淺談揭陽中專新宿舍樓防雷

陳浩堅+盧尉+盧孟杰

摘要：學校是公共場所，人員密集，它擔負著教書育人的重任。做好學校的防雷安全是一項重要的工作，不僅關系到在校師生的生命安全，還與千千萬萬個家庭的幸福息息相關。本文針對廣東省揭陽地區(qū)中專學校的新宿舍樓所處的位置環(huán)境、建構特征、雷電活動規(guī)律、電子設施、線路分布等一系列情況進行綜合分析研究，設計出一套綜合雷電防防護系統(tǒng)。確保學校師生的生命財產(chǎn)安全，以及促進教育事業(yè)的快速、健康發(fā)展。

關鍵詞：新宿舍樓；防雷工程；防雷安全

1.引言

雷電是在大氣中的電、光、聲等的物理現(xiàn)象，雷電發(fā)生時帶有強大的雷電流，其電流峰值可達數(shù)十千安或數(shù)百千安的瞬間電流，同時發(fā)出耀眼的光芒并伴隨有爆炸的轟鳴聲。在氣象資料記載中表明，地球上每秒鐘平均約有100次雷閃發(fā)生，根據(jù)雷閃發(fā)生的空間位置分布，可分為云內(nèi)閃、云際閃和云地閃，其中云內(nèi)閃和云際閃統(tǒng)稱為云閃，而云地閃稱為地閃，又稱為落地閃，落地閃對人類構成的危險性幾率相對比較高，所以落地閃是雷電防護系統(tǒng)中的主要研究對象。發(fā)生雷閃時，閃電中的強大雷電流產(chǎn)生了巨大的破壞力和很強的電磁干擾，這是引發(fā)自然界十大災害的之一。

2.新宿舍樓實地勘察

2.1結構參數(shù)及周邊環(huán)境

揭陽市中專業(yè)學校新宿舍樓項目位于揭陽市空港區(qū)中心大道，地勢平坦、周邊無其它高層建筑物或高壓線塔等。該新建宿舍樓總建筑面積為：7215.8平方米，低層基低面積為：1185.0平方米，宿舍樓共有2棟：1棟建筑面積：3574.2平方米（長：39.6m寬：12.5m高：25.3m）；2棟建筑面積：3641.6平方米（長：39.6m寬：12.5m高：25.3m）；宿舍樓層數(shù)為：7層，高度均在25.3米。

新宿舍第一棟規(guī)模：普通宿舍68間，每間6人，合計住人：408人；北側：與擬建宿舍樓2棟（7F）相距24.2m；東側：與已建宿舍樓（7F）相連，共用疏散通道；南側、西側：為校園運動場；

新宿舍樓第二棟規(guī)模：普通宿舍70間，每間6人，合計住人：420人；北側：為18m空地和35m寬排水干渠；南側：與擬建宿舍樓1棟（7F）相距24.2m；東側：與已建宿舍樓（7F）相連，共用疏散通道；西側：空地；

兩棟宿舍樓累計入住學生為：828名。

2.2電源線路配套

根據(jù)該新建宿舍樓電氣設計要求配套有：照明系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、電熱水器等；在各棟新宿舍樓的第一層各設置有分配電箱，采用TN-S接地形式；各樓層的樓梯口處設置有樓層控制配電箱，兩棟7層的宿舍樓共有14處樓層控制配電箱；每間房間都配備有電熱水器、電話機和網(wǎng)絡信號線路等；如沒有做好相應的雷電防護措施，一旦建筑物遭受雷擊，雷電流將直接引入室內(nèi)傷及人員或損壞設備，引發(fā)的后果將不堪設想，況且在學校這種人員密集的公共場所，所以做好新建宿舍樓的雷電綜合防護系統(tǒng)是迫在眉睫的。

2.3雷電活動規(guī)律

揭陽市中專業(yè)學校新宿舍樓所在位置信息的采集是利用現(xiàn)代衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS定位儀對本項目進行定位（經(jīng)度：116°25.294′緯度：23°30.133′），以該宿舍樓為中心的9平方公里內(nèi)，根據(jù)新宿舍樓所處的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)從廣東省雷電監(jiān)測網(wǎng)提取1999-2012年的雷電數(shù)據(jù)可以統(tǒng)計分析得出雷電流區(qū)間分布對應的概率，并分別計算出雷電流平均值和最大值，如右圖2為新宿舍樓所在區(qū)域范圍年平均雷電流概率情況；可得出，該區(qū)域年雷電流幅值主要集中在60kA以內(nèi)，占總的百分之95.3。

2.4實測土壤電阻率

選取了揭陽市中專宿舍樓所在地（116°25.294′E，23°30.133′N）的土壤電阻率進行測試，當日天氣情況為晴天，據(jù)現(xiàn)場觀察，土壤含水量較低，所以季節(jié)系數(shù)取1.0，得出土壤電阻率為：12.09Ω·m。

土壤電阻率是對土壤的導電性能情況進行的判斷，一般是在該新建筑物所在位置的區(qū)域采取1立方米的正方體的土壤兩端間施加一定額度的電流，對該土壤電流的導電性能進行測試。土壤的電阻率情況測試用ρ表示，單位為歐姆每米（Ω·m）。

在國內(nèi)最常用的土壤電阻率測量方法一般是采取“四極測探法”操作方式相對較為簡單，能準確的測量出土壤電阻率，且誤差較小，基本能滿足工程測量要求。通過現(xiàn)場取樣檢測，揭陽市中專宿舍樓所在地土壤類型為田土。

2.5新宿舍樓防雷類別

已知揭陽市中專業(yè)學校新宿舍樓的建構尺寸情況（長：39.6m；寬：12.5m；高：25.3m兩棟結構尺寸相同）和當?shù)氐哪昶骄妆┤仗鞌?shù)為Td =74.3天/年等相關數(shù)據(jù)，可以通過計算公式計算得出該建筑物的等效面積和年預計雷擊次數(shù)，得出結果依據(jù)GB50057-2010《建筑物防雷設計規(guī)范》來確定該新宿舍樓的防雷類別，推導計算結果該工程屬于第二類防雷建筑設計，計算結果：根據(jù)GB50057-2010《建筑物防雷設計規(guī)范》“第3.0.3條第九款：預計雷擊次數(shù)大于0.05次/a的部、省級辦公建筑物及其他重要或人員密集的公共建筑物”該新宿舍樓應劃分為第二類防雷建筑物。

3.雷電侵入建構筑物途徑

3.1直接雷擊

雷電直接擊打在大地或建構筑物、人員、植物、牲畜等的放電現(xiàn)象，瞬間能引起雷擊物體內(nèi)產(chǎn)生的熱效應、機械效應和沖擊波等；假如直接擊打在建筑物上時，在電動力作用的下，建筑物內(nèi)的導體之間會相互吸引或排斥，應發(fā)強烈變形或折斷。由于雷電流幅值很高，而作用的時間極短，在強電流瞬間流入樹木或建筑構件時，在其內(nèi)部瞬時產(chǎn)生大量熱量，在極短的時間內(nèi)熱量來不及消散，致使物體內(nèi)部的水分被大量蒸發(fā)成水蒸汽，并迅速膨脹，從而產(chǎn)生巨大的爆炸力，能夠使被擊樹木劈裂、建筑構件崩塌。

3.2感應雷擊

當雷擊發(fā)生后，局部地區(qū)的感應電荷不能在同樣短的時間內(nèi)消失，形成局部高電壓。這種由靜電感應產(chǎn)生的過電壓對接地不良的電氣系統(tǒng)有很強破壞作用，使接地不良的金屬器件之間發(fā)生火花，這對爆炸危險環(huán)境所而言，是非常危險的。另外，靜電感應或電磁感應形成的瞬間高電位都可通過金屬導體（如電源線、信號線）入侵建筑物內(nèi)的電氣設備而造成損害。endprint

感應雷擊能使電氣輸送線上瞬間感應產(chǎn)生處2000～20000A的浪涌電流，對建筑物內(nèi)的高精密度電子或敏感電子器件直接造成擊壞，考慮該新宿舍樓的電氣信息配套設施，感應雷擊一般采取在電源系統(tǒng)入戶處設置一級試驗浪涌防護SPD，兩棟新宿舍樓的前端設置二級試驗浪涌防護SPD，各參數(shù)搭配應根據(jù)該電源系統(tǒng)特征而定，且符合規(guī)范要求。

3.3電磁脈沖

由于雷電時放電時，雷電流中存在極大的陡坡和峰值，使周邊環(huán)境產(chǎn)生強大的電磁場，處在磁場范圍內(nèi)的金屬導體上瞬間會感應出很高的電動勢，磁場空間范圍內(nèi)產(chǎn)生強電磁或形成電磁波輻射，導致電磁脈沖波（LEMP）在三維空間里對電子設備產(chǎn)生影響，這種電磁波脈沖速度一般超過2.4GS（20KA/m），會對電子設備直接造成嚴重的損壞或出現(xiàn)故障。

當建筑物的外部防雷裝置接閃針、接閃網(wǎng)、接閃帶或金屬屋面等遭受雷擊時，瞬間強大的雷電流流經(jīng)引下線至接地裝置散流，此時在接地裝置兩端會產(chǎn)生危險的過電壓，會對附近的金屬物體（如金屬管道、鎧裝電纜線路）或設備自然接地線等進行引入建筑物內(nèi)，對設備進行破壞或傷及人員。

4.具體防雷方案設計

4.1外部防雷系統(tǒng)

建筑物的外部防雷接地系統(tǒng)LPS是用于直接截收雷擊的防雷裝置，將雷電流從雷擊點引導分流散入大地，從而保護了新宿舍樓避免遭受雷擊破壞。

4.1.1接閃器

揭陽市中專宿舍樓的天面層類為鋼筋混凝土屋面，接閃器設置安裝在宿舍樓天面層女兒墻上的陽角、外角處以及樓梯間上陽角處。

（1）鋼筋混凝土天面：宿舍樓天面層、女兒墻上四周明敷φ12mm鍍鋅圓鋼接閃帶，支持卡采用φ12mm鍍鋅圓鋼（高度0.15m，間距1.2m，拐彎處不超1.5m），避雷短針采用φ14mm鍍鋅圓鋼（針高0.5m），避雷網(wǎng)格不大于10m*10m并和接閃帶焊接連通，搭接處焊接面積要求雙面不小于6D，并做好腐蝕措施。

（2）突出天面的金屬物：金屬水池與接閃帶的等電位連接，采用鍍鋅扁鋼-40mm×4mm與接閃帶進行焊接連通，焊接要求扁鋼與金屬水池端的搭焊其扁鋼面積不少于三面施焊，扁鋼與天面φ12mm鍍鋅圓鋼接閃帶搭接處焊接面積要求雙面不小于6D，并做好腐蝕措施。

4.1.2接地裝置

（1）揭陽市中專宿舍樓的接地裝置采用基礎承臺地梁閉合形成網(wǎng)格狀地網(wǎng)，有利于平衡地電位和防止發(fā)生反擊。

（2）（2）利用結構基礎作為接地裝置時，要特別注意增加樁的利用系數(shù)大于或等于0.5，并要求有效的電氣連接。

（3）要求項目內(nèi)各建（構）筑物采用綜合接地系統(tǒng)，防雷接地、防靜電接地、電氣設備工作接地、保護接地的接地等，其電阻不應大于4Ω。

（4）項目應根據(jù)需求預留下列各類接地端子：電氣接地預留端子采用不小于φ12mm的圓鋼或-40mm×4mm的熱鍍鋅扁鋼，長度不小于200mm，高度200mm-300mm。

（5）接地裝置主要陽角處應靠近或與引下線一起設置接地電阻測試端子，設置高度距室外地坪不低于300mm為宜，并設置明顯標志。

4.2內(nèi)部防雷接地系統(tǒng)設計

根據(jù)該新宿舍樓的內(nèi)部的配套設施情況分析，防雷設計的主要任務是防止各類因雷電間接效應產(chǎn)生的各種損害。結合防雷區(qū)的劃分情況，綜合運用各類防護措施，對各類電子信息系統(tǒng)進行綜合防護。

4.2.1防雷等電位連接

等電位設置主要是在雷電防護區(qū)的交接處，首先，在該宿舍樓直擊雷非防護區(qū)（LPZ0A）或直擊雷防護區(qū)（LPZ0B）與第一防護區(qū)（LPZA）的界面處設置總等電位連接端。具體的新宿舍樓等電位連接部分與具體施工要求：

（1）總等電位連接都設在宿舍樓一層樓梯口處分配電箱的附近，外引進入宿舍樓的電源接地保護線、通信線路、網(wǎng)絡信號線路等采用PE干線16mm2多股接地銅線VBR做等電位連接線連接到接地母排，接地母排上的接地PE母線采用25mm2多股接地銅線VBR與宿舍樓的自然基礎接地極連接；接地母排MEB端子板的具體規(guī)格材料要求：（尺寸mm：5×40×200；接線端子數(shù)：8個M6螺栓、帶螺帽、戒指；表面處理：鍍鋅；抗擊性：可抗>300kA的雷電流沖擊；材質(zhì)：紫銅；使用環(huán)境：室內(nèi)、戶外、配電柜內(nèi)；）

（2）進入新宿舍樓的金屬套管需與防雷系統(tǒng)做等電位連接，等電位連接線材料采用16mm2多股接地銅線進行可靠連接。

4.2.2綜合布線

在新宿舍樓區(qū)的線路敷設過程中避免產(chǎn)生較大的環(huán)路或相互干擾而導致因環(huán)路感應產(chǎn)生較高的過電壓或干擾電壓而損壞工程物體，應采取科學合理的布線方式，盡可能不出現(xiàn)較大的感應環(huán)路，避免線路相互干擾。

為了減少電磁干擾的感應效應，一般采取的屏蔽的基本措施是：

（1）在新宿舍樓的外部設屏蔽措施，以合適的路徑敷設線路，線路屏蔽。

（2）新宿舍樓中的大型金屬物體全部等電位連接起來，形成電氣通路連接到新宿舍樓的接地裝置上，從而改善電磁環(huán)境。

（3）在需要保護的空間內(nèi)，當采用屏蔽電纜時，其屏蔽層在兩端接地，宜在防雷區(qū)交界處做等電位連接，當系統(tǒng)要求只在一端做等電位連接時，應采用兩層屏蔽。

信號線路的防浪涌保護措施：

（1）宿舍樓共有10部電話信號交換機，一路電話信號從室外引入宿舍樓1，在進線處安裝信號電話信號防雷器，安裝的具體參數(shù)（額定工作電壓Un：110V；最大持續(xù)運行電壓Uc：130V；最大放電電流Imax：10kA；限制電壓Up：≤250V；絕緣電阻：≥0.4MΩ；插入損耗：≤0.5dB）；電話信號防雷器的接地線和交換機的接地保護線PE連接到建筑防雷接地系統(tǒng)中，PE接地線的截面不小于6mm2，并進行可靠的連接。

（2）兩棟宿舍樓共用8臺以太網(wǎng)網(wǎng)絡交換機和1臺光端路由器，分別在網(wǎng)絡信號的進線處安裝網(wǎng)絡信號防雷器，具體參數(shù)（額定工作電壓Un：5V；最大持續(xù)運行電壓Uc：5.8V；最大放電電流Imax：10kA；限制電壓Up：≤500V；絕緣電阻：≥0.4MΩ；插入損耗：≤0.5dB；接口形式：RJ45）；網(wǎng)絡信號防雷器的接地保護線PE與交換機的接地保護端一起連接到建筑防雷接地系統(tǒng)中，采用PE接地線的截面不小于6mm2，并進行可靠的連接。

5.結論

為了打造平安校園環(huán)境，減少雷擊災害事故的發(fā)生，本文通過引用防雷行業(yè)相關標準，借鑒有關新建宿舍樓防雷的文獻和通過當?shù)貧庀蟛块T調(diào)查獲取該新宿舍樓所處地理位置的氣象相關資料，針對地區(qū)的地形地貌、雷暴情況、建筑物特征、人員密集場所等方面進行綜合考慮，設計出一套符合該新宿舍樓的綜合雷電防護系統(tǒng)，有效的保障該新宿舍樓在雷雨天氣來臨時起到雷電的防御作用。

參考文獻：

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