒng),分析了超高層建筑在電涌保護運行管理中面臨的問題。提出歐申雷電保護智能管理系統(tǒng)的電源SPD劣化預(yù)警技術(shù)能完全滿足業(yè)主方的要求,智能網(wǎng)關(guān)服務(wù)器解決了上海中心近3 000個保護點連續(xù)、高速的數(shù)據(jù)采集。

[1] 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范:GB 50343—2012[S].

[2] 低壓電器用金屬氧化物壓敏電阻器(MOV)技術(shù)規(guī)范:GB/T 27746—2011[S].

[3] 馬林.住宅小區(qū)低壓配電系統(tǒng)防雷措施[J].現(xiàn)代建筑電氣,2015,6(8):12-14.

[4] 曾旭東.電源電涌保護器沖擊電流和標稱電流的確定[J].現(xiàn)代建筑電氣,2015,6(1):17-18.

[5] 高云鵬，崔浩，章程.計算機機房防雷檢測注意事項[J].現(xiàn)代建筑電氣,2015,6(4):47-48.

[6] 吳超.軌道交通防雷、防靜電檢測技術(shù)[J].現(xiàn)代建筑電氣,2015,6(12):29-31.

Intelligent Lightning Protection of Super High-rise Building

YIN Qun

(Shanghai Eurotect Electric Co., Ltd., Shanghai 201600, China)

This paper introduced the problems of surge protection management in high-rise building.The Eurotec intelligent lightning protection management system used in Shanghai Tower was elaborated,and the effective solution for the degradation of surge protective device was proposed.The characteristics and networking technology of the intelligent lightning protection management system were analyzed in high-rise building.The RS-485 bus signal is converted into the standard network signal through the intelligent gateway,and the standard network signal is transmitted to the host through the optical fiber,which realizes the real-time monitoring.

high-rise building; intelligent lightning protection management system; surge protective device; classic network architecture

尹 群(1969—),男,工程師,從事220/380 V及以下配電和信號系統(tǒng)電涌保護器的研發(fā)及工程應(yīng)用。

TU 856

B

1674-8417(2016)11-0042-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.11.012

2016-09-26